第章自動控制系統(tǒng)的基本概念課件電子教案

自動控制原理專業(yè)基礎(chǔ)課鄧曉剛信息與控制工程學(xué)院自動化系1.主講教師信息主講教師：鄧曉剛聯(lián)系方式：Email：dengxiaogang@電話：8391904答疑地點(diǎn)：自動化館北樓211（或202）答疑時間：周四晚8:00-9:00（第3~10周）2.本學(xué)期課程安排教材：自動控制原理簡明教程作者：胡壽松出版：科學(xué)出版社講授內(nèi)容：第1章～第6章課程學(xué)時：總48學(xué)時(其中實(shí)驗(yàn)約8學(xué)時)考核方式：平時成績(考勤、作業(yè))+期末考試3.參考文獻(xiàn)：胡壽松，自動控制原理習(xí)題集，科學(xué)出版社高國燊.自動控制原理,華南理工大學(xué)出版社,2002.吳麒.自動控制原理.清華大學(xué)出版社，2006戴忠達(dá).自動控制理論基礎(chǔ)。清華大學(xué)出版社，2005.DorfRC.Moderncontrolsystem(10thEdition)王萬良.自動控制原理.高等教育出版社。各類相關(guān)期刊雜志、網(wǎng)上資料《自動化學(xué)報》、《控制與決策》、《控制理論與應(yīng)用》《計(jì)算機(jī)測量與控制》、《控制工程》信控學(xué)院學(xué)術(shù)論壇——自控原理:8080/acbbs/index.asp第一章自動控制系統(tǒng)的基本概念1-1認(rèn)識自動控制的概念1-2自動控制的基本原理1-3自動控制系統(tǒng)分類1-4控制系統(tǒng)性能要求1.基本概念自動控制在沒有人直接參與的情況下，利用外加的設(shè)備或裝置，使機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過程的某個工作狀態(tài)或參數(shù)自動地按照預(yù)定規(guī)律運(yùn)行。§1-1自動控制技術(shù)介紹1.基本概念自動控制在沒有人直接參與的情況下，利用外加的設(shè)備或裝置，使機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過程的某個工作狀態(tài)或參數(shù)自動地按照預(yù)定規(guī)律運(yùn)行。鍋爐溫度控制、化工過程流量、溫度、液位的控制……自動控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)某一控制目標(biāo)的所有物理部件的有機(jī)組合體。控制裝置被控對象被控變量我們身邊的自動控制系統(tǒng)與裝置現(xiàn)代生活離不開自動控制！空調(diào)冰箱電熱水器2.自動控制的直觀認(rèn)識公元235年馬鈞研制出能自動指示方向的指南車

自動控制技術(shù)發(fā)展過程中的例子1788年英國Watt發(fā)明的控制蒸汽機(jī)速度的離心式調(diào)速器

自動控制技術(shù)發(fā)展過程中的例子1913年美國建成最早的汽車裝配流水線1952年美國MIT研制出第一臺數(shù)控機(jī)床

自動控制技術(shù)發(fā)展過程中的例子1959年第一臺工業(yè)機(jī)器人

1981年美國“哥倫比亞”號航天飛機(jī)首次發(fā)射成功自動控制技術(shù)發(fā)展過程中的例子裝配機(jī)器人汽車自動焊接生產(chǎn)線自動控制技術(shù)發(fā)展過程中的例子自動立體倉庫自動控制技術(shù)發(fā)展過程中的例子注塑機(jī)自動搬運(yùn)車自動控制技術(shù)發(fā)展過程中的例子機(jī)器人足球比賽月球車大型化工企業(yè)自動控制裝置3.自控系統(tǒng)與自控原理自動控制系統(tǒng)不需要人參與就能完成任務(wù)工業(yè)生產(chǎn)、軍事裝備、航空航天、生物醫(yī)學(xué)、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行、社會管理、日常生活等諸多領(lǐng)域都有自動控制系統(tǒng)自動控制原理是分析各種自動控制系統(tǒng)的統(tǒng)一理論，是其內(nèi)在的共通規(guī)律自動控制原理這門課程就是來研究這些自動控制裝置或系統(tǒng)的基本工作規(guī)律和原理4.自動控制理論研究簡史經(jīng)典控制理論：20世紀(jì)40-50年起源：二戰(zhàn)軍工技術(shù)的需求目標(biāo)：反饋控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性方法：微分方程、傳遞函數(shù)、根軌跡、頻域分析應(yīng)用系統(tǒng):單輸入單輸出系統(tǒng)（SISO）現(xiàn)代控制理論：20世紀(jì)60年代起源：冷戰(zhàn)時期，空間技術(shù)發(fā)展的需求目標(biāo)：最優(yōu)控制方法：狀態(tài)空間方程應(yīng)用系統(tǒng):多輸入多輸出系統(tǒng)（MIMO）智能控制理論：20世紀(jì)80年代起源：智能技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展目標(biāo)：智能控制方法：專家系統(tǒng)、模糊控制技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、智能進(jìn)化算法等等重要的人物：1948，維納《控制論》1954，錢學(xué)森《工程控制論》★《Cybernetics：ortheControlandCommunicationintheAnimalandtheMachine》

★《EngineeringCybernetics》

自動控制理論的發(fā)展歷程1769，瓦特，飛球調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)蒸汽機(jī)流量1868，麥克斯韋，獵振現(xiàn)象1877/1895,勞思/赫爾維茨穩(wěn)定性判據(jù)1932，乃奎斯特，頻域穩(wěn)定性分析1948，維納，《控制論》1956，蘇聯(lián)，龐特里亞金，極大值原理1956，貝爾曼，動態(tài)規(guī)劃1960，卡爾曼，最優(yōu)濾波器1954，錢學(xué)森，《工程控制論》20世紀(jì)80年代至今，智能控制技術(shù)控制理論目前還在向更縱深、更廣闊的領(lǐng)域發(fā)展，啟發(fā)并擴(kuò)展人的思維方式，引導(dǎo)人們?nèi)ヌ接懽匀唤绺鼮樯羁痰倪\(yùn)動機(jī)理。近二十年來，由于信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，工業(yè)自動化要求更加迫切，自動控制系統(tǒng)的應(yīng)用進(jìn)入了黃金時代。我們應(yīng)能深切體會，日常的工作和生活己經(jīng)處在一切盡在自動控制的時代。§1-2自動控制的基本原理【例】

水箱系統(tǒng)入口流量Qi取決于閥門開度u，出口流量Qo與液位H和出口閥有關(guān)問題：如何使得實(shí)際液位H控制在期望液位不變期望液位：Hs1.人工控制

眼：測量實(shí)際液位H——檢測過程。

腦：將實(shí)際液位H和期望液位Hs比較，根據(jù)兩者偏差正負(fù)及大小作出決策。——比較、分析、決策過程。

手：執(zhí)行大腦命令，調(diào)節(jié)閥門開度。——執(zhí)行過程。

期望液位：Hs人工控制原理方塊圖實(shí)際液位腦眼給定值手水槽擾動測量值2.自動控制變送器(眼）：測量實(shí)際液位H并進(jìn)行物理轉(zhuǎn)換?？刂破鳎ù竽X）：也叫調(diào)節(jié)器，將測量值pv和給定值sv相比較，根據(jù)兩者的偏差進(jìn)行運(yùn)算，輸出控制信號u。執(zhí)行器（手）：也叫調(diào)節(jié)閥，改變閥門開度。簡圖自動控制原理方塊圖：實(shí)際液位控制器變送器給定值執(zhí)行器水槽擾動測量值實(shí)際液位腦眼給定值手水槽擾動測量值人工控制原理方塊圖：3.反饋控制原理反饋通過測量變換裝置將系統(tǒng)或元件的輸出量反送到輸入端，與輸入信號相比較。反送到輸入端的信號稱為反饋信號。負(fù)反饋

反饋信號與輸入信號相減，其差為偏差信號負(fù)反饋控制原理將系統(tǒng)的輸出信號引回輸入端，與輸入信號相減，形成偏差信號。然后根據(jù)偏差信號產(chǎn)生相應(yīng)的控制作用，力圖消除或減少偏差的過程。4.自動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)反饋通道，前向通道，閉環(huán)，開環(huán)輸入變量：擾動輸入d，給定輸入r（參考輸入）輸出變量c，廣義被控對象+控制器自動控制系統(tǒng)的構(gòu)成：控制器測量變送器給定輸入執(zhí)行器被控對象擾動輸入輸出測量值自動控制裝置+被控對象幾個概念被控制量c：

在控制系統(tǒng)中．按規(guī)定的任務(wù)需要加以控制的物理量?？刂屏縰：

作為被控制量的控制指令而加給系統(tǒng)的輸入量．也稱控制輸入。擾動量d：

干擾或破壞系統(tǒng)按預(yù)定規(guī)律運(yùn)行的輸入量，也稱擾動輸入。自動控制系統(tǒng)的特點(diǎn)存在反饋，輸出量參與控制，基于偏差進(jìn)行控制反饋（偏差、閉環(huán)）控制系統(tǒng)5.控制系統(tǒng)方框圖用方框和箭頭表示的控制系統(tǒng)元件作用圖輸出量

環(huán)節(jié)名稱(或特性)輸入量(a)

(-)e=r-br(+)

(-)b(b)re=r-b

b或(c)c引出點(diǎn)cc方框圖中的幾種表示法：被控量偏差信號

(-)

參考輸入信號r(t)控制器(或調(diào)節(jié)器)u(t)廣義被控系統(tǒng)e(t)c(t)反饋信號

控制量

擾動

給定裝置

校正裝置

放大

元件

執(zhí)行

器

被控

對象

反饋裝置測量變送器

觸發(fā)器

晶闡管可控整流器

放大器ut

轉(zhuǎn)速反饋裝置控制裝置(b)方框圖(-)ug

給定裝置ue擾動

電動機(jī)被控對象nudoRP1ugR0R0R1-utRP2-+-++

TGMudouc(a)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)原理圖+觸發(fā)器晶閘管整流器電壓比較放大器測速電機(jī)電動機(jī)電爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)定溫度與冰箱實(shí)際溫度比較，產(chǎn)生偏差值

當(dāng)偏差電壓達(dá)到使繼電器接通時，壓縮機(jī)將蒸發(fā)器中高溫低壓制冷液送制冷卻器散熱，降溫后的低溫低壓制冷液壓縮成高壓液態(tài)進(jìn)入蒸發(fā)器，急速降壓擴(kuò)散成氣體，吸收箱體內(nèi)熱量，使冰箱溫度下降，

如此循環(huán)操作，使箱體溫度達(dá)到希望溫度，此時繼電器斷開，壓縮機(jī)停止工作。家用電冰箱溫控系統(tǒng)電冰箱溫控系統(tǒng)方塊圖6.基本控制方式1）開環(huán)控制：不存在輸出到輸入的反饋，輸出量不參與控制

按干擾進(jìn)行控制（即前饋控制，對干擾進(jìn)行補(bǔ)償）擾動必須可測！

按給定值進(jìn)行控制液位給定值Hs實(shí)際液位控制器液位給定值執(zhí)行器水箱擾動按給定值進(jìn)行控制按干擾進(jìn)行控制液位給定值Hs出口流量測量實(shí)際液位控制器液位給定值執(zhí)行器水箱擾動流量測量2）閉環(huán)控制系統(tǒng)存在輸出到輸入的反饋，輸出量參與控制實(shí)際液位控制器變送器給定值執(zhí)行器水槽擾動測量值3）復(fù)合控制系統(tǒng)液位給定值Hs出口流量測量實(shí)際液位控制器變送器給定值執(zhí)行器水槽擾動測量值流量測量§1-3自動控制系統(tǒng)分類1.按輸入信號特征分類1）恒值控制系統(tǒng)給定輸入為常數(shù)，系統(tǒng)克服擾動影響例：液位控制系統(tǒng)，溫度控制系統(tǒng)等工業(yè)系統(tǒng)2）隨動控制系統(tǒng)給定輸入是隨機(jī)時間變化的函數(shù)（未知）例：函數(shù)記錄儀火炮、自動跟蹤系統(tǒng)3）程序控制系統(tǒng)給定輸入是預(yù)知的時間函數(shù)例：機(jī)床加工系統(tǒng)2.按描述元件特性分類1）線性系統(tǒng)組成系統(tǒng)的元件都是線性元件，輸入輸出的靜態(tài)特性為線性關(guān)系用線性微分方程描述2）非線性系統(tǒng)只要系統(tǒng)中有一個元部件是非線性的用非線性微分方程描述如何區(qū)分一個系統(tǒng)是線性的還是非線性的呢？3.按照傳遞信號類型分類連續(xù)系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)間的信號均為時間t的連續(xù)函數(shù)，可用微分方程描述例：水箱系統(tǒng)離散系統(tǒng)只要有一處信號是脈沖信號或者數(shù)字信號，定義在離散時刻上，用差分方程描述例：計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)4.按照參數(shù)是否隨時間變化分類定常系統(tǒng)時變系統(tǒng)5.其他分類單輸入輸出系統(tǒng)與多輸入輸出系統(tǒng)確定性系統(tǒng)與不確定性系統(tǒng)集中參數(shù)系統(tǒng)與分布參數(shù)系統(tǒng)§1-4對控制系統(tǒng)性能的基本要求時間tr上升峰值時間tpAB超調(diào)量σ%=AB100%調(diào)節(jié)時間ts“穩(wěn)，快，準(zhǔn)”1.穩(wěn)定性（最基本要求）系統(tǒng)在擾動消失后，由初始偏差狀態(tài)恢復(fù)到平衡狀態(tài)的能力。１、穩(wěn)定２、不穩(wěn)定穩(wěn)定性：

(1)對恒值系統(tǒng)，要求當(dāng)系統(tǒng)受到擾動后，經(jīng)過一定時間的調(diào)整能夠回到原來的期望值。

(2)對隨動系統(tǒng)，被控制量始終跟蹤參據(jù)量的變化。穩(wěn)定性是對系統(tǒng)的基本要求，不穩(wěn)定的系統(tǒng)不能實(shí)現(xiàn)預(yù)定任務(wù)。線性系統(tǒng)穩(wěn)定性，通常由系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)決定與外界因素?zé)o關(guān)。2.快速性動態(tài)性能:調(diào)節(jié)時間、上升時間對過渡過程的形式和快慢提出要求，一般稱為動態(tài)性能。穩(wěn)定高射炮射角隨動系統(tǒng)，雖然炮身最終能跟蹤目標(biāo)，但如果目標(biāo)變動迅速，而炮身行動遲緩，仍然抓不住目標(biāo)。3.準(zhǔn)確性穩(wěn)態(tài)性能：穩(wěn)態(tài)誤差在參考輸入信號作用下，當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，其穩(wěn)態(tài)輸出與參考輸入所要求的期望輸出之差叫做給定穩(wěn)態(tài)誤差。顯然，這種誤差越小，表示系統(tǒng)的輸出跟隨參考輸入的精度越高。1、理想脈沖函數(shù)（或沖擊函數(shù)）且