自動控制原理第一章自動控制概論

鄭州輕工業(yè)學院電氣信息工程學院自

動

化

教

研室自動控制原理聯(lián)系方式:楊學清Telmail:rzyxq_hn@126.com高等數(shù)學積分變換自動控制理論現(xiàn)代控制理論其它專業(yè)課程

1、是一門專業(yè)基礎課

2、理論實踐相結合理論性非常強,但又和實際應用緊密結合

3、內容廣泛自動控制理論課程特點學習自動控制理論的重要性3、本課程能為解決實際控制問題提供理論和方法1、本課程是自動化專業(yè)承上啟下的課程2、自動控制技術是應用非常廣泛的技術

電機控制、自動化生產線、火炮雷達控制、家用電器、機械、冶金、石油、化工、電力電子、航空、航海、航天、核反應堆等。4、學分較多本課程學習方法1、打好基礎高等數(shù)學（微積分）、積分變換（拉氏變換）2、做好預習3、聽好課講課的速度較快、了解課程內容掌握基本理論和基本方法4、做好習題應用學到的基本理論和基本方法解決實際問題第一章自動控制概論1.1引言1.2自動控制系統(tǒng)的分類1.3對控制系統(tǒng)的基本要求自動控制：1.1.1自動控制理論及應用

在無人直接參與的情況下，利用控制裝置，使工作機械、或生產過程（被控對象）的某一個物理量（被控量）按預定的規(guī)律（給定量）運行。自動控制系統(tǒng)：

指能夠對被控對象的工作狀態(tài)自動控制的系統(tǒng),它

由被控對象和控制裝置組成1.1引言動畫1動畫21.1.2自動控制理論發(fā)展簡史經典控制理論(19世紀初)

時域法復域法(根軌跡法)

頻域法

現(xiàn)代控制理論(20世紀60年代)

線性系統(tǒng)自適應控制最優(yōu)控制魯棒控制最佳估計容錯控制系統(tǒng)辨識集散控制大系統(tǒng)復雜系統(tǒng)

智能控制理論(20世紀70年代)

專家系統(tǒng)模糊控制神經網絡遺傳算法

房間交換設備壓縮機控制板傳感器控制對象執(zhí)行機構測量元件控制單元一、舉例：家用空調控制器控制系統(tǒng)功能：房間溫度控制在人體比較舒適的范圍（對象、物理量、控制設備）系統(tǒng)組成：溫度設定比較單元控制單元執(zhí)行機構控制對象測量元件控制器控制對象反饋比較控制指令家用空調系統(tǒng)框圖的簡化控制系統(tǒng)的組成

被控對象控制系統(tǒng)測量元件比較元件

控制裝置

放大元件執(zhí)行機構校正裝置給定元件分類運動控制系統(tǒng)過程控制系統(tǒng)線性/非線性系統(tǒng)連續(xù)/離散性系統(tǒng)定常/時變性系統(tǒng)單輸入單輸出/多輸入多輸出系統(tǒng)集中參數(shù)/分布參數(shù)系統(tǒng)按被控對象分按使用的數(shù)學方法分按輸入信號特征分按系統(tǒng)功用分恒值系統(tǒng)隨動系統(tǒng)程序控制系統(tǒng)按控制方式分按給定值操縱的開環(huán)控制按干擾補償?shù)拈_環(huán)控制按偏差調節(jié)的閉環(huán)控制復合控制：閉環(huán)反饋為主，開環(huán)補償為輔溫度控制系統(tǒng)壓力控制系統(tǒng)位置控制系統(tǒng)1.2自動控制系統(tǒng)的分類基本控制方式

1.開環(huán)控制

2.閉環(huán)控制

3.復合控制1.2.1按控制方式分類溫度計

加熱電阻絲調壓器u(a)原理圖~220V輸出量(手柄位置)輸入量

調壓器

加熱電阻絲

電爐

恒溫箱

受控對象(溫度)擾動量(b)方塊圖控制裝置擾動輸出量輸入量控制裝置受控對象開環(huán)控制系統(tǒng)的方框圖

1.開環(huán)控制系統(tǒng)動畫MugudoVGT+-(a)原理圖給定信號(電壓)觸發(fā)器電動機受控對象輸出量(轉速)

擾動量(b)方塊圖控制裝置

晶閘管可控整流器按給定開環(huán)控制+-+ugudoMiuin(a)原理圖R

放大

器

負載

給定信號ug被控量

擾動inui(b)方塊圖

電壓

放大

電阻

R

觸發(fā)器

晶闡管可控整流器

電動

機按干擾補償開環(huán)控制方框圖中各符號的意義

元部件方框（塊）圖信號（物理量）及傳遞方向中的符號比較點引出點表示負反饋開環(huán)控制系統(tǒng)的特點

控制裝置與受控對象之間只有正向作用，沒有反向聯(lián)系；控制精度取決于元器件的精度和系統(tǒng)調整精度；沒有抑制內、外干擾的能力；系統(tǒng)結構簡單、成本低。2.閉環(huán)控制系統(tǒng)負反饋原理__將系統(tǒng)的輸出信號引回輸入端，與輸入信號比較，利用所得的偏差信號進行控制，達到減小偏差、消除偏差的目的。

____構成閉環(huán)控制系統(tǒng)的核心

閉環(huán)(反饋)控制系統(tǒng)的特點：

(1)系統(tǒng)內部存在反饋，信號流動構成閉回路

(2)偏差起調節(jié)作用

例1爐溫控制系統(tǒng)

爐溫控制系統(tǒng)方框圖爐溫控制系統(tǒng)方框圖(-)utug擾動

給定裝置

放大器

電動機

轉速反饋裝置

觸發(fā)器

晶闡管可控整流器控制裝置受控對象n(b)方框圖ueudoRP1ugR0R0R1-utRP2-+-++TGMudouc(a)原理圖+電動機轉速閉環(huán)控制系統(tǒng)

例函數(shù)記錄儀

函數(shù)記錄儀方框圖

閉控制系統(tǒng)的特點既有正向作用，又有反饋作用控制精度與元件精度、控制方法、調整精度有關，控制精度較高；有抑制干擾的能力；結構復雜，成本相對較高。復合控制系統(tǒng)對系統(tǒng)提出較高要求時使用開環(huán)控制和閉環(huán)控制的組合有兩種形式

(1)按輸入作用補償

(2)按擾動作用補償

udoMRiugutTG(a)原理圖

負載放大器

放大器+n擾動(ML)uiugut(-)(b)方塊圖

擾動檢測裝置

晶闡管可控整流器

轉速反饋裝置

電動機

放大器

放大器

觸發(fā)器電動機轉速復合控制系統(tǒng)按干擾作用補償按偏差作用補償熱處理爐溫度控制系統(tǒng)ugTiΔu(-)ufQTo

給定裝置

放大器

電動機、傳動裝置和閥門

熱處理爐

放大器

熱電偶(b)方框圖(a)原理圖MΔuufug

給定電位計+-

電動機

煤氣空氣閥門熱處理爐工件熱電偶放大器混合器放大器uaQTo復合控制系統(tǒng)典型方框圖控制裝置被控對象測量裝置補償裝置(-)輸入信號輸出信號擾動(b)按擾動作用補償

被控量

輸入信號(-)

補償裝置

控制裝置

受控對象(a)按輸入作用補償控制系統(tǒng)的組成1.2.2按輸入信號特征分類1、恒值控制系統(tǒng)特征：輸入信號為常數(shù)典型系統(tǒng)：液位、溫度、壓力、流量控制

2、隨動控制系統(tǒng)

特征：輸入信號未知的隨時間變化任意函數(shù)典型系統(tǒng)：魚雷飛行、炮瞄雷達、火炮自動瞄準、導彈制導。

3、程序控制系統(tǒng)特征：輸入信號為預知的隨時間變化函數(shù)典型系統(tǒng)：熱處理爐控制系統(tǒng)、程序控制機床、灌裝生產線、自動生產流水線。1.2.3按使用的數(shù)學方法分類連續(xù)系統(tǒng)/離散系統(tǒng)連續(xù)系統(tǒng)系統(tǒng)傳遞的信號為時間的連續(xù)函數(shù)，用微分方程描述。離散系統(tǒng)

信號傳遞中至少有一處信號是脈沖序列或數(shù)字編碼。用差分方程描述。線性系統(tǒng)/非線性系統(tǒng)

線性系統(tǒng)用線性微分方程或差分方程描述，滿足疊加原理。疊加原理包括疊加性和齊次性。非線性系統(tǒng)用非線性微分方程或差分方程描述。特點是，方程中含有變量及其導數(shù)的高次冪或乘積項，不滿足疊加原理。（第七章介紹）例如定常系統(tǒng)/時變系統(tǒng)

定常系統(tǒng)：

描述系統(tǒng)的數(shù)學方程中的系數(shù)為常數(shù)；定常系統(tǒng)結構和參數(shù)不隨時間變化。

時變系統(tǒng):

描述系統(tǒng)的數(shù)學方程中的系數(shù)隨時間變化。單輸入單輸出系統(tǒng)

輸入輸出信號變量僅有一個。多輸入多輸出系統(tǒng)

輸入輸出信號變量多于一個。集中參數(shù)/和分布參數(shù)集中參數(shù)系統(tǒng)能用常微分方程描述的系統(tǒng)。分布參數(shù)系統(tǒng)至少有一個環(huán)節(jié)需要用偏微分方程描述的系統(tǒng)。單輸入單輸出/多輸入多輸出系統(tǒng)

1.3對自動控制系統(tǒng)的基本要求1.穩(wěn)：（基本要求）

要求系統(tǒng)穩(wěn)定

2.準：（穩(wěn)態(tài)要求）

系統(tǒng)響應達到穩(wěn)態(tài)時，輸出跟蹤精度要高3.快：（動態(tài)要求）

系統(tǒng)階躍響應的過渡過程要平穩(wěn)，

快速穩(wěn)定性：

系統(tǒng)受到干擾后偏離原來的工作狀態(tài)，擾動消失后，能自動回到原工作狀態(tài)，這樣的系統(tǒng)是穩(wěn)定的。反之，當干擾消除后，系統(tǒng)的輸出趨于無窮或進入振蕩狀態(tài)，則稱系統(tǒng)是不穩(wěn)定的。穩(wěn)定性是保證系統(tǒng)能正常工作的前提。動態(tài)性能

指系統(tǒng)過渡過程的快速性和振蕩性。由于控制系統(tǒng)的慣性，系統(tǒng)的輸出跟隨輸入的變化總有一定的延遲。這個時間越短，快速性越好。有些系統(tǒng)的阻尼比較小，所以系統(tǒng)從一個穩(wěn)態(tài)進入另一個穩(wěn)態(tài)時，要經過若干次衰減振蕩，而且在振蕩過程中會出現(xiàn)超調現(xiàn)象。一般控制系統(tǒng)對超調量是有限制的。穩(wěn)態(tài)性能

穩(wěn)態(tài)性指系統(tǒng)的控制精度。系統(tǒng)由一個穩(wěn)態(tài)過渡到另一個穩(wěn)態(tài)時，希望系統(tǒng)的輸出盡