第1章自動(dòng)控制原理概述

第1章自動(dòng)控制原理概述第一頁(yè)，共31頁(yè)。自動(dòng)控制理論地位和重要性所需基礎(chǔ)知識(shí)拉氏變換、微分方程、Z變換、求極限等。知識(shí)構(gòu)架連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)?，F(xiàn)實(shí)系統(tǒng)->數(shù)學(xué)模型->時(shí)域、根軌跡和頻域的分析->系統(tǒng)的校正。出勤和考試平時(shí)成績(jī)10%（作業(yè)、出勤和回答問(wèn)題），實(shí)驗(yàn)成績(jī)10%（操作和報(bào)告），期中考試10%，期末考試70%。第二頁(yè)，共31頁(yè)。自動(dòng)控制理論

第一章自動(dòng)控制系統(tǒng)概述宋瀟瀟西華大學(xué)電氣與電子信息學(xué)院第三頁(yè)，共31頁(yè)。目錄1.1開(kāi)環(huán)控制與閉環(huán)控制1.2自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類1.3對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本性能要求第四頁(yè)，共31頁(yè)。什么是自動(dòng)控制？自動(dòng)控制：沒(méi)有人直接參與的情況下，利用外加的設(shè)備或裝置，使機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過(guò)程的某個(gè)工作狀態(tài)或參數(shù)自動(dòng)地按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行。第五頁(yè)，共31頁(yè)。1.1開(kāi)環(huán)控制與閉環(huán)控制1.1.1開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)控制器與被控對(duì)象之間只有正向控制作用而沒(méi)有反饋控制作用。第六頁(yè)，共31頁(yè)。1.1.2閉環(huán)控制系統(tǒng)在控制器與被控對(duì)象之間，不僅存在正向作用，而且存在反饋?zhàn)饔?。第七?yè)，共31頁(yè)。開(kāi)環(huán)控制與閉環(huán)控制的區(qū)別：1）從控制信號(hào)和流向上看；2）控制系統(tǒng)的組成上看；3）控制精度上看。第八頁(yè)，共31頁(yè)。問(wèn)題&思考閉環(huán)控制中，我有什么細(xì)節(jié)沒(méi)有講到？閉環(huán)控制系統(tǒng)的缺點(diǎn)有哪些？除了開(kāi)環(huán)和閉環(huán)兩種控制方式，你還能想到什么控制方式？第九頁(yè)，共31頁(yè)。1.1.3閉環(huán)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和術(shù)語(yǔ)對(duì)于如圖所示的水箱水位控制系統(tǒng)。第十頁(yè)，共31頁(yè)。通過(guò)研究上述人工控制恒溫箱的水位過(guò)程，可以看到，所謂控制就是使某個(gè)對(duì)象中物理量按照一定的目標(biāo)來(lái)動(dòng)作。本例中，對(duì)象指箱體，其中的物理量指箱體水位，一定目標(biāo)就是事先要求的高度期望值。第十一頁(yè)，共31頁(yè)。若水位控制要求精度高，那么由人來(lái)控制就很難滿足要求，這時(shí)就需要用控制裝置代替人，形成恒溫箱水位自動(dòng)控制系統(tǒng)，如下圖所示。第十二頁(yè)，共31頁(yè)。(1)測(cè)量元件將水位位置的變化，轉(zhuǎn)換成儀表系統(tǒng)中的(電)信號(hào)。它的作用類似于人工控制中人的眼，將水位的變化輸送到大腦中。(2)比較元件將水位對(duì)應(yīng)的(電)信號(hào)和理想值進(jìn)行比較，并用儀表顯示給監(jiān)視人員，或者用記錄紙連續(xù)記錄下來(lái)。第十三頁(yè)，共31頁(yè)。(3)放大元件將比較元件的輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換為控制信號(hào)，輸出足夠的功率以驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制閥門(mén)。(4)執(zhí)行器執(zhí)行器為一電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，它包括執(zhí)行電機(jī)和閥體兩部分，它根據(jù)控制器的命令，改變進(jìn)水調(diào)節(jié)閥門(mén)的開(kāi)度N1。調(diào)節(jié)閥的作用類似于人工控制中人的手，去執(zhí)行大腦的命令。第十四頁(yè)，共31頁(yè)。(5)被控對(duì)象此例中的被控對(duì)象是液位（被控量是液位高度，也叫輸出量）。(6)校正裝置對(duì)系統(tǒng)的參數(shù)或結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，用于改善系統(tǒng)框圖。第十五頁(yè)，共31頁(yè)。問(wèn)題&思考如果將下圖對(duì)應(yīng)到人工控制，各個(gè)原器件分別對(duì)應(yīng)什么？第十六頁(yè)，共31頁(yè)。1.2自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類1.2.1線性和非線性控制系統(tǒng)(1)線性控制系統(tǒng)組成系統(tǒng)元器件的特性均為線性的，可用一個(gè)或一組線性微分方程來(lái)描述系統(tǒng)輸入和輸出之間的關(guān)系。線性系統(tǒng)的主要特征是具有齊次性(kx)和疊加性(x1+x2)。當(dāng)線性微分方程的系數(shù)不隨時(shí)間變化時(shí)，為線性定常系統(tǒng)。本門(mén)課重點(diǎn)討論線性定常系統(tǒng)。第十七頁(yè)，共31頁(yè)。(2)非線性控制系統(tǒng)在系統(tǒng)中只要有一個(gè)元器件的特性不能用線性微分方程描述其輸入和輸出關(guān)系，則稱為非線性系統(tǒng)。非線性系統(tǒng)還沒(méi)有一種完整、成熟、統(tǒng)一的分析法。通常對(duì)于非線性程度不很嚴(yán)重，或做近似分析時(shí)，均可用線性系統(tǒng)理論和方法來(lái)處理。第十八頁(yè)，共31頁(yè)。1.2.2按給定信號(hào)的特點(diǎn)分類(1)恒值控制系統(tǒng)(自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng))這種系統(tǒng)的特征是輸出量為一恒值，通常稱為系統(tǒng)的給定值?？刂葡到y(tǒng)的任務(wù)是盡量排除各種干擾因素的影響，使輸出量維持在給定值(期望值)。如工業(yè)過(guò)程中恒溫、恒壓、恒速等控制系統(tǒng)。第十九頁(yè)，共31頁(yè)。(2)隨動(dòng)控制系統(tǒng)(跟蹤系統(tǒng))該系統(tǒng)的控制輸入量是一個(gè)事先無(wú)法確定的任意變化的量，要求系統(tǒng)的輸出量能迅速平穩(wěn)地復(fù)現(xiàn)或跟蹤輸入信號(hào)的變化。如雷達(dá)天線的自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)和高炮自動(dòng)描準(zhǔn)系統(tǒng)就是典型的隨動(dòng)系統(tǒng)。第二十頁(yè)，共31頁(yè)。(3)程序控制系統(tǒng)系統(tǒng)的控制輸入信號(hào)不是常值，而是事先確定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，編成程序裝在輸入裝置中，即控制輸入信號(hào)是事先確定的程序信號(hào)，控制的目的是使被控對(duì)象的被控量按照要求的程序動(dòng)作。如數(shù)控車床就屬此類系統(tǒng)。第二十一頁(yè)，共31頁(yè)。1.2.3按控制信號(hào)的形式分類(1)連續(xù)控制系統(tǒng)系統(tǒng)中所有元件的信號(hào)都是隨時(shí)間連續(xù)變化的，信號(hào)的大小均是可任意取值的模擬量，稱為連續(xù)系統(tǒng)。本書(shū)主要研究連續(xù)控制系統(tǒng)。第二十二頁(yè)，共31頁(yè)。(2)離散控制系統(tǒng)離散系統(tǒng)是指系統(tǒng)中有一處或多處的信號(hào)是脈沖序列或數(shù)字形式。若系統(tǒng)中采用了采樣開(kāi)關(guān)，將連續(xù)信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡x散的脈沖形式的信號(hào)，此類系統(tǒng)稱為采樣控制系統(tǒng)或脈沖控制系統(tǒng)。若采用數(shù)字計(jì)算機(jī)或數(shù)字控制器，其離散信號(hào)是以數(shù)碼形式傳遞的，此類系統(tǒng)稱為數(shù)字控制系統(tǒng)。第二十三頁(yè)，共31頁(yè)。問(wèn)題&思考除了上述的這些分類，自動(dòng)控制系統(tǒng)還能如何分類？（講該問(wèn)題的答案寫(xiě)在第一次的作業(yè)上，查閱資料，自己理解都可以）第二十四頁(yè)，共31頁(yè)。1.3對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本性能要求盡管自動(dòng)控制系統(tǒng)有不同的類型，對(duì)每個(gè)系統(tǒng)也都有不同的特殊要求，但對(duì)于各類系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，在已知系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)時(shí)，對(duì)該系統(tǒng)在某種典型輸入信號(hào)作用下，其被控變量變化全過(guò)程的基本要求都是一樣的，可以歸結(jié)為穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和快速性，即穩(wěn)、準(zhǔn)、快的要求。第二十五頁(yè)，共31頁(yè)。1．穩(wěn)定性對(duì)于一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，系統(tǒng)的穩(wěn)定是最基本的要求。否則系統(tǒng)無(wú)法正常工作，也無(wú)法完成控制任務(wù)，甚至?xí)脑O(shè)備，造成重大損失。考慮到實(shí)際系統(tǒng)工作環(huán)境或參數(shù)的變動(dòng)，可能導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定，因此，我們除要求系統(tǒng)穩(wěn)定外，還要求其具有一定的穩(wěn)定裕量。第二十六頁(yè)，共31頁(yè)。2．準(zhǔn)確性系統(tǒng)的準(zhǔn)確性是用穩(wěn)態(tài)誤差來(lái)衡量的，穩(wěn)態(tài)誤差是指系統(tǒng)過(guò)渡到新的平衡工作狀態(tài)以后，或系統(tǒng)對(duì)抗干擾重新恢復(fù)平衡后最終保持的精度。穩(wěn)態(tài)誤差與控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、參數(shù)以及輸入信號(hào)形式有關(guān)。第二十七頁(yè)，共31頁(yè)。3．快速性動(dòng)態(tài)過(guò)程是指控制系統(tǒng)的被控量在輸入信號(hào)作用下隨時(shí)間變化的全過(guò)程，衡量系統(tǒng)快速性的品質(zhì)好壞常采用單位階躍信號(hào)作用下動(dòng)態(tài)過(guò)程中的上升時(shí)間、峰值時(shí)間、調(diào)節(jié)時(shí)間等性能指標(biāo)。第二十八頁(yè)，共31頁(yè)。問(wèn)題&思考(1)單調(diào)過(guò)程(2)衰減振蕩過(guò)程(3)等幅振蕩過(guò)程(4)發(fā)散振蕩過(guò)程第二十九頁(yè)，共31頁(yè)。對(duì)不同的被控對(duì)象，系統(tǒng)對(duì)穩(wěn)、準(zhǔn)、快的要求有