自動控制第一章課件

第一章概述第二節(jié)自動控制系統(tǒng)的分類第一節(jié)自動控制與自動控制系統(tǒng)第四節(jié)自動控制理論發(fā)展簡述第三節(jié)對控制系統(tǒng)性能的要求第一章概述第一節(jié)自動控制與自動控制系統(tǒng)一、自動控制的基本概念二、控制系統(tǒng)的基本構成及控制方式第一章概述第一節(jié)自動控制與自動控制系統(tǒng)一、自動控制的基本概念現(xiàn)代科學技術中的自動控制技術得到了廣泛的應用航天器工業(yè)控制機器人家用電器自動控制的特征：通過對各類機器、各種物理參量、工業(yè)生產(chǎn)過程等的控制直接造福于社會。自動控制：

在無人直接參與下，利用控制裝置操縱受控對象，使受控對象的被控量按給定信號變化規(guī)律去變化。自動控制示意圖控制器給定值檢測元件受控對象被控量自動控制系統(tǒng)控制裝置:受控對象:機器、設備、生產(chǎn)過程等控制器、檢測元件等分析和設計自動控制系統(tǒng)的性能。自動控制原理的主要任務：下面通過一些實例來說明自動控制和自動控制系統(tǒng)的基本概念例水溫人工控制系統(tǒng)受控對象:水箱熱傳導器件系統(tǒng)的構成：被控制量:水溫閥門顯示儀表蒸汽排水冷水熱水工作過程：蒸汽通過熱傳導器件把熱量傳遞給水,水的溫度與蒸汽的流量成正比.手動調節(jié)閥門的開度，從而調節(jié)蒸汽的流量,來控制水的溫度.但人工難以實現(xiàn)穩(wěn)定的高質量控制.第一節(jié)自動控制與自動控制系統(tǒng)例水溫自動控制系統(tǒng)系統(tǒng)中增加了：控制器電機加入給定信號工作原理：檢測實際溫度產(chǎn)生控制信號通過電機調節(jié)閥門的開度從而調節(jié)蒸汽流入，控制水的溫度.實現(xiàn)沒有人直接參入的自動水溫控制.第一節(jié)自動控制與自動控制系統(tǒng)控制器溫度檢測第一節(jié)自動控制與自動控制系統(tǒng)為了方便地分析系統(tǒng)性能，一般用框圖來表示系統(tǒng)的結構，水溫自動控制系統(tǒng)可用框圖表示為：要使自動控制系統(tǒng)滿足工程實際的需要,必須研究自動控制系統(tǒng)的結構參數(shù)與系統(tǒng)性能之間的關系。實際溫度偏差反饋量預期溫度_控制器執(zhí)行機構閥門水箱控制器第一節(jié)自動控制與自動控制系統(tǒng)桿杠長度例液位自動控制系統(tǒng)h水箱桿杠浮球閥門進水系統(tǒng)組成：出水被控制量：水位高度工作原理：調節(jié)杠桿長度L，通過杠桿機構調節(jié)閥門的開度，從而調節(jié)進水量以控制液位的高度。L系統(tǒng)結構框圖浮球hr(s)h(t)閥門水箱杠桿機構第一節(jié)自動控制與自動控制系統(tǒng)Lh二、自動控制系統(tǒng)的基本構成及控制方式1．開環(huán)控制有順向作用而無反向聯(lián)系.不同的被控對象和不同的控制裝置構成了不同的控制系統(tǒng)，所以自動控制系統(tǒng)的種類是很多的。自動控制系統(tǒng)一般有兩種基本控制方式.開環(huán)控制控制裝置與受控對象之間只第一節(jié)自動控制與自動控制系統(tǒng)例轉臺速度開環(huán)控制系統(tǒng)轉臺電機電源和放大裝置速度設置系統(tǒng)組成：由圖可見：第一節(jié)自動控制與自動控制系統(tǒng)速度設置信號通過功率放大以后，提供給電動機驅動電源，電動機帶動轉臺旋轉。由于被控制量速度沒有反饋到輸入端與給定信號比較,為開環(huán)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)結構圖:給定速度實際轉速放大器直流電動機轉臺這種轉臺在CD機、計算機磁盤驅動器等許多現(xiàn)代裝置中廣泛應用.開環(huán)控制的特點：結構和控制簡單，抗擾能力差，控制精度低，一般用于對控制性能要求不高的場合。2．閉環(huán)控制閉環(huán)控制:閉環(huán)控制又稱為反饋控制或按偏差控制?？刂蒲b置與受控對象之間，不但有順向作用，還有反向聯(lián)系。第一節(jié)自動控制與自動控制系統(tǒng)例轉臺速度閉環(huán)控制系統(tǒng)系統(tǒng)中增加了測速發(fā)電機作為反饋裝置測出電動機的速度反饋給控制器。與給定信號比較產(chǎn)生偏差電壓，經(jīng)過功率放大后對電動機的速度進行閉環(huán)控制.當速度受擾動發(fā)生變化時，偏差電壓也隨之變化，通過閉環(huán)調節(jié)能消除干擾。系統(tǒng)結構圖測速機偏差預期速度實際轉速放大器_直流電動機轉臺放大裝置例位置隨動系統(tǒng)環(huán)型電位器電機電源齒輪系統(tǒng)組成：負載輸入θr輸出θc工作過程：θr=θcUd=0Udθr≠θcUd≠0電動機帶動齒輪轉動,調節(jié)θc,使θr=θc電動機靜止第一節(jié)自動控制與自動控制系統(tǒng)系統(tǒng)結構圖θr_電位器θm△θ

θcueud放大器電動機減速器例直流調速系統(tǒng)直流電機測速發(fā)電機電源和控制裝置負載系統(tǒng)組成：UnUf輸入反饋電壓e=Un-Uf轉速取決于：第一節(jié)自動控制與自動控制系統(tǒng)n輸出電樞電壓UdUd=Ke當干擾引起轉速變化時，系統(tǒng)自動調整：n↓→Uf↓→e↑→Ud↑→n↑系統(tǒng)結構圖測速機unufeudn_放大器直流電動機（3）能減小或消除由擾動形成的偏差，具有較高的控制精度和較強的抗擾能力。通過以上的實例分析可得出閉環(huán)控制系統(tǒng)具有的特點：第一節(jié)自動控制與自動控制系統(tǒng)（1）系統(tǒng)的控制信號是給定值與反饋量的差值，故稱為按偏差控制或反饋控制。（2）閉環(huán)系統(tǒng)有兩種傳輸通道：前向通道和反饋通道。自動控制原理中主要討論閉環(huán)控制系統(tǒng)。3．復合控制測量出外部作用，形成與外部作用相反的控制量與外部作用共同使被控量基本不受影響。前饋補償控制復合控制具有兩種基本形式.前饋補償控制：復合控制：反饋控制+第一節(jié)自動控制與自動控制系統(tǒng)在外部作用下，由系統(tǒng)被控制量的變化產(chǎn)生調節(jié)和控制作用。反饋控制：(a)按輸入前饋補償?shù)膹秃峡刂平o定值被控制量_檢測元件控制器前饋通道第一節(jié)自動控制與自動控制系統(tǒng)受控對象前饋補償控制反饋控制主通道(b)按擾動前饋補償?shù)膹秃峡刂频谝还?jié)自動控制與自動控制系統(tǒng)給定值被控制量_檢測元件控制器受控對象前饋補償控制反饋控制主通道前饋通道擾動第二節(jié)自動控制系統(tǒng)的分類一、線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)自動控制系統(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)。由非線性方程描述的系統(tǒng)。第一章概述線性系統(tǒng)：非線性系統(tǒng)：二、定常系統(tǒng)和時變系統(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)為本書主要討論對象。系統(tǒng)數(shù)學模型微分方程的系數(shù)不是時間變量的函數(shù)。否則稱為時變系統(tǒng)。第二節(jié)自動控制系統(tǒng)的分類三、連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)連續(xù)系統(tǒng)：系統(tǒng)中各部分的信號都是時間的連續(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為時間的離散函數(shù)，如脈沖或數(shù)碼信號。若系統(tǒng)中既有模擬量也有離散信號，則又可稱之為采樣系統(tǒng)。第二節(jié)自動控制系統(tǒng)的分類四、恒值系統(tǒng)、隨動系統(tǒng)和程序控制系統(tǒng)系統(tǒng)的給定值為一定值，而控制任務就是克服擾動，使被控量保持恒值。例如：電機速度控制、恒溫、恒壓、水位控制系統(tǒng)等。恒值系統(tǒng)：第二節(jié)自動控制系統(tǒng)的分類隨動系統(tǒng)：系統(tǒng)給定值按照事先不知道的時間函數(shù)變化，并要求被控量跟隨給定值變化。如：火炮自動跟蹤系統(tǒng)、輪舵位置控制系統(tǒng)等。第二節(jié)自動控制系統(tǒng)的分類程序控制系統(tǒng)：系統(tǒng)的給定值按照一定的時間函數(shù)變化，并要求被控量隨之變化。例如：機械手第二節(jié)自動控制系統(tǒng)的分類自動化生產(chǎn)線：第二節(jié)自動控制系統(tǒng)的分類第三節(jié)對控制系統(tǒng)性能的要求常見的評價系統(tǒng)優(yōu)劣的性能指標是從動態(tài)過程中定義出來的。對系統(tǒng)性能的基本要求有三個方面。二、快速性一、穩(wěn)定性三、準確性第一章概述

系統(tǒng)受外作用力后,其動態(tài)過程的振蕩傾向和系統(tǒng)恢復平衡的能力。一、穩(wěn)定性第三節(jié)對控制系統(tǒng)性能的要求穩(wěn)定性：系統(tǒng)受外作用力經(jīng)過一段時間，其被控量達到某一穩(wěn)定狀態(tài)，則系統(tǒng)是穩(wěn)定的。否則為不穩(wěn)定的。r(t)t0c(t)r(t)c(t)不穩(wěn)定的系統(tǒng)是無法正常工作的。擾動信號作用下的不穩(wěn)定系統(tǒng):d(t)t0c(t)c(t)d(t)一個能在生產(chǎn)實際中應用的系統(tǒng),不僅應具有穩(wěn)定性,而且在動態(tài)過程中的震蕩也不能過于強烈.通過動態(tài)過程時間長短表征快速性。二、快速性第三節(jié)對控制系統(tǒng)性能的要求r(t)t0c(t)r(t)c1(t)c2(t)快速性表明了系統(tǒng)輸出對輸入響應的快慢程度過渡過程時間越短，表明快速性越好。反之亦然。t1t2由輸入給定值與輸出響應的終值之間的差值ess大小表征。三、準確性第三節(jié)對控制系統(tǒng)性能的要求r(t)t0c(t)ess它反映了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度。若系統(tǒng)最終的誤差為零，則稱為無差系統(tǒng)，否則為有差系統(tǒng)。c(t)r(t)穩(wěn)定性、快速性和準確性往往是互相制約的。在設計與調試的過程中,若過分強調某方面的性能,則可能會使其他方面的性能受到影響.怎樣根據(jù)工作任務的不同,分析和設計自動控制系統(tǒng)，使其對三方面的性能有所側重，并兼顧其它正是自控原理課程要解決的問題。第三節(jié)對控制系統(tǒng)性能的要求

自動控制理論是研究自動控制共同規(guī)律的技術科學。第四節(jié)

自動控制理論發(fā)展簡述第一章概述具有“自動”功能的裝置自古有之，瓦特發(fā)明的蒸汽機上的離心調速器是比較自覺地運用反饋原理進行設計并取得成功的首例。麥克斯韋對它的穩(wěn)定性進行分析，于1868年發(fā)表的論文當屬最早的理論工作。從20世紀20年代到40年代形成了以時域法，頻率法和根軌跡法為支柱的“古典”控制理論。第四節(jié)

自動控制理論發(fā)展簡述60年代以來，隨著計算機技術的發(fā)展和航天等高科技的推動，又產(chǎn)生了基于狀態(tài)空間模型的所謂“現(xiàn)代”控制理論。近年來，在非線性系統(tǒng)理論、離散事件系統(tǒng)、大系統(tǒng)和