自動(dòng)控制原理概述

1、關(guān)于自動(dòng)控制原理概述第一頁，共44頁幻燈片第一章 自動(dòng)控制原理概述第二頁，共44頁幻燈片本章重點(diǎn)n控制系統(tǒng)的組成、分類、特點(diǎn)n自動(dòng)控制及自動(dòng)控制系統(tǒng)的含義n反饋與反饋控制的概念第三頁，共44頁幻燈片本章難點(diǎn)n確定控制系統(tǒng)的被控對象、被控量、給定量等等，繪制方框圖，分析實(shí)際控制系統(tǒng)的基本原理。自動(dòng)控制的實(shí)質(zhì) 深刻理解反饋的概念和思想第四頁，共44頁幻燈片1.0 概述n 自動(dòng)控制技術(shù)在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國防、航空航天等各個(gè)領(lǐng)域中起著重要的作用！廣泛應(yīng)用于各種工程學(xué)科領(lǐng)域，并擴(kuò)展到生物、醫(yī)學(xué)、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)管理和其它許多社會生活領(lǐng)域獨(dú)立的學(xué)科并與其它學(xué)科相互滲透、相互促進(jìn)。自動(dòng)控制原理是自動(dòng)控制技術(shù)的基礎(chǔ)理論

2、，是一門理論性較強(qiáng)的工程科學(xué)。第五頁，共44頁幻燈片根據(jù)自動(dòng)控制技術(shù)發(fā)展的不同階段，自動(dòng)控制理論分為兩大部分：在工程實(shí)踐中，經(jīng)典控制理論已得到許許多多成功地運(yùn)用，而且今后還將發(fā)揮其理論指導(dǎo)作用u經(jīng)典控制理論：19世紀(jì)末-上世紀(jì)60年代，這一百多年所形成的理論，稱為經(jīng)典控制理論，它是以傳遞函數(shù)為數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，主要研究單輸入、單輸出線性定常系統(tǒng)的控制和綜合問題。第六頁，共44頁幻燈片u現(xiàn)代控制理論：現(xiàn)代控制理論是上世紀(jì)60年代以后發(fā)展起來的新理論稱為現(xiàn)代控制理論，它是以狀態(tài)空間為數(shù)學(xué)基礎(chǔ).主要研究主要研究具有高性能的多輸入、多輸出變參具有高性能的多輸入、多輸出變參數(shù)系統(tǒng)的控制和綜合問題。數(shù)系統(tǒng)的控制和

3、綜合問題。 現(xiàn)代控制理論能解決一些經(jīng)典控制理論難以解決的問題，而且隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和現(xiàn)代應(yīng)用數(shù)學(xué)研究的發(fā)展，目前現(xiàn)代控制理論正向著大系統(tǒng)和人工智能化方向發(fā)展。第七頁，共44頁幻燈片 現(xiàn)代的工程技術(shù)人員和科學(xué)工作者，必須具備一定的自動(dòng)控制理論基礎(chǔ)知識1.1 自動(dòng)控制理論和自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念自動(dòng)控制理論和自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念 人工溫控系統(tǒng)（1）人工控制一、人工控制與一、人工控制與自動(dòng)控制第八頁，共44頁幻燈片 人工控制水位系統(tǒng)水位人工控制系統(tǒng)第九頁，共44頁幻燈片整個(gè)控制過程人在做的工作l首先人用肉眼觀察水面（溫度）的實(shí)際高度h（T）;l 將實(shí)際水面高度h與期望的水面高度H，進(jìn)行比較，得出偏差

4、值 dH=H-hl 根據(jù)只得大小和方向來調(diào)節(jié)水閥的開口大小l 人工的整個(gè)過程在做什么？人工的整個(gè)過程在做什么？在檢測偏差，糾正偏差在檢測偏差，糾正偏差 這也是控制的實(shí)質(zhì)這也是控制的實(shí)質(zhì)第十頁，共44頁幻燈片 所謂人工控制就是其檢測偏差和糾正偏差，都是人工完成的所以稱為人工控制。n人工控制存在的問題：1）由于用肉眼檢測偏差，所以誤差大，控制精度低。2）若系統(tǒng)變化快，則人的勞動(dòng)強(qiáng)度大。所以我們說：人工控制系統(tǒng)，勞動(dòng)強(qiáng)度大，控制人工控制系統(tǒng)，勞動(dòng)強(qiáng)度大，控制精度低，不能適應(yīng)高速運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)。精度低，不能適應(yīng)高速運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)。第十一頁，共44頁幻燈片（2）自動(dòng)控制n我們能否將一個(gè)人工控制系統(tǒng)，改造為一個(gè)自動(dòng)控

5、制系統(tǒng)呢？ 我們說是完全可以的，只要我們能選擇一個(gè)合適的控制器，來替代人的工作，就可將此人工控制系統(tǒng)改造為自動(dòng)控制系統(tǒng)。第十二頁，共44頁幻燈片例1 簡單的水位控制系統(tǒng)此系統(tǒng)利用了一個(gè)連桿機(jī)構(gòu)替代了人的工作，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)控制。第十三頁，共44頁幻燈片例2 較為完善的水位控制系統(tǒng)第十四頁，共44頁幻燈片例采用離心調(diào)速器的蒸汽機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)第十五頁，共44頁幻燈片例3. 溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)220V電壓放大器功率放大器可逆電機(jī)給定電壓信號熱電偶加熱器ua+-+ufueUe=ua-uf，請大家看看此系統(tǒng)與人工控制系統(tǒng)作了那些改造第十六頁，共44頁幻燈片比較人工控制和自動(dòng)控制可見所謂自動(dòng)控制是： 在沒有人直

6、接參與的情況下，利用控制裝置（或控制器）使某種設(shè)備、工作機(jī)械或生產(chǎn)過程自動(dòng)按預(yù)定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律運(yùn)行自動(dòng)控制的類型很多l(xiāng)國防業(yè)中使用的火炮，火炮根據(jù)雷達(dá)指揮儀傳來的信息自動(dòng)的調(diào)整方位角、俯仰角，隨時(shí)跟蹤目標(biāo)，瞄準(zhǔn)著彈點(diǎn)。l機(jī)加工中，數(shù)控機(jī)床能夠按預(yù)先安排的工藝程序進(jìn)行自動(dòng)切削，最終加工出我們所需要的工件。第十七頁，共44頁幻燈片 自動(dòng)控制系統(tǒng)在生產(chǎn)實(shí)際和我們?nèi)粘Ｉ钪?，我們見到的很多，盡管它們的結(jié)構(gòu)和功能各不相同，但是它們有共同的規(guī)律：即系統(tǒng)中被控制量按照控制量的變化規(guī)律來變化例如：前面我們介紹溫控系統(tǒng)p 被控量(爐內(nèi)溫度)-隨控制量（給定電壓ua)的 變化而變化火炮控制系統(tǒng)p被控量（火炮方位角和俯

7、仰角）-隨控制量（雷達(dá)信息）變化而變化第十八頁，共44頁幻燈片通過以上分析，可見自動(dòng)控制的實(shí)質(zhì)為：檢測偏差，由偏差產(chǎn)生控制作用，檢測偏差，由偏差產(chǎn)生控制作用，消除（或減少）偏差消除（或減少）偏差自動(dòng)控制的基本原理第十九頁，共44頁幻燈片二、自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成n從上述幾個(gè)控制系統(tǒng)可見，系統(tǒng)雖然簡單，但從系統(tǒng)組成的角度來看，還是很典型的。n 根據(jù)各部分性質(zhì)和功能，一般情況下，控制系統(tǒng)可劃分為五個(gè)組成部分五個(gè)組成部分u 檢測部分：把被控制量的大小檢測出來u 比較部分：檢測值與給定值相比較，產(chǎn)生偏差信號第二十頁，共44頁幻燈片偏差-為系統(tǒng)的控制信號u信號放大與轉(zhuǎn)換部分u執(zhí)行機(jī)構(gòu)部分：按信號的大小和方向

8、，對控制對象施于控制作用溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)通過可逆電機(jī)通過可逆電機(jī)電位器觸頭電位器觸頭改變加熱電壓改變加熱電壓u 控制對象：被控設(shè)備（爐溫）u校正裝置：用于改善系統(tǒng)性能第二十一頁，共44頁幻燈片 在控制系統(tǒng)中，為了明確系統(tǒng)各部分的聯(lián)系，習(xí)慣用原理方框圖描述系統(tǒng)，圖中每一方塊代表系統(tǒng)相應(yīng)組成部分。信號用箭頭表示，進(jìn)入方塊的箭頭表示該裝置的輸入量，離開方塊的箭頭表示該方塊的輸出量。 代表比較元件，表示信號在這里進(jìn)行代數(shù)疊加 信號的分支點(diǎn)，表示信號的取出。第二十二頁，共44頁幻燈片以溫度自控系統(tǒng)用原理方塊圖描述如下 放大裝置 執(zhí)行裝置 （散熱量Q） 控制對象電壓、功率放大可逆電機(jī)調(diào)壓器電熱爐熱電偶測量

9、元件控制裝置控制對象Uaueuf第二十三頁，共44頁幻燈片即：控制系統(tǒng)=控制裝置+控制對象n 專業(yè)術(shù)語： 1. 系統(tǒng)輸入系統(tǒng)輸入：凡是能使被控制量發(fā)生變化作用的量，稱為系統(tǒng)的輸入 由以上定義，在溫控系統(tǒng)中Ua、Q它們的變化都會使被控量T發(fā)生變化，所以應(yīng)該稱為系統(tǒng)的輸入。但二則之間又有區(qū)別第二十四頁，共44頁幻燈片爐溫值的大小是用Ua變化來達(dá)到的-Ua稱為系統(tǒng)的給定輸入n Q的變化為干擾量，它使?fàn)t溫偏離要值-Q稱為干擾輸入2. 系統(tǒng)輸出系統(tǒng)輸出：需要加以控制的某些物理量這樣，整個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)（溫控）可進(jìn)一步概括成一個(gè)大的方塊圖表示。第二十五頁，共44頁幻燈片溫控系統(tǒng)的方塊圖描述輸入量（干擾輸入）

10、溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)輸入量（給定輸入）輸出量（被控量）第二十六頁，共44頁幻燈片1.2 1.2 n 將控制系統(tǒng)分類的目的：了解各類系統(tǒng)的特點(diǎn) 系統(tǒng)分類的方法很多1）根據(jù)系統(tǒng)元件特性是否線性可分為： 線性系統(tǒng)線性系統(tǒng)和和非線性系統(tǒng)非線性系統(tǒng)2）根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)是否隨時(shí)間變化可分為： 時(shí)變系統(tǒng)時(shí)變系統(tǒng)和和定常系統(tǒng)定常系統(tǒng)3）根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)信號形式的不同分為： 連續(xù)系統(tǒng)連續(xù)系統(tǒng)和和離散系統(tǒng)離散系統(tǒng)第二十七頁，共44頁幻燈片4 4）根據(jù)系統(tǒng)的物理性質(zhì)分為：根據(jù)系統(tǒng)的物理性質(zhì)分為：機(jī)電控制系統(tǒng)、液壓控制系統(tǒng)和生物控制系統(tǒng)等機(jī)電控制系統(tǒng)、液壓控制系統(tǒng)和生物控制系統(tǒng)等6）根據(jù)信號傳遞的路線是否閉合分為 開環(huán)控制系統(tǒng)和閉

11、環(huán)控制系統(tǒng)開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)下面我們重點(diǎn)介紹幾種比較重要的分類5）根據(jù)被控量所遵循的規(guī)律分為： 恒值控制系統(tǒng)、隨動(dòng)系統(tǒng)和程序控制系統(tǒng)等恒值控制系統(tǒng)、隨動(dòng)系統(tǒng)和程序控制系統(tǒng)等第二十八頁，共44頁幻燈片一、開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)n開環(huán)控制系統(tǒng)-系統(tǒng)的輸出對系統(tǒng)的控制作用沒有影響的則稱為開環(huán)控制系統(tǒng)方塊圖描述控制器控制對象輸入量輸出量開環(huán)控制系統(tǒng)在我們的日常生活中是很常見的如：家中使用的洗衣機(jī)等一些家電產(chǎn)品第二十九頁，共44頁幻燈片又如：直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速開環(huán)控制系統(tǒng)又如：直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速開環(huán)控制系統(tǒng) 放大電機(jī)UaUbi=constn 直流電動(dòng)機(jī)開環(huán)控制系統(tǒng)第三十頁，共44頁幻燈片 我們知道，

12、當(dāng)電機(jī)的激磁電流固定時(shí)（i=const)， 改變加在電樞上的電壓(Ub),可以改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速。n 此系統(tǒng)我們用方塊圖描述功放電機(jī)UaUbM(負(fù)載干擾）負(fù)載干擾）n從圖中可見：當(dāng)負(fù)載不變時(shí):uaubn輸出轉(zhuǎn)速于輸入電壓成正比第三十一頁，共44頁幻燈片：1 1）前提是在負(fù)載不變的情況下 Ua與n是以正比關(guān)系 2）而當(dāng)負(fù)載是一變化量時(shí)，這種正比關(guān)系就未必存在。也就是說，當(dāng)增大電壓輸入(Ua)時(shí)，負(fù)載(M)也同時(shí)增加，此時(shí)轉(zhuǎn)速(n)未必加大。 從上系統(tǒng)可見，當(dāng)負(fù)載在變化時(shí)，轉(zhuǎn)速的變化不因其控制作用的改變，也就是說被控量(n)不參與控制作用，從信號傳遞路線上可見，信號的傳遞是單向的，是不閉合的。我們稱這

13、種控制為開環(huán)控制系統(tǒng)。注意：第三十二頁，共44頁幻燈片 開環(huán)控制系統(tǒng)在出現(xiàn)干擾現(xiàn)象時(shí)，系統(tǒng)的輸出將不按照輸入所對應(yīng)的期望值和狀態(tài)運(yùn)行，一句話：開環(huán)控制系統(tǒng)沒有抗干擾的能力2. 閉環(huán)控制系統(tǒng)- 系統(tǒng)的輸出量直接或間接的參與系統(tǒng)的控制作用。也就是說閉環(huán)控制系統(tǒng)需要對系統(tǒng)的輸出量進(jìn)行測量（或者說檢測）。結(jié)論第三十三頁，共44頁幻燈片此系統(tǒng)與開環(huán)控制系統(tǒng)相比，主要的差別：1）系統(tǒng)增加了測速發(fā)電機(jī)，測速發(fā)電機(jī)是一種傳感器，它將電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速正比地轉(zhuǎn)換成電壓信號：Uf=kt*n2)將電壓信號Uf反饋到輸入端與給定輸入U(xiǎn)a進(jìn)行代數(shù)疊加，產(chǎn)生偏差信號產(chǎn)生偏差信號Ue=Ua-UUe=Ua-Uf f，對系統(tǒng)施于控制

14、作用。系統(tǒng)用方塊圖描述放大電動(dòng)機(jī)測速發(fā)電機(jī)UaUeM(負(fù)載力矩）n直流電機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)ufub第三十四頁，共44頁幻燈片系統(tǒng)的工作過程：當(dāng)系統(tǒng)的給定輸入U(xiǎn)a=const電機(jī)對應(yīng)某一轉(zhuǎn)速n，某瞬間負(fù)載力矩增大（系統(tǒng)受到干擾作用），電機(jī)的轉(zhuǎn)速下降。 我們從另一個(gè)角度來看我們從另一個(gè)角度來看：方塊圖中信號的傳遞路線是閉合的，也就是說系統(tǒng)的輸出n影響了系統(tǒng)控制作用。第三十五頁，共44頁幻燈片閉環(huán)系統(tǒng)的特點(diǎn)： 1）輸出影響輸入，因而能削弱和抑制干擾。 2）低精度元件可組成高精度系統(tǒng)。 3）因?yàn)榭赡馨l(fā)生超調(diào)、振蕩，所以穩(wěn)定性問題很重要。 4）閉環(huán)控制必須對輸出量進(jìn)行檢測。注意注意 在閉環(huán)控制系統(tǒng)中出現(xiàn)新的

15、概念-反饋，反饋，它在自動(dòng)控制重是一很重的概念。 反饋反饋是指把輸出信號返送回輸入端，并與輸入信號進(jìn)行比較（或進(jìn)行代數(shù)疊加），產(chǎn)生偏差。這樣的信號通道的閉合路線稱為反饋。第三十六頁，共44頁幻燈片反饋有分正、負(fù)反饋兩種反饋有分正、負(fù)反饋兩種1 1）正反饋-當(dāng)反饋信號加強(qiáng)了輸入信號的稱為正反饋 2）負(fù)反饋-當(dāng)反饋信號削弱了輸入信號稱為負(fù)反饋除此之外還有主反饋、局部反饋主反饋-系統(tǒng)輸出信號返送到輸入端并進(jìn)行代數(shù)疊加的稱為主反饋信號。局部反饋局部反饋-系統(tǒng)的某個(gè)環(huán)節(jié)的輸出返送到該環(huán)節(jié)的輸入端并進(jìn)行代數(shù)疊加的稱為局部反饋第三十七頁，共44頁幻燈片二、恒值系統(tǒng) 系統(tǒng)的輸入是一個(gè)恒值，系統(tǒng)地的輸出保持與輸

16、入相對應(yīng)的一個(gè)恒值。例如上面給大家介紹的爐溫控制系統(tǒng)就是一個(gè)極為典型的-恒值系統(tǒng)CT01000當(dāng)給定輸入為 ua=5mv爐溫當(dāng)給定輸入為ua=3mv爐溫CT0800系統(tǒng)的輸出保持與輸入相對應(yīng)的某一個(gè)恒值第三十八頁，共44頁幻燈片三、隨動(dòng)系統(tǒng) 系統(tǒng)的輸入量是未知的時(shí)間函數(shù)，也就是說給定輸入的變化規(guī)律事先不知道，而要求系統(tǒng)的輸出要能夠準(zhǔn)確、迅速的跟蹤系統(tǒng)輸入的變化例如：國防業(yè)種火炮自動(dòng)瞄準(zhǔn)系統(tǒng)，就是典型的隨動(dòng)系統(tǒng)四、程序控制系統(tǒng) 系統(tǒng)的給定輸入是按已知的時(shí)間的時(shí)間函數(shù)變化的，系統(tǒng)輸出按給定的程序變化常見的數(shù)控機(jī)床等就屬于程序控制系統(tǒng)第三十九頁，共44頁幻燈片五、連續(xù)系統(tǒng)和斷續(xù)系統(tǒng) 系統(tǒng)中傳遞的信號

17、都是時(shí)間的連續(xù)函數(shù)，則該系統(tǒng)稱為連續(xù)系統(tǒng)。反之系統(tǒng)中只要有一個(gè)傳遞信號是時(shí)間上的斷續(xù)信號，則稱為斷續(xù)系統(tǒng)或稱采樣系統(tǒng)、離散系統(tǒng)。 我們說計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)就是斷續(xù)系統(tǒng)（離散系統(tǒng)）。六、有差系統(tǒng)和無差系統(tǒng) 看系統(tǒng)在給定輸入和擾動(dòng)輸入的作用下是否存在穩(wěn)態(tài)誤差而分為有差系統(tǒng)和無差系統(tǒng)第四十頁，共44頁幻燈片1.3 1.3 在設(shè)計(jì)和分析自動(dòng)控制系統(tǒng)時(shí)，需要有一個(gè)評價(jià)系統(tǒng)性能的優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)，其標(biāo)準(zhǔn)通常用性能指標(biāo)來衡量，不同的被控對象，不同的工作方式和控制方法，對系統(tǒng)的要求往往有所不同，但是，總而言之對系統(tǒng)的要求可以用三個(gè)字來描述。即“穩(wěn)”、“快”、“準(zhǔn)”第四十一頁，共44頁幻燈片一、穩(wěn)定性 對于控制系統(tǒng)要想使系統(tǒng)能夠正常工作，系統(tǒng)必須是穩(wěn)定