自動(dòng)控制原理概述

關(guān)于自動(dòng)控制原理概述第1頁(yè)，課件共44頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第一章

自動(dòng)控制原理概述第2頁(yè)，課件共44頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月本章重點(diǎn)控制系統(tǒng)的組成、分類、特點(diǎn)自動(dòng)控制及自動(dòng)控制系統(tǒng)的含義反饋與反饋控制的概念第3頁(yè)，課件共44頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月本章難點(diǎn)確定控制系統(tǒng)的被控對(duì)象、被控量、給定量等等，繪制方框圖，分析實(shí)際控制系統(tǒng)的基本原理。自動(dòng)控制的實(shí)質(zhì)

深刻理解反饋的概念和思想第4頁(yè)，課件共44頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月§1.0概述

自動(dòng)控制技術(shù)在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國(guó)防、航空航天等各個(gè)領(lǐng)域中起著重要的作用！廣泛應(yīng)用于各種工程學(xué)科領(lǐng)域，并擴(kuò)展到生物、醫(yī)學(xué)、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)管理和其它許多社會(huì)生活領(lǐng)域獨(dú)立的學(xué)科并與其它學(xué)科相互滲透、相互促進(jìn)?！蹲詣?dòng)控制原理》是自動(dòng)控制技術(shù)的基礎(chǔ)理論，是一門理論性較強(qiáng)的工程科學(xué)。第5頁(yè)，課件共44頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月根據(jù)自動(dòng)控制技術(shù)發(fā)展的不同階段，自動(dòng)控制理論分為兩大部分：在工程實(shí)踐中，經(jīng)典控制理論已得到許許多多成功地運(yùn)用，而且今后還將發(fā)揮其理論指導(dǎo)作用經(jīng)典控制理論：19世紀(jì)末----上世紀(jì)60年代，這一百多年所形成的理論，稱為經(jīng)典控制理論，它是以傳遞函數(shù)為數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，主要研究單輸入、單輸出線性定常系統(tǒng)的控制和綜合問(wèn)題。第6頁(yè)，課件共44頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月現(xiàn)代控制理論：現(xiàn)代控制理論是上世紀(jì)60年代以后發(fā)展起來(lái)的新理論稱為現(xiàn)代控制理論，它是以狀態(tài)空間為數(shù)學(xué)基礎(chǔ).主要研究具有高性能的多輸入、多輸出變參數(shù)系統(tǒng)的控制和綜合問(wèn)題。

現(xiàn)代控制理論能解決一些經(jīng)典控制理論難以解決的問(wèn)題，而且隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和現(xiàn)代應(yīng)用數(shù)學(xué)研究的發(fā)展，目前現(xiàn)代控制理論正向著大系統(tǒng)和人工智能化方向發(fā)展。第7頁(yè)，課件共44頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

現(xiàn)代的工程技術(shù)人員和科學(xué)工作者，必須具備一定的自動(dòng)控制理論基礎(chǔ)知識(shí)§1.1自動(dòng)控制理論和自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念

人工溫控系統(tǒng)（1）人工控制一、人工控制與自動(dòng)控制第8頁(yè)，課件共44頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

人工控制水位系統(tǒng)水位人工控制系統(tǒng)第9頁(yè)，課件共44頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月整個(gè)控制過(guò)程人在做的工作首先人用肉眼觀察水面（溫度）的實(shí)際高度h（T）;

將實(shí)際水面高度h與期望的水面高度H，進(jìn)行比較，得出偏差值dH=H-h

根據(jù)只得大小和方向來(lái)調(diào)節(jié)水閥的開口大小

人工的整個(gè)過(guò)程在做什么？在檢測(cè)偏差，糾正偏差

這也是控制的實(shí)質(zhì)第10頁(yè)，課件共44頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

所謂人工控制就是其檢測(cè)偏差和糾正偏差，都是人工完成的所以稱為人工控制。人工控制存在的問(wèn)題：1）由于用肉眼檢測(cè)偏差，所以誤差大，控制精度低。2）若系統(tǒng)變化快，則人的勞動(dòng)強(qiáng)度大。所以我們說(shuō)：人工控制系統(tǒng)，勞動(dòng)強(qiáng)度大，控制精度低，不能適應(yīng)高速運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)。第11頁(yè)，課件共44頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（2）自動(dòng)控制我們能否將一個(gè)人工控制系統(tǒng)，改造為一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)呢？

我們說(shuō)是完全可以的，只要我們能選擇一個(gè)合適的控制器，來(lái)替代人的工作，就可將此人工控制系統(tǒng)改造為自動(dòng)控制系統(tǒng)。第12頁(yè)，課件共44頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月例1簡(jiǎn)單的水位控制系統(tǒng)此系統(tǒng)利用了一個(gè)連桿機(jī)構(gòu)替代了人的工作，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)控制。第13頁(yè)，課件共44頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月例2

較為完善的水位控制系統(tǒng)第14頁(yè)，課件共44頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月例采用離心調(diào)速器的蒸汽機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)第15頁(yè)，課件共44頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月例3.

溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)~220V電壓放大器功率放大器可逆電機(jī)給定電壓信號(hào)熱電偶加熱器ua+--+ufueUe=ua-uf，請(qǐng)大家看看此系統(tǒng)與人工控制系統(tǒng)作了那些改造第16頁(yè)，課件共44頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月比較人工控制和自動(dòng)控制可見

所謂自動(dòng)控制是：

在沒(méi)有人直接參與的情況下，利用控制裝置（或控制器）使某種設(shè)備、工作機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)按預(yù)定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律運(yùn)行自動(dòng)控制的類型很多國(guó)防業(yè)中使用的火炮，火炮根據(jù)雷達(dá)指揮儀傳來(lái)的信息自動(dòng)的調(diào)整方位角、俯仰角，隨時(shí)跟蹤目標(biāo)，瞄準(zhǔn)著彈點(diǎn)。機(jī)加工中，數(shù)控機(jī)床能夠按預(yù)先安排的工藝程序進(jìn)行自動(dòng)切削，最終加工出我們所需要的工件。第17頁(yè)，課件共44頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

自動(dòng)控制系統(tǒng)在生產(chǎn)實(shí)際和我們?nèi)粘Ｉ钪?，我們見到的很多，盡管它們的結(jié)構(gòu)和功能各不相同，但是它們有共同的規(guī)律：即系統(tǒng)中被控制量按照控制量的變化規(guī)律來(lái)變化例如：前面我們介紹溫控系統(tǒng)被控量(爐內(nèi)溫度)---隨控制量（給定電壓ua)的變化而變化火炮控制系統(tǒng)被控量（火炮方位角和俯仰角）--隨控制量（雷達(dá)信息）變化而變化第18頁(yè)，課件共44頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月通過(guò)以上分析，可見自動(dòng)控制的實(shí)質(zhì)為：檢測(cè)偏差，由偏差產(chǎn)生控制作用，消除（或減少）偏差自動(dòng)控制的基本原理第19頁(yè)，課件共44頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二、自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成從上述幾個(gè)控制系統(tǒng)可見，系統(tǒng)雖然簡(jiǎn)單，但從系統(tǒng)組成的角度來(lái)看，還是很典型的。

根據(jù)各部分性質(zhì)和功能，一般情況下，控制系統(tǒng)可劃分為五個(gè)組成部分

檢測(cè)部分：把被控制量的大小檢測(cè)出來(lái)

比較部分：檢測(cè)值與給定值相比較，產(chǎn)生偏差信號(hào)第20頁(yè)，課件共44頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月偏差----為系統(tǒng)的控制信號(hào)信號(hào)放大與轉(zhuǎn)換部分執(zhí)行機(jī)構(gòu)部分：按信號(hào)的大小和方向，對(duì)控制對(duì)象施于控制作用溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)通過(guò)可逆電機(jī)電位器觸頭改變加熱電壓

控制對(duì)象：被控設(shè)備（爐溫）校正裝置：用于改善系統(tǒng)性能第21頁(yè)，課件共44頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

在控制系統(tǒng)中，為了明確系統(tǒng)各部分的聯(lián)系，習(xí)慣用原理方框圖描述系統(tǒng)，圖中每一方塊代表系統(tǒng)相應(yīng)組成部分。信號(hào)用箭頭表示，進(jìn)入方塊的箭頭表示該裝置的輸入量，離開方塊的箭頭表示該方塊的輸出量。

代表比較元件，表示信號(hào)在這里進(jìn)行代數(shù)疊加

信號(hào)的分支點(diǎn)，表示信號(hào)的取出。第22頁(yè)，課件共44頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月以溫度自控系統(tǒng)用原理方塊圖描述如下

放大裝置

執(zhí)行裝置（散熱量Q）控制對(duì)象電壓、功率放大可逆電機(jī)調(diào)壓器電熱爐熱電偶測(cè)量元件控制裝置控制對(duì)象Uaueuf第23頁(yè)，課件共44頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月即：控制系統(tǒng)=控制裝置+控制對(duì)象

專業(yè)術(shù)語(yǔ)：

1.系統(tǒng)輸入：凡是能使被控制量發(fā)生變化作用的量，稱為系統(tǒng)的輸入

由以上定義，在溫控系統(tǒng)中Ua、Q它們的變化都會(huì)使被控量T發(fā)生變化，所以應(yīng)該稱為系統(tǒng)的輸入。但二則之間又有區(qū)別第24頁(yè)，課件共44頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月爐溫值的大小是用Ua變化來(lái)達(dá)到的---Ua稱為系統(tǒng)的給定輸入Q的變化為干擾量，它使?fàn)t溫偏離要值----Q稱為干擾輸入2.系統(tǒng)輸出：需要加以控制的某些物理量這樣，整個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)（溫控）可進(jìn)一步概括成一個(gè)大的方塊圖表示。第25頁(yè)，課件共44頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月溫控系統(tǒng)的方塊圖描述輸入量（干擾輸入）溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)輸入量（給定輸入）輸出量（被控量）第26頁(yè)，課件共44頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月§1.2自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類

將控制系統(tǒng)分類的目的：了解各類系統(tǒng)的特點(diǎn)

系統(tǒng)分類的方法很多1）根據(jù)系統(tǒng)元件特性是否線性可分為：

線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)2）根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)是否隨時(shí)間變化可分為：

時(shí)變系統(tǒng)和定常系統(tǒng)3）根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)信號(hào)形式的不同分為：

連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)第27頁(yè)，課件共44頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4）根據(jù)系統(tǒng)的物理性質(zhì)分為：

機(jī)電控制系統(tǒng)、液壓控制系統(tǒng)和生物控制系統(tǒng)等6）根據(jù)信號(hào)傳遞的路線是否閉合分為

開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)下面我們重點(diǎn)介紹幾種比較重要的分類5）根據(jù)被控量所遵循的規(guī)律分為：

恒值控制系統(tǒng)、隨動(dòng)系統(tǒng)和程序控制系統(tǒng)等第28頁(yè)，課件共44頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月一、開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)開環(huán)控制系統(tǒng)-----系統(tǒng)的輸出對(duì)系統(tǒng)的控制作用沒(méi)有影響的則稱為開環(huán)控制系統(tǒng)方塊圖描述控制器控制對(duì)象輸入量輸出量開環(huán)控制系統(tǒng)在我們的日常生活中是很常見的如：家中使用的洗衣機(jī)等一些家電產(chǎn)品第29頁(yè)，課件共44頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月又如：直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速開環(huán)控制系統(tǒng)

放大電機(jī)UaUbi=constn

直流電動(dòng)機(jī)開環(huán)控制系統(tǒng)第30頁(yè)，課件共44頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

我們知道，當(dāng)電機(jī)的激磁電流固定時(shí)（i=const)，改變加在電樞上的電壓(Ub),可以改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

此系統(tǒng)我們用方塊圖描述功放電機(jī)UaUbM(負(fù)載干擾）n從圖中可見：當(dāng)負(fù)載不變時(shí):uaubn輸出轉(zhuǎn)速于輸入電壓成正比第31頁(yè)，課件共44頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月：1）前提是在負(fù)載不變的情況下

Ua與n是以正比關(guān)系

2）而當(dāng)負(fù)載是一變化量時(shí)，這種正比關(guān)系就未必存在。也就是說(shuō)，當(dāng)增大電壓輸入(Ua)時(shí)，負(fù)載(M)也同時(shí)增加，此時(shí)轉(zhuǎn)速(n)未必加大。

從上系統(tǒng)可見，當(dāng)負(fù)載在變化時(shí)，轉(zhuǎn)速的變化不因其控制作用的改變，也就是說(shuō)被控量(n)不參與控制作用，從信號(hào)傳遞路線上可見，信號(hào)的傳遞是單向的，是不閉合的。我們稱這種控制為開環(huán)控制系統(tǒng)。注意：第32頁(yè)，課件共44頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

開環(huán)控制系統(tǒng)在出現(xiàn)干擾現(xiàn)象時(shí)，系統(tǒng)的輸出將不按照輸入所對(duì)應(yīng)的期望值和狀態(tài)運(yùn)行，一句話：開環(huán)控制系統(tǒng)沒(méi)有抗干擾的能力2.閉環(huán)控制系統(tǒng)-----系統(tǒng)的輸出量直接或間接的參與系統(tǒng)的控制作用。也就是說(shuō)閉環(huán)控制系統(tǒng)需要對(duì)系統(tǒng)的輸出量進(jìn)行測(cè)量（或者說(shuō)檢測(cè)）。結(jié)論第33頁(yè)，課件共44頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月此系統(tǒng)與開環(huán)控制系統(tǒng)相比，主要的差別：

1）系統(tǒng)增加了測(cè)速發(fā)電機(jī)，測(cè)速發(fā)電機(jī)是一種傳感器，它將電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速正比地轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)：Uf=kt*n2)將電壓信號(hào)Uf反饋到輸入端與給定輸入U(xiǎn)a進(jìn)行代數(shù)疊加，產(chǎn)生偏差信號(hào)Ue=Ua-Uf，對(duì)系統(tǒng)施于控制作用。系統(tǒng)用方塊圖描述放大電動(dòng)機(jī)測(cè)速發(fā)電機(jī)UaUeM(負(fù)載力矩）n直流電機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)ufub第34頁(yè)，課件共44頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月系統(tǒng)的工作過(guò)程：

當(dāng)系統(tǒng)的給定輸入U(xiǎn)a=const電機(jī)對(duì)應(yīng)某一轉(zhuǎn)速n，某瞬間負(fù)載力矩增大（系統(tǒng)受到干擾作用），電機(jī)的轉(zhuǎn)速下降。

我們從另一個(gè)角度來(lái)看：方塊圖中信號(hào)的傳遞路線是閉合的，也就是說(shuō)系統(tǒng)的輸出n影響了系統(tǒng)控制作用。第35頁(yè)，課件共44頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月閉環(huán)系統(tǒng)的特點(diǎn)：

1）輸出影響輸入，因而能削弱和抑制干擾。

2）低精度元件可組成高精度系統(tǒng)。3）因?yàn)榭赡馨l(fā)生超調(diào)、振蕩，所以穩(wěn)定性問(wèn)題很重要。

4）閉環(huán)控制必須對(duì)輸出量進(jìn)行檢測(cè)。注意

在閉環(huán)控制系統(tǒng)中出現(xiàn)新的概念---反饋，它在自動(dòng)控制重是一很重的概念。

反饋是指把輸出信號(hào)返送回輸入端，并與輸入信號(hào)進(jìn)行比較（或進(jìn)行代數(shù)疊加），產(chǎn)生偏差。這樣的信號(hào)通道的閉合路線稱為反饋。第36頁(yè)，課件共44頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月反饋有分正、負(fù)反饋兩種

1）正反饋---當(dāng)反饋信號(hào)加強(qiáng)了輸入信號(hào)的稱為正反饋2）負(fù)反饋----當(dāng)反饋信號(hào)削弱了輸入信號(hào)稱為負(fù)反饋除此之外還有主反饋、局部反饋主反饋----系統(tǒng)輸出信號(hào)返送到輸入端并進(jìn)行代數(shù)疊加的稱為主反饋信號(hào)。局部反饋---系統(tǒng)的某個(gè)環(huán)節(jié)的輸出返送到該環(huán)節(jié)的輸入端并進(jìn)行代數(shù)疊加的稱為局部反饋第37頁(yè)，課件共44頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二、恒值系統(tǒng)

系統(tǒng)的輸入是一個(gè)恒值，系統(tǒng)地的輸出保持與輸入相對(duì)應(yīng)的一個(gè)恒值。例如上面給大家介紹的爐溫控制系統(tǒng)就是一個(gè)極為典型的----恒值系統(tǒng)當(dāng)給定輸入為ua=5mv爐溫當(dāng)給定輸入為ua=3mv爐溫系統(tǒng)的輸出保持與輸入相對(duì)應(yīng)的某一個(gè)恒值第38頁(yè)，課件共44頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月三、隨動(dòng)系統(tǒng)

系統(tǒng)的輸入量是未知的時(shí)間函數(shù)，也就是說(shuō)給定輸入的變化規(guī)律事先不知道，而要求系統(tǒng)的輸出要能夠準(zhǔn)確、迅速的跟蹤系統(tǒng)輸入的變化例如：國(guó)防業(yè)種火炮自動(dòng)瞄準(zhǔn)系統(tǒng)，就是典型的隨動(dòng)系統(tǒng)四、程序控制系統(tǒng)

系統(tǒng)的給定輸入是按已知的時(shí)間的時(shí)間函數(shù)變化的，系統(tǒng)輸出按給定的程序變化常見的數(shù)控機(jī)床等就屬于程序控制系統(tǒng)第39頁(yè)，課件共44頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月五、連續(xù)系統(tǒng)和斷續(xù)系統(tǒng)

系統(tǒng)中傳遞的信號(hào)都是時(shí)間的連續(xù)函數(shù)，則該系統(tǒng)稱為連續(xù)系統(tǒng)。反之系統(tǒng)中只要有一個(gè)傳遞信號(hào)是時(shí)間上的斷續(xù)信號(hào)，則稱為斷續(xù)系統(tǒng)或稱