自動控制原理及其應(yīng)用

自動控制原理及其應(yīng)用第一頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期三本章內(nèi)容第一節(jié)自動控制與自動控制系統(tǒng)第二節(jié)自動控制系統(tǒng)的分類第三節(jié)對控制系統(tǒng)的性能要求第四節(jié)自動控制理論發(fā)展概述第二頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期三第一節(jié)自動控制與自動控制系統(tǒng)1.控制：是使某些物理量按指定的規(guī)律變化（包括保持恒定），以保證生產(chǎn)的安全性，經(jīng)濟性及產(chǎn)品質(zhì)量等要求的技術(shù)手段。2.自動控制：就是應(yīng)用自動化儀表或控制裝置代替人，自動地對機器設(shè)備或生產(chǎn)過程進行控制，使之達到預(yù)期的狀態(tài)或性能要求。例如：鍋爐設(shè)備的壓力和溫度自動保持恒定；數(shù)控機床按照預(yù)定的程序自動地切削工件；導(dǎo)彈發(fā)射與制導(dǎo)系統(tǒng)，自動地使導(dǎo)彈攻擊敵方目標(biāo)；無人駕駛飛機按照預(yù)定航跡自動升降和飛行；人造衛(wèi)星準(zhǔn)確地進入預(yù)定軌道運行并回收。第三頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期三擾動給定值和被控量都是物理量，一般情況下是相同的物理量外界作用包括給定值和擾動，擾動指外界影響給系統(tǒng)造成的不良影響。第四頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期三擾動第五頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期三

水箱原來處于一個平衡狀態(tài)，q1(t)=q2(t)=0。如果打開閥門，沖水，沖好后關(guān)上閥門，h(t)發(fā)生變化，水位下降，△h變大，通過浮子反饋到執(zhí)行機構(gòu)。機械杠桿帶動活塞打開，q1(t)變大，使△h變小，浮子上浮，活塞也上升，直至達到新的平衡。第六頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期三原理方框圖：這就是負(fù)反饋控制系統(tǒng)，檢測偏差，然后進行調(diào)節(jié)，使偏差減小，最后直至消除偏差?！雌羁刂啤５谄唔?，共三十六頁，編輯于2023年，星期三系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖的畫法：（1）比較環(huán)節(jié)：將給定值和檢測值進行比較，給出一個偏差信號。（2）箭頭線：表信號流向。（3）元部件方框（4）引出點：將一個信號分路引出。（5）輸入量：作用于控制對象或系統(tǒng)的輸入端，并使系統(tǒng)具有預(yù)定功能或預(yù)定輸出的物理量。（6）輸出量：表現(xiàn)于控制對象或系統(tǒng)的輸出端，要求實現(xiàn)自動控制的物理量。（7）擾動：破壞輸入量和輸出量之間預(yù)定規(guī)律的信號。第八頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期三二、自動控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成或控制方式1、開環(huán)控制——控制裝置和受控對象之間只有順向作用而無反向聯(lián)系。（1）按給定量控制沒有自動修正偏差的能力，抗擾動性較差。結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)整方便、成本低，在精度要求不高或擾動影響小的情況下還有一定實用價值。如自動售貨機、自動洗衣機、數(shù)控機床、紅綠燈等等。第九頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期三（2）按擾動控制利用可測量的擾動量，產(chǎn)生一種補償作用，以減小或抵消擾動對輸出量的影響，稱為順饋控制。抗擾動性好，控制精度高，但只適用于擾動可測量的場所。輸出輸入控制器被控對象輸入控制器被控對象補償環(huán)節(jié)擾動第十頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期三2、閉環(huán)控制——控制裝置和受控對象之間，不但有順向作用，而且還有反向聯(lián)系，即有被控量對控制過程的影響，這種控制稱為閉環(huán)控制。閉環(huán)控制又稱為反饋控制或按偏差控制。輸出檢測元件輸入控制器被控對象第十一頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期三3、復(fù)合控制反饋控制只有在外部作用(輸入信號或干擾)對控制對象產(chǎn)生影響之后才能做出相應(yīng)的控制。尤其當(dāng)控制對象具有較大延遲時間時，反饋控制不能及時地影響輸出的變化，會影響系統(tǒng)輸出的平穩(wěn)性。前饋控制能使系統(tǒng)及時感受輸入信號，使系統(tǒng)在偏差即將產(chǎn)生之前就注意糾正偏差。將前饋控制和反饋控制結(jié)合起來，構(gòu)成復(fù)合控制，它可以有效提高系統(tǒng)的控制精度。第十二頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期三第十三頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期三開環(huán)控制系統(tǒng)：1.結(jié)構(gòu)簡單經(jīng)濟2.調(diào)試方便3.抗干擾能力差，控制精度不高。閉環(huán)控制系統(tǒng)：1.系統(tǒng)具有糾正偏差的能力。2.抗擾性好，控制精度高。3.包含元件多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價格高。4.參數(shù)應(yīng)選擇適當(dāng)。開環(huán)＋閉環(huán)＝復(fù)合控制系統(tǒng)（兼有兩者的優(yōu)點，精度很高）開環(huán)與閉環(huán)系統(tǒng)的比較第十四頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期三可逆電機減速器第十五頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期三倉庫大門自動控制系統(tǒng)

第十六頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期三例引入閉環(huán)控制后的直流電機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)第十七頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期三電位器放大電機功率放大負(fù)載比較器測速電機控制器被控對象輸入量un輸出量比較測量電路控制輸出量n誤差信號ud=k(un-uf)反饋量uf第十八頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期三電位器放大器線圈發(fā)電機負(fù)載原動機設(shè)定值VRu1u2IVG電位器放大器線圈發(fā)電機負(fù)載原動機設(shè)定值VRu1u2IVG-第十九頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期三電位器電壓放大功放電動機減速器調(diào)壓器加熱器熱電偶給定溫度實際溫度uguouf第二十頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期三第二節(jié)自動控制系統(tǒng)的分類1、線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)線性系統(tǒng)可用線性微分方程來描述，一般形式是非線性系統(tǒng)如第二十一頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期三2、定常系統(tǒng)和時變系統(tǒng)系數(shù)是常數(shù)，稱為定常系統(tǒng)，系數(shù)隨時間變化，稱為時變系統(tǒng)。第二十二頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期三3、連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)從信號來看，系統(tǒng)各部分信號都是時間的連續(xù)函數(shù)，即模擬量，此系統(tǒng)為連續(xù)系統(tǒng)。一處或多處信號為時間的離散函數(shù)，則系統(tǒng)為離散系統(tǒng)。第二十三頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期三4、恒值系統(tǒng)、隨動系統(tǒng)和程序控制系統(tǒng)（1）恒值系統(tǒng)：給定量是一個常值，要求被控量也等于常值。如溫度控制系統(tǒng)、壓力控制系統(tǒng)、流量控制系統(tǒng)等。這類系統(tǒng)一般稱為過程控制系統(tǒng)。第二十四頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期三（2）隨動系統(tǒng)：給定量是預(yù)先未知的隨時間變化的函數(shù)，被控量以盡量小的誤差隨跟隨給定量變化，重要的是快速性和準(zhǔn)確性，如函數(shù)記錄儀。如果被控量是機械位置或其導(dǎo)數(shù)，稱為伺服系統(tǒng)。第二十五頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期三第二十六頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期三（3）程序控制系統(tǒng)參據(jù)量按預(yù)定規(guī)律隨時間變化，如數(shù)字程控機床第二十七頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期三第三節(jié)對控制系統(tǒng)的性能要求實際物理系統(tǒng)一般都含有儲能元件或慣性元件，因而系統(tǒng)的輸出量和反饋量總是遲后于輸入量的變化。因此，當(dāng)輸入量發(fā)生變化時，輸出量從原平衡狀態(tài)變化到新的平衡狀態(tài)總是要經(jīng)歷一定時間。在輸入量的作用下，系統(tǒng)的輸出變量由初始狀態(tài)達到最終穩(wěn)態(tài)的中間變化過程稱過渡過程，又稱瞬態(tài)過程。過渡過程結(jié)束后的輸出響應(yīng)稱為穩(wěn)態(tài)過程。系統(tǒng)的輸出響應(yīng)由過渡過程和穩(wěn)態(tài)過程組成。第二十八頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期三一、基本要求1、穩(wěn)定性穩(wěn)定性是系統(tǒng)重新恢復(fù)平衡狀態(tài)的能力t01輸入r(t)t01輸出c(t)12理想的調(diào)節(jié)過程實際第二十九頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期三2、快速性快速性是對系統(tǒng)動態(tài)性能（過渡過程性能）的要求。描述系統(tǒng)動態(tài)性能可以用平穩(wěn)性和快速性加以衡量。平穩(wěn)指系統(tǒng)由初始狀態(tài)運動到新的平衡狀態(tài)時，具有較小的過調(diào)和振蕩性；快速指系統(tǒng)運動到新的平衡狀態(tài)所需要的調(diào)節(jié)時間較短。動態(tài)性能是衡量系統(tǒng)質(zhì)量高低的重要指標(biāo)。第三十頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期三3、準(zhǔn)確性準(zhǔn)確性是對系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)（靜態(tài)）性能的要求。對一個穩(wěn)定的系統(tǒng)而言，過渡過程結(jié)束后，系統(tǒng)輸出量的實際值與期望值之差稱為穩(wěn)態(tài)誤差，它是衡量系統(tǒng)控制精度的重要指標(biāo)。穩(wěn)態(tài)誤差越小，表示系統(tǒng)的準(zhǔn)確性越好，控制精度越高。第三十一頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期三第四節(jié)自動控制理論發(fā)展簡述1、典型控制理論

40~50年代形成適用于SISO（單輸入－單輸出）系統(tǒng)基于：二戰(zhàn)軍工技術(shù)目標(biāo)：反饋控制系統(tǒng)的穩(wěn)定基本方法：傳遞函數(shù)，頻率法，PID調(diào)節(jié)器(頻域)第三十二頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期三2、現(xiàn)代控制理論60~70年代形成適用于MIMO（多輸入－多輸出）系統(tǒng)基于：冷戰(zhàn)時期空間技術(shù)，計算機技術(shù)目標(biāo)：最優(yōu)控制基本方法：狀態(tài)空間表達式第三十三頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期三研究對象數(shù)學(xué)工具常用分析方法局限性經(jīng)典控制理論單輸入-單輸出線性定常系統(tǒng)微分方程，傳遞函數(shù)時域分析法，頻域分析法,根軌跡分析法對復(fù)雜多變量系統(tǒng)、時變和非線性系統(tǒng)無能為力現(xiàn)代控制理論多輸入-多輸出變系數(shù)，非線性等系統(tǒng)線性代數(shù)、矩陣?yán)碚摖顟B(tài)空間法比較繁瑣（但由于計算機技術(shù)的的迅速發(fā)展，這一局限性已克服)第三十四頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期三3、大系統(tǒng)理論20世紀(jì)70年代開始，現(xiàn)代控制理論繼續(xù)向深度和廣度發(fā)展，出現(xiàn)了一些新的控制方法和理論。如（1）現(xiàn)代頻域方法以傳遞函數(shù)矩陣為數(shù)學(xué)模型，研究線性定常多變量系統(tǒng)；（2）自適應(yīng)控制理論和