《自動(dòng)化控制原理與系統(tǒng)》第一章 自動(dòng)控制的基本概念

自動(dòng)化控制原理與系統(tǒng)1自動(dòng)控制的基本概念系統(tǒng)框圖第一章自動(dòng)控制的基本概念

1.1自動(dòng)控制理論概述1.2簡(jiǎn)要?dú)v史1.3自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成1.4自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類(lèi)1.5自動(dòng)控制系統(tǒng)舉例1.6自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求1.7本課程的學(xué)習(xí)任務(wù)與學(xué)習(xí)要求自動(dòng)控制理論概述1.1自動(dòng)控制理論相應(yīng)地分為“經(jīng)典控制理論”和“現(xiàn)代控制理論”兩大部分。第一章自動(dòng)控制的基本概念

自動(dòng)控制理論是研究各種自動(dòng)控制過(guò)程共同規(guī)律的技術(shù)科學(xué)。經(jīng)典控制理論是指20世紀(jì)50年代末期所形成的理論體系。主要研究單輸入-單輸出線(xiàn)性定常系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)問(wèn)題。主要采用復(fù)頻域分析方法?，F(xiàn)代控制理論始于20世紀(jì)60年代初，適用于研究具有高性能、高精度的多輸入-多輸出、線(xiàn)性或非線(xiàn)性、定?；驎r(shí)變系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)問(wèn)題，如最優(yōu)控制、最優(yōu)濾波、自適應(yīng)控制等。簡(jiǎn)要發(fā)展歷史1.2第一章自動(dòng)控制的基本概念1788年，詹姆斯·瓦特設(shè)計(jì)了離心調(diào)節(jié)器，譽(yù)為自動(dòng)控制領(lǐng)域第一項(xiàng)重大成果。而后到20世紀(jì)30年代，相繼對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性進(jìn)行分析，并提出用于位置控制系統(tǒng)的伺服機(jī)構(gòu)的概念。20世紀(jì)40年代發(fā)展了系統(tǒng)系統(tǒng)的頻域分析法和根軌跡法，成為經(jīng)典控制理論的核心。20世紀(jì)50年代開(kāi)始，控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到對(duì)確定系統(tǒng)和隨機(jī)系統(tǒng)的最優(yōu)控制、復(fù)雜系統(tǒng)的自適應(yīng)控制、學(xué)習(xí)控制和魯棒控制的研究。目前，自動(dòng)控制理論正向以控制論、信息論和人工智能為基礎(chǔ)的智能控制理論方向發(fā)展。自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成1.3第一章自動(dòng)控制的基本概念人工控制自動(dòng)控制自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成1.3第一章自動(dòng)控制的基本概念

自動(dòng)控制指在沒(méi)有人直接參與的情況下，利用控制裝置操縱被控對(duì)象（被控量），使其按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)動(dòng)或變化。

控制裝置一般由三部分組成：①自動(dòng)檢測(cè)裝置：自動(dòng)檢測(cè)裝置包括測(cè)量元件和變送元件，起自動(dòng)檢測(cè)被控對(duì)象的作用。②自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置：起綜合、分析、比較、判斷和運(yùn)算的作用，并能按一定的規(guī)律發(fā)出控制信號(hào)和指令。③執(zhí)行裝置：起具體執(zhí)行控制信號(hào)和指令的作用，給北側(cè)對(duì)象施加某種作用，使其改變輸入量。自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成1.3第一章自動(dòng)控制的基本概念

控制系統(tǒng)的詳細(xì)分類(lèi)：測(cè)量、變送元件設(shè)定元件比較元件能源元件放大元件執(zhí)行元件校正元件自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成1.3第一章自動(dòng)控制的基本概念圖1-1自動(dòng)控制系統(tǒng)方框圖

在研究自動(dòng)控制系統(tǒng)的工作原理時(shí)，為更清楚地表示系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和組成，說(shuō)明各元件間信號(hào)傳遞的因果關(guān)系，分析系統(tǒng)時(shí)常采用方框圖表示。自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類(lèi)1.4第一章自動(dòng)控制的基本概念開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)開(kāi)環(huán)控制如果控制裝置與被控對(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，稱(chēng)這種控制方式為開(kāi)環(huán)控制，相應(yīng)的系統(tǒng)為開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)。圖1-2為一個(gè)開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)。圖1-2直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制方框圖開(kāi)環(huán)控制特點(diǎn)單向傳遞，路徑不閉合系統(tǒng)精度低，抗干擾能力差結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)整方便，成本低自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類(lèi)1.4第一章自動(dòng)控制的基本概念開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制如果控制裝置與被控對(duì)象之間既有順向作用又有反向聯(lián)系的控制過(guò)程，稱(chēng)這種控制方式為閉環(huán)控制，相應(yīng)的系統(tǒng)為閉環(huán)控制系統(tǒng)。圖1-3為一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)。圖1-3直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制方框圖閉環(huán)控制特點(diǎn)循環(huán)控制，路徑閉合系統(tǒng)精度高，抗干擾能力強(qiáng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，元件和參數(shù)配置要求較高自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類(lèi)1.4第一章自動(dòng)控制的基本概念定值、隨動(dòng)和程序控制系統(tǒng)定值控制系統(tǒng)系統(tǒng)給定值（參考輸入）為恒定常數(shù)，這種控制系統(tǒng)稱(chēng)為定值控制系統(tǒng)，這種系統(tǒng)可通過(guò)反饋控制使系統(tǒng)的被控參數(shù)（輸出）保持恒定、希望的數(shù)值。隨動(dòng)控制系統(tǒng)系統(tǒng)給定值（參考輸入）隨時(shí)間任意變化的控制系統(tǒng)稱(chēng)為隨動(dòng)控制系統(tǒng)，這種系統(tǒng)的任務(wù)是在各種情況下保證系統(tǒng)的輸出以一定的精度跟隨參考輸入的變化而變化，所以這種系統(tǒng)又稱(chēng)為跟蹤系統(tǒng)。程序控制系統(tǒng)若系統(tǒng)給定值（參考輸入）隨時(shí)間變化并具有一定的規(guī)律，并且是實(shí)現(xiàn)給定的時(shí)間函數(shù)，這種控制系統(tǒng)稱(chēng)為程序控制系統(tǒng)。也可以說(shuō)。程序控制系統(tǒng)是隨動(dòng)控制系統(tǒng)的一種特殊情況。自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類(lèi)1.4第一章自動(dòng)控制的基本概念線(xiàn)性和非線(xiàn)性控制系統(tǒng)

系統(tǒng)中各組成環(huán)節(jié)或元件的狀態(tài)或特性可以用線(xiàn)性微分方程（或差分方程）來(lái)描述時(shí)，這種系統(tǒng)稱(chēng)為線(xiàn)性控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)可使用疊加原理。根據(jù)描述系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的微分（或差分）方程的系數(shù)是否隨時(shí)間變化，可分為線(xiàn)性定常系統(tǒng)和線(xiàn)性時(shí)變系統(tǒng)。

當(dāng)系統(tǒng)中存在具有線(xiàn)性特性的組成環(huán)節(jié)或元件時(shí)，系統(tǒng)的特性則由非線(xiàn)性方程來(lái)描述，這樣的系統(tǒng)稱(chēng)為非線(xiàn)性控制系統(tǒng)。疊加原理不適用于此系統(tǒng)。自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類(lèi)1.4第一章自動(dòng)控制的基本概念連續(xù)和離散控制系統(tǒng)連續(xù)控制系統(tǒng)當(dāng)系統(tǒng)中各組成環(huán)節(jié)的輸入、輸出信號(hào)都是時(shí)間的連續(xù)函數(shù)時(shí)，稱(chēng)此類(lèi)系統(tǒng)為連續(xù)控制系統(tǒng)，亦稱(chēng)為模擬控制系統(tǒng)。連續(xù)控制系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)或特性一般用微分方程來(lái)描述。離散控制系統(tǒng)當(dāng)系統(tǒng)中某些組成環(huán)節(jié)或元件的輸入、輸出信號(hào)在時(shí)間上是離散的，即僅在離散的瞬間取值時(shí)，稱(chēng)此類(lèi)系統(tǒng)為離散控制系統(tǒng)。離散控制系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)或特性一般用差分方程來(lái)描述。自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類(lèi)1.4第一章自動(dòng)控制的基本概念單變量和多變量控制系統(tǒng)單變量控制系統(tǒng)在一個(gè)控制系統(tǒng)中，如果只有一個(gè)被控制的參數(shù)和一個(gè)控制作用來(lái)控制對(duì)象，則此系統(tǒng)為單變量控制系統(tǒng)，亦稱(chēng)為單輸入單輸出系統(tǒng)。

多變量控制系統(tǒng)如果一個(gè)控制系統(tǒng)中的被控參數(shù)多于一個(gè)，控制作用也多于一個(gè)，且個(gè)控制回路之間有耦合關(guān)系，則此系統(tǒng)為多變量控制系統(tǒng)，亦稱(chēng)為多輸入多輸出系統(tǒng)。

自動(dòng)控制系統(tǒng)舉例1.5第一章自動(dòng)控制的基本概念要了解一個(gè)實(shí)際的自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成，要畫(huà)出組成系統(tǒng)的框圖，必須明確下面的一些問(wèn)題：1.哪個(gè)是控制對(duì)象？被控量是什么?影響被控量的主擾動(dòng)量是什么?2.哪個(gè)是執(zhí)行元件？3.測(cè)量被控量的元件有哪些?有哪些反饋環(huán)節(jié)?4.輸入量由哪個(gè)元件給定的?反饋量與給定量如何進(jìn)行比較的？5.此外還有哪些元件(或單元)，它們?cè)谙到y(tǒng)中處于什么地位?起什么作用?自動(dòng)控制系統(tǒng)舉例1.5第一章自動(dòng)控制的基本概念溫度控制系統(tǒng)圖1-4烘烤爐溫度控制系統(tǒng)原理圖如圖1-4所示，該控制系統(tǒng)的任務(wù)是為了保持爐膛溫度恒定。自動(dòng)控制系統(tǒng)舉例1.5第一章自動(dòng)控制的基本概念溫度控制系統(tǒng)

由圖1-5可以看出來(lái)，該控制系統(tǒng)是一個(gè)閉合回路，信號(hào)經(jīng)由調(diào)節(jié)器、烘烤爐后又反饋到調(diào)節(jié)器，是一個(gè)反饋系統(tǒng)。圖1-5烘烤爐溫度控制系統(tǒng)方框圖自動(dòng)控制系統(tǒng)舉例1.5第一章自動(dòng)控制的基本概念位置隨動(dòng)系統(tǒng)

圖1－6所示的機(jī)床工作臺(tái)位置隨動(dòng)系統(tǒng)中，控制系統(tǒng)的任務(wù)是控制工作臺(tái)的位置，使之按指令電位器給出的規(guī)律變化。圖1－6機(jī)床工作臺(tái)位置隨動(dòng)系統(tǒng)原理圖自動(dòng)控制系統(tǒng)舉例1.5第一章自動(dòng)控制的基本概念

由系統(tǒng)上述工作過(guò)程可知，系統(tǒng)通過(guò)反饋電位器不斷地對(duì)輸出量進(jìn)行檢測(cè)并返回輸入端與輸入量進(jìn)行比較，得出偏差信號(hào)，再利用所得的偏差信號(hào)控制系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)，以便隨時(shí)消除偏差。從而實(shí)現(xiàn)了工作臺(tái)位置按指令電位器給定位置變化的運(yùn)動(dòng)目的。位置隨動(dòng)系統(tǒng)圖1-7機(jī)床工作臺(tái)位置隨動(dòng)系統(tǒng)方框圖自動(dòng)控制系統(tǒng)舉例1.5第一章自動(dòng)控制的基本概念自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)

圖1－8所示為自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)原理圖。由圖可以明確：控制系統(tǒng)的任務(wù)是保持工作機(jī)械恒轉(zhuǎn)速運(yùn)行。圖1－8自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)原理圖自動(dòng)控制系統(tǒng)舉例1.5第一章自動(dòng)控制的基本概念

這里是通過(guò)測(cè)量轉(zhuǎn)速（與給定轉(zhuǎn)速的偏差）來(lái)控制轉(zhuǎn)速的，因此，調(diào)速系統(tǒng)亦稱(chēng)為按偏差調(diào)節(jié)的自動(dòng)控制系統(tǒng)，自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)圖1－9自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)原理框圖自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求1.6第一章自動(dòng)控制的基本概念

在實(shí)際應(yīng)用中，雖然自動(dòng)控制系統(tǒng)的服務(wù)對(duì)象和系統(tǒng)性能的具體要求不盡相同，但所有自動(dòng)控制系統(tǒng)要達(dá)到的控制目標(biāo)是一致的，即在理想情況下，希望自動(dòng)控制系統(tǒng)的被控量和給定值在任何時(shí)候都相等或保持一個(gè)固定的比例關(guān)系，沒(méi)有任何偏差，而且不受任何干擾的影響，其表達(dá)式：

而實(shí)際情況下，自動(dòng)控制系統(tǒng)難免會(huì)受到干擾，被控量不能瞬時(shí)達(dá)到設(shè)定值，其間存在一個(gè)變化的過(guò)程。自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求1.6第一章自動(dòng)控制的基本概念

系統(tǒng)控制過(guò)程中的優(yōu)劣可以通過(guò)動(dòng)態(tài)過(guò)程中c(t)的變化較充分的顯示出來(lái)。如圖1-6為被控量的幾種變化情況。圖1-6系統(tǒng)的階躍響應(yīng)振蕩收斂振蕩收斂等幅振蕩發(fā)散自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求1.6第一章自動(dòng)控制的基本概念

一個(gè)高質(zhì)量的自動(dòng)控制系統(tǒng)在其整控制過(guò)程中，被控量和給定量之間的偏差應(yīng)該越小越好。

工程上，常常從穩(wěn)定性、快速性、準(zhǔn)確性三個(gè)方面來(lái)評(píng)價(jià)自動(dòng)控制系統(tǒng)的總體控制性能。穩(wěn)定性指控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過(guò)程的振蕩傾向和重新恢復(fù)平衡工作狀態(tài)的能力，是評(píng)價(jià)系統(tǒng)能否正常工作的重要性能指標(biāo)?？焖傩灾缚刂葡到y(tǒng)過(guò)渡過(guò)程的時(shí)間的長(zhǎng)短，是評(píng)價(jià)穩(wěn)定系統(tǒng)暫態(tài)性能指標(biāo)。準(zhǔn)確性指控制系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程結(jié)束后，或系統(tǒng)受干