第1章-自動(dòng)控制系統(tǒng)概述課件

第1章自動(dòng)控制系統(tǒng)概述1.1自動(dòng)控制理論的發(fā)展史及內(nèi)容1.2開環(huán)控制和閉環(huán)控制1.3自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成1.4自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類1.5對自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求1.6自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)例習(xí)題10/16/2023第1章自動(dòng)控制系統(tǒng)概述1.1自動(dòng)控制理論的發(fā)展史及內(nèi)容1.1自動(dòng)控制理論的發(fā)展史及內(nèi)容

自動(dòng)控制——就是在沒有人直接參與的情況下，利用控制裝置對生產(chǎn)過程、工藝參數(shù)、目標(biāo)要求等進(jìn)行自動(dòng)的調(diào)節(jié)與控制，使之按照預(yù)定的方案達(dá)到要求的指標(biāo)。自動(dòng)控制系統(tǒng)性能的優(yōu)劣，將直接影響到產(chǎn)品的產(chǎn)量、質(zhì)量、成本、勞動(dòng)條件和預(yù)期目標(biāo)的完成。10/16/20231.1自動(dòng)控制理論的發(fā)展史及內(nèi)容

自動(dòng)控制——10/1788年,瓦特(Watt),蒸汽機(jī)1868年,麥克斯韋（Maxwell）,輪船擺動(dòng)（穩(wěn)定性）20世紀(jì)，自動(dòng)控制技術(shù)的真正發(fā)展10/16/20231788年,瓦特(Watt),蒸汽機(jī)10/8/2023正在研究蒸汽機(jī)的瓦特

這是正在研究蒸汽機(jī)的瓦特。瓦特經(jīng)過不斷地努力改進(jìn)，終于使蒸汽機(jī)變成適用于一切工業(yè)部門的動(dòng)力機(jī)械。蒸汽機(jī)成了機(jī)器的動(dòng)力之源。這幅圖現(xiàn)由倫敦私人收藏。10/16/2023正在研究蒸汽機(jī)的瓦特10/8/2023世界上第一臺蒸汽機(jī)這是陳列在英國倫敦科學(xué)博物館內(nèi)的瓦特制成的世界上第一臺蒸汽機(jī)，其許多主體部件都是用木頭制造的。10/16/2023世界上第一臺蒸汽機(jī)10/8/2023瓦特畫像瓦特出身于蘇格蘭，從小便酷愛學(xué)習(xí)，勤于思考。正是由于他敏銳的觀察力和頑強(qiáng)的毅力，最終完成了第一臺改良蒸汽機(jī)的制作。使蒸汽機(jī)變成適用于一切工業(yè)部門的動(dòng)力機(jī)械。今天我們?nèi)匀挥谩巴咛亍弊鳛橛?jì)算功率的一種單位。10/16/2023瓦特畫像10/8/2023瓦特銅像1819年8月25日，英國著名科學(xué)家詹姆斯·瓦特逝世，終年85歲。這是坐落于英國蘇格蘭格拉斯哥市喬治廣場的詹姆斯·瓦特銅像。它于1832年修建。10/16/2023瓦特銅像10/8/2023自動(dòng)控制理論——1)經(jīng)典控制理論：20世紀(jì)40～60年代2)現(xiàn)代控制理論：20世紀(jì)60年代中期3)智能控制理論：20世紀(jì)70年代以后P2：基礎(chǔ)、核心、對象、數(shù)學(xué)模型、分析方法、主要內(nèi)容、控制裝置、技術(shù)工具類型、用途。10/16/2023自動(dòng)控制理論——10/8/2023圖1-1對自動(dòng)控制理論的具體描述10/16/2023圖1-1對自動(dòng)控制理論的具體描述10/8/20231.2開環(huán)控制和閉環(huán)控制

1.開環(huán)控制系統(tǒng)(OpenloopControlSystem)

若系統(tǒng)的輸出量不被引回來對系統(tǒng)的控制部分產(chǎn)生影響，則這樣的系統(tǒng)稱為開環(huán)控制系統(tǒng)。10/16/20231.2開環(huán)控制和閉環(huán)控制1.開環(huán)控制系統(tǒng)10/8圖1–2數(shù)控加工機(jī)床示意圖10/16/2023圖1–2數(shù)控加工機(jī)床示意圖10/8/2023圖1-3數(shù)控加工機(jī)床開環(huán)控制方框圖10/16/2023圖1-3數(shù)控加工機(jī)床開環(huán)控制方框圖10/8/開環(huán)系統(tǒng)的特點(diǎn)——優(yōu)點(diǎn)：無反饋環(huán)節(jié)，一般結(jié)構(gòu)簡單、系統(tǒng)穩(wěn)定性好、成本低。缺點(diǎn)：抗干擾能力差，系統(tǒng)不能自動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償。10/16/2023開環(huán)系統(tǒng)的特點(diǎn)——10/8/20232.閉環(huán)控制系統(tǒng)(ClosedloopControlSystem)

若系統(tǒng)輸出量通過反饋環(huán)節(jié)返回來作用于控制部分，形成閉合環(huán)路，則這樣的系統(tǒng)稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)，又稱為反饋控制系統(tǒng)(FeedbackControlSystem)。10/16/20232.閉環(huán)控制系統(tǒng)10/8/2023圖1-4電爐箱恒溫自動(dòng)控制系統(tǒng)10/16/2023圖1-4電爐箱恒溫自動(dòng)控制系統(tǒng)10/8/202圖1-5電爐箱自動(dòng)控制方框圖10/16/2023圖1-5電爐箱自動(dòng)控制方框圖10/8/2023圖1-6爐溫自動(dòng)調(diào)節(jié)過程10/16/2023圖1-6爐溫自動(dòng)調(diào)節(jié)過程10/8/2023閉環(huán)系統(tǒng)的特點(diǎn)——優(yōu)點(diǎn)：有反饋環(huán)節(jié)，可對系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償，抗干擾能力強(qiáng)，精度高。缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高，系統(tǒng)穩(wěn)定性有可能變差。10/16/2023閉環(huán)系統(tǒng)的特點(diǎn)——10/8/2023圖1-7自動(dòng)控制系統(tǒng)的方框圖1.3自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成10/16/2023圖1-7自動(dòng)控制系統(tǒng)的方框圖1.3自動(dòng)控制一般自動(dòng)控制系統(tǒng)包括：(1)給定元件(CommandElement)(2)檢測元件(DetectingElement)(3)比較環(huán)節(jié)(ComparingElement)(4)放大元件(AmplifyingElement)(5)執(zhí)行元件(ExecutiveElement)(6)控制對象(ControlledPlant)(7)反饋環(huán)節(jié)(FeedbackElement)10/16/2023一般自動(dòng)控制系統(tǒng)包括：10/8/2023順饋通道(FeedforwordPath)或前向通道(ForwordPath)

反饋通道或反饋回路(FeedbackPath)10/16/2023順饋通道(FeedforwordPath)10/8自動(dòng)控制系統(tǒng)中的作用量和被控制量包括：(1)輸入量：又稱控制量或參考輸入量，角標(biāo)常用i(或r)表示。(2)輸出量：又稱被控制量，角標(biāo)常用o(或c)表示。(3)反饋量：通過檢測元件將輸出量轉(zhuǎn)變成與給定信號性質(zhì)相同且數(shù)量級相同的信號。10/16/2023自動(dòng)控制系統(tǒng)中的作用量和被控制量包括：10/8/2023(4)擾動(dòng)量:又稱干擾或“噪聲”，角標(biāo)常以d(或n)表示。(5)中間變量:系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)之間的作用量。10/16/2023(4)擾動(dòng)量:又稱干擾或“噪聲”，角標(biāo)常以d(或n)1.4自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類1.按輸入量變化的規(guī)律分類1)恒值控制系統(tǒng)(FixedSet-PointControlSystem)特點(diǎn)：輸入量是恒量，要求系統(tǒng)的輸出量相應(yīng)地保持恒定。10/16/20231.4自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類1.按輸入量變化的規(guī)律分類2)隨動(dòng)控制系統(tǒng)(Follow-UpControlSystem)特點(diǎn)：輸入量是隨機(jī)變化著的，要求系統(tǒng)的輸出量能跟隨輸入量的變化而作出相應(yīng)的變化。10/16/20232)隨動(dòng)控制系統(tǒng)10/8/20233)程序控制系統(tǒng)(ProgrammeControlSystem)特點(diǎn)：輸入量按照一定的時(shí)間函數(shù)變化,要求輸出量隨之變化。例如數(shù)控伺服系統(tǒng)以及一些自動(dòng)化生產(chǎn)線等。10/16/20233)程序控制系統(tǒng)10/8/2023

2.按系統(tǒng)傳輸信號對時(shí)間的關(guān)系分類1)連續(xù)控制系統(tǒng)(ContinuousControlSystem)特點(diǎn)：各元件的輸入量與輸出量都是連續(xù)量(模擬量)，又稱為模擬控制系統(tǒng)(AnalogueControlSystem)。10/16/20232.按系統(tǒng)傳輸信號對時(shí)間的關(guān)系分類10/8/20232)離散控制系統(tǒng)(DiscreteControlSystem)又稱采樣數(shù)據(jù)控制系統(tǒng)（Sampted-DateControlSystem）特點(diǎn)：系統(tǒng)中有的信號是脈沖序列，或采樣數(shù)據(jù)量、數(shù)字量。10/16/20232)離散控制系統(tǒng)10/8/2023

3.按系統(tǒng)的輸出量和輸入量間的關(guān)系分類1)線性系統(tǒng)(LinerSystem)特點(diǎn)：系統(tǒng)全部由線性元件組成，它的輸出量與輸入量間的關(guān)系用線性微分方程來描述。

2)非線性系統(tǒng)(NonLinerSystem)特點(diǎn)：系統(tǒng)中存在有非線性元件，如具有死區(qū)、出現(xiàn)飽和、含有庫侖摩擦等非線性特性的元件，它的輸出量與輸入量間的關(guān)系要用非線性微分方程來描述。10/16/20233.按系統(tǒng)的輸出量和輸入量間的關(guān)系分類10/8/20234.按系統(tǒng)參數(shù)對時(shí)間的變化情況分類1)定常系統(tǒng)（Time-InvariantSystem）特點(diǎn)：系統(tǒng)的全部參數(shù)不隨時(shí)間變化，它的輸出量與輸入量間的關(guān)系用定常微分方程來描述。2)時(shí)變系統(tǒng)(Time-VaryingSystem)特點(diǎn)：系統(tǒng)中有的參數(shù)是時(shí)間t的函數(shù)，它隨時(shí)間變化而改變。

10/16/20234.按系統(tǒng)參數(shù)對時(shí)間的變化情況分類10/8/20231.5對自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求1.穩(wěn)定性(Stability)穩(wěn)定性是保證控制系統(tǒng)正常工作的先決條件。2.快速性(Rapidity)系統(tǒng)僅僅滿足穩(wěn)定性要求是不夠的，還必須對其過渡過程的形式和快慢提出要求，即動(dòng)態(tài)性能。3.準(zhǔn)確性(Accuracy)理想情況下，當(dāng)過渡過程結(jié)束后，被控量達(dá)到穩(wěn)態(tài)值（即平衡狀態(tài)）應(yīng)與期望值一致。10/16/20231.5對自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求1.穩(wěn)定性(Stabi1.6自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)例先明確以下問題：(1)哪個(gè)是控制對象？被控量是什么？影響被控量的主擾動(dòng)量是什么？(2)哪個(gè)是執(zhí)行元件？(3)測量被控量的元件有哪些？有哪些反饋環(huán)節(jié)？(4)輸入量由哪個(gè)元件給定？反饋量與給定量如何進(jìn)行比較？(5)此外還有哪些元件（環(huán)節(jié)）?它們在系統(tǒng)中處于什么地位？起什么作用？10/16/20231.6自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)例先明確以下問題：10/8/201.軋鋼計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)系統(tǒng)的工作原理圖如圖1-8所示。系統(tǒng)的原理方框圖如圖1-9所示。10/16/20231.軋鋼計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)10/8/2023圖1–8軋鋼計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的原理圖10/16/2023圖1–8軋鋼計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的原理圖10/8/2被控對象：軋輥。被控量：軋輥的輸出量——厚度和張力。干擾量：主要是元件參數(shù)的變化而引起的干擾力矩。測量元件：厚度傳感器和張力傳感器。給定量：厚度給定、張力給定，是人們設(shè)計(jì)的希望值。計(jì)算裝置：數(shù)字計(jì)算機(jī)。執(zhí)行元件：電動(dòng)機(jī)。10/16/2023被控對象：軋輥。10/8/2023圖1–9軋鋼計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的原理方框圖10/16/2023圖1–9軋鋼計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的原理方框圖10/82.機(jī)床臺控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)的工作原理圖如圖1-10所示。系統(tǒng)的原理方框圖如圖1-11所示。10/16/20232.機(jī)床臺控制系統(tǒng)10/8/2023圖1–10機(jī)床臺控制系統(tǒng)的原理圖10/16/2023圖1–10機(jī)床臺控制系統(tǒng)的原理圖10/8/20被控對象：工作臺。被控量：工作臺的輸出量——位移xo。干擾量：主要是元件參數(shù)的變化而引起的干擾力矩。測量元件：角位移測量裝置和測速機(jī)。給定量：xi，設(shè)計(jì)者要把零件的毛胚加工成理想的那個(gè)模線。計(jì)算裝置：控制器用來把三個(gè)輸入信號比較后得到的差值輸出給放大變換器，進(jìn)而控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。執(zhí)行元件：電動(dòng)機(jī)，用來拖動(dòng)工作臺按理想的模線運(yùn)動(dòng)。10/16/2023被控對象：工作臺。10/8/2023圖1–11機(jī)床臺控制系統(tǒng)的原理方框圖10/16/2023圖1–11機(jī)床臺控制系統(tǒng)的原理方框圖10/8/23.液位控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)的工作原理圖如圖1-12所示?？刂葡到y(tǒng)的原理方框圖如圖1-13所示。10/16/20233.液位控制系統(tǒng)10/8/2023圖1-12液位控制系統(tǒng)的原理圖10/16/2023圖1-12液位控制系統(tǒng)的原理圖10/8/202被控對象：液體儲罐。被控量：液體儲罐的輸出量——液位xo。擾動(dòng)量：主要是Q2的變化。給定量：液體儲罐中液位的希望高度xi。測量元件：液位變送器。計(jì)算裝置：調(diào)節(jié)器。執(zhí)行元件：調(diào)節(jié)閥。10/16/2023被控對象：液體儲罐。10/8/2023圖1-13液位控制系統(tǒng)的原理方框圖10/16/2023圖1-13液位控制系統(tǒng)的原理方框圖10/8/24.轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)調(diào)速系統(tǒng)的原理圖圖如圖1-14所示。調(diào)速系統(tǒng)的方框圖如圖1-15所示。10/16/20234.轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)10/8/2023圖1-14轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖10/16/2023圖1-14轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖1圖1-15轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)方框圖10/16/2023圖1-15轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)方框圖由圖1-14可見——該系統(tǒng)有雙閉環(huán)：電流環(huán)、速度環(huán)。ASR（速度調(diào)節(jié)器）和ACR（電流調(diào)節(jié)器）實(shí)行串級連接，即由ASR去“驅(qū)動(dòng)”ACR，再由ACR去“控制”觸發(fā)電路。ASR和ACR均為比例—積分（PI）調(diào)節(jié)器。10/16/2023由圖1-14可見——10/8/2023習(xí)題1-1分析比較開環(huán)控制與閉環(huán)控制的特征、優(yōu)缺點(diǎn)和應(yīng)用場合的不同。10/16/2023習(xí)題1-1分析比較開環(huán)控制與閉環(huán)控制的特征、優(yōu)1-2指出下列系統(tǒng)中哪些屬開環(huán)控制，哪些屬閉環(huán)控制:(1)家用電冰箱(2)家用空調(diào)(3)家用洗衣機(jī)(4)抽水馬桶(5)普通車床(6)電飯煲(7)多速電風(fēng)扇(8)高樓水箱(9)調(diào)光臺燈(10)自動(dòng)報(bào)時(shí)電子鐘10/16/20231-2指出下列系統(tǒng)中哪些屬開環(huán)控制，哪些屬閉環(huán)控制1-3衡量一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)通常有哪些？圖1-16為某自動(dòng)控制系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)的動(dòng)態(tài)曲線，其中x(t)為被控量，xo為期望穩(wěn)態(tài)值。曲線Ⅰ、Ⅱ?qū)?yīng)不同的調(diào)節(jié)參數(shù)。試分析比較Ⅰ、Ⅱ兩種情況技術(shù)性能的優(yōu)劣。圖1-16某自動(dòng)控制系統(tǒng)的啟動(dòng)曲線10/16/20231-3衡量一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)通常有哪些？圖1-4組成自動(dòng)控制系統(tǒng)的主要環(huán)節(jié)有哪些？它們各有什么特點(diǎn)?起什么作用？1-5恒值控制系統(tǒng)和隨動(dòng)控制系統(tǒng)的主要區(qū)別是什么？判斷下列系統(tǒng)屬于哪一類系統(tǒng)：