自動(dòng)控制原理

CHAPTER1

Introductiontofeedbackcontrol

CourseObjective/RequirementsObjective:

Introducethefundamentalprinciplesofcontroltheory.Developthebasicunderstandingofcontrolsystemstheory.Learnhowtoanalyzeandhowtodesignautomaticcontrolsystems.Requirements:

Homeworkassignments(latehomeworkwillnotbeaccepted)andafinalexamination.Gradingpolicy:

HomeworkandCalltheroll:20%ExperimentsResult:20%FinalExamination:60%Wheretofindme:

Office:Yangyi

BeiBuilding306E-mail:tanghong@Tel:86914565CourseObjective/RequirementsTextbooks&Refs:

English:

AutomaticControlSystemsBenjaminC.Kuo,Farid

Golnaraghi(EighthEdition)高等教育出版社

Chinese:

自動(dòng)控制原理及其應(yīng)用

黃堅(jiān)主編高等教育出版社

OutlineofthischapterIntroductionControlmethodsSpecificationofthecontrolsystemControlengineeringneedsknowledgeHomework………自動(dòng)控制原理是一門技術(shù)科學(xué)研究的對(duì)象是自動(dòng)控制系統(tǒng)研究的中心問題是控制過程的動(dòng)態(tài)規(guī)律性主要內(nèi)容為數(shù)學(xué)模型、工程分析計(jì)算方法和系統(tǒng)一般規(guī)律自動(dòng)控制自動(dòng)控制自動(dòng):手動(dòng)人工不憑借人為的力量或不用人力而用機(jī)械裝置直接操作的控制:掌握住不使任意活動(dòng)或越出范圍;操縱自動(dòng)控制:指在無人直接參與的情況下,利用控制裝置操縱受控對(duì)象,使受控對(duì)象的被控量等于給定值或按給定信號(hào)變化規(guī)律去變化.1.1IntroductionAutomation:Thecontrolofaprocess(manufacturing,

production,andsoon)byautomaticratherthanmanual.比如：人造地球衛(wèi)星的發(fā)射成功與安全返回。導(dǎo)彈的準(zhǔn)確擊中目標(biāo)，雷達(dá)系統(tǒng)的準(zhǔn)確跟蹤目標(biāo)；鋼鐵生產(chǎn)制造系統(tǒng)：數(shù)控機(jī)床加工生產(chǎn)線自動(dòng)碼垛機(jī)器人自動(dòng)包裝機(jī)器人家用電器：電扇：控制轉(zhuǎn)速電冰箱、空調(diào)、電飯煲：控制溫度洗衣機(jī)：控制水位、強(qiáng)弱、時(shí)間等智能建筑：通信電梯供水通風(fēng)空調(diào)安防抄表…工業(yè)機(jī)器人：拉提琴靈巧手排爆步行吹笛足球比賽其他機(jī)器人：自動(dòng)控制的應(yīng)用領(lǐng)域軍事工業(yè)航空航天制造業(yè)機(jī)器人流程工業(yè)

電子工業(yè)家用電器交通系統(tǒng)，樓宇系統(tǒng)，經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)，社會(huì)系統(tǒng)…鋼鐵、石化、造紙、制藥等控制無處不在！

隨著生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)控制技術(shù)可以說已滲透到各種學(xué)科領(lǐng)域，成為促進(jìn)當(dāng)代生產(chǎn)發(fā)展和科學(xué)技術(shù)進(jìn)步的重要因素。

事實(shí)上，任何技術(shù)設(shè)備、工作機(jī)械或生產(chǎn)過程都必須按要求運(yùn)行。例如：要使火炮能自動(dòng)跟蹤并命中飛行目標(biāo)，炮身就必須按照指揮儀的命令而作方位角和俯仰角的變動(dòng)；要把數(shù)噸重人造衛(wèi)星送入數(shù)百公里高空的軌道，使其所攜帶的各種儀器能長期使用、準(zhǔn)確地工作，就必須保持衛(wèi)星的正確姿態(tài)，使它的太陽能電池一直朝向太陽，無線電發(fā)射天線一直指向地球；

要使數(shù)控機(jī)床能加工出高精度的工件，就必須保證其工作臺(tái)或刀架的進(jìn)給量準(zhǔn)確地按照程序指令的設(shè)定值變化；要想使輪船安全順利的航行，就必須按照領(lǐng)航員的命令改變尾舵的方向；所有這一切都是以高水平的自動(dòng)控制技術(shù)為前提的。要使煉鋼爐提供優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品，就必須嚴(yán)格控制爐溫……等等。例

水溫自動(dòng)控制系統(tǒng)系統(tǒng)中增加了：控制器電機(jī)加入給定信號(hào)工作原理：檢測(cè)實(shí)際溫度產(chǎn)生控制信號(hào)通過電機(jī)調(diào)節(jié)閥門的開度從而調(diào)節(jié)蒸汽流入，控制水的溫度.實(shí)現(xiàn)沒有人直接參入的自動(dòng)水溫控制.例

轉(zhuǎn)臺(tái)速度開環(huán)控制系統(tǒng)這種轉(zhuǎn)臺(tái)在CD機(jī)、計(jì)算機(jī)磁盤驅(qū)動(dòng)器等現(xiàn)代裝置中廣泛應(yīng)用.轉(zhuǎn)臺(tái)電機(jī)電源和放大裝置速度設(shè)置系統(tǒng)組成：由圖可見：被控制量速度沒有反饋到輸入端與給定信號(hào)比較,為開環(huán)控制系統(tǒng)。

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/zdkz/h1.asp/jwc/08jpkc/zk/wangluokecheng/dh11.html世界上公認(rèn)的第一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)1769年瓦特發(fā)明蒸汽機(jī)瓦特(1736-1819)自動(dòng)控制的歷史牛頓(1642-1727)拉普拉斯(1749-1827)李亞普諾夫(1857-1918)1.1IntroductionControlsystem:Aninterconnectionofcomponentsformingasystemconfigurationthatwillprovideadesiredsystemresponse.Controlsystemsareusedtoachieve:(1)increasedproductivity.(2)improvedperformanceofadeviceorasystem.某個(gè)主體使某個(gè)客體按照一定的目的動(dòng)作/zdkz/h1.asp/jwc/08jpkc/zk/wangluokecheng/dh11.html1.2Controlmethods:(1)Open-loopcontrolsystems;(2)Closed-loopcontrolsystems(Closed-loopfeedbackcontrolsystems).(3)CompoundcontrolsystemsFeedbacksignal

Ameasureoftheoutputofthesystemusedforfeedbackto

controlthesystem.Open-loopcontrolsystem

Anopencontrolsystemutilizesanactuatingdevicetocontroltheprocessdirectlywithoutusingfeedbacksignal.ReferenceinputComparison

Controller

PlantOutputMeasurementFeedbacksignal

ReferenceinputController

PlantOutputFigureOpen-loopcontrolsystemForwardpathFeedbackpathFigureGeneralizedfeedbackcontrolsystemControlofTrafficLightsDesiredoutputresponse(Commandinput)ActuatingdeviceProcessOutputControllerPlantPowerHeaterFurnaceSwitch被控對(duì)象FurnaceSwitch&HeaterCommandinputOutputControllerPlantFurnacetemperaturecontrolsystemTankValve1LeverDisturbance(valve2)Valve1Valve2TankOpen-loopControlSystemTheoutputoftheopen-loopsystemhasnoeffectupontheinputsignal.Thereistheneedtoknowanaccuratemodelofindividualcomponents.

C被控對(duì)象Controller

Plant

RUPlantControllerMeasurementnCU開環(huán)控制系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)開環(huán)控制系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)合邏輯控制順序控制擾動(dòng)少的場(chǎng)合優(yōu)點(diǎn)：簡單，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性缺點(diǎn)：控制精度易受擾動(dòng)影響控制精度差（擾動(dòng)存在時(shí)）Closedfeedbackcontrolsystem

Aclosed-loopcontrolsystemusesameasurementofoutputandfeedbackofthesignaltocompareitwiththedesiredoutput(referenceorcommand).ReferenceinputComparison

Controller

PlantOutputMeasurementFeedbacksignal

FigureClosed-loopfeedbackcontrolsystem(withfeedback)furnacethermometergas

mixervalveairDesiredtemperaturevalvemixerairfurnace

temperatureoutputplantoperator

Desiredtemperature

input

ValveMixerAir

Amplifier

FurnaceCAmplifierThermocoupleMotorUR

UT

GasMixerAirValveMotorAmplifierUT

PotentiometerUR

AmplifierFurnaceThermocoupleClosed-loopControlSystemComparisonbetweenthereferenceinputandthefeedbacksignalresultsinanactuatingsignalthatisthedifferencebetweenthesetwoquantities.Theactuatingsignalactstomaintaintheoutputatthedesiredvalue.Thissystemiscalledaclosed-loopcontrolsystem.

Controller

PlantCMeasurementR—

d(-)utug擾動(dòng)給定裝置放大器電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速反饋裝置觸發(fā)器晶闡管可控整流器控制裝置受控對(duì)象n(b)方框圖ueudoRP1ugR0R0R1-utRP2-+-++TGMudouc(a)原理圖+動(dòng)畫：開閉環(huán)控制比較輸出量環(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閉環(huán)控制系統(tǒng)的方框圖

方框圖中的幾種表示法：被控量偏差信號(hào)

(-)

參考輸入信號(hào)r(t)

調(diào)節(jié)器(或控制器)u(t)受控系統(tǒng)e(t)

c(t)反饋信號(hào)

控制量

擾動(dòng)

給定裝置

校正裝置

放大

元件

執(zhí)行

機(jī)構(gòu)

受控

對(duì)象

反饋裝置

(測(cè)量元件)動(dòng)畫：方框圖的概念CompoundControlCombinationofopen-loopandclosed-loopControllerPlant

C

FeedbackelementR

—

CompensatorControllerPlant

C

FeedbackelementR

—

Compensatorn復(fù)合控制n擾動(dòng)(ML)uiugut(-)(b)方塊圖擾動(dòng)檢測(cè)裝置晶闡管可控整流器轉(zhuǎn)速反饋裝置電動(dòng)機(jī)放大器放大器觸發(fā)器被控量輸入信號(hào)

(-)補(bǔ)償裝置控制裝置受控對(duì)象udoMR

iugutTG(a)原理圖負(fù)載放大器

放大器+動(dòng)畫：速度復(fù)合控制輸入量輸出量圖1－6自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成

自動(dòng)控制的任務(wù)—利用控制器操縱受控對(duì)象，使其被控量按技術(shù)要求變化。若r(t)—給定量，c(t)—被控量，則自控的任務(wù)之?dāng)?shù)學(xué)表達(dá)式為：使被控量滿足c(t)≈r(t)。1.2.2自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本組成<1>給定元件：其職能是給出與期望的被控量相對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)輸入量。一般為電位器。<2>比較元件：其職能是把測(cè)量到的被控量實(shí)際值與給定元件給出的輸入量進(jìn)行比較，求出他們之間的偏差。常用的有差動(dòng)放大器、機(jī)械差動(dòng)裝置、電橋電路、計(jì)算機(jī)等?；窘M成（續(xù)）<3>測(cè)量元件：其職能是檢測(cè)被控制量的物理量。如測(cè)速機(jī)、熱電偶、自整角機(jī)、電位器、旋轉(zhuǎn)變壓器、浮子等?；窘M成（續(xù)）<4>放大元件：其職能是將比較元件給出的偏差信號(hào)進(jìn)行放大，用來推動(dòng)執(zhí)行元件去控制受控對(duì)象。如：晶體管、集成電路、晶閘管等組成的電壓、功率放大器。<5>執(zhí)行元件：其職能是直接推動(dòng)受控對(duì)象，使其被控量發(fā)生變化。如：閥門、電機(jī)、液壓馬達(dá)等?；窘M成（續(xù)）<6>校正元件：也叫補(bǔ)償元件，它是結(jié)構(gòu)或參數(shù)便于調(diào)整的元件。用串聯(lián)或并聯(lián)（反饋）的方式連接于系統(tǒng)中，以改善系統(tǒng)的性能。如：電阻、電容組成的無源或有源網(wǎng)絡(luò)，還有計(jì)算機(jī)。基本組成（續(xù)）自控系統(tǒng)的特點(diǎn)：<1>從信號(hào)傳送看：c(t)經(jīng)測(cè)量后回到輸入端，構(gòu)成閉環(huán)，具有反饋形式，且為負(fù)反饋。<2>從控制作用的產(chǎn)生看：由偏差產(chǎn)生的控制作用使系統(tǒng)沿減小或消除偏差的方向運(yùn)動(dòng)—偏差控制。基本組成（續(xù)）例如：直流電機(jī)開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)如圖所示。

給定電壓放大后得到電樞電壓ua，從而控制轉(zhuǎn)速n。改變ug→ua改變→n改變，ug與n一一對(duì)應(yīng)。但是，當(dāng)負(fù)載變化時(shí)（干擾量），會(huì)使n改變，即使ug不變，n

也改變。∴ua（ug）與n的關(guān)系不精確，抗擾動(dòng)能力差，系統(tǒng)控制精度難以保證，應(yīng)用少。

閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)線性/非線性系統(tǒng)連續(xù)/離散性系統(tǒng)定常/時(shí)變性系統(tǒng)確定/不確定系統(tǒng)按控制方式分按被控對(duì)象分按系統(tǒng)性能分分類按給定值變化規(guī)律分按系統(tǒng)功用分按給定值操縱的開環(huán)控制按干擾補(bǔ)償?shù)拈_環(huán)控制按偏差調(diào)節(jié)的閉環(huán)控制復(fù)合控制：閉環(huán)反饋為主，開環(huán)補(bǔ)償為輔恒值系統(tǒng)隨動(dòng)系統(tǒng)程序控制系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)過程控制系統(tǒng)溫度控制系統(tǒng)壓力控制系統(tǒng)位置控制系統(tǒng)動(dòng)畫：液位恒值控制動(dòng)畫：天線隨動(dòng)控制動(dòng)畫：數(shù)學(xué)描述分類1.3系統(tǒng)類型一、線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類方法較多，常見的有以下幾種由線性微分方程或線性差分方程所描述的系統(tǒng)稱為線性系統(tǒng)；由非線性方程所描述的系統(tǒng)稱為非線性系統(tǒng)。二、定常系統(tǒng)和時(shí)變系統(tǒng)定常系統(tǒng):若系統(tǒng)微分方程的系數(shù)為常數(shù)，則稱之為線性定常系統(tǒng)。此類系統(tǒng)為本書主要討論對(duì)象。系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型微分方程的系數(shù)不是時(shí)間變量的函數(shù)。否則稱為時(shí)變系統(tǒng)。三、連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)連續(xù)系統(tǒng)：系統(tǒng)中各部分的信號(hào)都是時(shí)間的連續(xù)函數(shù)即模擬量。離散系統(tǒng)：系統(tǒng)中有一處或多處信號(hào)為時(shí)間的離散函數(shù)，如脈沖或數(shù)碼信號(hào)。若系統(tǒng)中既有模擬量也有離散信號(hào)，則又可稱之為采樣系統(tǒng)。系統(tǒng)中各部分的信號(hào)都是時(shí)間的連續(xù)函數(shù)即模擬量。系統(tǒng)中有一處或多處信號(hào)為時(shí)間的離散函數(shù)，如脈沖或數(shù)碼信號(hào)。四、恒值系統(tǒng)、隨動(dòng)系統(tǒng)和程序控制系統(tǒng)系統(tǒng)的給定值為一定值，而控制任務(wù)就是克服擾動(dòng)，使被控量保持恒值。例如：電機(jī)速度控制、恒溫、恒壓、水位控制系統(tǒng)等。恒值系統(tǒng)：隨動(dòng)系統(tǒng)：系統(tǒng)給定值按照事先不知道的時(shí)間函數(shù)變化，并要求被控量跟隨給定值變化。程序控制系統(tǒng)：系統(tǒng)的給定值按照一定的時(shí)間函數(shù)變化，并要求被控量隨之變化。1.3Specificationsofthecontrolsystem:(1)Stability:stability,smoothandsteady

(2)Swiftness:peaktime,settlingtime(3)Accuracy:steady-sateerror1.3Specificationsofthecontrolsystem:(1)Stability:stability,smoothandsteady

Curve1:stableCurve2:unstableSpecificationsofthecontrolsystem:Curve1:oscillationamplitudedecreaseslowlyCurve2:smoothandsteady對(duì)控制系統(tǒng)的要求:1.穩(wěn)定性：是保證控制系統(tǒng)正常工作的先決條件。2.快速性：動(dòng)態(tài)性能，有指標(biāo)。3.準(zhǔn)確性：穩(wěn)態(tài)（過度結(jié)束后的）值應(yīng)盡量與期望值一致。

暫態(tài)過程特點(diǎn):下圖中,(a)、(b)非周期振蕩；(c)發(fā)散振蕩；(d)、(e)收斂振蕩；(f)等幅振蕩。tnn1(a)0(b)nt0n0n1t0n(c)n0t(e)n1n0t(d)n0n1n0t(f)動(dòng)畫：系統(tǒng)響應(yīng)曲線動(dòng)畫：速度過渡過程1.4對(duì)控制系統(tǒng)的要求Specificationsofthecontrolsystem:(2)Swi