自動(dòng)控制原理第一章自動(dòng)控制概論

鄭州輕工業(yè)學(xué)院電氣信息工程學(xué)院自

動(dòng)

化

教

研室自動(dòng)控制原理聯(lián)系方式:楊學(xué)清Telmail:rzyxq_hn@126.com高等數(shù)學(xué)積分變換自動(dòng)控制理論現(xiàn)代控制理論其它專(zhuān)業(yè)課程

1、是一門(mén)專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課

2、理論實(shí)踐相結(jié)合理論性非常強(qiáng),但又和實(shí)際應(yīng)用緊密結(jié)合

3、內(nèi)容廣泛自動(dòng)控制理論課程特點(diǎn)學(xué)習(xí)自動(dòng)控制理論的重要性3、本課程能為解決實(shí)際控制問(wèn)題提供理論和方法1、本課程是自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)承上啟下的課程2、自動(dòng)控制技術(shù)是應(yīng)用非常廣泛的技術(shù)

電機(jī)控制、自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)、火炮雷達(dá)控制、家用電器、機(jī)械、冶金、石油、化工、電力電子、航空、航海、航天、核反應(yīng)堆等。4、學(xué)分較多本課程學(xué)習(xí)方法1、打好基礎(chǔ)高等數(shù)學(xué)（微積分）、積分變換（拉氏變換）2、做好預(yù)習(xí)3、聽(tīng)好課講課的速度較快、了解課程內(nèi)容掌握基本理論和基本方法4、做好習(xí)題應(yīng)用學(xué)到的基本理論和基本方法解決實(shí)際問(wèn)題第一章自動(dòng)控制概論1.1引言1.2自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類(lèi)1.3對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求自動(dòng)控制：1.1.1自動(dòng)控制理論及應(yīng)用

在無(wú)人直接參與的情況下，利用控制裝置，使工作機(jī)械、或生產(chǎn)過(guò)程（被控對(duì)象）的某一個(gè)物理量（被控量）按預(yù)定的規(guī)律（給定量）運(yùn)行。自動(dòng)控制系統(tǒng)：

指能夠?qū)Ρ豢貙?duì)象的工作狀態(tài)自動(dòng)控制的系統(tǒng),它

由被控對(duì)象和控制裝置組成1.1引言動(dòng)畫(huà)1動(dòng)畫(huà)21.1.2自動(dòng)控制理論發(fā)展簡(jiǎn)史經(jīng)典控制理論(19世紀(jì)初)

時(shí)域法復(fù)域法(根軌跡法)

頻域法

現(xiàn)代控制理論(20世紀(jì)60年代)

線(xiàn)性系統(tǒng)自適應(yīng)控制最優(yōu)控制魯棒控制最佳估計(jì)容錯(cuò)控制系統(tǒng)辨識(shí)集散控制大系統(tǒng)復(fù)雜系統(tǒng)

智能控制理論(20世紀(jì)70年代)

專(zhuān)家系統(tǒng)模糊控制神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)遺傳算法

房間交換設(shè)備壓縮機(jī)控制板傳感器控制對(duì)象執(zhí)行機(jī)構(gòu)測(cè)量元件控制單元一、舉例：家用空調(diào)控制器控制系統(tǒng)功能：房間溫度控制在人體比較舒適的范圍（對(duì)象、物理量、控制設(shè)備）系統(tǒng)組成：溫度設(shè)定比較單元控制單元執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制對(duì)象測(cè)量元件控制器控制對(duì)象反饋比較控制指令家用空調(diào)系統(tǒng)框圖的簡(jiǎn)化控制系統(tǒng)的組成

被控對(duì)象控制系統(tǒng)測(cè)量元件比較元件

控制裝置

放大元件執(zhí)行機(jī)構(gòu)校正裝置給定元件分類(lèi)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)過(guò)程控制系統(tǒng)線(xiàn)性/非線(xiàn)性系統(tǒng)連續(xù)/離散性系統(tǒng)定常/時(shí)變性系統(tǒng)單輸入單輸出/多輸入多輸出系統(tǒng)集中參數(shù)/分布參數(shù)系統(tǒng)按被控對(duì)象分按使用的數(shù)學(xué)方法分按輸入信號(hào)特征分按系統(tǒng)功用分恒值系統(tǒng)隨動(dòng)系統(tǒng)程序控制系統(tǒng)按控制方式分按給定值操縱的開(kāi)環(huán)控制按干擾補(bǔ)償?shù)拈_(kāi)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(kāi)環(huán)補(bǔ)償為輔溫度控制系統(tǒng)壓力控制系統(tǒng)位置控制系統(tǒng)1.2自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類(lèi)基本控制方式

1.開(kāi)環(huán)控制

2.閉環(huán)控制

3.復(fù)合控制1.2.1按控制方式分類(lèi)溫度計(jì)

加熱電阻絲調(diào)壓器u(a)原理圖~220V輸出量(手柄位置)輸入量

調(diào)壓器

加熱電阻絲

電爐

恒溫箱

受控對(duì)象(溫度)擾動(dòng)量(b)方塊圖控制裝置擾動(dòng)輸出量輸入量控制裝置受控對(duì)象開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)的方框圖

1.開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)動(dòng)畫(huà)MugudoVGT+-(a)原理圖給定信號(hào)(電壓)觸發(fā)器電動(dòng)機(jī)受控對(duì)象輸出量(轉(zhuǎn)速)

擾動(dòng)量(b)方塊圖控制裝置

晶閘管可控整流器按給定開(kāi)環(huán)控制+-+ugudoMiuin(a)原理圖R

放大

器

負(fù)載

給定信號(hào)ug被控量

擾動(dòng)inui(b)方塊圖

電壓

放大

電阻

R

觸發(fā)器

晶闡管可控整流器

電動(dòng)

機(jī)按干擾補(bǔ)償開(kāi)環(huán)控制方框圖中各符號(hào)的意義

元部件方框（塊）圖信號(hào)（物理量）及傳遞方向中的符號(hào)比較點(diǎn)引出點(diǎn)表示負(fù)反饋開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)

控制裝置與受控對(duì)象之間只有正向作用，沒(méi)有反向聯(lián)系；控制精度取決于元器件的精度和系統(tǒng)調(diào)整精度；沒(méi)有抑制內(nèi)、外干擾的能力；系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低。2.閉環(huán)控制系統(tǒng)負(fù)反饋原理__將系統(tǒng)的輸出信號(hào)引回輸入端，與輸入信號(hào)比較，利用所得的偏差信號(hào)進(jìn)行控制，達(dá)到減小偏差、消除偏差的目的。

____構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)的核心

閉環(huán)(反饋)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)：

(1)系統(tǒng)內(nèi)部存在反饋，信號(hào)流動(dòng)構(gòu)成閉回路

(2)偏差起調(diào)節(jié)作用

例1爐溫控制系統(tǒng)

爐溫控制系統(tǒng)方框圖爐溫控制系統(tǒng)方框圖(-)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+電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)

例函數(shù)記錄儀

函數(shù)記錄儀方框圖

閉控制系統(tǒng)的特點(diǎn)既有正向作用，又有反饋?zhàn)饔每刂凭扰c元件精度、控制方法、調(diào)整精度有關(guān)，控制精度較高；有抑制干擾的能力；結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本相對(duì)較高。復(fù)合控制系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)提出較高要求時(shí)使用開(kāi)環(huán)控制和閉環(huán)控制的組合有兩種形式

(1)按輸入作用補(bǔ)償

(2)按擾動(dòng)作用補(bǔ)償

udoMRiugutTG(a)原理圖

負(fù)載放大器

放大器+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)器電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)?fù)合控制系統(tǒng)按干擾作用補(bǔ)償按偏差作用補(bǔ)償熱處理爐溫度控制系統(tǒng)ugTiΔu(-)ufQTo

給定裝置

放大器

電動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)裝置和閥門(mén)

熱處理爐

放大器

熱電偶(b)方框圖(a)原理圖MΔuufug

給定電位計(jì)+-

電動(dòng)機(jī)

煤氣空氣閥門(mén)熱處理爐工件熱電偶放大器混合器放大器uaQTo復(fù)合控制系統(tǒng)典型方框圖控制裝置被控對(duì)象測(cè)量裝置補(bǔ)償裝置(-)輸入信號(hào)輸出信號(hào)擾動(dòng)(b)按擾動(dòng)作用補(bǔ)償

被控量

輸入信號(hào)(-)

補(bǔ)償裝置

控制裝置

受控對(duì)象(a)按輸入作用補(bǔ)償控制系統(tǒng)的組成1.2.2按輸入信號(hào)特征分類(lèi)1、恒值控制系統(tǒng)特征：輸入信號(hào)為常數(shù)典型系統(tǒng)：液位、溫度、壓力、流量控制

2、隨動(dòng)控制系統(tǒng)

特征：輸入信號(hào)未知的隨時(shí)間變化任意函數(shù)典型系統(tǒng)：魚(yú)雷飛行、炮瞄雷達(dá)、火炮自動(dòng)瞄準(zhǔn)、導(dǎo)彈制導(dǎo)。

3、程序控制系統(tǒng)特征：輸入信號(hào)為預(yù)知的隨時(shí)間變化函數(shù)典型系統(tǒng)：熱處理爐控制系統(tǒng)、程序控制機(jī)床、灌裝生產(chǎn)線(xiàn)、自動(dòng)生產(chǎn)流水線(xiàn)。1.2.3按使用的數(shù)學(xué)方法分類(lèi)連續(xù)系統(tǒng)/離散系統(tǒng)連續(xù)系統(tǒng)系統(tǒng)傳遞的信號(hào)為時(shí)間的連續(xù)函數(shù)，用微分方程描述。離散系統(tǒng)

信號(hào)傳遞中至少有一處信號(hào)是脈沖序列或數(shù)字編碼。用差分方程描述。線(xiàn)性系統(tǒng)/非線(xiàn)性系統(tǒng)

線(xiàn)性系統(tǒng)用線(xiàn)性微分方程或差分方程描述，滿(mǎn)足疊加原理。疊加原理包括疊加性和齊次性。非線(xiàn)性系統(tǒng)用非線(xiàn)性微分方程或差分方程描述。特點(diǎn)是，方程中含有變量及其導(dǎo)數(shù)的高次冪或乘積項(xiàng)，不滿(mǎn)足疊加原理。（第七章介紹）例如定常系統(tǒng)/時(shí)變系統(tǒng)

定常系統(tǒng)：

描述系統(tǒng)的數(shù)學(xué)方程中的系數(shù)為常數(shù)；定常系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和參數(shù)不隨時(shí)間變化。

時(shí)變系統(tǒng):

描述系統(tǒng)的數(shù)學(xué)方程中的系數(shù)隨時(shí)間變化。單輸入單輸出系統(tǒng)

輸入輸出信號(hào)變量?jī)H有一個(gè)。多輸入多輸出系統(tǒng)

輸入輸出信號(hào)變量多于一個(gè)。集中參數(shù)/和分布參數(shù)集中參數(shù)系統(tǒng)能用常微分方程描述的系統(tǒng)。分布參數(shù)系統(tǒng)至少有一個(gè)環(huán)節(jié)需要用偏微分方程描述的系統(tǒng)。單輸入單輸出/多輸入多輸出系統(tǒng)

1.3對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求1.穩(wěn)：（基本要求）

要求系統(tǒng)穩(wěn)定

2.準(zhǔn)：（穩(wěn)態(tài)要求）

系統(tǒng)響應(yīng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，輸出跟蹤精度要高3.快：（動(dòng)態(tài)要求）

系統(tǒng)階躍響應(yīng)的過(guò)渡過(guò)程要平穩(wěn)，

快速穩(wěn)定性：

系統(tǒng)受到干擾后偏離原來(lái)的工作狀態(tài)，擾動(dòng)消失后，能自動(dòng)回到原工作狀態(tài)，這樣的系統(tǒng)是穩(wěn)定的。反之，當(dāng)干擾消除后，系統(tǒng)的輸出趨于無(wú)窮或進(jìn)入振蕩狀態(tài)，則稱(chēng)系統(tǒng)是不穩(wěn)定的。穩(wěn)定性是保證系統(tǒng)能正常工作的前提。動(dòng)態(tài)性能

指系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程的快速性和振蕩性。由于控制系統(tǒng)的慣性，系統(tǒng)的輸出跟隨輸入的變化總有一定的延遲。這個(gè)時(shí)間越短，快速性越好。有些系統(tǒng)的阻尼比較小，所以系統(tǒng)從一個(gè)穩(wěn)態(tài)進(jìn)入另一個(gè)穩(wěn)態(tài)時(shí)，要經(jīng)過(guò)若干次衰減振蕩，而且在振蕩過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)超調(diào)現(xiàn)象。一般控制系統(tǒng)對(duì)超調(diào)量是有限制的。穩(wěn)態(tài)性能

穩(wěn)態(tài)性指系統(tǒng)的控制精度。系統(tǒng)由一個(gè)穩(wěn)態(tài)過(guò)渡到另一個(gè)穩(wěn)態(tài)時(shí)，希望系統(tǒng)的輸出盡