反饋控制系統(tǒng)的基本概念

1、反饋控制系統(tǒng)的基本概念第1頁，共32頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)7分，星期二第 一 節(jié) 概 論1.1.1 控制的含義1.1.2 人工控制與自動(dòng)控制1.1.3 自動(dòng)控制學(xué)科的特點(diǎn)1.1.4 自動(dòng)控制理論的內(nèi)容1.1.5 自動(dòng)控制理論的基本問題第2頁，共32頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)7分，星期二1.1.1 控制的含義控制（CONTROL）-某個(gè)主體使某個(gè)客體按照一定的目的動(dòng)作主體-人：人工控制； 機(jī)器：自動(dòng)控制客體-指一件物體，一套裝置，一個(gè)物化過程，一個(gè)特定系統(tǒng)。物體-飛船，電爐。（飛船控制）裝置-鍋爐，汽機(jī)。（鍋爐控制）過程-燃燒，傳動(dòng)。（燃燒控制）系統(tǒng)-電力，化工，冶金。（電力控制

2、）第3頁，共32頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)7分，星期二1.1.2 人工控制與自動(dòng)控制煤氣灶上油煎雞蛋時(shí)的油溫控制自行車速度控制汽車駕駛收音機(jī)音量調(diào)節(jié)電飯煲空調(diào)抽水馬桶汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速控制導(dǎo)彈飛行控制聲控光控路燈第4頁，共32頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)7分，星期二1.1.3 自動(dòng)控制學(xué)科的特點(diǎn)應(yīng)用廣泛小至電子表,大至人造衛(wèi)星,幾乎包括各個(gè)領(lǐng)域. 我院6個(gè)專業(yè)有4個(gè)學(xué)“自控原理”課日益重要很難想象現(xiàn)代生活和生產(chǎn)過程沒有自動(dòng)控制裝置如何能夠繼續(xù)? 你敢讓大型發(fā)電機(jī)組用人工控制來運(yùn)行嗎? 你愿意使用不能自動(dòng)控制溫度的電冰箱嗎？第5頁，共32頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)7分，星期二1.1.4

3、控制科學(xué)與工程學(xué)科的內(nèi)涵控制科學(xué)與工程控制理論與控制工程檢測(cè)技術(shù)與自動(dòng)化裝置模式識(shí)別與智能系統(tǒng)系統(tǒng)工程第6頁，共32頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)7分，星期二1.1.5 自動(dòng)控制理論的基本問題控制系統(tǒng)的分析典型信號(hào)下的響應(yīng) (階躍響應(yīng),頻率特性)數(shù)學(xué)模型 (傳遞函數(shù),狀態(tài)方程)性能指標(biāo) (穩(wěn)態(tài)誤差,超調(diào)量)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)性能要求 (性能指標(biāo),約束條件)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)設(shè)計(jì)和整定性能校核 (計(jì)算,仿真,實(shí)驗(yàn))第7頁，共32頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)7分，星期二第二節(jié) 反饋控制系統(tǒng)的基本概念信息反饋-最基本的自動(dòng)控制原理反饋控制系統(tǒng)的中的常用術(shù)語：給定值（參考輸入值）偏差值控制量被控量擾

4、動(dòng)量(內(nèi)擾,外擾)自動(dòng)控制裝置 = 傳感器 + 控制器 + 給定器 + 執(zhí)行器受控過程（受控對(duì)象）控制系統(tǒng) = 受控過程控制裝置第8頁，共32頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)7分，星期二例1.1 鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)工業(yè)過程中的反饋控制系統(tǒng)例子-調(diào)節(jié)器汽包變送器主蒸汽過熱器省煤器執(zhí)行器給水調(diào)節(jié)閥給水泵給水第9頁，共32頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)7分，星期二例1.2 水箱水位控制日常生活過程中的反饋控制系統(tǒng)例子-第10頁，共32頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)7分，星期二第三節(jié) 自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成及方框圖自動(dòng)控制系統(tǒng)：控制裝置受控對(duì)象方框圖(方框+箭頭+求和圓+線條)：分析系統(tǒng)內(nèi)各部分之間

5、關(guān)系的圖解法自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成(如鍋爐水位控制系統(tǒng))：給定值 SV Setpoint-Value 偏差值 DV Deviation-value 操作值 MV Manipulation-Value 過程變量值 PV Process-Value 給定器調(diào)節(jié)器執(zhí)行器受控過程傳感器SVDV反饋PVMV被控量PV第11頁，共32頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)7分，星期二調(diào)節(jié)器執(zhí)行器調(diào)節(jié)閥汽包變送器+-例1.3 鍋爐水位控制系統(tǒng)測(cè)量水位PV偏差量DV控制量調(diào)節(jié)位移MV給水量反饋元件實(shí)際水位設(shè)定水位SV第12頁，共32頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)7分，星期二第四節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類設(shè)定器控制器被控對(duì)象

6、擾動(dòng)被控量設(shè)定器被控過程傳感器控制器一. 按系統(tǒng)環(huán)節(jié)連接形式分類閉環(huán)控制系統(tǒng) :開環(huán)控制系統(tǒng)：第13頁，共32頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)7分，星期二開環(huán)控制系統(tǒng)舉例電熱絲加熱爐220v調(diào)壓器功率放大器負(fù)載電位器M例1.4.1 開環(huán)溫度控制系統(tǒng) 開環(huán)控制系統(tǒng)特點(diǎn)：1. 信號(hào)從輸入到輸出無反饋,單向傳遞. 2. 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單. 3. 控制精度不高,無法抑制擾動(dòng).例1.4.2 開環(huán)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)第14頁，共32頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)7分，星期二 閉環(huán)控制系統(tǒng)舉例 M電壓放大器功率放大器測(cè)速發(fā)電機(jī)負(fù)載M減速器溫度控制器熱電偶調(diào)壓器220V例1.4.3 閉環(huán)溫度控制系統(tǒng)例1.4.4 閉環(huán)轉(zhuǎn)速控

7、制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)特點(diǎn): 1. 有反饋回路; 2. 結(jié)構(gòu)復(fù)雜; 3. 控制精度高,自動(dòng)糾偏第15頁，共32頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)7分，星期二二. 按控制依據(jù)信號(hào)性質(zhì)分類控制器控制器被控過程控制器被控過程控制器被控過程反饋控制系統(tǒng)： 前饋控制系統(tǒng)：前饋-反饋控制系統(tǒng)第16頁，共32頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)7分，星期二三. 按給定值變化規(guī)律分類tttrrr恒值控制系統(tǒng)： 給定值不隨時(shí)間變化 例 恒溫，恒壓系統(tǒng)隨動(dòng)控制系統(tǒng)： 給定值按需求隨機(jī)變化 例 雷達(dá)跟蹤， 靠模加工系統(tǒng)程序控制系統(tǒng)： 給定值按條件（時(shí)間或流程）變化例 金屬熱處理，化學(xué)水處理第17頁，共32頁，2022年，5月

8、20日，4點(diǎn)7分，星期二四. 按輸入輸出變量數(shù)分類電加熱爐電站鍋爐單變量控制系統(tǒng) 單入-單出 SISO（Single Input Single Output） 例 電加熱爐溫度控制系統(tǒng)電流溫度多變量控制系統(tǒng) 多入-多出 MIMO（Multiple -） 例 鍋爐燃燒控制系統(tǒng)燃料量 送風(fēng)量 引風(fēng)量工質(zhì)溫度工質(zhì)壓力爐膛壓力第18頁，共32頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)7分，星期二五. 按系統(tǒng)特性分類 線性控制系統(tǒng) 輸入與輸出成正比，可用疊加原理 用線性數(shù)學(xué)模型描述例 彈簧秤（在工作區(qū)） 非線性控制系統(tǒng) 輸入與輸出不成正比，不可用 疊加原理 用非線性數(shù)學(xué)模型描述 例 彈簧秤（不在工作區(qū)） 位移位移

9、力力第19頁，共32頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)7分，星期二六. 按變量的時(shí)間特性分類 連續(xù)時(shí)間控制系統(tǒng) 系統(tǒng)中的變量可隨時(shí)變化，連續(xù)， 不間斷 例 重錘式轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng) 離散時(shí)間控制系統(tǒng) 系統(tǒng)中存在離散變量，它們只在 固定時(shí)刻存在和變化 例 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) 變量變量時(shí)間時(shí)間第20頁，共32頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)7分，星期二七. 按變量的變化特性分類 模擬量控制系統(tǒng) 系統(tǒng)中的變量是反映物理量的模 擬變量，可以是任意數(shù)值 例 熱電偶測(cè)得電勢(shì)，反映溫度 開關(guān)量控制系統(tǒng) 系統(tǒng)中變量只有兩個(gè)狀態(tài)，0或1， 開或關(guān) 例 全自動(dòng)洗衣機(jī) 變量變量時(shí)間時(shí)間第21頁，共32頁，2022年，5月20日

10、，4點(diǎn)7分，星期二八. 按變量的統(tǒng)計(jì)特性分類 確定性變量控制系統(tǒng) 系統(tǒng)中的變量被認(rèn)為是無噪聲的 確定性變量 隨機(jī)性變量控制系統(tǒng) 系統(tǒng)中的變量被認(rèn)為是有噪聲的 隨機(jī)性變量 變量時(shí)間變量時(shí)間第22頁，共32頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)7分，星期二九. 按控制規(guī)律分類 常 規(guī) 控 制（PID） 智 能 控 制 預(yù) 測(cè) 控 制 最 優(yōu) 控 制 自 適 應(yīng) 控 制 魯 棒 控 制 模 糊 控 制 神 經(jīng) 元 控 制第23頁，共32頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)7分，星期二 第五節(jié) 控制系統(tǒng)性能分析概論一.典型試驗(yàn)信號(hào)階躍信號(hào)斜坡信號(hào)拋物線信號(hào)脈沖信號(hào)正弦信號(hào)二.系統(tǒng)性能分析方法動(dòng)態(tài)特性分析穩(wěn)態(tài)特性

11、分析第24頁，共32頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)7分，星期二階躍信號(hào)（Step Function） 階躍信號(hào)含寬頻帶諧波分量，產(chǎn)生容易，是最常用系統(tǒng)性能測(cè)試信號(hào)。時(shí)間r（t）R-單位階躍 函 數(shù)第25頁，共32頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)7分，星期二 斜坡信號(hào)（Ramp Function） 斜坡信號(hào)為勻速信號(hào)，適于測(cè)試勻速系統(tǒng)。時(shí)間 tr（t）R tt g（）=R-單位階躍函數(shù)第26頁，共32頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)7分，星期二拋物線信號(hào)（Parabolic Function） u（t）-單位階躍函數(shù)拋物線信號(hào)為勻加速信號(hào)，適于測(cè)試勻加速系統(tǒng)。時(shí)間 tr（t）0.5 R t 2

12、第27頁，共32頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)7分，星期二脈沖信號(hào)（Pulse Function） t = 0 理想情況: r（t）= ( t ) = (t) -單位脈沖函數(shù) 0 t 0 A / h 0 = t = h 實(shí)際情況: r（t）= 0 t h 可用于測(cè)試系統(tǒng)抗沖擊能力時(shí)間 tr（t）Ah第28頁，共32頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)7分，星期二正弦信號(hào)（Sine Function） r（t）=Asin( t + ) A - 幅值 - 頻率 - 初相位 正弦信號(hào)為單頻率信號(hào)，適于測(cè)試系統(tǒng)頻率特性。時(shí)間 tr（t）第29頁，共32頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)7分，星期二 動(dòng) 態(tài) 特 性 分 析 y（t）= f ( x（t）) y (t ) - 輸出 x (t ) - 輸入 動(dòng)態(tài)響應(yīng): 系統(tǒng)輸出在典型測(cè)試信號(hào)下隨時(shí)間變化的特性 f(x(t)x (t )y( t )xytt第30頁，共32頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)7分，星期二 穩(wěn) 態(tài) 特 性 分 析 y（t = ）= f ( x) y () -穩(wěn)態(tài)輸出 x - 輸入 穩(wěn)態(tài)特性: