自動控制系統(tǒng)概述課件

1、第1章 自動控制系統(tǒng)概述 1.1引言1.2 開環(huán)控制和閉環(huán)控制 1.3 自動控制系統(tǒng)的組成 1.4 自動控制系統(tǒng)的分類 1.5 自動控制系統(tǒng)的性能指標 1.6 研究自動控制系統(tǒng)的方法 1.1 自動控制理論的發(fā)展史及內容 在工業(yè)、 農(nóng)業(yè)、 交通運輸和國防各個方面，凡要求較高的場合，都離不開自動控制。 所謂自動控制， 就是在沒有人直接參與的情況下， 利用控制裝置對生產(chǎn)過程、 工藝參數(shù)、 目標要求等進行自動的調節(jié)與控制， 使之按照預定的方案達到要求的指標。 自動控制系統(tǒng)性能的優(yōu)劣， 將直接影響到產(chǎn)品的產(chǎn)量、 質量、 成本、 勞動條件和預期目標的完成。 自動控制技術的應用可以追溯到18世紀(1788年

2、)瓦特(Watt)利用小球離心調速器使蒸汽機轉速保持恒定的開創(chuàng)性的突破， 以及19世紀(1868年)麥克斯威爾（Maxwell）對輪船擺動（穩(wěn)定性）的研究。 但在初期， 自動控制技術的應用進展很緩慢。 自動控制技術的真正發(fā)展是在20世紀。 自動控制理論通?？煞譃榻?jīng)典控制理論、 現(xiàn)代控制理論和智能控制理論。 1、經(jīng)典控制理論 經(jīng)典控制理論產(chǎn)生并發(fā)展于20世紀4060年代。 2、現(xiàn)代控制理論 現(xiàn)代控制理論于20世紀60年代中期發(fā)展成熟。 3、智能控制理論 智能控制理論是20世紀70年代后， 控制理論向廣度和深度發(fā)展的結果。 智能控制系統(tǒng)是指具有某些仿人智能的工程控制與信息處理系統(tǒng)， 其中最典型的就

3、是智能機器人。 對自動控制理論的具體描述可表示為下圖。 對自動控制理論的具體描述 1.2 開環(huán)控制和閉環(huán)控制 1、開環(huán)控制系統(tǒng)(OpenLoop Control System) 若系統(tǒng)的輸出量不被引回來對系統(tǒng)的控制部分產(chǎn)生影響， 則這樣的系統(tǒng)稱為開環(huán)控制系統(tǒng)。 圖 1 - 1 數(shù)控加工機床示意圖 圖 1 - 2 為數(shù)控加工機床開環(huán)控制框圖。 此系統(tǒng)的輸入量為加工程序指令， 輸出量為機床工作臺的位移， 系統(tǒng)的控制對象為工作臺， 執(zhí)行機構為步進電動機和傳動機構。 此系統(tǒng)無反饋環(huán)節(jié)， 輸出量并不返回來影響控制部分， 因此是開環(huán)控制。 圖 1 2 數(shù)控加工機床開環(huán)控制框圖 2、閉環(huán)控制系統(tǒng)(Close

4、dLoop Control System) 若系統(tǒng)輸出量通過反饋環(huán)節(jié)返回來作用于控制部分， 形成閉合環(huán)路， 則這樣的系統(tǒng)稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)， 又稱為反饋控制系統(tǒng)(Feedback Control System)。 圖 1 - 3 電爐箱恒溫自動控制系統(tǒng) 圖 1 - 4 電爐箱自動控制系統(tǒng)的組成框圖 圖 1 5 爐溫自動調節(jié)過程 1.3 自動控制系統(tǒng)的組成 現(xiàn)以圖 1 - 3和圖 1 - 4 所示的恒溫控制系統(tǒng)來說明自動控制系統(tǒng)的組成和有關術語。 圖 1 - 6 自動控制系統(tǒng)的組成框圖 由圖 1 - 6 可以看出， 一般自動控制系統(tǒng)包括： (1) 給定元件（Command Element）： 由它

5、調節(jié)給定信號（UsT）， 以調節(jié)輸出量的大小。 (2) 檢測元件（Detecting Element）： 由它檢測輸出量（如爐溫T）的大小， 并反饋到輸入端。 (3) 比較環(huán)節(jié)（Comparing Element）： 在此處， 反饋信號與給定信號進行疊加， 信號的極性以“+”或“-”表示。 (4) 放大元件（Amplifying Element）： 由于偏差信號一般很小， 因此要經(jīng)過電壓放大及功率放大， 以驅動執(zhí)行元件。 (5) 執(zhí)行元件（Executive Element）： 驅動被控制對象的環(huán)節(jié)。 (6) 控制對象（Controlled Plant）： 亦稱被調對象。 (7) 反饋環(huán)節(jié)（F

6、eedback Element）： 由它將輸出量引出， 再回送到控制部分。 由圖 1 - 6 可見， 系統(tǒng)中的各種作用量和被控制量包括： (1) 輸入量（Input Variable）： 又稱控制量或調節(jié)量（Reference Input Variable）， 所以輸入量的角標常用i(或 r)表示。它通常由給定信號電壓構成,或通過檢測元件將非電輸入量轉換成信號電壓。 (2) 輸出量（Output Variable）： 又稱被控制量（Controlled Variable）, 所以輸出量角標常用o(或 c)表示。它是被控制對象的輸出，是自動控制的目標。 (3) 反饋量（Feedback Vari

7、able）： 通過檢測元件將輸出量轉變成與給定信號性質相同且數(shù)量級相同信號電壓。 (4) 擾動量（Disturbance Variable）: 又稱干擾或“噪聲”（Noise）， 所以擾動量的角標常以d（或n）表示。 它通常指引起輸出量發(fā)生變化的各種因素。 (5) 中間變量(Semifinisbed Variable)： 系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)之間的作用量。 【例1-1】 水位控制系統(tǒng)。 圖1-7 水位控制系統(tǒng)示意圖圖1-8 水位控制系統(tǒng)的組成框圖2.工作原理3.自動調節(jié)過程直至Q1=Q2,H=H0，UB=UA，U=0時，電動機停轉為止圖1-9 水位控制系統(tǒng)的自動調節(jié)過程 【例1-2】 位置跟隨系統(tǒng)。1

8、、系統(tǒng)的組成圖1-10 位置跟隨系統(tǒng)示意圖圖1-11 雷達天線位置跟隨系統(tǒng)框圖2、工作原理 圖1-12 雷達天線位置跟隨自動調節(jié)過程 1.4 自動控制系統(tǒng)的分類 自動控制系統(tǒng)可以從不同的角度來進行分類， 常見的有以下幾種。 1、按輸入量變化的規(guī)律分類 自動控制系統(tǒng)按輸入量變化的規(guī)律可分為以下三類。 1) 恒值控制系統(tǒng)(Fixed Set-Point Control System) 恒值控制系統(tǒng)的特點是： 系統(tǒng)的輸入量是恒量， 并且要求系統(tǒng)的輸出量相應地保持恒定。 2) 隨動系統(tǒng)（Follow-Up Control System） 隨動控制系統(tǒng)又稱伺服系統(tǒng)（Serve-System）， 其特點是

9、： 輸入量是變化著的（有時是隨機的）， 并且要求系統(tǒng)的輸出量能跟隨輸入量的變化而作出相應的變化。 在數(shù)控機床控制系統(tǒng)中,目前國內用得較多 得兩種系統(tǒng):德國西門子數(shù)控系統(tǒng)(SINUMER1K 810D)主軸交流高速變頻調速電機(恒值控制)轉速可達15000r/min(銑刀、齒輪)刀架位置隨動系統(tǒng)交流伺服電動機(變頻) 系統(tǒng)如下圖所示： 日本FANUC數(shù)控系統(tǒng)下圖為FANUC數(shù)控系統(tǒng)：交流變頻伺服系統(tǒng)(刀架精確定位) 3) 過程控制系統(tǒng)(Process Control System) 過程控制系統(tǒng)的特點是： 輸入量按照一定的時間函數(shù)變化， 并且要求輸出量隨之變化。對其中的每一個局部，它們可能是一種

10、隨動控制系統(tǒng)，也可能是按程序指令變化的恒值控制系統(tǒng)。食品加工的在線調和流量控制如生產(chǎn)調和油 化工廠中的溫度、壓力、流量的控制 發(fā)電廠的生產(chǎn)控制木屑發(fā)電原理 2、按系統(tǒng)傳輸信號對時間的關系分類 自動控制系統(tǒng)按系統(tǒng)傳輸信號對時間的關系可分為兩類。 1) 連續(xù)控制系統(tǒng)（Continuous Control System） 連續(xù)控制系統(tǒng)的特點是：各元件的輸入量或輸出量都是連續(xù)量或模擬量， 因此它又稱為模擬控制系統(tǒng)（Analogue Control System）。連續(xù)控制系統(tǒng)的運動規(guī)律通常可用微分方程來描述。 2) 離散控制系統(tǒng)(Discrete Control System) 離散控制系統(tǒng)又稱采樣數(shù)

11、據(jù)控制系統(tǒng)（Sampted-Date Control System）。 它的特點是： 系統(tǒng)中有的信號是脈沖序列或采樣數(shù)據(jù)量或數(shù)字量。 3、按系統(tǒng)的輸出量和輸入量間的關系分類 自動控制系統(tǒng)按系統(tǒng)的輸出量和輸入量間的關系可分為兩類。 1) 線性系統(tǒng)(Linear System) 線性系統(tǒng)的特點是： 系統(tǒng)全部由線性元件組成， 它輸出量和輸入量間的關系用線性微分方程來描述?？蓱茂B加定理。 2) 非線性系統(tǒng)(Nonlinear System) 非線性系統(tǒng)的特點是： 系統(tǒng)中存在有非線性元件， 如具有死區(qū)、 出現(xiàn)飽和、 含有摩擦等非線性特性的元件， 要用非線性微分方程來描述。 4、按系統(tǒng)中的參數(shù)對時間的變

12、化情況分類 1) 定常系統(tǒng)（Time-Invariant System） 定常系統(tǒng)(又稱時不變系統(tǒng)) ，其特點是： 系統(tǒng)的全部參數(shù)不隨時間變化， 它用定常微分方程來描述。 2) 時變系統(tǒng)(Time-Varying System) 時變系統(tǒng)的特點是： 系統(tǒng)中有的參數(shù)是時間t的函數(shù)， 它隨時間變化而改變。 1.5 自動控制系統(tǒng)的性能指標 1、系統(tǒng)的穩(wěn)定性（Stability） 穩(wěn)定性是保證控制系統(tǒng)正常工作的先決條件。 一個穩(wěn)定的控制系統(tǒng)， 其被控量偏離期望值的初始偏差應隨時間的增長逐漸減小或趨于零。 圖1-13 穩(wěn)定系統(tǒng)和不穩(wěn)定系統(tǒng) a)穩(wěn)定系統(tǒng) b)不穩(wěn)定系統(tǒng)2 、系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能指標 (Stea

13、ty-State Performance Specification) 當系統(tǒng)從一個穩(wěn)態(tài)過渡到新的穩(wěn)態(tài)，或系統(tǒng)受擾動作用又重新平衡后，系統(tǒng)會出現(xiàn)偏差，這種偏差稱為穩(wěn)態(tài)誤差(ess)(Steady-State Error)。系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差的大小反映了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度(或靜態(tài)精度)(Static Accuracy)，它表明了系統(tǒng)的準確程度。穩(wěn)態(tài)誤差 ess 越小，則系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度越高。 .有靜差系統(tǒng)：ess0，如圖1-8a所示。 .無靜差系統(tǒng)：ess=0，如圖1-8b所示。 圖1-14 自動控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能a)有靜差系統(tǒng) b)無靜差系統(tǒng) 3、系統(tǒng)的動態(tài)性能指標(Dynamic Performance

14、 Specification) 系統(tǒng)從一個穩(wěn)態(tài)過渡到新的穩(wěn)態(tài)都需要經(jīng)歷一段時間，亦即需要經(jīng)歷一個過渡過程。表征這個過渡過程性能的指標叫做動態(tài)指標。 圖1-15 系統(tǒng)對突加給定信號的動態(tài)響應曲線 （1）、最大超調量( )(Maximum Overshoot) 最大超調量是輸出量c(t)與穩(wěn)態(tài)值 的最大偏差 與穩(wěn)態(tài)值 之比。即 最大超調量反映了系統(tǒng)的動態(tài)精度，最大超調量越小，則說明系統(tǒng)過渡過程進行得越平穩(wěn)。（2）、調整時間( )(Settling Time) 調整時間是給定量作用于系統(tǒng)開始，到輸出量進入并一直保持在離穩(wěn)態(tài)值的允許誤差帶內所需要的時間。 （3）、振蕩次數(shù)(N)(Order Numbe

15、r) 振蕩次數(shù)是指在調整時間內，輸出量在穩(wěn)態(tài)值上下擺動的次數(shù)。結論： 在上述指標中，最大超調量和振蕩次數(shù)反映了系統(tǒng)的穩(wěn)定性能。調整時間反映了系統(tǒng)的快速性。穩(wěn)態(tài)誤差反映了系統(tǒng)的準確度。一般說來，我們總是希望最大超調量小一點，振蕩次數(shù)少一點，調整時間短一些，穩(wěn)態(tài)誤差小一點?？傊?，希望系統(tǒng)能達到穩(wěn)、快、準。以后的分析將表明，這些指標要求，在同一個系統(tǒng)中往往是相互矛盾的。這就需要根據(jù)具體對象所提出的要求，對其中的某些指標有所側重，同時又要注意統(tǒng)籌兼顧。性能指標是衡量自動控制系統(tǒng)技術品質的客觀標準，它是訂貨、驗收的基本依據(jù)，也是技術合同的基本內容。 1.6 研究自動控制系統(tǒng)的方法 對自動控制系統(tǒng)進行分析

16、研究，首先是對系統(tǒng)進行定性分析。所謂定性分析，主要是搞清各個單元及各個元件在系統(tǒng)中的地位和作用，以及它們之間的相互聯(lián)系，并在此基礎上搞清系統(tǒng)的工作原理。然后，在定性分析的基礎上，可以建立系統(tǒng)的數(shù)學模型；再應用自動控制理論對系統(tǒng)的穩(wěn)定性、穩(wěn)態(tài)性能和動態(tài)性能進行定量分析。在系統(tǒng)分析的基礎上就可以找到改善系統(tǒng)性能，提高系統(tǒng)技術指標的有效途徑，這也就是系統(tǒng)的校正、設計和現(xiàn)場調試。 自動控制理論又分為經(jīng)典控制理論(Classical Control Theory)和現(xiàn)代控制理論(Modern Control Theory)。 經(jīng)典控制理論是建立在傳遞函數(shù)(Transfer Function)概念基礎之上

17、的，它對單輸入單輸出系統(tǒng)是十分有效的。 現(xiàn)代控制理論是建立在狀態(tài)變量(State Variable)概念基礎之上的，它適用于復雜的多輸入多輸出控制系統(tǒng)及變參數(shù)非線性系統(tǒng)，實現(xiàn)自適應控制(Adaptive Control)、最佳控制(Optimal Control)等。在經(jīng)典控制理論中，又有時域分析法 (TimeDomain Analysis Method)、頻率響應法(Freguency Response Method)和根軌跡法(The Root Locus Method)等幾種分析方法。 習 題 1 - 1 分析比較開環(huán)控制與閉環(huán)控制的特征、 優(yōu)缺點和應用場合的不同。 1 - 2 指出下列

18、系統(tǒng)中哪些屬開環(huán)控制， 哪些屬閉環(huán)控制： (1) 家用電冰箱 (2) 家用空調 (3) 家用洗衣機 (4) 抽水馬桶 (5) 普通車床 (6) 電飯煲 (7) 多速電風扇 (8) 高樓水箱 (9) 調光臺燈 (10) 自動報時電子鐘 1 - 3 衡量一個自動控制系統(tǒng)的性能指標通常有哪些？ 下圖 為某自動控制系統(tǒng)啟動時的動態(tài)曲線， 其中x(t)為被控量， xo為期望穩(wěn)態(tài)值。 曲線、 對應不同的調節(jié)參數(shù)。 試分析比較、 兩種情況技術性能的優(yōu)劣。 某自動控制系統(tǒng)的啟動曲線 1 - 4 組成自動控制系統(tǒng)的主要環(huán)節(jié)有哪些？ 它們各有什么特點? 起什么作用？ 1 - 5 恒值控制系統(tǒng)和隨動控制系統(tǒng)的主要區(qū)別是什么？判斷下列系統(tǒng)屬于哪一類系統(tǒng)： 電飯煲、 空調、 燃氣熱水器、 自動跟蹤雷達、 家用交流穩(wěn)壓器。 1 - 6 畫出電冰箱溫度自動控制系統(tǒng)的方框圖，并說明在該系統(tǒng)中可能存在哪些擾動量？ （提示： 電冰箱是依靠由電動機驅動的壓縮機， 將氟里昂氣體壓縮成液體， 此液體在冰箱柜內的管道中氣化膨脹， 產(chǎn)生致冷效應。 檢測冰箱內溫度的是一個內有液體的溫包， 溫包內液體