自動(dòng)控制原理 第1章

1、主講：徐迪紅主講：徐迪紅自動(dòng)控制原理及其應(yīng)用自動(dòng)控制原理及其應(yīng)用主要參考書(shū)目： 自考控制原理及其應(yīng)用 （黃堅(jiān)主編） 自動(dòng)控制原理自動(dòng)控制原理 （胡壽松主編胡壽松主編） 自動(dòng)控制原理習(xí)題集(胡壽松等) 自動(dòng)控制原理(吳麟編) 自動(dòng)控制原理（李友善編） William J. Palm, Control System Engineering, Prentice Hall Inc. Englewood Cliffs, New Jersey第第1章章 緒論緒論1-1 1-1 自動(dòng)控制系統(tǒng)概述自動(dòng)控制系統(tǒng)概述1-2 1-2 控制系統(tǒng)的控制方式控制系統(tǒng)的控制方式1-3 1-3 控制系統(tǒng)的分類(lèi)控制系統(tǒng)的分類(lèi)

2、1-4 1-4 對(duì)控制系統(tǒng)的性能要求對(duì)控制系統(tǒng)的性能要求1 引例引例: : 水溫自動(dòng)控制系統(tǒng)水溫自動(dòng)控制系統(tǒng)系統(tǒng)中增加了：系統(tǒng)中增加了：控制器控制器電機(jī)電機(jī)加入給定信號(hào)加入給定信號(hào)工作原理：工作原理：檢測(cè)實(shí)際溫度檢測(cè)實(shí)際溫度產(chǎn)生控制信號(hào)產(chǎn)生控制信號(hào) 通過(guò)電機(jī)調(diào)通過(guò)電機(jī)調(diào)節(jié)閥門(mén)的開(kāi)度節(jié)閥門(mén)的開(kāi)度 從而調(diào)節(jié)蒸從而調(diào)節(jié)蒸汽流入，控制汽流入，控制水的溫度水的溫度. 實(shí)實(shí)現(xiàn)沒(méi)有人直接現(xiàn)沒(méi)有人直接參與的自動(dòng)水參與的自動(dòng)水溫控制溫控制.1-1 1-1 自動(dòng)控制系統(tǒng)概述自動(dòng)控制系統(tǒng)概述自動(dòng)控制：自動(dòng)控制： 在無(wú)人直接參與下，利用控制裝置操縱受在無(wú)人直接參與下，利用控制裝置操縱受控對(duì)象，使受控對(duì)象的被控量按給定

3、信號(hào)變化。控對(duì)象，使受控對(duì)象的被控量按給定信號(hào)變化。自動(dòng)控制系統(tǒng)：自動(dòng)控制系統(tǒng)：由相互關(guān)聯(lián)、相互作用的一些物體或元部由相互關(guān)聯(lián)、相互作用的一些物體或元部件構(gòu)成的且具有一定規(guī)律的整體。能夠完成自件構(gòu)成的且具有一定規(guī)律的整體。能夠完成自動(dòng)控制的系統(tǒng)。動(dòng)控制的系統(tǒng)。 為了方便地分析系統(tǒng)性能，一般用為了方便地分析系統(tǒng)性能，一般用框圖來(lái)表示系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，如圖所示框圖來(lái)表示系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，如圖所示: 要使自動(dòng)控制系統(tǒng)滿足工程實(shí)際的需要使自動(dòng)控制系統(tǒng)滿足工程實(shí)際的需要要 , 必須研究自動(dòng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)與必須研究自動(dòng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)與系統(tǒng)性能之間的關(guān)系。系統(tǒng)性能之間的關(guān)系。實(shí)際實(shí)際溫度溫度偏差偏差反饋量反饋量

4、預(yù)期預(yù)期溫度溫度_控制器控制器執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)閥門(mén)閥門(mén)水箱水箱檢測(cè)裝置檢測(cè)裝置被控對(duì)象：被控對(duì)象：系統(tǒng)控制和操作的對(duì)象，被控制的系統(tǒng)控制和操作的對(duì)象，被控制的 機(jī)器、設(shè)備、過(guò)程或系統(tǒng)。機(jī)器、設(shè)備、過(guò)程或系統(tǒng)。2 2 自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成放大裝置：放大裝置：放大偏差信號(hào)，以適合控制器執(zhí)行。放大偏差信號(hào)，以適合控制器執(zhí)行。 控制器：控制器： 直接驅(qū)動(dòng)被控對(duì)象的裝置。直接驅(qū)動(dòng)被控對(duì)象的裝置。 反饋裝置：反饋裝置：被控量檢測(cè)出來(lái)，并產(chǎn)生反饋信號(hào)的裝置。被控量檢測(cè)出來(lái)，并產(chǎn)生反饋信號(hào)的裝置。輸入量：輸入量：希望的被控對(duì)象運(yùn)動(dòng)規(guī)律或狀態(tài)的物理量希望的被控對(duì)象運(yùn)動(dòng)規(guī)律或狀態(tài)的物理量 （參考輸

5、入、給定量）。（參考輸入、給定量）。 控控 制制 量：量：被控對(duì)象的輸入量，是偏差量的函數(shù)，可被控對(duì)象的輸入量，是偏差量的函數(shù)，可 將偏差量看作控制量。將偏差量看作控制量。被控制量：被控制量：反映被控對(duì)象運(yùn)動(dòng)規(guī)律或狀態(tài)的物理量，即反映被控對(duì)象運(yùn)動(dòng)規(guī)律或狀態(tài)的物理量，即 是系統(tǒng)的輸出量。是系統(tǒng)的輸出量。干擾量：干擾量：除輸入信號(hào)外，對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生不利影響的信號(hào)。除輸入信號(hào)外，對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生不利影響的信號(hào)。 1 1開(kāi)環(huán)控制：開(kāi)環(huán)控制：控制裝置與受控對(duì)象之間只有控制裝置與受控對(duì)象之間只有順向作用而無(wú)反向聯(lián)系。順向作用而無(wú)反向聯(lián)系。 加熱爐加熱爐 閥閥 門(mén)門(mén)預(yù)期溫度預(yù)期溫度實(shí)際溫度實(shí)際溫度例：爐溫控制例：爐溫

6、控制 燃燒器燃燒器第二節(jié)第二節(jié) 控制系統(tǒng)的控制方式控制系統(tǒng)的控制方式例例2 轉(zhuǎn)臺(tái)速度開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)臺(tái)速度開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng) 這種轉(zhuǎn)臺(tái)在這種轉(zhuǎn)臺(tái)在CD機(jī)、計(jì)算機(jī)磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器機(jī)、計(jì)算機(jī)磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器等現(xiàn)代裝置中廣泛應(yīng)用等現(xiàn)代裝置中廣泛應(yīng)用.轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)臺(tái) 電機(jī)電機(jī)電源和放電源和放 大裝置大裝置速度設(shè)置速度設(shè)置系統(tǒng)組成：系統(tǒng)組成：由圖可見(jiàn)：由圖可見(jiàn)： 被控制量速被控制量速度沒(méi)有反饋到度沒(méi)有反饋到輸入端與給定輸入端與給定信號(hào)比較信號(hào)比較,為開(kāi)為開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)。環(huán)控制系統(tǒng)。預(yù)期速度預(yù)期速度實(shí)際轉(zhuǎn)速實(shí)際轉(zhuǎn)速直流電動(dòng)機(jī)直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)臺(tái)放大器放大器 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制過(guò)程均很簡(jiǎn)單，但抗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制過(guò)程均很簡(jiǎn)單，但抗擾能力差，控制

7、精度不高，故一般只能用擾能力差，控制精度不高，故一般只能用于對(duì)控制性能要求較低的場(chǎng)合。于對(duì)控制性能要求較低的場(chǎng)合。 轉(zhuǎn)臺(tái)速度開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖轉(zhuǎn)臺(tái)速度開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖:開(kāi)環(huán)控制的特點(diǎn)：開(kāi)環(huán)控制的特點(diǎn)： 2 2閉環(huán)控制閉環(huán)控制 有順向作用，而且還有反向聯(lián)系有順向作用，而且還有反向聯(lián)系. 閉環(huán)控制又稱(chēng)為閉環(huán)控制又稱(chēng)為反饋控制反饋控制或或按偏差控制按偏差控制。 控制裝置與受控對(duì)象之間，不但控制裝置與受控對(duì)象之間，不但 例例 爐溫自動(dòng)控制爐溫自動(dòng)控制加熱爐加熱爐電動(dòng)閥門(mén)電動(dòng)閥門(mén)放大器放大器比較器比較器預(yù)期溫度預(yù)期溫度實(shí)際溫度實(shí)際溫度反饋量反饋量偏差量偏差量干擾干擾閉環(huán)控制的特點(diǎn)：閉環(huán)控制的特點(diǎn)： 減

8、小或消除由于擾動(dòng)所形成的偏差值，具有較高減小或消除由于擾動(dòng)所形成的偏差值，具有較高的控制精度和較強(qiáng)的抗擾能力的控制精度和較強(qiáng)的抗擾能力。Tbuu1uTrubuu1uT溫度傳感器溫度傳感器放大器放大器測(cè)速機(jī)測(cè)速機(jī)偏差偏差反饋量反饋量預(yù)期速度預(yù)期速度實(shí)際轉(zhuǎn)速實(shí)際轉(zhuǎn)速直流電動(dòng)機(jī)直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)臺(tái)放大器放大器_ 當(dāng)實(shí)際速度受擾動(dòng)的影響發(fā)生變化時(shí)當(dāng)實(shí)際速度受擾動(dòng)的影響發(fā)生變化時(shí)，通過(guò)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)，從而消除擾動(dòng)對(duì)速度，通過(guò)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)，從而消除擾動(dòng)對(duì)速度的影響。的影響。轉(zhuǎn)臺(tái)速度閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖轉(zhuǎn)臺(tái)速度閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖3 3復(fù)合控制：復(fù)合控制：前饋控制前饋控制+ +反饋控制反饋控制前饋控制前饋控制給定值給定

9、值被控制量被控制量_受控對(duì)象受控對(duì)象 檢測(cè)元件檢測(cè)元件控制器控制器(a) (a) 按輸入前饋補(bǔ)償?shù)膹?fù)合控制按輸入前饋補(bǔ)償?shù)膹?fù)合控制 測(cè)量出外部作用，形成與外部作用相反的控制測(cè)量出外部作用，形成與外部作用相反的控制量與外部作用共同使被控量基本不受影響。量與外部作用共同使被控量基本不受影響。前饋控制前饋控制擾動(dòng)擾動(dòng)_檢測(cè)元件檢測(cè)元件被控制量被控制量給定值給定值控制器控制器 受控對(duì)象受控對(duì)象(b) (b) 按擾動(dòng)前饋補(bǔ)償?shù)膹?fù)合控制按擾動(dòng)前饋補(bǔ)償?shù)膹?fù)合控制2、 按輸入信號(hào)分按輸入信號(hào)分：3、按系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型分、按系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型分：時(shí)變時(shí)變 定常定常連續(xù)連續(xù) 離散離散線性線性 非線性非線性恒值恒值 程序程序

10、 隨動(dòng)隨動(dòng)開(kāi)環(huán)開(kāi)環(huán) 閉環(huán)閉環(huán) 復(fù)合復(fù)合 恒值系統(tǒng)輸入為定值，控制任務(wù)是克服擾動(dòng)，使輸出為恒值。恒值系統(tǒng)輸入為定值，控制任務(wù)是克服擾動(dòng)，使輸出為恒值。第第3節(jié)節(jié) 控制系統(tǒng)的分類(lèi)控制系統(tǒng)的分類(lèi) 1、按信號(hào)流向分、按信號(hào)流向分： 程序控制系統(tǒng)的輸入按確定的函數(shù)關(guān)系變化，要求被控制量隨程序控制系統(tǒng)的輸入按確定的函數(shù)關(guān)系變化，要求被控制量隨之變化。之變化。 隨動(dòng)系統(tǒng)的輸入按事先不知道的時(shí)間函數(shù)關(guān)系變化，被控制隨動(dòng)系統(tǒng)的輸入按事先不知道的時(shí)間函數(shù)關(guān)系變化，被控制量跟隨其變化。量跟隨其變化。線性微分方程或線性差分方程描述的系統(tǒng)為線性微分方程或線性差分方程描述的系統(tǒng)為線性系統(tǒng)線性系統(tǒng)。不能用線性微分方程描述的

11、系統(tǒng)為不能用線性微分方程描述的系統(tǒng)為非非線性系統(tǒng)線性系統(tǒng)。4、按系統(tǒng)方程系數(shù)分、按系統(tǒng)方程系數(shù)分：定常：系統(tǒng)方程的系數(shù)不是時(shí)間變量的函數(shù)。定常：系統(tǒng)方程的系數(shù)不是時(shí)間變量的函數(shù)。時(shí)變：系統(tǒng)方程的系數(shù)是時(shí)間變量的函數(shù)。時(shí)變：系統(tǒng)方程的系數(shù)是時(shí)間變量的函數(shù)。5、按系統(tǒng)時(shí)間變量特征分、按系統(tǒng)時(shí)間變量特征分：連續(xù)系統(tǒng)中所有的信號(hào)都是時(shí)間連續(xù)系統(tǒng)中所有的信號(hào)都是時(shí)間 t 的連續(xù)函數(shù)（模擬量）。的連續(xù)函數(shù)（模擬量）。離散：系統(tǒng)中有信號(hào)是時(shí)間離散：系統(tǒng)中有信號(hào)是時(shí)間 t 的離散函數(shù)。的離散函數(shù)。實(shí)例分析實(shí)例分析例例1 1：位置伺服系統(tǒng)：位置伺服系統(tǒng)工作機(jī)構(gòu)工作機(jī)構(gòu)變速箱變速箱電動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)比較放比較放大大電位

12、器電位器1 1rc電位器電位器2 2例例2 2：數(shù)控機(jī)床工作臺(tái)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)：數(shù)控機(jī)床工作臺(tái)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)如何畫(huà)結(jié)構(gòu)框圖？并判斷控制系統(tǒng)的類(lèi)別。如何畫(huà)結(jié)構(gòu)框圖？并判斷控制系統(tǒng)的類(lèi)別。移動(dòng)量移動(dòng)量工作臺(tái)工作臺(tái)驅(qū)動(dòng)電驅(qū)動(dòng)電路路控制指令控制指令（輸入）（輸入）（輸出）（輸出）控制電控制電機(jī)機(jī) 工作臺(tái)工作臺(tái) 減速器減速器 電電 機(jī)機(jī) 驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電路輸入輸入輸出輸出開(kāi)環(huán)程序控制開(kāi)環(huán)程序控制如何畫(huà)出結(jié)構(gòu)框圖？并判斷控制系統(tǒng)的類(lèi)別如何畫(huà)出結(jié)構(gòu)框圖？并判斷控制系統(tǒng)的類(lèi)別。 工作臺(tái)工作臺(tái)移動(dòng)量移動(dòng)量（輸出）（輸出）控制指令控制指令（輸入）（輸入）工作臺(tái)工作臺(tái)檢測(cè)裝置檢測(cè)裝置放大器放大器伺服電伺服電機(jī)機(jī)比較器比較器 減速器

13、減速器 伺服電機(jī)伺服電機(jī) 放大器放大器 比較器比較器 檢測(cè)裝置檢測(cè)裝置輸入輸入輸出輸出第四節(jié)第四節(jié) 對(duì)控制系統(tǒng)性能的要求對(duì)控制系統(tǒng)性能的要求 常見(jiàn)的評(píng)價(jià)系統(tǒng)優(yōu)劣的性能指標(biāo)是常見(jiàn)的評(píng)價(jià)系統(tǒng)優(yōu)劣的性能指標(biāo)是從動(dòng)態(tài)過(guò)程中定義出來(lái)的。對(duì)系統(tǒng)性能從動(dòng)態(tài)過(guò)程中定義出來(lái)的。對(duì)系統(tǒng)性能的基本要求有三個(gè)方面。的基本要求有三個(gè)方面。 二、快速性二、快速性一、穩(wěn)定性一、穩(wěn)定性三、準(zhǔn)確性三、準(zhǔn)確性 系統(tǒng)受外作用力后系統(tǒng)受外作用力后,其動(dòng)態(tài)過(guò)程的振其動(dòng)態(tài)過(guò)程的振蕩傾向和系統(tǒng)恢復(fù)平衡的能力。蕩傾向和系統(tǒng)恢復(fù)平衡的能力。一、穩(wěn)定性一、穩(wěn)定性穩(wěn)定性：穩(wěn)定性： 如果系統(tǒng)受外作用力經(jīng)過(guò)一段時(shí)間如果系統(tǒng)受外作用力經(jīng)過(guò)一段時(shí)間，其被

14、控量達(dá)到某一穩(wěn)定狀態(tài)，則系統(tǒng)，其被控量達(dá)到某一穩(wěn)定狀態(tài)，則系統(tǒng)是穩(wěn)定的。是穩(wěn)定的。否則為不穩(wěn)定的。否則為不穩(wěn)定的。穩(wěn)定系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程穩(wěn)定系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程r(t)t0c(t)1r(t)c(t)不穩(wěn)定系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程不穩(wěn)定系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程(a) 給定信號(hào)作用給定信號(hào)作用c(t)(b) 擾動(dòng)信號(hào)作用擾動(dòng)信號(hào)作用d(t)t0c(t)r(t)t0c(t)r(t)c(t)d(t) 不穩(wěn)定的系統(tǒng)是無(wú)法正常工作的。不穩(wěn)定的系統(tǒng)是無(wú)法正常工作的。 通過(guò)動(dòng)態(tài)過(guò)程時(shí)間長(zhǎng)短表征。時(shí)間通過(guò)動(dòng)態(tài)過(guò)程時(shí)間長(zhǎng)短表征。時(shí)間越短，表明快速性越好，反之亦然。越短，表明快速性越好，反之亦然。二、快速性二、快速性r(t)t0c(t)r(t)c1(t)c2(t) 快速性表明了系統(tǒng)輸出對(duì)輸入響應(yīng)快速性表明了系統(tǒng)輸出對(duì)輸入響應(yīng)的快慢程度的快慢程度 由輸入給定值與輸出響應(yīng)的終值由輸入給定值與輸出響應(yīng)的終值之間的差值之間的差值ess大小表征。大小表征。三、準(zhǔn)確性三、準(zhǔn)確性r(t)t0c(t)r(t)c(t)ess 穩(wěn)定性、快速