自動控制原理第一章概論

1自動控制原理物理與機(jī)電工程學(xué)院吳德志wdz@2要求1、出勤（請假）2、作業(yè)3、考試（閉卷，大作業(yè)，實(shí)際電路分析）4、評價機(jī)制3第一章

緒論1-1自動控制理論的意義1-2自動控制的基本概念1-3自動控制系統(tǒng)的分類1-4閉環(huán)控制系統(tǒng)的基本組成1-5自動控制系統(tǒng)的基本要求1-6自動控制系統(tǒng)建模方法4§1

自動控制理論的意義1、通過自動控制的學(xué)習(xí)，應(yīng)用理論知識來改善系統(tǒng)的性能，使系統(tǒng)達(dá)到設(shè)計(jì)要求；2、自動控制理論對許多領(lǐng)域都有應(yīng)用價值，如成本、投資組合等；3、自動控制理論對分析事物更加明了（功能模塊）；4、根據(jù)需要進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并采用相關(guān)設(shè)備進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。1)當(dāng)系統(tǒng)給定，輸入已知，求系統(tǒng)的輸出響應(yīng)，通過輸出響應(yīng)來研究系統(tǒng)本身的各種問

題，即系統(tǒng)分析。2)系統(tǒng)確定，求輸入，使輸出盡可能符合給定的最優(yōu)要求，即最優(yōu)控制問題。3)輸入已知，使輸出盡可能復(fù)現(xiàn)輸入給定的最佳要求，即最優(yōu)設(shè)計(jì)問題。4)輸出已知，確定系統(tǒng)，識別輸入中的有關(guān)信息，即濾波與預(yù)測問題。5)輸入和輸出已知，確定系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，即建立數(shù)學(xué)模型，稱為系統(tǒng)辨識問題。5§2

基本概念6汽車自動焊接生產(chǎn)線§2

基本概念自動立體倉庫7§2

基本概念應(yīng)用概念8§2

基本概念2、自動控制原理：自動控制基本理論和分析設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的基本方法。1、自動控制：指在沒有人直接參與的情況下，利用控制裝置（控制器），使機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過程（被控對象）的某一工作狀態(tài)或參數(shù)（被控量）自動按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行。自動控制理論經(jīng)典控制理論現(xiàn)代控制理論以傳遞函數(shù)為工具和基礎(chǔ)，以頻域法、根軌跡法為核心，研究單變量控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)。在20世紀(jì)50年代就已經(jīng)發(fā)展成熟，至今在實(shí)踐中得到廣泛的應(yīng)用。以狀態(tài)空間法作為標(biāo)志和基礎(chǔ)，研究多變量控制系統(tǒng)和復(fù)雜系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)，以便滿足軍事、空間技術(shù)和復(fù)雜的工業(yè)領(lǐng)域?qū)取⑺俣?、加速度和成本等的?yán)格要求。從1960年開始迅速發(fā)展。西方工業(yè)革命對應(yīng)航空航天9§2

基本概念（1）按照控制方式和控制策略可分為開環(huán)控制和閉環(huán)控制§3

系統(tǒng)的基本分類優(yōu)點(diǎn)：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)試方便缺點(diǎn)：抗干擾能力差，對環(huán)境和元件要求比較

嚴(yán)格優(yōu)點(diǎn)：抗干擾能力強(qiáng)缺點(diǎn)：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，調(diào)試難，易產(chǎn)生不穩(wěn)定系統(tǒng)的輸出端與輸入端不存在反饋回路系統(tǒng)的輸出端與輸入端存在反饋回路11開環(huán)與閉環(huán)控制系統(tǒng)§3

系統(tǒng)的基本分類12（2）按輸入信號分為定值控制、伺服系統(tǒng)和程序控制系統(tǒng)輸入信號為恒值。如室溫控制系統(tǒng)、電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)輸入信號為變化規(guī)律未知的任意時間函數(shù)，系統(tǒng)的任務(wù)是使被控變量按同樣的規(guī)律變化并與輸入信號的誤差保持在規(guī)定的范圍內(nèi)。如火炮自動跟蹤系統(tǒng)輸入信號按已知規(guī)律要求被控變量也按相應(yīng)的規(guī)律隨輸入信號變化，誤差不超過規(guī)定值?！?

系統(tǒng)的基本分類13火炮自動跟蹤系統(tǒng)——“火炮打飛機(jī)”伺服系統(tǒng)§3系統(tǒng)的基本分類14系統(tǒng)的某一處或幾處信號以脈沖序列或數(shù)碼形式傳遞的控制系統(tǒng)。系統(tǒng)中用脈沖開關(guān)或采樣開關(guān)，將連續(xù)信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡x散信號。其中離散信號以脈沖形式傳遞的系統(tǒng)又叫脈沖控制系統(tǒng)，離散信號以數(shù)碼形式傳遞的系統(tǒng)又叫數(shù)字控制系統(tǒng)。（3）按系統(tǒng)傳輸信號的性質(zhì)可分為連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)連續(xù)離散特點(diǎn)：系統(tǒng)各部分信號都是模擬的連續(xù)函數(shù)。目前工業(yè)中普遍采用的常規(guī)儀表PID調(diào)節(jié)器控制的系統(tǒng)?！?系統(tǒng)的基本分類15輸入輸出控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)的組成：輸入部分、控制系統(tǒng)部分和輸出部分?！?控制系統(tǒng)的基本組成輸入信號——系統(tǒng)控制目標(biāo)的反映，是人的意志的具體體現(xiàn)?？刂葡到y(tǒng)——主要完成對有關(guān)信號的變換、處理，發(fā)出控制量，驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成控制功能。輸出信號——系統(tǒng)的控制結(jié)果，反映了被控對象的運(yùn)行狀態(tài)。從物理角度上看，自動控制研究的是特定激勵作用下的系統(tǒng)響應(yīng)變化情況；從數(shù)學(xué)角度上看，研究的是輸入與輸出之間的映射關(guān)系。16§4

系統(tǒng)的基本組成控制目標(biāo)：爐子的溫度恒定在期望值。人工控制例17自動控制§4

系統(tǒng)的基本組成§4

系統(tǒng)的基本組成19

爐溫控制系統(tǒng)方框圖§4

系統(tǒng)的基本組成20§4

系統(tǒng)的基本組成控制系統(tǒng)的基本組成控制系統(tǒng)中控制對象以外的部件成為控制元件，根據(jù)控制元件在系統(tǒng)中的作用和功能可將控制元件分成四類：（1）執(zhí)行元件執(zhí)行元件的功能是直接帶動控制對象，直接改變被控變量，如加熱器、機(jī)電控制中的各種電機(jī)等；（2）放大元件將微弱的信號放大，使信號具有足夠大的幅度或功率前置放大：如由運(yùn)放構(gòu)成的前置放大器放大電壓，而輸出電流小

功率放大：它輸出信號可直接帶動執(zhí)行元件運(yùn)轉(zhuǎn)和動作，如功率晶體管組成的功率放大器，同時輸出足夠的電壓和電流，能直接帶動直流電機(jī)轉(zhuǎn)動。

21§4

系統(tǒng)的基本組成（3）測量元件將一種物理量檢測出來，并按某種規(guī)律轉(zhuǎn)換成容易處理和使用的另一種物理量，一般稱為傳感器；（4）補(bǔ)償元件為了保證系統(tǒng)能正常工作并提高工作性能，控制系統(tǒng)中還要一些元件，統(tǒng)稱補(bǔ)償元件，又稱校正元件。典型的反饋控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖反饋補(bǔ)償反饋元件：測量被調(diào)量，產(chǎn)生主反饋信號，該信號與輸出量之間存在確定的函數(shù)關(guān)系（通常是比例關(guān)系）。如：調(diào)速系統(tǒng)的測速發(fā)電機(jī)22內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)

應(yīng)用瓦特式轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)23§4

系統(tǒng)的基本要求基本要求可歸納為3個方面：穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性、快速性與平穩(wěn)性（1）穩(wěn)定性不穩(wěn)定指系統(tǒng)失控，被控變量不是趨向所希望的數(shù)值，而且趨向所能達(dá)到的最大值或者在兩個較大值之間波動或振蕩。（2）準(zhǔn)確性要求被控變量與設(shè)定值之間的誤差達(dá)到所要求的范圍（精度）。（3）快速性與平穩(wěn)性指其過渡過程的形式和快慢。24§5

系統(tǒng)的建模方法控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型是對實(shí)際物理系統(tǒng)的一種數(shù)學(xué)抽象，是描述系統(tǒng)內(nèi)部物理量和變量之間關(guān)系的表達(dá)式。數(shù)學(xué)模型靜態(tài)模型靜態(tài)條件下（即變量各階導(dǎo)數(shù)為零），描述變量間關(guān)系的代數(shù)方程。動態(tài)模型用微分（差分）方程描述的變量在動態(tài)過程中的關(guān)系控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型表現(xiàn)形式：圖形、計(jì)算機(jī)程序、數(shù)學(xué)公式控制系統(tǒng)建模方法：分析法和實(shí)驗(yàn)法分析法對系統(tǒng)各部分的運(yùn)動機(jī)理進(jìn)行分析，列出相應(yīng)的運(yùn)動方程（如電學(xué)中的基爾霍夫定律，力學(xué)中的牛頓定律等）。實(shí)驗(yàn)法對系統(tǒng)施加某種信號，記錄其輸出響應(yīng)，并用適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)模型去逼近，也稱系統(tǒng)辨識。25§5

系統(tǒng)的建模