南京林業(yè)大學自動控制原理1課件

自動控制基礎

目的：深入了解自動控制理論的基礎知識，并運用所學知識解決日常生活中的實際問題。（如空調自動控制，鍋爐自動控制等）相關的前提知識：電工電子技術，復變函數(shù)，工程數(shù)學變換課程結構第一章自動控制概論第二章控制系統(tǒng)的數(shù)學模型第三章控制系統(tǒng)的時域分析法第四章根軌跡法第五章頻率法第六章控制系統(tǒng)的校正第八章線性離散系統(tǒng)成績構成64學時（4學分）實驗學時8學時考試（70%）作業(yè)（10%）實驗（10%）平時（10%）聯(lián)系方式木工院3樓4302室答疑時間：16、17周周五郵箱：郵件標題：自動控制_班級學號課程安排1—14周星期二、四上午1~2節(jié)50317教室實驗時間地點另行通知1765年，瓦特發(fā)明蒸汽機，用離心式調速器控制蒸氣機1948年，維納《控制論－或關于在動物和機器中控制和通信的科學》產(chǎn)生40－60年代經(jīng)典控制理論（頻域法為主）60－70年代現(xiàn)代控制理論（時域法為主)70年代以后大系統(tǒng)控制理論自動控制：

在沒有人直接參與的情況下，采用控制裝置或機械使被控制對象達到預期的目標。1-1自動控制基本概念發(fā)展簡史：自動控制研究的內容：經(jīng)典控制理論現(xiàn)代控制理論經(jīng)典控制理論主要研究對象:對單輸入單輸出線性定常系統(tǒng)的分析和設計問題?，F(xiàn)代控制理論主要研究對象:多輸入、多輸出、時變參數(shù)、高精度復雜系統(tǒng)的分析和設計問題。經(jīng)典控制理論的基本特征

反饋控制是一種最基本最重要的控制方式，引入反饋信號后，系統(tǒng)對來自內部和外部干擾的響應變得十分遲鈍，從而提高了系統(tǒng)的抗干擾能力和控制精度。但是反饋作用又帶來了系統(tǒng)穩(wěn)定性問題。正是這個曾一度困擾人們的系統(tǒng)穩(wěn)定性問題激發(fā)了人們對反饋控制系統(tǒng)進行深入研究的熱情，推動了自動控制理論的發(fā)展與完善。因此從某種意義上講，古典控制理論是伴隨著反饋控制技術的產(chǎn)生和發(fā)展而逐漸完善和成熟起來的?，F(xiàn)代控制理論

由于經(jīng)典控制理論只適用于單輸入、單輸出的線性定常系統(tǒng)，只注重系統(tǒng)的外部描述而忽視系統(tǒng)的內部狀態(tài)。因而在實際應用中有很大局限性。隨著航天事業(yè)和計算機的發(fā)展，20世紀60年代初，在經(jīng)典控制理論的基礎上，以線性代數(shù)理論和狀態(tài)空間分析法為基礎的現(xiàn)代控制理論迅速發(fā)展起來?，F(xiàn)代控制理論1954年貝爾曼（R.Belman)提出動態(tài)規(guī)劃理論1956年龐特里雅金（L.S.Pontryagin）提出極大值原理1960年卡爾曼（R.K.Kalman)提出多變量最優(yōu)控制和最優(yōu)濾波理論在數(shù)學工具、理論基礎和研究方法上不僅能提供系統(tǒng)的外部信息（輸出量和輸入量），而且還能提供系統(tǒng)內部狀態(tài)變量的信息。它無論對線性系統(tǒng)或非線性系統(tǒng)，定常系統(tǒng)或時變系統(tǒng)，單變量系統(tǒng)或多變量系統(tǒng)，都是一種有效的分析方法。大系統(tǒng)理論隨著控制理論應用范圍的擴大，從個別小系統(tǒng)的控制，發(fā)展到若干個相互關聯(lián)的子系統(tǒng)組成的大系統(tǒng)進行整體控制，從傳統(tǒng)的工程控制領域推廣到包括經(jīng)濟管理、生物工程、能源、運輸、環(huán)境等大型系統(tǒng)以及社會科學領域。大系統(tǒng)理論是過程控制與信息處理相結合的系統(tǒng)工程理論，具有規(guī)模龐大、結構復雜、功能綜合、目標多樣、因素眾多等特點。它是一個多輸入、多輸出、多干擾、多變量的系統(tǒng)。大系統(tǒng)理論目前仍處于發(fā)展和開創(chuàng)性階段。智能控制是近年來新發(fā)展起來的一種控制技術，是人工智能在控制上的應用。智能控制的概念和原理主要是針對被控對象、環(huán)境、控制目標或任務的復雜性提出來的，它的指導思想是依據(jù)人的思維方式和處理問題的技巧，解決那些目前需要人的智能才能解決的復雜的控制問題。智能控制被控對象的復雜性體現(xiàn)為:模型的不確定性，高度非線性，分布式的傳感器和執(zhí)行器，動態(tài)突變，多時間標度，復雜的信息模式，龐大的數(shù)據(jù)量，以及嚴格的特性指標等。智能控制是驅動智能機器自主地實現(xiàn)其目標的過程，對自主機器人的控制就是典型的例子而環(huán)境的復雜性則表現(xiàn)為變化的不確定性和難以辨識。智能控制是從“仿人”的概念出發(fā)的。一般認為，其方法包括學習控制、模糊控制、神經(jīng)元網(wǎng)絡控制、和專家控制等方法。人工控制和自動控制油汀暖氣片的溫度控制TCTT減溫器溫度測量冷水過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)HTHC差壓變送器液位調節(jié)器執(zhí)行器儲罐液位控制閉環(huán)控制1-2自動控制的基本方式開環(huán)控制復合控制一、開環(huán)控制控制裝置與被控對象之間只有順向作用而沒有反向聯(lián)系的控制。溫度計

加熱電阻絲u~220Vk爐溫開環(huán)控制系統(tǒng)開關閉合后，不同的輸入電壓u對應于不同的溫度t。給定值輸出量典型開環(huán)控制的方框圖控制器被控制對象擾動輸出量

受控對象控制裝置

(電源)輸入量(溫度)擾動量開關電爐恒溫箱加熱電阻絲爐溫開環(huán)控制系統(tǒng)方框圖控制方式：按給定值操縱。信號由給定值至輸出量單向傳遞。一定的給定值對應一定的輸出量。系統(tǒng)的控制精度取決于系統(tǒng)事先的調整精度。對于工作過程中受到的擾動或特性參數(shù)的變化無法自動補償。結構簡單，成本低廉，多用于系統(tǒng)結構參數(shù)穩(wěn)定和擾動信號較弱的場合.開環(huán)控制系統(tǒng)特點：信號從輸入到輸出無反饋,單向傳遞.結構簡單.控制精度不高,無法抑制擾動.例:直流電動機轉速開環(huán)控制系統(tǒng)。

輸出量對輸入量沒有影響的系統(tǒng)稱為開環(huán)系統(tǒng)

二、閉環(huán)控制圖示:人工電動機轉速閉環(huán)控制系統(tǒng)反饋控制任務：保持工作機械恒速運行.控制過程：反饋：

輸出量送回至輸入端并與輸入信號比較的過程負反饋：

反饋的信號與輸入信號相減而使偏差越來越小典型閉環(huán)系統(tǒng)方框圖閉環(huán)控制:是指控制器與控制對象之間既有順向作用有反向聯(lián)系的控制過程。特點:輸出影響輸入，所以能削弱或抑制干擾；低精度元件可組成高精度系統(tǒng)；因為可能發(fā)生超調，振蕩，所以穩(wěn)定性很重要開環(huán)

優(yōu)點：結構簡單，成本低廉，工作穩(wěn)定，當輸入信號和擾動能預先知道時，控制效果較好。缺點：不能自動修正被控制量的偏離，系統(tǒng)的元件參數(shù)變化以及外來的未知擾動對控制精度影響較大。閉環(huán)

優(yōu)點：具有自動修正被控制量出現(xiàn)偏離的能力，可以修正元件參數(shù)變化及外界擾動引起的誤差，控制精度高。

缺點：被控量可能出現(xiàn)振蕩，甚至發(fā)散。三、開環(huán)控制與反饋控制的比較主反饋—與輸出成正比或某種函數(shù)關系，但量綱與給定信號相同；偏差—給定信號與主反饋信號之差的信號；控制單元—接受偏差信號，通過轉換與運算，產(chǎn)生期望的控制量；擾動—對系統(tǒng)輸出產(chǎn)生不利影響的信號；反饋環(huán)節(jié)—檢測輸出信號并轉換與給定輸入信號相同量綱的信號。四、閉環(huán)控制系統(tǒng)的術語和定義輸出量環(huán)節(jié)名稱（或特性）輸入量(a)

(-)(b)re=r-b

b(c)c引出點cc閉環(huán)控制系統(tǒng)的方框圖

方框圖的組成：

擾動被控量偏差信號

(-)

參考輸入信號r(t)

調節(jié)器(或控制器)u(t)受控系統(tǒng)e(t)c(t)反饋信號

控制量給定

控制環(huán)節(jié)

放大

元件

執(zhí)行

機構

受控

對象

反饋裝置(測量元件)擾動(b)方框圖(-)utug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nueudo五、復合控制

它是把按偏差控制與按擾動控制結合起來，對于主要擾動采用適當?shù)难a償裝置實現(xiàn)按擾動控制，同時再組成反饋控制系統(tǒng)實現(xiàn)按偏差控制，以消除其余擾動產(chǎn)生的偏差。按擾動補償

輸入信號(-)

電壓放大器功率放大器電動機測速發(fā)電機電壓放大器電阻R電動機速度復合控制系統(tǒng)方框圖控制系統(tǒng)的組成(1)

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

給定元件控制系統(tǒng)的組成(2)

也稱定值系統(tǒng)。反饋控制系統(tǒng)的參考輸入信號為恒定的常量。在實際工程中給定值一般不變化或變化很緩慢，而擾動可隨時變化的系統(tǒng)稱為恒值系統(tǒng)，在生產(chǎn)過程中，這類系統(tǒng)非常多。例如，冶金部門的恒溫系統(tǒng)，石油部門的恒壓系統(tǒng)等。1-3典型控制系統(tǒng)恒值系統(tǒng)：爐溫控制系統(tǒng)見p7圖1.3-5電爐爐溫控制系統(tǒng)例電站鍋爐空氣預熱器密封間隙控制系統(tǒng)系統(tǒng)通過間隙傳感器實時測量出密封間隙值并送入計算機，與設定值比較后，發(fā)出控制指令至電動機提升機構，調整密封板的位置，達到維持密封間隙值恒定的目的。

電站鍋爐空氣預熱器(以下簡稱空預器)是電站鍋爐中的重要設備，其作用是利用鍋爐的排煙余熱加熱空氣以滿足鍋爐燃燒和制粉系統(tǒng)的需要，同時達到降低排煙溫度，減少排煙熱損失，節(jié)能、降耗，提高機組出力的作用。控制間隙，減小其漏風量是大型電站鍋爐控制中比較重要的一個環(huán)節(jié)。

爐溫控制系統(tǒng)2爐溫控制系統(tǒng)方框圖爐溫控制系統(tǒng)方框圖水溫調節(jié)系統(tǒng)水溫調節(jié)系統(tǒng)工作原理圖水溫調節(jié)系統(tǒng)水溫調節(jié)系統(tǒng)方框圖系統(tǒng)的給定值變化規(guī)律完全取決于事先不能確定的時間函數(shù)。例如，火炮系統(tǒng)，衛(wèi)星控制系統(tǒng)等。隨動系統(tǒng)：穩(wěn)定性

被控制信號能跟蹤已變化的輸入信號，從一種狀態(tài)到另一種狀態(tài)，如果能做到，我們就認為該系統(tǒng)是穩(wěn)定的，這是對反饋控制系統(tǒng)提出的最基本要求。在單位階躍信號作用下，控制系統(tǒng)的過渡過程曲線如下圖所示。將那些輸出最后趨于穩(wěn)定值的，稱為穩(wěn)定系統(tǒng)；而那些不能達到平衡狀態(tài)的，稱為不穩(wěn)定系統(tǒng)。1-4對自動控制系統(tǒng)系統(tǒng)的要求.穩(wěn)定性：是保證控制系統(tǒng)正常工作的先決條件。tnn1(a)0(b)nt0n0n1t0n(c)n0t(e)n1n0t(d)n0n1n0t(f)

(a)、(b)單調收斂；(c)振蕩發(fā)散；(d)、(e)振蕩收斂；(f)等幅振蕩。穩(wěn)定性

系統(tǒng)在受到擾動作用后自動返回原來的平衡狀態(tài)的能力。如果系統(tǒng)受到擾動作用（系統(tǒng)內或系統(tǒng)外）后，能自動返回到原來的平衡狀態(tài)，則該系統(tǒng)是穩(wěn)定的。穩(wěn)定系統(tǒng)的數(shù)學特征是其輸出量具有非發(fā)散性；反之，系統(tǒng)是不穩(wěn)定系統(tǒng)。1-4對自動控制系統(tǒng)系統(tǒng)的要求快速性

對過渡過程的形式和快慢提出要求，一般稱為動態(tài)性能。

動態(tài)過程進行的時間長短，過程時間持續(xù)很長，將使系統(tǒng)長時間出現(xiàn)大偏差，同時也說明系統(tǒng)響應很遲鈍，難以復現(xiàn)快速變化的信號過程2過程1準確性

用穩(wěn)態(tài)誤差來表示。在參考輸入信號作用下，當系統(tǒng)達到穩(wěn)態(tài)后，其穩(wěn)態(tài)輸出與參考輸入所要求的期望輸出之差叫做給定穩(wěn)態(tài)誤差。顯然，這種誤差越小，表示系統(tǒng)的輸出跟隨參考輸入的精度越高。穩(wěn)定性：是保證控制系統(tǒng)正常工作的先決條件?？焖傩裕簞討B(tài)性能，有指標。準確性：穩(wěn)態(tài)（過度結