自動控制第1章

1、1自動控制原理（第自動控制原理（第2版）版） 主編主編 孫炳達孫炳達 (機械工業(yè)出版社機械工業(yè)出版社)2第一章第一章 自動控制系統(tǒng)的基本概念自動控制系統(tǒng)的基本概念1.1自動控制的基本方式自動控制的基本方式1.2 閉環(huán)系統(tǒng)的基本組成閉環(huán)系統(tǒng)的基本組成1.3 自動控制系統(tǒng)的分類自動控制系統(tǒng)的分類1.4 對控制系統(tǒng)的基本要求對控制系統(tǒng)的基本要求水位控制系統(tǒng)水位控制系統(tǒng)功率放大器功率放大器進水進水Uh+5-5h要求，接電要求，接電位器中點位器中點一、兩個定義一、兩個定義（1）自動控制自動控制：在沒人直接參與的情況下，利用控制裝置使被控對象或過程自：在沒人直接參與的情況下，利用控制裝置使被控對象或過程自

2、動地按預定規(guī)律或數(shù)值運行。動地按預定規(guī)律或數(shù)值運行。（2）自動控制系統(tǒng)自動控制系統(tǒng)：能夠對被控對象的工作狀態(tài)進行自動控制的系統(tǒng)。一般由：能夠對被控對象的工作狀態(tài)進行自動控制的系統(tǒng)。一般由控制器控制器(含測量元件含測量元件)和控制對象組成。和控制對象組成。1.1自動控制的基本方式自動控制的基本方式方法二方法二：自動控制：自動控制受控對象：水池；輸出量：實際水位（受控對象：水池；輸出量：實際水位（h實）；輸入量：要求水位（實）；輸入量：要求水位（h要）要） 浮子浮子檢測裝置；控制電源檢測裝置；控制電源檢測檢測h，轉變?yōu)殡娦盘枺?，轉變?yōu)殡娦盘枺浑妱訖C電動機執(zhí)行機構執(zhí)行機構 干擾輸入量：對系統(tǒng)輸出起反

3、作用的輸入量，例如功率放大器信號的漂移。干擾輸入量：對系統(tǒng)輸出起反作用的輸入量，例如功率放大器信號的漂移。 二、三種基本控制方式二、三種基本控制方式 1、開環(huán)控制方式、開環(huán)控制方式 控制系統(tǒng)的輸出量對系統(tǒng)沒有控制作用，這種系統(tǒng)是控制系統(tǒng)的輸出量對系統(tǒng)沒有控制作用，這種系統(tǒng)是開環(huán)控制系統(tǒng)開環(huán)控制系統(tǒng)。 開環(huán)控制系統(tǒng)的開環(huán)控制系統(tǒng)的特點特點： （1）系統(tǒng)輸出量對控制作用無影響）系統(tǒng)輸出量對控制作用無影響 （2）無反饋環(huán)節(jié)）無反饋環(huán)節(jié) （3）出現(xiàn)干擾靠人工消除）出現(xiàn)干擾靠人工消除 舉例舉例1：水位控制系統(tǒng)：水位控制系統(tǒng)方法一方法一：人工控制：人工控制眼（觀察）眼（觀察） 腦（判斷）腦（判斷） 手（操

4、作）手（操作）目的：減少或消除目的：減少或消除h5舉例舉例2： 開環(huán)調速系統(tǒng)（不考慮測速反饋）開環(huán)調速系統(tǒng)（不考慮測速反饋）工作原理：工作原理： 改變電位器滑動端的位置，相應地改變了電壓改變電位器滑動端的位置，相應地改變了電壓Ug值的大小，值的大小， 其值經功率放大其值經功率放大器放大后施加在直流電動機的電樞兩端，器放大后施加在直流電動機的電樞兩端， 由于直流電動機具有恒定的勵磁電流。因由于直流電動機具有恒定的勵磁電流。因此，隨著電樞電壓值的不同，電動機便以不同的轉速帶動生產機械運轉。于是，改變此，隨著電樞電壓值的不同，電動機便以不同的轉速帶動生產機械運轉。于是，改變 Ug的大小，便控制了電動

5、機轉速的高低。系統(tǒng)中，的大小，便控制了電動機轉速的高低。系統(tǒng)中，Ug 是是給定輸入量給定輸入量；電動機的轉速；電動機的轉速n是系統(tǒng)的是系統(tǒng)的輸出量即被控量輸出量即被控量，功率放大器的電源電壓波動、放大系數(shù)漂移、拖動負載，功率放大器的電源電壓波動、放大系數(shù)漂移、拖動負載的變化等，是的變化等，是擾動輸入量擾動輸入量。 可見，系統(tǒng)的輸出量，即電動機的轉速并沒有參予系統(tǒng)的控制。可見，系統(tǒng)的輸出量，即電動機的轉速并沒有參予系統(tǒng)的控制。 開環(huán)控制系統(tǒng)功能框圖開環(huán)控制系統(tǒng)功能框圖 任何開環(huán)控制系統(tǒng)，從組成系統(tǒng)元部件的職能角度看，均可用下面的結任何開環(huán)控制系統(tǒng)，從組成系統(tǒng)元部件的職能角度看，均可用下面的結構框

6、圖表示。構框圖表示。2、閉環(huán)控制方式：、閉環(huán)控制方式： 把輸出量直接或間接地反饋到系統(tǒng)的輸入端，形成閉環(huán)，參與控制，把輸出量直接或間接地反饋到系統(tǒng)的輸入端，形成閉環(huán)，參與控制，這種系統(tǒng)叫這種系統(tǒng)叫閉環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)。 實際的閉環(huán)控制系統(tǒng)，都是以實際的閉環(huán)控制系統(tǒng)，都是以負反饋負反饋的形式出現(xiàn)。的形式出現(xiàn)。 明確：為什么要采用閉環(huán)控制系統(tǒng)？閉環(huán)控制系統(tǒng)有哪些優(yōu)點？明確：為什么要采用閉環(huán)控制系統(tǒng)？閉環(huán)控制系統(tǒng)有哪些優(yōu)點？舉例舉例3：閉環(huán)調速系統(tǒng)：閉環(huán)調速系統(tǒng)舉例舉例4：發(fā)電機勵磁控制系統(tǒng)發(fā)電機勵磁控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)職能框圖閉環(huán)控制系統(tǒng)職能框圖任何閉環(huán)控制系統(tǒng)，從組成系統(tǒng)元部件的職能角度看，

7、均可用下面的結構框任何閉環(huán)控制系統(tǒng)，從組成系統(tǒng)元部件的職能角度看，均可用下面的結構框圖表示。圖表示。3、復合控制方式、復合控制方式 開環(huán)控制開環(huán)控制+閉環(huán)控制閉環(huán)控制 兩種結構：按輸入信號補償兩種結構：按輸入信號補償 按擾動信號補償按擾動信號補償 1.2 閉環(huán)系統(tǒng)的基本組成閉環(huán)系統(tǒng)的基本組成一、基本組成一、基本組成 結構方塊圖如圖所示結構方塊圖如圖所示基本元部件：基本元部件： （1）控制對象控制對象：進行控制的設備或過程。（工作機械）：進行控制的設備或過程。（工作機械） （2）執(zhí)行機構執(zhí)行機構：執(zhí)行機構直接作用于控制對象。（電動機）：執(zhí)行機構直接作用于控制對象。（電動機） （3）檢測裝置檢測裝

8、置：用來檢測被控量，并將其轉換成與給定量相同的物理：用來檢測被控量，并將其轉換成與給定量相同的物理 量（測速發(fā)電機）量（測速發(fā)電機） （4）中間環(huán)節(jié)中間環(huán)節(jié)：一般指放大元件。（放大器，可控硅整流功放）：一般指放大元件。（放大器，可控硅整流功放） （5）給定環(huán)節(jié)給定環(huán)節(jié)：設定被控量的給定值。（電位器）：設定被控量的給定值。（電位器） （6）比較環(huán)節(jié)比較環(huán)節(jié)：將所測的被控量與給定量比較，確定兩者偏差量。：將所測的被控量與給定量比較，確定兩者偏差量。 （7）校正環(huán)節(jié)校正環(huán)節(jié)：用于改善系統(tǒng)性能。校正環(huán)節(jié)可加于偏差信號與輸出信號之間：用于改善系統(tǒng)性能。校正環(huán)節(jié)可加于偏差信號與輸出信號之間的通道內，也可加

9、于某一局部反饋通道內。前者稱為串聯(lián)校正，后者稱為并聯(lián)校正的通道內，也可加于某一局部反饋通道內。前者稱為串聯(lián)校正，后者稱為并聯(lián)校正或反饋校正?；蚍答佇Ｕ６?、閉環(huán)控制系統(tǒng)的二、閉環(huán)控制系統(tǒng)的特點特點 （1）系統(tǒng)輸出量直接或間接地參予了對系統(tǒng)的控制作用）系統(tǒng)輸出量直接或間接地參予了對系統(tǒng)的控制作用 （2）有負反饋環(huán)節(jié)，并應用反饋減小或消除誤差）有負反饋環(huán)節(jié)，并應用反饋減小或消除誤差 （3）當出現(xiàn)干擾時，可以自動減弱其影響）當出現(xiàn)干擾時，可以自動減弱其影響 （4）系統(tǒng)可能工作不穩(wěn)定）系統(tǒng)可能工作不穩(wěn)定1.3 自動控制系統(tǒng)的分類自動控制系統(tǒng)的分類一、按數(shù)學描述形式分類一、按數(shù)學描述形式分類1線性系統(tǒng)和

10、非線性系統(tǒng)線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)（1）線性系統(tǒng)）線性系統(tǒng)：用線性微分方程或線性差分方程描述的系統(tǒng)。：用線性微分方程或線性差分方程描述的系統(tǒng)。重要性質：滿足疊加性和齊次性重要性質：滿足疊加性和齊次性（2）非線性系統(tǒng)）非線性系統(tǒng)：用非線性微分方程或差分方程描述的系統(tǒng)。：用非線性微分方程或差分方程描述的系統(tǒng)。重要性質：不滿足疊加性和齊次性重要性質：不滿足疊加性和齊次性注意注意：任何的物理系統(tǒng)都是非線性的，但是在一定條件下可以將某些非線性特性線：任何的物理系統(tǒng)都是非線性的，但是在一定條件下可以將某些非線性特性線性化，近似地用線性微分方程去描述，這樣就可以按照線性系統(tǒng)來處理。性化，近似地用線性微分方程去描

11、述，這樣就可以按照線性系統(tǒng)來處理。 )(1tXr)(2tXr)(1tXc)(2tXc)()()(21tXtXtXccc)()(1taXtXrr)()(1taXtXcc2連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)（1）連續(xù)系統(tǒng)）連續(xù)系統(tǒng)：系統(tǒng)中各元件的輸入量和輸出量均為時間系統(tǒng)中各元件的輸入量和輸出量均為時間t的連續(xù)函數(shù)。連續(xù)系統(tǒng)的連續(xù)函數(shù)。連續(xù)系統(tǒng)的運動規(guī)律可用微分方程描述，系統(tǒng)中各部分信號都是模擬量。的運動規(guī)律可用微分方程描述，系統(tǒng)中各部分信號都是模擬量。（2）離散系統(tǒng)）離散系統(tǒng)：系統(tǒng)中某一處或幾處的信號是以脈沖系列或數(shù)碼的形式傳遞的系統(tǒng)。系統(tǒng)中某一處或幾處的信號是以脈沖系列或數(shù)碼的形式傳遞的系統(tǒng)

12、。離散系統(tǒng)的運動規(guī)律可以用差分方程來描述。計算機控制系統(tǒng)就是典型的離離散系統(tǒng)的運動規(guī)律可以用差分方程來描述。計算機控制系統(tǒng)就是典型的離散系統(tǒng)。散系統(tǒng)。二、按給定信號分類二、按給定信號分類（1）恒值控制系統(tǒng)恒值控制系統(tǒng) 給定值不變，要求系統(tǒng)輸出量以一定的精度接近給定希望值的系統(tǒng)。如生產過程給定值不變，要求系統(tǒng)輸出量以一定的精度接近給定希望值的系統(tǒng)。如生產過程中的溫度、壓力、流量、液位高度、電動機轉速等自動控制系統(tǒng)屬于恒值系統(tǒng)。中的溫度、壓力、流量、液位高度、電動機轉速等自動控制系統(tǒng)屬于恒值系統(tǒng)。（2）隨動控制系統(tǒng)隨動控制系統(tǒng) 給定值按未知時間函數(shù)變化，要求輸出跟隨給定值的變化，如跟隨衛(wèi)星的雷達天

13、給定值按未知時間函數(shù)變化，要求輸出跟隨給定值的變化，如跟隨衛(wèi)星的雷達天線系統(tǒng)。線系統(tǒng)。（3）程序控制系統(tǒng)程序控制系統(tǒng) 給定值按一定時間函數(shù)變化，如程控機床。給定值按一定時間函數(shù)變化，如程控機床。 一、系統(tǒng)的一、系統(tǒng)的暫態(tài)過程暫態(tài)過程 系統(tǒng)應滿足暫態(tài)性能要求，當系統(tǒng)給定量或擾動量突然增加，輸出量也應變化，如果系統(tǒng)系統(tǒng)應滿足暫態(tài)性能要求，當系統(tǒng)給定量或擾動量突然增加，輸出量也應變化，如果系統(tǒng)沒有慣性，則可瞬間達到穩(wěn)態(tài)。但由于系統(tǒng)存在慣性，如電磁慣性、機械慣性，輸出量不可能沒有慣性，則可瞬間達到穩(wěn)態(tài)。但由于系統(tǒng)存在慣性，如電磁慣性、機械慣性，輸出量不可能突變，則系統(tǒng)需一個暫態(tài)過程后達到穩(wěn)態(tài)，暫態(tài)過程

14、有以下幾種情況：突變，則系統(tǒng)需一個暫態(tài)過程后達到穩(wěn)態(tài)，暫態(tài)過程有以下幾種情況： 1單調過程單調過程 2衰減震蕩過程衰減震蕩過程 3持續(xù)震蕩過程持續(xù)震蕩過程 4發(fā)散震蕩過程發(fā)散震蕩過程1.4 對控制系統(tǒng)的基本要求對控制系統(tǒng)的基本要求 對控制系統(tǒng)的基本要求歸納為對控制系統(tǒng)的基本要求歸納為穩(wěn)定性、動態(tài)特性和穩(wěn)態(tài)特性穩(wěn)定性、動態(tài)特性和穩(wěn)態(tài)特性三個方面。三個方面。二、二、穩(wěn)定性穩(wěn)定性 一個處于靜止或平衡工作狀態(tài)的系統(tǒng)，當受到任何輸入（給定信號或干擾）作用后，就一個處于靜止或平衡工作狀態(tài)的系統(tǒng)，當受到任何輸入（給定信號或干擾）作用后，就可能偏離原有的平衡狀態(tài)。當作用消失后，系統(tǒng)中的狀態(tài)和輸出都能恢復到原來

15、的平衡狀態(tài)可能偏離原有的平衡狀態(tài)。當作用消失后，系統(tǒng)中的狀態(tài)和輸出都能恢復到原來的平衡狀態(tài)的系統(tǒng)稱為穩(wěn)定的系統(tǒng)。的系統(tǒng)稱為穩(wěn)定的系統(tǒng)。 若作用消失后，系統(tǒng)中的狀態(tài)和輸出發(fā)生增幅振蕩或單調增長現(xiàn)象的系統(tǒng)稱為不穩(wěn)定系若作用消失后，系統(tǒng)中的狀態(tài)和輸出發(fā)生增幅振蕩或單調增長現(xiàn)象的系統(tǒng)稱為不穩(wěn)定系統(tǒng)。統(tǒng)。四、四、穩(wěn)態(tài)特性穩(wěn)態(tài)特性 系統(tǒng)在過渡過程結束后，其輸出量的狀態(tài)一般由系統(tǒng)在過渡過程結束后，其輸出量的狀態(tài)一般由穩(wěn)態(tài)特性穩(wěn)態(tài)特性來描述。穩(wěn)態(tài)誤差的大小反映來描述。穩(wěn)態(tài)誤差的大小反映了系統(tǒng)控制的精度。穩(wěn)態(tài)誤差值越小的系統(tǒng)，說明系統(tǒng)的控制精度越高，穩(wěn)態(tài)特性越好。了系統(tǒng)控制的精度。穩(wěn)態(tài)誤差值越小的系統(tǒng)，說明系統(tǒng)的控制精度越高，穩(wěn)態(tài)特性越好。三、三、動態(tài)