自動控制原理電子教案新

自動控制原理電子教案新第一頁，共三十五頁，2022年，8月28日第一節(jié)概論1.1.1控制的含義1.1.2人工控制與自動控制1.1.3自動控制學科的特點1.1.4控制科學與工程的內涵1.1.5自動控制理論的內容1.1.6自動控制理論的基本問題第二頁，共三十五頁，2022年，8月28日1.1.1控制的含義控制（CONTROL）----某個主體使某個客體按照一定的目的動作主體---人：人工控制；機器：自動控制客體---指一件物體，一套裝置，一個物化過程，一個特定系統(tǒng)。物體--飛船，電爐。（飛船控制）裝置--鍋爐，汽機。（鍋爐控制）過程--燃燒，傳動。（燃燒控制）系統(tǒng)--電力，化工，冶金。（電力控制）第三頁，共三十五頁，2022年，8月28日1.1.2人工控制與自動控制煤氣灶上油煎雞蛋時的油溫控制自行車速度控制汽車駕駛收音機音量調節(jié)電飯煲空調抽水馬桶汽輪機轉速控制導彈飛行控制聲控光控路燈第四頁，共三十五頁，2022年，8月28日1.1.3自動控制學科的特點應用廣泛小至電子表,大至人造衛(wèi)星,幾乎包括各個領域.我院6個專業(yè)有4個學“自控原理”課日益重要很難想象現(xiàn)代生活和生產過程沒有自動控制裝置如何能夠繼續(xù)?你敢讓大型發(fā)電機組用人工控制來運行嗎?你愿意使用不能自動控制溫度的電冰箱嗎？第五頁，共三十五頁，2022年，8月28日發(fā)展迅速從離心重錘式的簡單自動機械到具有每秒運行上億次的CPU的智能機器人,自動控制學科發(fā)展日新月異.越來越復雜和越來越精確的控制要求以及高度發(fā)展的現(xiàn)代科技(如計算機)是促進自動控制學科飛速發(fā)展的重要原因第六頁，共三十五頁，2022年，8月28日1.1.4控制科學與工程學科的內涵控制科學與工程控制理論與控制工程檢測技術與自動化裝置模式識別與智能系統(tǒng)系統(tǒng)工程第七頁，共三十五頁，2022年，8月28日

1.1.5自動控制理論的內容自動控制理論經典控制理論(19世紀中葉--20世紀50年代)線性非線性根軌跡法頻域法時域法波波夫法李雅普諾夫法描述函數(shù)法相平面法采樣控制Z變換法現(xiàn)代控制理論(60年代以來)狀態(tài)反饋控制最優(yōu)控制智能控制預測控制自適應控制模糊控制大系統(tǒng)多層分散控制第八頁，共三十五頁，2022年，8月28日1.1.6自動控制理論的基本問題控制系統(tǒng)的分析典型信號下的響應(階躍響應,頻率特性)數(shù)學模型(傳遞函數(shù),狀態(tài)方程)性能指標(穩(wěn)態(tài)誤差,超調量)控制系統(tǒng)的設計性能要求(性能指標,約束條件)控制器的結構和參數(shù)設計和整定性能校核(計算,仿真,實驗)第九頁，共三十五頁，2022年，8月28日第二節(jié)反饋控制系統(tǒng)的基本概念信息反饋-------最基本的自動控制原理反饋控制系統(tǒng)的中的常用術語：給定值（參考輸入值）偏差值控制量被控量擾動量(內擾,外擾)自動控制裝置=傳感器+控制器+給定器+執(zhí)行器受控過程（受控對象）控制系統(tǒng)=受控過程＋控制裝置第十頁，共三十五頁，2022年，8月28日例1.1鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)工業(yè)過程中的反饋控制系統(tǒng)例子---調節(jié)器汽包變送器主蒸汽過熱器省煤器執(zhí)行器給水調節(jié)閥給水泵給水第十一頁，共三十五頁，2022年，8月28日例1.2水箱水位控制日常生活過程中的反饋控制系統(tǒng)例子---第十二頁，共三十五頁，2022年，8月28日第三節(jié)自動控制系統(tǒng)的組成及方框圖自動控制系統(tǒng)：控制裝置＋受控對象方框圖(方框+箭頭+求和圓+線條)：分析系統(tǒng)內各部分之間關系的圖解法．自動控制系統(tǒng)的組成(如鍋爐水位控制系統(tǒng))：給定值SVSetpoint-Value偏差值DVDeviation-value操作值MVManipulation-Value過程變量值PVProcess-Value

給定器調節(jié)器執(zhí)行器受控過程傳感器SVDV反饋PVMV被控量PV第十三頁，共三十五頁，2022年，8月28日

調節(jié)器執(zhí)行器調節(jié)閥汽包變送器+-例1.3鍋爐水位控制系統(tǒng)測量水位PV偏差量DV控制量調節(jié)位移MV給水量反饋元件實際水位設定水位SV第十四頁，共三十五頁，2022年，8月28日第四節(jié)自動控制系統(tǒng)的分類設定器控制器被控對象擾動被控量設定器被控過程傳感器控制器1.4.1按系統(tǒng)環(huán)節(jié)連接形式分類閉環(huán)控制系統(tǒng):開環(huán)控制系統(tǒng)：第十五頁，共三十五頁，2022年，8月28日開環(huán)控制系統(tǒng)舉例電熱絲加熱爐220v~調壓器功率放大器負載電位器M例1.4.1開環(huán)溫度控制系統(tǒng)

開環(huán)控制系統(tǒng)特點：

1.信號從輸入到輸出無反饋,單向傳遞. 2.結構簡單.3.控制精度不高,無法抑制擾動.例1.4.2開環(huán)轉速控制系統(tǒng)第十六頁，共三十五頁，2022年，8月28日

閉環(huán)控制系統(tǒng)舉例

M電壓放大器功率放大器測速發(fā)電機負載M減速器溫度控制器熱電偶調壓器220V~例1.4.3閉環(huán)溫度控制系統(tǒng)例1.4.4閉環(huán)轉速控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)特點:1.有反饋回路;2.結構復雜;3.控制精度高,自動糾偏第十七頁，共三十五頁，2022年，8月28日1.4.2按控制依據(jù)信號性質分類控制器控制器被控過程控制器被控過程控制器被控過程反饋控制系統(tǒng)前饋控制系統(tǒng)前饋---反饋控制系統(tǒng)第十八頁，共三十五頁，2022年，8月28日1.4.3按給定值變化規(guī)律分類tttrrr恒值控制系統(tǒng)

給定值不隨時間變化

例恒溫，恒壓系統(tǒng)隨動控制系統(tǒng)

給定值按需求隨機變化

例雷達跟蹤，靠模加工系統(tǒng)程序控制系統(tǒng)

給定值按條件（時間或流程）變化例金屬熱處理，化學水處理第十九頁，共三十五頁，2022年，8月28日1.4.4按輸入輸出變量數(shù)分類電加熱爐電站鍋爐單變量控制系統(tǒng)

單入--單出SISO（SingleInputSingleOutput）

例電加熱爐溫度控制系統(tǒng)電流溫度多變量控制系統(tǒng)

多入--多出MIMO（Multiple----）

例鍋爐燃燒控制系統(tǒng)燃料量送風量引風量工質溫度工質壓力爐膛壓力第二十頁，共三十五頁，2022年，8月28日1.4.5按系統(tǒng)特性分類

線性控制系統(tǒng)

輸入與輸出成正比，可用疊加原理用線性數(shù)學模型描述

例彈簧秤（在工作區(qū)）

非線性控制系統(tǒng)

輸入與輸出不成正比，不可用疊加原理用非線性數(shù)學模型描述

例彈簧秤（不在工作區(qū)）

位移位移力力第二十一頁，共三十五頁，2022年，8月28日1.4.6按變量的時間特性分類

連續(xù)時間控制系統(tǒng)

系統(tǒng)中的變量可隨時變化，連續(xù)，不間斷

例重錘式轉速控制系統(tǒng)

離散時間控制系統(tǒng)

系統(tǒng)中存在離散變量，它們只在固定時刻存在和變化

例計算機控制系統(tǒng)

變量變量時間時間第二十二頁，共三十五頁，2022年，8月28日1.4.7按變量的變化特性分類

模擬量控制系統(tǒng)

系統(tǒng)中的變量是反映物理量的模擬變量，可以是任意數(shù)值

例熱電偶測得電勢，反映溫度

開關量控制系統(tǒng)

系統(tǒng)中變量只有兩個狀態(tài)，0或1，開或關

例全自動洗衣機

變量變量時間時間第二十三頁，共三十五頁，2022年，8月28日1.4.8按變量的統(tǒng)計特性分類

確定性變量控制系統(tǒng)

系統(tǒng)中的變量被認為是無噪聲的確定性變量

隨機性變量控制系統(tǒng)

系統(tǒng)中的變量被認為是有噪聲的隨機性變量

變量時間變量時間第二十四頁，共三十五頁，2022年，8月28日1.4.9按控制規(guī)律分類常規(guī)控制（PID）智能控制預測控制最優(yōu)控制自適應控制魯棒控制模糊控制神經元控制第二十五頁，共三十五頁，2022年，8月28日1.4.10按控制器實現(xiàn)器件分類機械型電動型氣動型計算機型綜合型第二十六頁，共三十五頁，2022年，8月28日

第五節(jié)控制系統(tǒng)性能分析概論典型試驗信號階躍信號斜坡信號拋物線信號脈沖信號正弦信號系統(tǒng)性能分析方法動態(tài)特性分析穩(wěn)態(tài)特性分析第二十七頁，共三十五頁，2022年，8月28日1.5.1.1階躍信號（StepFunction）

階躍信號含寬頻帶諧波分量，產生容易，是最常用系統(tǒng)性能測試信號。時間r（t）R-----單位階躍函數(shù)第二十八頁，共三十五頁，2022年，8月28日1.5.1.2斜坡信號（RampFunction）

斜坡信號為勻速信號，適于測試勻速系統(tǒng)。時間tr（t）Rttg（）=R-----單位階躍函數(shù)第二十九頁，共三十五頁，2022年，8月28日1.5.1.3拋物線信號（ParabolicFunction）

u（t）-----單位階躍函數(shù)拋物線信號為勻加速信號，適于測試勻加速系統(tǒng)。時間tr（t）0.5Rt2第三十頁，共三十五頁，2022年，8月28日1.5.1.4脈沖信號（PulseFunction）

t=0

理想情況:r（t）=(t)=(t)-----單位脈沖函數(shù)

0t0

A/h0<=t<=h實際情況:r（t）=0t<0,t>h

可用于測試系統(tǒng)抗沖擊能力時間tr（t）Ah第三十一頁，共三十五頁，2022年，8月28日1.5.1.5正弦信號（SineFunction）

r（t）=Asin(t+

)

A--------幅值

--------頻率--------初相位正弦信號為單頻率信號，適于測試系統(tǒng)頻率特性。時間tr（t）第三十二頁，共三十五頁，2022年，8月28日1.5.2.1動態(tài)特性分析

y（t）=f(x（t）)y(t)------輸出x(t)---------