自動(dòng)控制工程 Chapter1課件

控制工程基礎(chǔ)主講人：蔡晨曉E-mail：ccx5281@南京理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院教材及參考文獻(xiàn)1.胡壽松，《自動(dòng)控制原理》（第六版），科學(xué)出版社，2013年3月2.胡壽松，《自動(dòng)控制原理基礎(chǔ)教程》（第三版），科學(xué)出版社，2013年3月課程主要內(nèi)容自動(dòng)控制基本概念（2學(xué)時(shí)）控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型（6學(xué)時(shí)）線性系統(tǒng)的時(shí)域分析法（8學(xué)時(shí)）線性系統(tǒng)的頻域分析法（10學(xué)時(shí)）線性系統(tǒng)的校正方法（6學(xué)時(shí)）第一章自動(dòng)控制的一般概念1-1自動(dòng)控制的基本原理與方式1-2自動(dòng)控制系統(tǒng)示例1-3自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類(lèi)1-4對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求1-1自動(dòng)控制的基本原理與方式1、自動(dòng)控制技術(shù)自動(dòng)控制是指在沒(méi)有人直接參與的情況下，利用外加的設(shè)備和裝置（稱(chēng)控制裝置或控制器），使機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過(guò)程（統(tǒng)稱(chēng)被控對(duì)象）的某個(gè)工作狀態(tài)或參數(shù)（即被控量）自動(dòng)地按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行。自動(dòng)控制系統(tǒng)＝被控對(duì)象＋控制裝置被控量：即被控對(duì)象的輸出量，是要求嚴(yán)格加以控制的物理量；控制裝置：對(duì)被控對(duì)象施加控制作用的機(jī)構(gòu)的總體。2、自動(dòng)控制科學(xué)自動(dòng)控制科學(xué)是研究自動(dòng)控制共同規(guī)律的技術(shù)科學(xué)。自動(dòng)控制理論是關(guān)于自動(dòng)控制系統(tǒng)組成、分析和設(shè)計(jì)的理論，其任務(wù)是研究自動(dòng)控制系統(tǒng)中變量的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和改變這種運(yùn)動(dòng)規(guī)律的可能性與途徑，為建立高性能的自動(dòng)控制系統(tǒng)提供必要的理論依據(jù)。發(fā)展初期是以反饋理論為基礎(chǔ)的自動(dòng)調(diào)節(jié)原理；二戰(zhàn)之后形成以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)的經(jīng)典控制理論，主要研究單輸入-單輸出、線性定常系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)問(wèn)題；20世紀(jì)60年代之后發(fā)展了現(xiàn)代控制理論，主要研究具有高性能、高精度的多變量變參數(shù)系統(tǒng)的最優(yōu)控制問(wèn)題，主要采用的方法是以狀態(tài)為基礎(chǔ)的狀態(tài)空間法。3、反饋(feedback)控制原理在反饋控制系統(tǒng)中，控制裝置對(duì)被控對(duì)象施加的控制作用，是取自被控量的反饋信息，用來(lái)不斷修正被控量與輸入量之間的偏差，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制的任務(wù)。反饋控制的實(shí)質(zhì)是一個(gè)按偏差進(jìn)行的控制過(guò)程。關(guān)鍵：利用手和書(shū)之間的差距，來(lái)縮小兩者之間的差距。3、反饋控制原理電爐溫度人工控制系統(tǒng)方塊圖人工控制調(diào)節(jié)過(guò)程：觀測(cè)電爐內(nèi)溫度；與要求的溫度進(jìn)行比較，得到溫度偏差的大小和方向；根據(jù)偏差大小和方向調(diào)節(jié)調(diào)壓器，控制加熱電阻絲的電流以調(diào)節(jié)溫度回復(fù)到要求值。3、反饋控制原理電爐溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)方塊圖3、反饋控制原理用測(cè)量元件檢測(cè)被控制的物理量（輸出量）的實(shí)際值；將輸出量的實(shí)際值與給定值（輸入量）進(jìn)行比較得出偏差；用偏差值產(chǎn)生控制調(diào)節(jié)作用去消除偏差，使得輸出量維持在期望輸出。反饋控制系統(tǒng)必須具備測(cè)量、比較和執(zhí)行三個(gè)基本功能?？刂葡到y(tǒng)方塊圖(blockdiagram)方塊：被控對(duì)象和控制裝置的各元部件（硬件）；信號(hào)線：系統(tǒng)中感興趣的物理量（信號(hào)），用箭頭表示其流向；用進(jìn)入方塊的箭頭表示各元部件的輸入量，用離開(kāi)方塊的箭頭表示其輸出量；被控對(duì)象的輸出量便是系統(tǒng)的輸出量，即被控量，一般置于方塊圖的最右端，系統(tǒng)的輸入量一般置于系統(tǒng)方塊圖的左端。：代表比較元件，“–”表示負(fù)反饋，“+”表示正反饋。4、反饋控制系統(tǒng)的基本組成控制裝置4、反饋控制系統(tǒng)的基本組成被控對(duì)象：要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過(guò)程；測(cè)量元件：檢測(cè)被控制的物理量；給定元件：給出與期望的被控量相對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)輸入量；比較元件：把測(cè)量元件檢測(cè)的被控量實(shí)際值與給定元件給出的輸入量進(jìn)行比較，求出它們之間的偏差；放大元件：將比較元件給出的偏差信號(hào)進(jìn)行放大，用來(lái)推動(dòng)執(zhí)行元件去控制被控對(duì)象；執(zhí)行元件：直接推動(dòng)被控對(duì)象，使其被控量發(fā)生變化；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)整的元部件，用串聯(lián)或反饋連接在系統(tǒng)中，以改善系統(tǒng)的性能。5、自動(dòng)控制系統(tǒng)基本控制方式開(kāi)環(huán)控制方式控制裝置與被控對(duì)象之間只有順向作用而沒(méi)有反向聯(lián)系的控制過(guò)程，其特點(diǎn)是系統(tǒng)的輸出量不會(huì)對(duì)系統(tǒng)的控制作用發(fā)生影響。反饋控制方式將輸出量的測(cè)量值與期望的輸出值相比較，產(chǎn)生偏差信號(hào)并將偏差信號(hào)作用于執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制過(guò)程，其特點(diǎn)是不論什么原因使被控量偏離期望值而出現(xiàn)偏差時(shí)，必定會(huì)產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)的控制作用去減小或消除這個(gè)偏差，使被控量與期望值趨于一致。開(kāi)環(huán)控制方式1、按給定值控制的開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)2、按干擾控制的開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)干擾信號(hào)：不需要的輸入信號(hào)，它影響系統(tǒng)輸出。只適用于擾動(dòng)是可測(cè)量的場(chǎng)合，且一個(gè)補(bǔ)償裝置只能補(bǔ)償一種擾動(dòng)因素。開(kāi)環(huán)控制方式開(kāi)環(huán)控制方式特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,調(diào)整方便，成本低；精度不高（控制精度完全取決于所用元件及校準(zhǔn)的精度）；抗干擾能力差。開(kāi)環(huán)控制的應(yīng)用：交通燈、洗衣機(jī)、自動(dòng)售貨機(jī)等反饋控制方式反饋原理——按偏差進(jìn)行的控制過(guò)程反饋控制方式特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜；精度高，抗干擾能力強(qiáng)；有反饋通道，要有測(cè)量元件。復(fù)合控制方式1、按輸入補(bǔ)償?shù)膹?fù)合控制2、按擾動(dòng)（可測(cè)）補(bǔ)償?shù)膹?fù)合控制

——按偏差的反饋控制和按擾動(dòng)的補(bǔ)償控制相結(jié)合的控制方式1-2自動(dòng)控制系統(tǒng)示例分析控制系統(tǒng)的基本步驟：應(yīng)了解生產(chǎn)工藝過(guò)程的特點(diǎn)及其對(duì)控制提出的要求；根據(jù)控制的目的和任務(wù)，確定控制系統(tǒng)的被控對(duì)象和被控量；根據(jù)信號(hào)的傳遞、加工處理和控制的關(guān)系，逐步地確定出控制系統(tǒng)的其余部分，并繪制系統(tǒng)的方塊圖。函數(shù)記錄儀函數(shù)記錄儀方塊圖電阻爐微型計(jì)算機(jī)溫度控制系統(tǒng)方塊圖電阻爐微型計(jì)算機(jī)溫度控制系統(tǒng)鍋爐液位控制系統(tǒng)方塊圖鍋爐液位控制系統(tǒng)1-3自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類(lèi)按數(shù)學(xué)模型分線性系統(tǒng)與非線性系統(tǒng)線性系統(tǒng)由線性微分方程、線性差分方程或線性代數(shù)方程描述（滿(mǎn)足疊加性和齊次性）；系統(tǒng)中只要有一個(gè)元部件的輸入-輸出特性是非線性的，就為非線性系統(tǒng)；實(shí)際物理系統(tǒng)中都含有程度不同的非線性元部件，可采用在一定范圍內(nèi)線性化的方法，將非線性控制系統(tǒng)近似為線性化控制系統(tǒng)。1-3自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類(lèi)

按信號(hào)的性質(zhì)分連續(xù)系統(tǒng)與離散（數(shù)字）系統(tǒng)連續(xù)系統(tǒng)中各部分傳遞的信號(hào)都是隨時(shí)間連續(xù)變化的信號(hào)；連續(xù)系統(tǒng)通常采用微分方程描述。離散系統(tǒng)中某一處或多處的信號(hào)為脈沖序列或數(shù)碼形式，即信號(hào)在時(shí)間上是離散的；離散系統(tǒng)通常采用差分方程描述。連續(xù)信號(hào)經(jīng)過(guò)采樣開(kāi)關(guān)的采樣就可轉(zhuǎn)換為離散信號(hào)。一般離散系統(tǒng)中既有連續(xù)的模擬信號(hào)，也有離散的數(shù)字信號(hào)。線性定常連續(xù)系統(tǒng)

式中：c(t)是被控量，r(t)是輸入量。定常系統(tǒng)又稱(chēng)為時(shí)不變系統(tǒng)，其特點(diǎn)是：描述系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的微分或差分方程的系數(shù)均為常數(shù)。線性系統(tǒng)的疊加原理表明：兩個(gè)外作用同時(shí)加于系統(tǒng)所產(chǎn)生的總輸出，等于各個(gè)外作用單獨(dú)作用時(shí)分別產(chǎn)生的輸出之和，且外作用的數(shù)值增大若干倍時(shí)，其輸出亦增大同樣的倍數(shù)。1-3自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類(lèi)按輸入量的變化規(guī)律分

1、恒值控制系統(tǒng)系統(tǒng)輸入量為恒定值；控制的基本任務(wù)是保證在任何擾動(dòng)作用下系統(tǒng)的輸出量保持為恒定的期望值；系統(tǒng)分析、設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是研究各種擾動(dòng)對(duì)被控對(duì)象的影響以及抗擾動(dòng)的措施。如：電阻爐溫度控制系統(tǒng)、鍋爐液位控制系統(tǒng)等1-3自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類(lèi)按輸入量的變化規(guī)律分

2、隨動(dòng)系統(tǒng)系統(tǒng)輸入量隨時(shí)間任意變化，不能預(yù)先確知；控制的基本任務(wù)是使系統(tǒng)的輸出量以要求的精度迅速、平穩(wěn)地跟隨輸入量變化，并能排除各種干擾因素的影響。系統(tǒng)分析、設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是研究被控量跟隨的快速性和準(zhǔn)確性。如：函數(shù)記錄儀、雷達(dá)跟蹤系統(tǒng)等1-3自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類(lèi)按輸入量的變化規(guī)律分

3、程序控制系統(tǒng)系統(tǒng)輸入量按預(yù)定規(guī)律隨時(shí)間變化；控制的基本任務(wù)是要求被控量迅速、準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)輸入量；如：數(shù)控加工系統(tǒng)等1-3自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類(lèi)按時(shí)間概念分：定常系統(tǒng)、時(shí)變系統(tǒng)

按輸入輸出信號(hào)的數(shù)量分：?jiǎn)屋斎雴屋敵鱿到y(tǒng)、多輸入多輸出系統(tǒng)按控制方式分：開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)、閉環(huán)控制系統(tǒng)、復(fù)合控制系統(tǒng)按系統(tǒng)功用分類(lèi)：溫度控制系統(tǒng)、壓力控制系統(tǒng)、位置控制系統(tǒng)……

按元件類(lèi)型分類(lèi)：機(jī)械系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、機(jī)電系統(tǒng)、氣動(dòng)系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、生物系統(tǒng)……1-4自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求基本要求：穩(wěn)定性、快速性、準(zhǔn)確性

1）穩(wěn)定性穩(wěn)定性是指動(dòng)態(tài)過(guò)程的振蕩傾向和系統(tǒng)的重新恢復(fù)平衡狀態(tài)的能力。穩(wěn)定性是保證控制系統(tǒng)正常工作的先決條件。穩(wěn)定的控制系統(tǒng)，其被控量偏離期望值的初始偏差應(yīng)隨時(shí)間的增長(zhǎng)逐漸減小或趨于零。線性自動(dòng)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性是由系統(tǒng)結(jié)構(gòu)所決定的，與外界因素?zé)o關(guān)。1-4自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求2）快速性控制系統(tǒng)中一般含有儲(chǔ)能元件或慣性元件，由于儲(chǔ)能元件的能量不可能突變，而慣性元件使控制動(dòng)作不能及時(shí)準(zhǔn)確地產(chǎn)生，因此當(dāng)系統(tǒng)受到擾動(dòng)或有輸入時(shí)，控制過(guò)程不會(huì)立即完成，而是有一定的延緩和調(diào)節(jié)過(guò)程，這使得被控量恢復(fù)期望值或跟蹤輸入量有一個(gè)時(shí)間過(guò)程，稱(chēng)為過(guò)渡過(guò)程。過(guò)渡過(guò)程性能（動(dòng)態(tài)性能）包括快速性和平穩(wěn)性，即對(duì)控制系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程的時(shí)間（即快速性）和最大振蕩幅度（即超調(diào)量）一般都有具體要求。1-4自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求3）準(zhǔn)確性穩(wěn)態(tài)誤差是在系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程結(jié)束后，期望的穩(wěn)態(tài)輸出量與實(shí)際的穩(wěn)態(tài)輸出量（即平衡狀態(tài)）之差。穩(wěn)態(tài)誤差是衡量控制系統(tǒng)控制精度的重要標(biāo)志。典型外作用可選為典型外作用的函數(shù)應(yīng)具備以下條件：這種函數(shù)在現(xiàn)場(chǎng)或?qū)嶒?yàn)室中容易得到；控制系統(tǒng)在這種函數(shù)作用下的性能代表在實(shí)際工作條件下的性能；這種函數(shù)的數(shù)學(xué)表達(dá)式簡(jiǎn)單、便于理論計(jì)算。典型外作用1）階躍函數(shù)

幅值R=1的階躍函數(shù)稱(chēng)為單