自動控制第一章緒論課件

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、專業(yè)基礎(chǔ)課，自動化專業(yè)承上啟下的課程

2、理論實踐相結(jié)合理論性非常強，概念多，內(nèi)容多，抽象；實際應(yīng)用緊密結(jié)合。能為解決實際控制問題提供理論和方法自動控制原理的課程特點3、自動控制技術(shù)是應(yīng)用非常廣泛的技術(shù)

電機控制、自動化生產(chǎn)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(yīng)堆等。1、打好基礎(chǔ)高等數(shù)學（微積分）、積分變換（拉氏變換）2、做好預(yù)習3、聽好課講課的速度較快、了解課程內(nèi)容掌握基本理論和基本方法4、做好習題應(yīng)用學到的基本理論和基本方法解決實際問題本課程學習方法第一章緒論1.1引言1.2自動控制的基本原理1.3反饋控制系統(tǒng)的組成1.4控制系統(tǒng)的分類1.5控制系統(tǒng)應(yīng)用實例三則1.6控制系統(tǒng)的設(shè)計概述1.7本書內(nèi)容安排1.8小結(jié)1.1引言刻漏：最初兩個壺,由上壺滴水到下面的受水壺,液面使浮箭升起以示刻度（即時間）(圖之右)。這里浮箭可看作是檢測元件。保持上壺的水位恒定，則是自動調(diào)節(jié)的問題。用互相銜接的多級（3～5級）水壺解決的。蓮華漏(圖之左)由4個壺組成。平水壺向平水小壺供水，平水小壺上有溢水口，可使多余水泄入減水桶以保持水面恒定。在蓮華漏中還采用一個浮子式閥門作為自動切斷閥。當受水壺的水位升至滿刻度時，浮子式閥門就會自動阻塞上級平水小壺的出水小孔，切斷水滴。1.1.1自動控制理論發(fā)展簡史遠古時期的自動裝置(來自互聯(lián)網(wǎng))1.1引言指南車采用差動齒輪的機械原理：車里面裝有多個大小不同的齒輪，直行，小輪懸空；轉(zhuǎn)彎上，一邊的小輪在轅、繩、滑輪的作用下降，與車輪和大輪發(fā)生齒和傳動。若車子向左轉(zhuǎn)90度，左輪不動，右輪要轉(zhuǎn)半周。與右輪相連的小齒輪也就轉(zhuǎn)半周（即轉(zhuǎn)過12個齒），經(jīng)過小平輪傳動到大平輪，則大平輪將以相反的方向轉(zhuǎn)動12個齒，即1/4周（90度），仙人在和車一起左轉(zhuǎn)90度時，又由于齒輪的嚙合傳動右轉(zhuǎn)了90度。其他運動情況的結(jié)果可以類推。仙人指向不變。(來自互聯(lián)網(wǎng))1.1引言1、用于工業(yè)過程的自動反饋控制器-飛球調(diào)速器1769瓦特發(fā)明了飛球調(diào)速器，用來與蒸汽機的進氣閥連接構(gòu)成蒸汽機轉(zhuǎn)速的閉環(huán)自動調(diào)速系統(tǒng)。2、動態(tài)特性研究的開始：英國劍橋大學的數(shù)學和天文學家艾里在1829-1835系統(tǒng)研究了天文望遠鏡的速度控制，根據(jù)倒立擺離心力的原理首次發(fā)現(xiàn)了反饋系統(tǒng)的不穩(wěn)定性，并利用微分方程分析了這種系統(tǒng)。近代控制理論的逐步形成和發(fā)展瓦特改良的蒸汽機艾里瓦特1.1引言3、反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)穩(wěn)定性問題的研究：1868英國物理學家麥克斯韋發(fā)表了“論調(diào)速器”的論文，首次論述該問題。二三階系統(tǒng)的穩(wěn)定判據(jù)。1895英國勞斯判據(jù)和德國數(shù)學家赫爾維茨的代數(shù)穩(wěn)定條件；1893李雅普諾夫基于非線性運動的一般運動穩(wěn)定問題。4、反饋控制系統(tǒng)的頻率特性研究：20世紀20年代，電子管放大器的出現(xiàn)，研究如何減少放大倍數(shù)增大而導致信號失真的問題。美國貝爾電話實驗室的科學家本逐步建立了反饋控制系統(tǒng)的頻率特性分析方法。李雅普諾夫1.1引言5、積分和微分控制的思想：1922年俄裔美國工程師米諾斯基分析了船舶駕駛控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。6、1934年美國麻省理工的赫曾教創(chuàng)立了伺服控制理論，首次提出軌跡跟蹤在反饋控制中的重要性；7、1936年英國工程師考倫德：溫度控制系統(tǒng)的PID控制器；8、1942年美國工程師：PID參數(shù)整定準則，至今仍適用；9、二戰(zhàn)期間及戰(zhàn)后10年：控制系統(tǒng)的圖解分析法和根軌跡綜合法，創(chuàng)立根軌跡法的完整理論?，F(xiàn)代PID控制器1.1引言1.1.2控制工程實踐自動化的核心是控制與系統(tǒng)，控制工程實踐是實現(xiàn)自動化的手段。自動化最早出現(xiàn)在汽車工業(yè)，其初始概念是指在工業(yè)生產(chǎn)（加工、制造等）過程中采用自動控制代替人工控制。1947年美國福特公司正式使用自動化一詞，其含義是指加工采用連續(xù)方式，生產(chǎn)過程流水式的自動進行。從20世紀70年代開始，我國通過陸續(xù)引進國外成套自動化生產(chǎn)線，我國工業(yè)生產(chǎn)逐步從局部自動化，發(fā)展成今天的全方位、全流程的綜合自動化。我國的自動化學術(shù)組織：中國自動化學會，1961年成立，第一屆理事長錢學森院士。1.2.1人工控制與自動控制人工控制：人工控制是人工操作實現(xiàn)：測量、求誤差、控制、再測量、再求誤差、再控制的循環(huán)過程。1.2自動控制的基本原理1)操作員將期望的液位值(即水位高度)記在大腦中；2)操作員用眼讀取實際液位值；3)操作員將液位期望值與實際值比較得出偏差值；4)操作員根據(jù)偏差的大小和性質(zhì)（正負性），決定如何通過用手打開或關(guān)閉閥門的方式來調(diào)節(jié)經(jīng)過閥門的水量大小，達到維持液位恒定的控制目標。自動控制：沒有人直接參與，利用自動控制裝置，使工作機械或生產(chǎn)過程自動地按照預(yù)定規(guī)律運行或使某些物理量按預(yù)定要求變化。1.2自動控制的基本原理連桿的長度人的大腦記下期望液位浮子人的眼睛實際液位浮子和連桿人的大腦計算偏差杠桿機構(gòu)的另一端人的大腦和手判斷偏差大小和性質(zhì)，帶動水閥動作，調(diào)節(jié)水量大小自動控制人工控制1.2自動控制的基本原理1.2.2開環(huán)控制與閉環(huán)控制開環(huán)控制系統(tǒng)：系統(tǒng)的輸入與輸出之間只有前向的信號傳遞，而沒有反向的信號回傳。缺點：開環(huán)控制系統(tǒng)的控制精度和抑制干擾能力較差。Mc恒定：ur,ua,nur,ua,nur恒定：Mc,nMc,n1.2自動控制的基本原理反饋：系統(tǒng)從輸出到輸入的反向信息傳遞，這種反向信息傳遞稱為反饋。閉環(huán)控制系統(tǒng)：具有反饋的系統(tǒng)因信息在系統(tǒng)內(nèi)的傳遞形成了閉合環(huán)路。稱為閉環(huán)系統(tǒng)。Mc恒定：ur,ueu1ua,n,

uf,ue,u1ua,nur恒定：Mc,nuf,ue,u1ua,n開環(huán)：單向控制，輸入和輸出間沒有聯(lián)系，系統(tǒng)輸入與輸出間沒有反饋回路。但受外界干擾小時，仍被大量使用。閉環(huán)：將輸出量返回到輸入端，形成偏差，基于偏差產(chǎn)生控制以減少或消除偏差。相對來看，結(jié)構(gòu)復雜、成本增加、存在穩(wěn)定性問題，但具有開環(huán)控制無法替代的自動糾偏功能和較高控制精度。1.2自動控制的基本原理1.2自動控制的基本原理2．快速性快速性主要是用時間衡量一個穩(wěn)定的系統(tǒng)對平衡狀態(tài)的恢復或跟隨的速度。影響系統(tǒng)平衡狀態(tài)的因素：擾動使系統(tǒng)偏離平衡，因控制任務(wù)的需要而改變系統(tǒng)的平衡狀態(tài)。過渡過程越短，說明系統(tǒng)恢復平衡或跟隨新的平衡狀態(tài)的能力越強，快速性就越好。3．準確性過渡過程結(jié)束后系統(tǒng)就進入穩(wěn)態(tài)，此時系統(tǒng)輸出量的期望值與實際值之差稱為穩(wěn)態(tài)誤差。穩(wěn)態(tài)誤差越小，控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度越高。無差系統(tǒng)、有差系統(tǒng)。1.2自動控制的基本原理

上述穩(wěn)定性、快速性和準確性三個方面往往是相互制約的。穩(wěn)定裕度過大可能引起系統(tǒng)的快速性變差、過渡過程變長；而單純追求快速性，則可能加劇振蕩，甚至引起不穩(wěn)定。1.3反饋控制系統(tǒng)的組成1.3.1按構(gòu)成系統(tǒng)的基本元件劃分測量元件：測量系統(tǒng)的輸出量，量綱轉(zhuǎn)換。如：熱電偶、各種傳感器，對輸出信號進行測量。比較元件：形成參考輸入信號與測量反饋信號的偏差。如：反向放大器、中位器連接電路等。放大元件：對信號進行線性放大或提供功率放大。多級放大。如：電壓放大器等。1.3反饋控制系統(tǒng)的組成1.3.2按系統(tǒng)內(nèi)部基本功能環(huán)節(jié)劃分

傳感器：功能是感受被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用的信號。當傳感器的輸出信號為標準信號時，則稱其為變送器?？刂破鳎寒a(chǎn)生供執(zhí)行機構(gòu)執(zhí)行的控制信號；執(zhí)行機構(gòu)：根據(jù)控制器發(fā)出的命令去控制或調(diào)節(jié)被控過程；被控對象：描述系統(tǒng)從控制變量到被控變量之間的被控過程。廣義被控對象：執(zhí)行機構(gòu)+被控對象控制變量：可以是任何描述被控過程控制輸入的物理量廣義被控對象的控制變量：控制信號常是電信號，電壓或電流1.3反饋控制系統(tǒng)的組成1.3.3若干常用術(shù)語控制系統(tǒng)由被控對象和控制器等內(nèi)部基本功能環(huán)節(jié)按一定的結(jié)構(gòu)方式聯(lián)接，為完成某種控制任務(wù)而組成的一個有機整體輸入信號：系統(tǒng)外部輸入的信號，也稱輸入量，如參考輸入，外部干擾輸入，其中參考輸入也稱為給定量（值），它是控制系統(tǒng)被控變量的反饋信號需保持或跟隨的指令輸入。輸出信號：系統(tǒng)向外部輸出的信號，也稱輸出量，在單輸出系統(tǒng)中，系統(tǒng)的輸出信號就是被控對象的被控變量。1.3反饋控制系統(tǒng)的組成擾動信號：擾動可以是小的波動，也可以是大的波動，擾動信號也稱為干擾信號。擾動在系統(tǒng)的方塊圖中屬于外部輸入。反饋信號：指對被控變量測量取出的、經(jīng)過必要的量綱轉(zhuǎn)換后反向回送到輸入端的信號。偏差信號：指參考輸入信號與反饋信號之差。誤差信號：指系統(tǒng)輸出量的期望值與實際值之差。由于偏差信號與誤差信號之間存在確定對應(yīng)關(guān)系，故兩者經(jīng)過量綱換算是等價的。本書中誤差信號采用在輸入端的定義，因此，若不加說明誤差信號即指偏差信號。1.3反饋控制系統(tǒng)的組成分析：把研究對象分成較簡單的組成部分，找出這些部分的本質(zhì)屬性和彼此之間的關(guān)系?？刂葡到y(tǒng)的分析是一種動態(tài)分析，即視研究對象為演化的系統(tǒng)。一般是先建立描述系統(tǒng)動態(tài)特性的數(shù)學模型，這樣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)已確定，而結(jié)構(gòu)參數(shù)或參數(shù)范圍已確定，然后采用數(shù)學工具作為主要手段對系統(tǒng)的動態(tài)性能進行分析。

綜合：綜合是分析的反義詞。一般地說，綜合就是將已有的關(guān)于研究對象各個部分的認識聯(lián)結(jié)起來，形成對研究對象的統(tǒng)一整體認識?？刂葡到y(tǒng)的綜合是指根據(jù)一定任務(wù)，利用系統(tǒng)分析的真知灼見，找出能夠滿足性能指標的控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)和參數(shù)配置。反饋控制系統(tǒng)中，當被控對象，執(zhí)行機構(gòu)和傳感器確定后，控制系統(tǒng)的綜合主要是建立控制器數(shù)學模型，解決控制器參數(shù)配置或者參數(shù)優(yōu)化問題，以滿足整個控制系統(tǒng)的定量性能指標。1.3反饋控制系統(tǒng)的組成校正：在形成基本的控制系統(tǒng)或者確定了廣義控制對象和相應(yīng)的傳感器數(shù)學模型之后，基于經(jīng)典控制理論所進行的校正裝置設(shè)計工作。設(shè)計：指控制系統(tǒng)的設(shè)計而非工程設(shè)計?？刂葡到y(tǒng)的設(shè)計就是針對一個給定的控制任務(wù)，利用控制系統(tǒng)的分析與綜合方法，通過一系列反復的選擇、評判和優(yōu)化，完成構(gòu)造一個控制系統(tǒng)的逐步試探過程。1.4自動控制系統(tǒng)的分類1.4.1按參考輸入信號特征分類

1．恒值控制系統(tǒng)

參考輸入信號為恒定值，控制系統(tǒng)的任務(wù)就是保持某個被控量為一個給定的期望恒值上。如：溫度、水位控制等。2．隨動控制系統(tǒng)

隨動控制系統(tǒng)一般習慣稱為隨動系統(tǒng)或伺服系統(tǒng)。此類系統(tǒng)的參考輸入信號是預(yù)先未知的隨時間變化的任意函數(shù)。隨動系統(tǒng)的任務(wù)就是使系統(tǒng)的被控量以一定精度跟隨參考輸入信號的變化。如：高射炮隨動系統(tǒng)。1.4自動控制系統(tǒng)的分類3．程序控制系統(tǒng)程序控制系統(tǒng)的參考輸入信號是預(yù)先設(shè)定的函數(shù)曲線。如：熱處理爐溫度的升溫、保溫和降溫過程的控制，生產(chǎn)過程中的化學反應(yīng)器開停車過程中的升溫、保溫和降溫曲線控制。溫度上升預(yù)定曲線1.4自動控制系統(tǒng)的分類1.4.2按系統(tǒng)環(huán)節(jié)間信號傳遞形式分類1．連續(xù)系統(tǒng)：信號傳遞均為時間的連續(xù)函數(shù)2．離散系統(tǒng)：至少一個信號傳遞為脈沖序列或數(shù)字編碼形式

3．網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)：典型的網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)是指控制器到執(zhí)行器以及傳感器到控制器之間的信號傳遞是通過數(shù)據(jù)包計算機網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)。采樣過程1.4自動控制系統(tǒng)的分類1.4.3按描述系統(tǒng)的動態(tài)方程分類1．線性系統(tǒng)：可以采用線性微分方程來描述的系統(tǒng)2．非線性系統(tǒng)：非線性系統(tǒng)中一般均包含非線性元件3．定常系統(tǒng)：系統(tǒng)中不含參數(shù)隨時間變化的元件4．時變系統(tǒng)：系統(tǒng)中含參數(shù)隨時間變化的元件1.5控制系統(tǒng)應(yīng)用實例三則工作原理：蒸汽機帶動負載轉(zhuǎn)動圓錐齒輪減速帶動一對飛錘作水平旋轉(zhuǎn)飛錘通過鉸鏈帶動套筒上、下滑動撥動杠桿的一端杠桿另一端通過連桿調(diào)節(jié)供汽閥門的開度

蒸汽機：蒸汽機的轉(zhuǎn)速保持在期望值附近

平衡：飛錘旋轉(zhuǎn)，套筒保持某高度，閥門處于一個平衡位置當出現(xiàn)不平衡時：負載,轉(zhuǎn)速，圓錐齒輪轉(zhuǎn)動,飛錘速度,套筒位置,杠桿右端,蒸汽閥門，轉(zhuǎn)速。負載,轉(zhuǎn)速，圓錐齒輪轉(zhuǎn)動,飛錘速度,套筒位置,杠桿右端,蒸汽閥門，轉(zhuǎn)速。1.5控制系統(tǒng)應(yīng)用實例三則加熱爐溫度控制系統(tǒng)保持爐溫T恒定：由于擾動，當爐溫T，uf

,ue,u1,ua,加熱電阻絲電壓

,T.1.5控制系統(tǒng)應(yīng)用實例三則角位置隨動系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)負載的角位置o快速跟隨期望角位置i:i，ur,

ur

-uf=ue,u1,ua,o.1.6控制系統(tǒng)設(shè)計概述1.7本書內(nèi)容安排第一部分：反饋控制系統(tǒng)的建模、穩(wěn)定性與特性1全書緒論：控制理論發(fā)展簡史、自控系統(tǒng)基本原理、類別、對控制系統(tǒng)的要求(穩(wěn)快準)、設(shè)計控制系統(tǒng)的基本步驟；2建立控制系統(tǒng)的微分方程模型、傳遞函數(shù)、結(jié)構(gòu)圖、信號流圖、幾種模型