控制工程原理第一章

控制工程原理課件第一章第1頁(yè)，共30頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第一節(jié)自動(dòng)控制與自動(dòng)控制系統(tǒng)一、自動(dòng)控制的基本概念二、控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成及控制方式第一章概述第2頁(yè)，共30頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第一節(jié)自動(dòng)控制與自動(dòng)控制系統(tǒng)一、自動(dòng)控制的基本概念自動(dòng)控制：

自動(dòng)控制系統(tǒng)控制裝置受控對(duì)象在無(wú)人直接參與下，利用控制裝操縱受控對(duì)象，使受控對(duì)象的被控量按給定信號(hào)變化?？刂破鹘o定值檢測(cè)元件受控對(duì)象被控量自動(dòng)控制示意圖分析和設(shè)計(jì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的性能。自動(dòng)控制原理的主要任務(wù)：第3頁(yè)，共30頁(yè)，2023年，2月20日，星期一例水溫自動(dòng)控制系統(tǒng)系統(tǒng)中增加了：控制器電機(jī)加入給定信號(hào)工作原理：檢測(cè)實(shí)際溫度產(chǎn)生控制信號(hào)通過(guò)電機(jī)調(diào)節(jié)閥門的開(kāi)度從而調(diào)節(jié)蒸汽流入，控制水的溫度.實(shí)現(xiàn)沒(méi)有人直接參入的自動(dòng)水溫控制.第一節(jié)自動(dòng)控制與自動(dòng)控制系統(tǒng)第4頁(yè)，共30頁(yè)，2023年，2月20日，星期一為了方便地分析系統(tǒng)性能，一般用框圖來(lái)表示系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，如圖所示:要使自動(dòng)控制系統(tǒng)滿足工程實(shí)際的需要,必須研究自動(dòng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)與系統(tǒng)性能之間的關(guān)系。實(shí)際溫度偏差反饋量預(yù)期溫度_控制器執(zhí)行機(jī)構(gòu)閥門水箱第一節(jié)自動(dòng)控制與自動(dòng)控制系統(tǒng)第5頁(yè)，共30頁(yè)，2023年，2月20日，星期一二、自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成及控制方式1．開(kāi)環(huán)控制有順向作用而無(wú)反向聯(lián)系.自動(dòng)控制系統(tǒng)一般有兩種基本控制方式.開(kāi)環(huán)控制控制裝置與受控對(duì)象之間只第一節(jié)自動(dòng)控制與自動(dòng)控制系統(tǒng)第6頁(yè)，共30頁(yè)，2023年，2月20日，星期一例轉(zhuǎn)臺(tái)速度開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)這種轉(zhuǎn)臺(tái)在CD機(jī)、計(jì)算機(jī)磁盤驅(qū)動(dòng)器等現(xiàn)代裝置中廣泛應(yīng)用.轉(zhuǎn)臺(tái)電機(jī)電源和放大裝置速度設(shè)置系統(tǒng)組成：由圖可見(jiàn)：被控制量速度沒(méi)有反饋到輸入端與給定信號(hào)比較,為開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)。第一節(jié)自動(dòng)控制與自動(dòng)控制系統(tǒng)第7頁(yè)，共30頁(yè)，2023年，2月20日，星期一預(yù)期速度實(shí)際轉(zhuǎn)速直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)臺(tái)放大器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制過(guò)程均很簡(jiǎn)單，但抗擾能力差，控制精度不高，故一般只能用于對(duì)控制性能要求較低的場(chǎng)合。轉(zhuǎn)臺(tái)速度開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖:開(kāi)環(huán)控制的特點(diǎn)：

2．閉環(huán)控制有順向作用，而且還有反向聯(lián)系.閉環(huán)控制:閉環(huán)控制又稱為反饋控制或按偏差控制?？刂蒲b置與受控對(duì)象之間，不但第一節(jié)自動(dòng)控制與自動(dòng)控制系統(tǒng)第8頁(yè)，共30頁(yè)，2023年，2月20日，星期一測(cè)速機(jī)偏差反饋量預(yù)期速度實(shí)際轉(zhuǎn)速直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)臺(tái)放大器_

當(dāng)實(shí)際速度受擾動(dòng)的影響發(fā)生變化時(shí)，通過(guò)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)，從而消除擾動(dòng)對(duì)速度的影響。轉(zhuǎn)臺(tái)速度閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖第一節(jié)自動(dòng)控制與自動(dòng)控制系統(tǒng)第9頁(yè)，共30頁(yè)，2023年，2月20日，星期一例轉(zhuǎn)速負(fù)反饋直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)直流電機(jī)測(cè)速發(fā)電機(jī)電源和放大裝置負(fù)載系統(tǒng)組成：UnUf給定電壓反饋電壓e=Un-Uf轉(zhuǎn)速取決于給定電壓與反饋電壓的差值。第一節(jié)自動(dòng)控制與自動(dòng)控制系統(tǒng)第10頁(yè)，共30頁(yè)，2023年，2月20日，星期一調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖unufeudn_直流電動(dòng)機(jī)放大器測(cè)速機(jī)由電網(wǎng)電壓波動(dòng)，負(fù)載變化以及其他部分的參數(shù)變化所引起的轉(zhuǎn)速變化，都可以通過(guò)系統(tǒng)的自動(dòng)調(diào)整加以抑制。n↓→Uf↓→e↑→Ud↑→n↑減小或消除由于擾動(dòng)所形成的偏差值，具有較高的控制精度和較強(qiáng)的抗擾能力。閉環(huán)控制系統(tǒng)具有的特點(diǎn)：第一節(jié)自動(dòng)控制與自動(dòng)控制系統(tǒng)第11頁(yè)，共30頁(yè)，2023年，2月20日，星期一3．復(fù)合控制測(cè)量出外部作用，形成與外部作用相反的控制量與外部作用共同使被控量基本不受影響。前饋補(bǔ)償控制復(fù)合控制具有兩種基本形式.前饋補(bǔ)償控制：復(fù)合控制：反饋控制+第一節(jié)自動(dòng)控制與自動(dòng)控制系統(tǒng)第12頁(yè)，共30頁(yè)，2023年，2月20日，星期一(a)按輸入前饋補(bǔ)償?shù)膹?fù)合控制給定值被控制量_受控對(duì)象檢測(cè)元件控制器前饋控制第一節(jié)自動(dòng)控制與自動(dòng)控制系統(tǒng)第13頁(yè)，共30頁(yè)，2023年，2月20日，星期一(b)按擾動(dòng)前饋補(bǔ)償?shù)膹?fù)合控制檢測(cè)元件_前饋控制擾動(dòng)被控制量給定值受控對(duì)象控制器_第一節(jié)自動(dòng)控制與自動(dòng)控制系統(tǒng)第14頁(yè)，共30頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第二節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類一、線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類方法較多，常見(jiàn)的有以下幾種由線性微分方程或線性差分方程所描述的系統(tǒng)稱為線性系統(tǒng)；由非線性方程所描述的系統(tǒng)稱為非線性系統(tǒng)。第一章概述第15頁(yè)，共30頁(yè)，2023年，2月20日，星期一二、定常系統(tǒng)和時(shí)變系統(tǒng)定常系統(tǒng):若系統(tǒng)微分方程的系數(shù)為常數(shù)，則稱之為線性定常系統(tǒng)。此類系統(tǒng)為本書主要討論對(duì)象。系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型微分方程的系數(shù)不是時(shí)間變量的函數(shù)。否則稱為時(shí)變系統(tǒng)。第二節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類第16頁(yè)，共30頁(yè)，2023年，2月20日，星期一三、連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)連續(xù)系統(tǒng)：系統(tǒng)中各部分的信號(hào)都是時(shí)間的連續(xù)函數(shù)即模擬量。離散系統(tǒng)：系統(tǒng)中有一處或多處信號(hào)為時(shí)間的離散函數(shù)，如脈沖或數(shù)碼信號(hào)。若系統(tǒng)中既有模擬量也有離散信號(hào)，則又可稱之為采樣系統(tǒng)。第二節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類第17頁(yè)，共30頁(yè)，2023年，2月20日，星期一四、恒值系統(tǒng)、隨動(dòng)系統(tǒng)和程序控制系統(tǒng)系統(tǒng)的給定值為一定值，而控制任務(wù)就是克服擾動(dòng)，使被控量保持恒值。例如：電機(jī)速度控制、恒溫、恒壓、水位控制系統(tǒng)等。恒值系統(tǒng)：第二節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類第18頁(yè)，共30頁(yè)，2023年，2月20日，星期一隨動(dòng)系統(tǒng)：系統(tǒng)給定值按照事先不知道的時(shí)間函數(shù)變化，并要求被控量跟隨給定值變化。第二節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類程序控制系統(tǒng)：系統(tǒng)的給定值按照一定的時(shí)間函數(shù)變化，并要求被控量隨之變化。第19頁(yè)，共30頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第三節(jié)對(duì)控制系統(tǒng)性能的要求常見(jiàn)的評(píng)價(jià)系統(tǒng)優(yōu)劣的性能指標(biāo)是從動(dòng)態(tài)過(guò)程中定義出來(lái)的。對(duì)系統(tǒng)性能的基本要求有三個(gè)方面。二、快速性一、穩(wěn)定性三、準(zhǔn)確性第一章概述第20頁(yè)，共30頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

系統(tǒng)受外作用力后,其動(dòng)態(tài)過(guò)程的振蕩傾向和系統(tǒng)恢復(fù)平衡的能力。一、穩(wěn)定性第三節(jié)對(duì)控制系統(tǒng)性能的要求穩(wěn)定性：如果系統(tǒng)受外作用力經(jīng)過(guò)一段時(shí)間，其被控量達(dá)到某一穩(wěn)定狀態(tài)，則系統(tǒng)是穩(wěn)定的。否則為不穩(wěn)定的。穩(wěn)定系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程r(t)t0c(t)1r(t)c(t)不穩(wěn)定系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程(a)給定信號(hào)作用c(t)(b)擾動(dòng)信號(hào)作用d(t)t0c(t)r(t)t0c(t)r(t)c(t)d(t)不穩(wěn)定的系統(tǒng)是無(wú)法正常工作的。第21頁(yè)，共30頁(yè)，2023年，2月20日，星期一通過(guò)動(dòng)態(tài)過(guò)程時(shí)間長(zhǎng)短表征。時(shí)間越短，表明快速性越好，反之亦然。二、快速性第三節(jié)對(duì)控制系統(tǒng)性能的要求r(t)t0c(t)r(t)c1(t)c2(t)快速性表明了系統(tǒng)輸出對(duì)輸入響應(yīng)的快慢程度第22頁(yè)，共30頁(yè)，2023年，2月20日，星期一由輸入給定值與輸出響應(yīng)的終值之間的差值ess大小表征。三、準(zhǔn)確性第三節(jié)對(duì)控制系統(tǒng)性能的要求r(t)t0c(t)r(t)c(t)ess第23頁(yè)，共30頁(yè)，2023年，2月20日，星期一穩(wěn)定性、快速性和準(zhǔn)確性往往是互相制約的。在設(shè)計(jì)與調(diào)試的過(guò)程中,若過(guò)分強(qiáng)調(diào)某方面的性能,則可能會(huì)使其他方面的性能受到影響.怎樣根據(jù)工作任務(wù)的不同,分析和設(shè)計(jì)自動(dòng)控制系統(tǒng)，使其對(duì)三方面的性能有所側(cè)重，并兼顧其它正是自控原理課程要解決的問(wèn)題。第三節(jié)對(duì)控制系統(tǒng)性能的要求第24頁(yè)，共30頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

自動(dòng)控制理論研究的是如何按受控對(duì)象和環(huán)境特征，通過(guò)能動(dòng)地采集和運(yùn)用信息，施加控制作用使系統(tǒng)在不確定的條件下正常運(yùn)行并具有預(yù)定功能。它是研究自動(dòng)控制共同規(guī)律的技術(shù)科學(xué)，其主要內(nèi)容涉及受控對(duì)象、環(huán)境特征、控制目標(biāo)和控制手段以及它們之間的相互作用。第四節(jié)

自動(dòng)控制理論發(fā)展簡(jiǎn)述第一章概述第25頁(yè)，共30頁(yè)，2023年，2月20日，星期一具有“自動(dòng)”功能的裝置自古有之，瓦特發(fā)明的蒸汽機(jī)上的離心調(diào)速器是比較自覺(jué)地運(yùn)用反饋原理進(jìn)行設(shè)計(jì)并取得成功的首例。麥克斯韋對(duì)它的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，于1868年發(fā)表的論文當(dāng)屬最早的理論工作。從20世紀(jì)20年代到40年代形成了以時(shí)域法，頻率法和根軌跡法為支柱的“古典”控制理論。第四節(jié)

自動(dòng)控制理論發(fā)展簡(jiǎn)述第26頁(yè)，共30頁(yè)，2023年，2月20日，星期一60年代以來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和航天等高科技的推動(dòng)，又產(chǎn)生了基于狀態(tài)空間模型的所謂“現(xiàn)代”控制理論。隨著自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，人們力求使設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)達(dá)到最優(yōu)的性能指標(biāo)，為了使系統(tǒng)在一定的約束條件下，其某項(xiàng)性能指標(biāo)達(dá)到最優(yōu)而實(shí)行的控制稱為最優(yōu)控制。第四節(jié)

自動(dòng)控制理論發(fā)展簡(jiǎn)述第27頁(yè)，共30頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第四節(jié)

自動(dòng)控制理論發(fā)展簡(jiǎn)述當(dāng)對(duì)象或環(huán)境特性變化時(shí)，為了使系統(tǒng)能自行調(diào)節(jié)，以跟蹤這種變化并保持良好的品質(zhì)，又出現(xiàn)了自適應(yīng)控制。各種理論中仍是古典頻率法最為適用。真正優(yōu)良的設(shè)計(jì)必須允許模型的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不精確并可能在一定范圍內(nèi)變化，即具有魯棒性。這是當(dāng)前的重要前沿課題之一。第28頁(yè)，共30頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第四節(jié)

自動(dòng)控制理論發(fā)展簡(jiǎn)述另外，使理論實(shí)用化的一個(gè)重要途徑就是數(shù)學(xué)模擬（仿真）和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）。近年來(lái)，在非線性系統(tǒng)理論、離散事件系統(tǒng)、大系統(tǒng)和復(fù)雜系統(tǒng)理論等方面均有不同程度的