東北大學(xué)自動控制原理第一章080901

1、自動控制原理東北大學(xué)王建輝 顧樹生 主編楊自厚 主審清華大學(xué)出版社全國高等學(xué)校自動化專業(yè)系列教材普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材國家精品課程教材1東北大學(xué)自動控制原理課程組自動控制原理 Principle of Automatic Control 東北大學(xué)自動控制原理課程組負責(zé)人 顧樹生 王建輝 2東北大學(xué)自動控制原理課程組自動控制原理教材及參考書 教材：王建輝，顧樹生.自動控制原理.北 京: 清華大學(xué)出版社. 2007.4 參考書：吳麒主編.自動控制原理.北京：清華大學(xué)出版社.李友善主編.自動控制原理. 北京：機械工業(yè)出版社. 3東北大學(xué)自動控制原理課程組自動控制原理課程基本信息課程編號

2、 ：130100020 適用專業(yè) ：自動化、測控技術(shù)及儀器 /電子信息工程、通信工程 課程性質(zhì) ：技術(shù)基礎(chǔ)課 課程類型 ：必修課 學(xué) 時 ：講課學(xué)時 （68/42） 實驗學(xué)時 （12/6）4東北大學(xué)自動控制原理課程組自動控制原理課程的主要內(nèi)容（講課/實驗）第1章 自動控制系統(tǒng)的基本概念(4/0)第2章 自動控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型(10/0)第3章 自動控制系統(tǒng)的時域分析(12/4)第4章 根軌跡法(8/0)第5章 頻率法(12/4)第6章 控制系統(tǒng)的校正及綜合(8/0)第7章 非線性系統(tǒng)分析(6/2)第8章 線性離散系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)(8/2)5東北大學(xué)自動控制原理課程組 自動控制原理課程的性質(zhì)和特點

3、 自動控制是一門技術(shù)學(xué)科，從方法論的角度來研究系統(tǒng)的建立、分析與設(shè)計自動控制原理是本學(xué)科的技術(shù)基礎(chǔ)課。6東北大學(xué)自動控制原理課程組自動控制原理自動控制原理電路理論電機與拖動大學(xué)物理信號與系統(tǒng)復(fù)變函數(shù)拉氏變換模擬電子技術(shù)線性代數(shù)微積分各 類專業(yè)課線性系統(tǒng)現(xiàn)代控制理論本課程與其它課程的關(guān)系7東北大學(xué)自動控制原理課程組 自動控制原理自動控制理論的發(fā)展歷程第一階段：古典控制理論（20世紀4060年代） SISO、線性定常、頻域法第二階段：現(xiàn)代控制理論（20世紀6070年代） MIMO、非線性、時變、狀態(tài)空間法第三階段：智能控制理論（20世紀70年代 今） 非模型 8東北大學(xué)自動控制原理課程組第1章 自

4、動控制系統(tǒng)的基本概念自動控制原理東北大學(xué)自動控制原理課程組9東北大學(xué)自動控制原理課程組第1章 自動控制系統(tǒng)的基本概念主要內(nèi)容開環(huán)控制系統(tǒng)與閉環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成和基本環(huán)節(jié)自動控制系統(tǒng)的類型自動控制系統(tǒng)的性能指標小結(jié)10東北大學(xué)自動控制原理課程組第1章 自動控制系統(tǒng)的基本概念學(xué)習(xí)重點了解自動控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和特點及其工作原理； 了解閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成和基本環(huán)節(jié)； 掌握反饋控制系統(tǒng)的基本要求及反饋控制系統(tǒng)的作用；學(xué)會分析自動控制系統(tǒng)的類型及本質(zhì)特征。11東北大學(xué)自動控制原理課程組1.1 開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)自動控制自動控制是在沒有人的直接干預(yù)下，利用物理裝置對生產(chǎn)設(shè)備和工藝過程進行

5、合理的控制，使被控制的物理量保持恒定，或者按照一定的規(guī)律變化，例如礦井提升機的速度控制、軋鋼廠加熱爐溫度的控制等等。自動控制系統(tǒng)自動控制系統(tǒng)是為實現(xiàn)某一控制目標所需要的所有物理部件的有機組合體。12東北大學(xué)自動控制原理課程組1.1 開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)1.開環(huán)控制系統(tǒng)例1-1 溫度控制系統(tǒng) 性能指標 工作過程13東北大學(xué)自動控制原理課程組1.1 開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)12擾動量給定量輸出量 1 - 執(zhí)行器(自耦變壓器) 2 - 被控對象(電阻爐)圖中：14東北大學(xué)自動控制原理課程組1.1 開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)（1）開環(huán)控制 只有輸入量對輸出量產(chǎn)生控制作用，輸出量不參與對系統(tǒng)的控

6、制。（2）開環(huán)控制特點輸入控制輸出輸入和輸出一一對應(yīng)；輸出不參與控制信號單方向傳遞；不能檢測與糾正偏差系統(tǒng)沒有抗干擾能力。15東北大學(xué)自動控制原理課程組1.1 開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)2.閉環(huán)控制系統(tǒng)例1-2 溫度閉環(huán)控制系統(tǒng)（1）人工閉環(huán)控制220V12uc16東北大學(xué)自動控制原理課程組1.1 開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)（2）自動閉環(huán)控制溫度閉環(huán)控制系統(tǒng)圖 1-熱電偶 2-加熱器17東北大學(xué)自動控制原理課程組1.1 開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)給定量 閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)圖 1-控制器 2-控制對象 3-檢測裝置18東北大學(xué)自動控制原理課程組1.1 開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng) 閉環(huán)控制把輸出量的一部

7、分檢測出來,反饋到輸入端,與給定信號進行比較，產(chǎn)生偏差,此偏差經(jīng)過控制器產(chǎn)生控制作用,使輸出量按照要求的規(guī)律變化。反饋信號與給定信號極性相反為負反饋,反之為正反饋。 閉環(huán)控制特點輸入控制輸出輸入和輸出一一對應(yīng)；輸出參與控制信號雙方向傳遞；檢測與糾正偏差具有抗干擾能力。19東北大學(xué)自動控制原理課程組1.1 開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng) (1) 被控對象 (2) 被控量或輸出量 (3) 控制量 (4) 設(shè)定量或輸入量 (5) 擾動量 (6) 反饋量 (7) 偏差量3.自動控制系統(tǒng)中的基本術(shù)語 (8) 前向通道或正向通道 (9) 反饋通道或反向通道 (10) 理想輸出 (11) 實際輸出 (12) 開

8、環(huán) (13) 閉環(huán)20東北大學(xué)自動控制原理課程組1.2 閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成和基本環(huán)節(jié)1.閉環(huán)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖 1-給定環(huán)節(jié)；2-比較環(huán)節(jié)；3-校正環(huán)節(jié)；4-放大環(huán)節(jié)；5-執(zhí)行機構(gòu)；6-被控對象；7-檢測裝置21東北大學(xué)自動控制原理課程組1.2 閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成和基本環(huán)節(jié)2.閉環(huán)控制系統(tǒng)的基本環(huán)節(jié)（1）控制對象或調(diào)節(jié)對象 要進行控制的設(shè)備或過程。（2）執(zhí)行機構(gòu) 一般由傳動裝置和調(diào)節(jié)機構(gòu)組成。執(zhí)行機構(gòu)直接作用于控制對象，使被控制量達到所要求的數(shù)值。 （3）檢測裝置或傳感器 該裝置用來檢測被控制量，并將其轉(zhuǎn)換為與給定量相同的物理量。22東北大學(xué)自動控制原理課程組1.2 閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成和基本環(huán)節(jié)

9、（4）給定環(huán)節(jié)設(shè)定被控制量的給定值的裝置。（5）比較環(huán)節(jié)將所檢測的被控制量與給定量進行比較，確定兩者之間的偏差量。（6）中間環(huán)節(jié)一般包括比較環(huán)節(jié)和校正環(huán)節(jié)。23東北大學(xué)自動控制原理課程組1.3 自動控制系統(tǒng)類型1.按照主要元件的輸入輸出特性劃分1）線性系統(tǒng)由線性元件組成的系統(tǒng)，其微分方程中輸出量及其各階導(dǎo)數(shù)都是一次的，并且各系數(shù)與輸入量（自變量）無關(guān)。 2）非線性系統(tǒng)存在非線性元件的系統(tǒng)，其微分方程式的系數(shù)與自變量有關(guān)。24東北大學(xué)自動控制原理課程組1.3 自動控制系統(tǒng)類型2.按照信號傳遞方式劃分1）連續(xù)數(shù)據(jù)系統(tǒng)系統(tǒng)各部分的信號都是連續(xù)的模擬量。 2）離散數(shù)據(jù)系統(tǒng)系統(tǒng)的一處或幾處，信號是以脈沖

10、序列或數(shù)碼的形式傳遞。 25東北大學(xué)自動控制原理課程組1.3 自動控制系統(tǒng)類型3.按照輸入量的變化規(guī)律劃分1）恒值系統(tǒng)給定量是恒定不變的。2）程序控制系統(tǒng)給定量是按照一定的時間函數(shù)變化的。 3）隨動系統(tǒng)給定量按照事先未知的時間函數(shù)變化。26東北大學(xué)自動控制原理課程組1.4 自動控制系統(tǒng)的性能指標穩(wěn)（穩(wěn)定性）、快（快速性）、準（準確性） “穩(wěn)”與“快”描述系統(tǒng)的動態(tài)（過渡過程）品質(zhì)。 系統(tǒng)的過渡過程產(chǎn)生的原因 ： 系統(tǒng)中儲能元件的能量不可能突變。 “準”描述系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)（靜態(tài)）品質(zhì)。 對自動控制系統(tǒng)的基本要求27東北大學(xué)自動控制原理課程組1.4 自動控制系統(tǒng)的性能指標 當(dāng)擾動作用（或給定值發(fā)生變化

11、）時，輸出量將偏離原來的穩(wěn)態(tài)值，這時由于反饋的作用，通過系統(tǒng)內(nèi)部的自動調(diào)節(jié)，系統(tǒng)可能回到或接近原來的穩(wěn)態(tài)值（或跟隨給定值）穩(wěn)定下來（如圖a），稱這樣的系統(tǒng)為穩(wěn)定系統(tǒng)，反之，不穩(wěn)定系統(tǒng)的輸出如圖b 。穩(wěn)定性是保證控制系統(tǒng)正常工作的必備條件。1. 穩(wěn)定性28東北大學(xué)自動控制原理課程組1.4 自動控制系統(tǒng)的性能指標2. 穩(wěn)態(tài)性能指標穩(wěn)態(tài)誤差 當(dāng)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)可能會出現(xiàn)偏差，這種偏差稱為穩(wěn)態(tài)誤差。 系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差的大小反映了系統(tǒng)的控制精度，它表明了系統(tǒng)控制的準確程度。穩(wěn)態(tài)誤差越小，則系統(tǒng)的控制精度越高。 29東北大學(xué)自動控制原理課程組1.4 自動控制系統(tǒng)

12、的性能指標有差系統(tǒng)（圖a） 若穩(wěn)態(tài)誤差不為零，則系統(tǒng)稱為有差系統(tǒng)。無差系統(tǒng)（圖b） 若穩(wěn)態(tài)誤差為零，則系統(tǒng)稱為無差系統(tǒng)。(a)(b)30東北大學(xué)自動控制原理課程組1.4 自動控制系統(tǒng)的性能指標3. 暫態(tài)性能指標31東北大學(xué)自動控制原理課程組（1）最大超調(diào)量輸出最大值與輸出穩(wěn)態(tài)值的相對誤差。反映系統(tǒng)的平穩(wěn)性。最大超調(diào)量越小，則說明系統(tǒng)過渡過程越平穩(wěn)。 （2）上升時間 指系統(tǒng)的輸出量第一次到達輸出穩(wěn)態(tài)值所對應(yīng)的時刻。 1.4 自動控制系統(tǒng)的性能指標32東北大學(xué)自動控制原理課程組（3）過渡過程時間（調(diào)節(jié)時間）系統(tǒng)的輸出量進入并一直保持在穩(wěn)態(tài)輸出值附近的允許誤差帶內(nèi)所需的時間。允許誤差帶寬度一般取穩(wěn)態(tài)

13、輸出值的2%或5%。調(diào)節(jié)時間的長短反映了系統(tǒng)的快速性。調(diào)節(jié)時間越小，系統(tǒng)的快速性越好。1.4 自動控制系統(tǒng)的性能指標33東北大學(xué)自動控制原理課程組（4）振蕩次數(shù)在調(diào)節(jié)時間內(nèi)，輸出量在穩(wěn)態(tài)值附近上下波動的次數(shù)。它也反映系統(tǒng)的平穩(wěn)性。振蕩次數(shù)越少，說明系統(tǒng)的平穩(wěn)性越好。 1.4 自動控制系統(tǒng)的性能指標34東北大學(xué)自動控制原理課程組小 結(jié)1. 開環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好，但不能自動補償擾動對輸出量的影響。當(dāng)系統(tǒng)擾動量產(chǎn)生的偏差可以預(yù)先進行補償或影響不大時，采用開環(huán)控制是有利的。當(dāng)擾動量無法預(yù)計或控制系統(tǒng)的精度達不到預(yù)期要求時，則應(yīng)采用閉環(huán)控制。35東北大學(xué)自動控制原理課程組小 結(jié)2. 閉環(huán)控制系統(tǒng)具有反饋環(huán)節(jié)，它能依靠反饋環(huán)節(jié)進行自動調(diào)節(jié)，以克服擾動對系統(tǒng)的影響。閉環(huán)控制極大地提高了系統(tǒng)的精度。但是閉環(huán)使系統(tǒng)的穩(wěn)定性變差，需要重視并加以解決。36東北大學(xué)自動控制原理課程組3.自動控制系統(tǒng)通常由給定環(huán)節(jié)、檢測環(huán)節(jié)、比較環(huán)節(jié)、放大元件、被控對象、和反饋環(huán)節(jié)等部件組成。系統(tǒng)的作用量和被控量有：給定量、反饋量、擾動量、輸出量和各中間變量。 小 結(jié)37東北大學(xué)自動控制原理課程組4.結(jié)構(gòu)圖（又簡稱框圖）可直觀地表達系統(tǒng)各環(huán)節(jié)（或各部件）間因果關(guān)系，可以表達各種作用量和中間