自動(dòng)控制原理(馮巧玲版)第一章

自動(dòng)控制原理高等數(shù)學(xué)積分變換自動(dòng)控制理論現(xiàn)代控制理論其它專業(yè)課程

1、是一門專業(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)際控制問題提供理論和方法1、本課程是自動(dòng)化專業(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、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)組成和原理框圖1.3自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類1.4對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求§1.1引言自動(dòng)控制：1.1.1自動(dòng)控制理論及應(yīng)用在無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1動(dòng)畫2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1.1.2自動(dòng)控制理論發(fā)展簡(jiǎn)史1.1.2自動(dòng)控制理論發(fā)展簡(jiǎn)史1.1.2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)專家系統(tǒng)模糊控制神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)遺傳算法

1.2.1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1.2.2控制系統(tǒng)的原理框圖方框圖中各符號(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)反饋分類運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)過程控制系統(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)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)償為輔溫度控制系統(tǒng)壓力控制系統(tǒng)位置控制系統(tǒng)1.3自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類

控制裝置與受控對(duì)象之間只有正向作用，沒有反向聯(lián)系；控制精度取決于元器件的精度和系統(tǒng)調(diào)整精度；沒有抑制內(nèi)、外干擾的能力；系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低。1.3自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類

1.3.1按自動(dòng)控制方式分類1.開環(huán)控制系統(tǒng)1.3自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類1.3.1按自動(dòng)控制方式分類1.開環(huán)控制系統(tǒng)開環(huán)控制系統(tǒng)是指控制裝置與被控對(duì)象之間只有順向作用，而沒有反向聯(lián)系的控制過程。

圖1-1是典型的開環(huán)數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)。數(shù)控機(jī)床是一種利用數(shù)控技術(shù)，準(zhǔn)確地按照事先安排的工藝流程，實(shí)現(xiàn)規(guī)定加工動(dòng)作的金屬切削機(jī)床。系統(tǒng)由輸入量、控制裝置、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、被控對(duì)象及輸出量組成。輸入量作用于系統(tǒng)的輸入端，它的作用是在數(shù)控機(jī)床加工工件時(shí)，把根據(jù)該工件的尺寸、形狀和技術(shù)條件編出的加工程序輸入計(jì)算機(jī)控制裝置。計(jì)算機(jī)控制裝置經(jīng)過運(yùn)算、處理后，發(fā)出指令脈沖(又稱進(jìn)給脈沖)，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路放大后，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)為該系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)(又稱返回上頁下頁圖庫

1.3.1按自動(dòng)控制方式分類伺服系統(tǒng)）。一個(gè)進(jìn)給脈沖使步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，通過齒輪絲杠傳動(dòng)使工作臺(tái)移動(dòng)一定距離。系統(tǒng)的被控對(duì)象是工作臺(tái)，被控量是工作臺(tái)位移。工作臺(tái)的位移量與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角位移成正比，改變進(jìn)給脈沖的數(shù)目和頻率，就可以控制工作臺(tái)的位移和速度。此系統(tǒng)中沒有檢測(cè)裝置，指令信號(hào)單方向傳遞，并且指令發(fā)出后，不再反饋回來。如果系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生變化，或受到擾動(dòng)的影響，系統(tǒng)的輸出量(即被控量)就會(huì)出現(xiàn)誤差，而開環(huán)系統(tǒng)對(duì)這種誤差是無能為力的。所以，開環(huán)控制精度不是很高。但它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)試方便、容易維修、成本較低，而且不會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定問題。目前國內(nèi)大力發(fā)展的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床，普遍采用開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)。

2.

閉環(huán)控制系統(tǒng)

開環(huán)控制系統(tǒng)的控制精度不高，主要是沒有檢測(cè)工作臺(tái)移動(dòng)的實(shí)際位置，也就沒有糾正實(shí)際偏差的能力。圖1-2是閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖，安裝在工作臺(tái)上的檢測(cè)元件將工作臺(tái)實(shí)際位移量反饋到計(jì)算機(jī)中與所要求返回上頁下頁圖庫

1.3.1按自動(dòng)控制方式分類的位置指令進(jìn)行比較，用比較的差值送給控制電路進(jìn)行控制直到差值消除為止。從而使加工精度大大提高。速度檢測(cè)元件的作用是將伺服電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速變換成電信號(hào)送到速度控制電路中，進(jìn)行反饋校正，以保證電機(jī)轉(zhuǎn)速保持恒定不變。常用速度檢測(cè)元件是與電機(jī)同軸的測(cè)速發(fā)電機(jī)。閉環(huán)控制的特點(diǎn)是加工精度高，移動(dòng)速度快。這類數(shù)控機(jī)床采用直流伺服電機(jī)或交流伺服電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)元件，電機(jī)的控制電路比較復(fù)雜，檢測(cè)元件價(jià)格昂貴，因此調(diào)試和維修比較復(fù)雜?？傊?，閉環(huán)控制是在控制器與被控對(duì)象之間，不僅存在著正向作用，而且存在著反饋?zhàn)饔?，即系統(tǒng)的輸出信號(hào)對(duì)控制量有直接的影響。將檢測(cè)出來的輸出信號(hào)送回系統(tǒng)的輸入端，并與輸入信號(hào)比較的過程稱為反饋。若反饋信號(hào)與輸入信號(hào)相減則稱為負(fù)反饋，若相加，則稱為正反饋。輸入信號(hào)與反饋信號(hào)之差，稱為偏差信號(hào)。偏差信號(hào)作用于控制器上，使系統(tǒng)的輸出信號(hào)趨向于希望的數(shù)值。閉環(huán)控制的實(shí)質(zhì)，就是利用負(fù)反饋的作用來減小系統(tǒng)誤差，因此閉環(huán)控制又稱為反饋控制。返回上頁下頁圖庫閉環(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

動(dòng)畫閉控制系統(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。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)相比較，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

1.3.1按自動(dòng)控制方式分類3.

復(fù)合式控制系統(tǒng)

當(dāng)生產(chǎn)機(jī)構(gòu)對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)提出很高的要求時(shí)，單獨(dú)采用開環(huán)控制或者閉環(huán)控制都是有困難的。這時(shí)，可以設(shè)計(jì)一種開環(huán)控制和閉環(huán)控制相結(jié)合的復(fù)合控制系統(tǒng)，如圖1-3所示。圖中圓圈代表比較器；負(fù)號(hào)代表負(fù)反饋。在這種系統(tǒng)中，帶有負(fù)反饋的閉環(huán)起主要調(diào)節(jié)作用。開環(huán)系統(tǒng)可以按輸入量進(jìn)行控制或按擾動(dòng)量進(jìn)行控制（當(dāng)擾動(dòng)量可測(cè)量時(shí)）。圖1-3復(fù)合式控制典型方框圖開環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)返回上頁下頁圖庫爐溫開環(huán)控制復(fù)合控制系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)提出較高要求時(shí)使用開環(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)速復(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

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

1.3.2按輸入信號(hào)特征分類

1.恒值控制系統(tǒng)

當(dāng)控制系統(tǒng)的任務(wù)是當(dāng)輸入量為給定量時(shí)，能克服擾動(dòng)量對(duì)系統(tǒng)的影響，使輸出量為對(duì)應(yīng)于輸入量的恒定值，把這種控制系統(tǒng)稱為恒值控制系統(tǒng)。

如圖1-4所示為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制系統(tǒng)，當(dāng)給定電位器滑動(dòng)端位置一定時(shí)，電動(dòng)機(jī)和生產(chǎn)機(jī)構(gòu)就獲得了相應(yīng)的轉(zhuǎn)速。這時(shí)，如果系統(tǒng)產(chǎn)生擾動(dòng)，如負(fù)載增大，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速就會(huì)降低，與電動(dòng)機(jī)同軸的測(cè)速發(fā)電機(jī)的輸出電壓跟著降低。由于放大器的輸入電壓等于給定電壓與發(fā)電機(jī)反饋電壓之差，所以放大器的輸入電壓和輸出電壓都會(huì)升高，使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速升高，回到希望值附近。反之，若負(fù)載變小，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速升高，測(cè)速發(fā)電機(jī)電壓變大，放大器輸入電壓變小，使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速降低。除了負(fù)載擾動(dòng)外，從輸入到輸出的通道內(nèi)，不管是元件參數(shù)變化，還是電壓波動(dòng)等任何原因引起的轉(zhuǎn)速偏離期望值，控制系統(tǒng)都能自動(dòng)修正偏差。返回上頁下頁圖庫

電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的方框圖，如圖1-5所示：

2.隨動(dòng)系統(tǒng)

如果輸入信號(hào)為預(yù)先未知的隨時(shí)間任意變化的函數(shù)，要求輸出量精確地、快速地跟隨輸入信號(hào)，則這類系統(tǒng)稱為隨動(dòng)系統(tǒng)。隨動(dòng)系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)和國防建設(shè)中有著極為廣泛的應(yīng)用，如火炮控制系統(tǒng)、雷達(dá)跟蹤系統(tǒng)、函數(shù)記錄儀、艦船操舵系統(tǒng)等都是典型的隨動(dòng)系統(tǒng)。

圖1-6為火炮控制系統(tǒng)，在此系統(tǒng)中，當(dāng)輸入一個(gè)角度時(shí)，如果輸出角度與輸入角度不同，則同位儀檢測(cè)裝置輸出一個(gè)偏差信號(hào)到控制與放大器的輸入端，其輸出端輸出一個(gè)相應(yīng)的電壓，致使直流電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)炮架轉(zhuǎn)動(dòng)。與此同時(shí)，又把炮架的位置反饋到同位儀檢測(cè)裝置，直至輸出角度與輸入角度相等，放大器的輸入、輸出為零，電動(dòng)機(jī)停止旋轉(zhuǎn)，炮架也就被控制轉(zhuǎn)動(dòng)到了給定的角度?；鹋诟櫹到y(tǒng)框圖，如圖1-7所示。返回上頁下頁圖庫

3.程序控制系統(tǒng)如果系統(tǒng)的輸入量按既定規(guī)律變化，系統(tǒng)的控制過程按預(yù)定的程序進(jìn)行，則這類系統(tǒng)稱為程序控制系統(tǒng)。如前面講到的數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)，輸入命令是根據(jù)加工工藝事先編制好的。

恒值控制系統(tǒng)隨動(dòng)系統(tǒng)返回上頁下頁圖庫1.3.3按使用的數(shù)學(xué)方法分類連續(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。線性系統(tǒng)/非線性系統(tǒng)

線性系統(tǒng)用線性微分方程或差分方程描述，滿足疊加原理。疊加原理包括疊加性和齊次性。非線性系統(tǒng)用非線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)

1.4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)的過渡過程要平穩(wěn)，

快速穩(wěn)定性：

系統(tǒng)受到干擾后偏離原來的工作狀態(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)的輸出趨于無窮或進(jìn)入振蕩狀態(tài)，則稱系統(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)過渡過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)過若干次衰減振蕩，而且在振蕩過程中會(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。1.4對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求1.4.2動(dòng)態(tài)性能動(dòng)態(tài)性能是指系統(tǒng)過渡過程的快速性和振蕩性。由于控制系統(tǒng)慣性的存在，所以系統(tǒng)的輸出跟隨輸入的變化總是有一定的延遲。這個(gè)時(shí)間越短，快速性越好。又由于有些系統(tǒng)的阻尼比較小，所以系統(tǒng)從一個(gè)穩(wěn)