自動控制原理

關(guān)于自動控制原理第一頁，共39頁幻燈片

課程的性質(zhì)和特點

自動控制是一門技術(shù)學科，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》是本學科的專業(yè)基礎(chǔ)課，是自動控制理論的基礎(chǔ)課程，該課程與其它課程的關(guān)系如下。微積分（含微分方程）電機與拖動模擬電子技術(shù)線性代數(shù)電路理論信號與系統(tǒng)自動控制理論復(fù)變函數(shù)、拉普拉斯變換大學物理（力學、熱力學）第二頁，共39頁幻燈片1-1自動控制的基本原理與方式1-2

自動控制系統(tǒng)示例1-3

自動控制系統(tǒng)的分類1-4

對控制系統(tǒng)的基本要求第一章自動控制的一般概念第三頁，共39頁幻燈片第一章自動控制的一般概念第一節(jié)自動控制的基本原理與方式一、自動控制技術(shù)與應(yīng)用第四頁，共39頁幻燈片1969年7月20日，“阿波羅11號”飛船首次登陸月球時的珍貴圖片

第一節(jié)自動控制的基本原理與方式第五頁，共39頁幻燈片2008年9月25日至28日,中國成功實施了神舟七號載人航天飛行（新化社報道）

第一節(jié)自動控制的基本原理與方式第六頁，共39頁幻燈片圖一列CRH3“和諧號”動車組?？吭诟臄U建的新北京南站站臺（中國政府網(wǎng)陳濤攝）第一節(jié)自動控制的基本原理與方式第七頁，共39頁幻燈片圖RH煉鋼設(shè)備第一節(jié)自動控制的基本原理與方式第八頁，共39頁幻燈片蘇格蘭科學家展示新近研制成功的高仿真仿生學假肢。

第一節(jié)自動控制的基本原理與方式第九頁，共39頁幻燈片圖1-71989年，人工智能模糊控制全自動洗衣機在三洋研制成功（引自人民網(wǎng)）第一節(jié)自動控制的基本原理與方式第十頁，共39頁幻燈片自動控制的基本概念現(xiàn)代科學技術(shù)中的自動控制技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用航天器工業(yè)控制機器人家用電器自動控制：

在無人直接參與下，利用控制裝置（或控制器）操縱受控對象，使受控對象的被控量按給定信號變化規(guī)律去變化。

第一節(jié)自動控制的基本原理與方式第十一頁，共39頁幻燈片控制量:閥門開度（蒸汽流量）例水溫人工控制系統(tǒng)受控對象:水箱系統(tǒng)的構(gòu)成：被控制量:水溫

蒸汽通過熱傳導(dǎo)器件把熱量傳遞給水,水的溫度與蒸汽的流量成正比.

手動調(diào)節(jié)閥門的開度，從而調(diào)節(jié)蒸汽的流量,來控制水的溫度.但人工難以實現(xiàn)穩(wěn)定的高質(zhì)量控制.第一節(jié)自動控制的基本原理與方式第十二頁，共39頁幻燈片例水溫自動控制系統(tǒng)系統(tǒng)中增加了：控制器電機加入給定信號工作原理：檢測實際溫度產(chǎn)生控制信號

通過電機調(diào)節(jié)閥門的開度

從而調(diào)節(jié)蒸汽流入，控制水的溫度.實現(xiàn)沒有人直接參入的自動水溫控制.控制器第一節(jié)自動控制的基本原理與方式第十三頁，共39頁幻燈片第一節(jié)自動控制的基本原理與方式二、反饋控制原理

反饋控制是這樣的一種控制過程，它能構(gòu)在存在擾動的情況下，力圖減小系統(tǒng)的輸出量與參考輸入量（也稱參據(jù)量）之間的偏差，而其工作正是基于這一偏差基礎(chǔ)之上的，這就是反饋控制的原理。如人取桌上書的過程（見下圖）：第十四頁，共39頁幻燈片第一節(jié)自動控制的基本原理與方式系統(tǒng)方框圖符號組成：“”下圖為反饋控制原理方框圖第十五頁，共39頁幻燈片第一節(jié)自動控制的基本原理與方式龍門刨床速度控制系統(tǒng)原理圖

在工業(yè)控制中，龍門刨床速度控制系統(tǒng)就是按照反饋控制原理進行工作的。當負載波動時，必然會引起速度變化，由于龍門刨床不允許速度變化過大，因此必須對速度進行控制。第十六頁，共39頁幻燈片

下圖示為龍門刨床速度控制系統(tǒng)。當負載發(fā)生變化時，如和控制速度。例如：第一節(jié)自動控制的基本原理與方式第十七頁，共39頁幻燈片第一節(jié)自動控制的基本原理與方式下圖為龍門刨床速度控制系統(tǒng)的方框圖第十八頁，共39頁幻燈片第一節(jié)自動控制的基本原理與方式三、反饋控制系統(tǒng)的基本組成典型的反饋控制系統(tǒng)基本組成框圖：

信號從輸入端到達輸出端的傳輸通路稱為前向通路；系統(tǒng)輸出量經(jīng)測量元件反饋到輸入端的傳輸通路稱為主反饋通路。前向通路與主反饋通路共同構(gòu)成主回路。此外，還有局部反饋通路。只包含一個主反饋通路的系統(tǒng)稱為單回路系統(tǒng)，有兩個或兩個以上反饋通路的系統(tǒng)稱為多回路系統(tǒng)。第十九頁，共39頁幻燈片第一節(jié)自動控制的基本原理與方式四、自動控制系統(tǒng)基本控制方式1、反饋控制方式特點：通過計算被控量和給定值的差值來控制被控對象。優(yōu)點：可以自動調(diào)節(jié)由于干擾和內(nèi)部參數(shù)的變化而引起的變動。計算比較給定值E執(zhí)行被控對象干擾被控量測量－按偏差調(diào)節(jié)的系統(tǒng)原理方框圖第二十頁，共39頁幻燈片第一節(jié)自動控制的基本原理與方式如上圖所示，反饋回來的信號與給定值相減，即根據(jù)偏差進行控制，稱為負反饋，反之稱為正反饋。這種控制方式控制精度較高，因為無論是干擾的作用，還是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化，只要被控量偏離給定值，系統(tǒng)就會自行糾偏。但是閉環(huán)控制系統(tǒng)的參數(shù)如果匹配得不好，會造成被控量的較大擺動，甚至系統(tǒng)無法正常工作。第二十一頁，共39頁幻燈片第一節(jié)自動控制的基本原理與方式

飛機自動駕駛系統(tǒng)原理圖第二十二頁，共39頁幻燈片控制任務(wù)：系統(tǒng)在任何擾動作用下，保持飛機俯仰角不變。被控對象：飛機。被控量：飛機的俯仰角。

俯仰角控制系統(tǒng)原理方框圖第一節(jié)自動控制的基本原理與方式第二十三頁，共39頁幻燈片第一節(jié)自動控制的基本原理與方式2、開環(huán)控制方式計算執(zhí)行受控對象給定值干擾被控量按給定值操縱的開環(huán)控制系統(tǒng)原理方框圖開環(huán)控制——系統(tǒng)的輸出端與輸入端之間不存在反饋回路，輸出量對系統(tǒng)的控制作用沒有影響。第二十四頁，共39頁幻燈片第一節(jié)自動控制的基本原理與方式爐溫控制系統(tǒng)爐溫控制系統(tǒng)原理方框圖定時開關(guān)爐子電阻絲第二十五頁，共39頁幻燈片第一節(jié)自動控制的基本原理與方式特點：控制裝置只按給定值來控制受控對象優(yōu)點：控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，相對來說成本低。缺點：對可能出現(xiàn)的被控量偏離給定值的偏差沒有任何修正能力，抗干擾能力差，控制精度不高。第二十六頁，共39頁幻燈片第一節(jié)自動控制的基本原理與方式定義：利用干擾信號產(chǎn)生控制作用，以及時補償干擾對被控量的直接影響。計算測量受控對象執(zhí)行干擾被控量特點：只能對可測干擾進行補償，對不可測干擾以及受控對象、各功能部件內(nèi)部參數(shù)變化對被控量的影響，系統(tǒng)自身無法控制。適用于：存在強干擾且變化比較劇烈的場合。第二十七頁，共39頁幻燈片水位高度控制系統(tǒng)原理圖水位高度控制系統(tǒng)原理方框圖第一節(jié)自動控制的基本原理與方式第二十八頁，共39頁幻燈片3、復(fù)合控制方式

復(fù)合控制就是開環(huán)控制和閉環(huán)控制相結(jié)合的一種控制。實質(zhì)上，它是在閉環(huán)控制回路的基礎(chǔ)上，附加了一個輸入信號或擾動作用的順饋通路，來提高系統(tǒng)的控制精度。

復(fù)合控制系統(tǒng)n控制裝置被控對象CR—補償裝置第一節(jié)自動控制的基本原理與方式第二十九頁，共39頁幻燈片第一章自動控制的一般概念

第三節(jié)自動控制系統(tǒng)的分類一、按變量的數(shù)學關(guān)系來分

自動控制系統(tǒng)的分類方法較多，常見的有以下幾種

二、按控制系統(tǒng)的輸入作用來分第三十頁，共39頁幻燈片

第三節(jié)自動控制系統(tǒng)的分類一、線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)

由線性微分方程或線性差分方程所描述的系統(tǒng)。由非線性方程描述的系統(tǒng)。線性系統(tǒng)：非線性系統(tǒng)：第三十一頁，共39頁幻燈片

第三節(jié)自動控制系統(tǒng)的分類二、定常系統(tǒng)和時變系統(tǒng)定常系統(tǒng):

若系統(tǒng)微分方程的系數(shù)為常數(shù)，則稱之為線性定常系統(tǒng)。此類系統(tǒng)為本書主要討論對象。

系統(tǒng)數(shù)學模型微分方程的系數(shù)不是時間變量的函數(shù)。否則稱為時變系統(tǒng)。第三十二頁，共39頁幻燈片

第三節(jié)自動控制系統(tǒng)的分類三、連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)連續(xù)系統(tǒng)：

系統(tǒng)中各部分的信號都是時間的連續(xù)函數(shù)即模擬量。離散系統(tǒng)：

系統(tǒng)中有一處或多處信號為時間的離散函數(shù)，如脈沖或數(shù)碼信號。

若系統(tǒng)中既有模擬量也有離散信號，則又可稱之為采樣系統(tǒng)。第三十三頁，共39頁幻燈片

第三節(jié)自動控制系統(tǒng)的分類四、恒值系統(tǒng)、隨動系統(tǒng)和程序控制系統(tǒng)(按控制系統(tǒng)的輸入作用來分）

系統(tǒng)的給定值為一定值，而控制任務(wù)就是克服擾動，使被控量保持恒值。例如：電機速度控制、恒溫、恒壓、水位控制系統(tǒng)等。恒值系統(tǒng)：隨動系統(tǒng)：

系統(tǒng)給定值按照事先不知道的時間函數(shù)變化，并要求被控量跟隨給定值變化。第三十四頁，共39頁幻燈片

第三節(jié)自動控制系統(tǒng)的分類程序控制系統(tǒng)

系統(tǒng)的參據(jù)量時按預(yù)定規(guī)律隨時間變化的函數(shù)，要求被控量迅速、準確地加以復(fù)現(xiàn)。程序控制系統(tǒng)和隨動系統(tǒng)的參據(jù)量都是時間函數(shù)，不過前者是已知的時間函數(shù)，后者是未知的任意時間函數(shù)，而恒值控制系統(tǒng)也可視為程序控制系統(tǒng)的特例。第三十五頁，共39頁幻燈片第四節(jié)對自動控制系統(tǒng)的基本要求

常見的評價系統(tǒng)優(yōu)劣的性能指標是從動態(tài)過程中定義出來的。對系統(tǒng)性能的基本要求有三個方面。第一章自動控制的一般概念工程上常從穩(wěn)、快、準三個方面來評價控制系統(tǒng)。穩(wěn)：指動態(tài)過程的平穩(wěn)性?？欤褐竸討B(tài)過程的快速性。準：指動態(tài)過程的最終精度。第三十六頁，共39頁幻燈片

第四節(jié)對自動控制系統(tǒng)的基本要求穩(wěn)：指動態(tài)過程的平穩(wěn)性控制系統(tǒng)動態(tài)過程曲線如上圖所示，系統(tǒng)在外力作用下，輸出逐漸