自動控制概論

自動控制概論第1頁，課件共22頁，創(chuàng)作于2023年2月第1章自動控制緒論控制系統(tǒng)的基本概念控制系統(tǒng)的基本方式控制系統(tǒng)的分類對控制系統(tǒng)的基本要求主要內(nèi)容：2023/7/272第2頁，課件共22頁，創(chuàng)作于2023年2月1.1

自動控制系統(tǒng)的基本概念自動控制在沒有人直接參與的情況下，通過控制器使被控對象或過程自動地按照預定的規(guī)律運行。自動控制系統(tǒng)是指能夠對被控對象的工作狀態(tài)進行自動控制的系統(tǒng)，它由被控對象和控制裝置組成。2023/7/273第3頁，課件共22頁，創(chuàng)作于2023年2月1.1

自動控制系統(tǒng)的基本概念控制系統(tǒng)的基本組成1、測量元件：傳感器2、比較元件：對控制量與參考輸入量進行比較，多和測量或放大元件結合在一起3、放大元件：使微弱信號具有足夠的幅值和功率4、執(zhí)行元件：接受偏差信號的控制產(chǎn)生動作，改變控制量5、校正元件：用于消除或減弱系統(tǒng)在控制過程中產(chǎn)生的震蕩2023/7/274第4頁，課件共22頁，創(chuàng)作于2023年2月反饋控制系統(tǒng)基本組成擾動測量變送給定環(huán)節(jié)比較環(huán)節(jié)放大變換執(zhí)行機構被控對象串聯(lián)校正反饋校正反饋信號參考輸入偏差控制量被控量輸出-+-給出與期望的輸出相對應的系統(tǒng)輸入量，是一類產(chǎn)生系統(tǒng)控制指令的裝置（或軟件界面）為改善系統(tǒng)的動態(tài)和靜態(tài)性能特性而附加的裝置，其參數(shù)可靈活調整。工程上稱為調節(jié)器或控制器。將比較微弱的偏差信號加以放大，以足夠的功率來推動執(zhí)行機構或被控對象

其職能是直接推動被控對象，使其被控量發(fā)生變化。常見的執(zhí)行元件有閥門，伺服電動機等用來檢測被控量的實際值。測量變送環(huán)節(jié)一般也稱為反饋環(huán)節(jié)。通常是一個設備、物體或過程（一般稱任何被控制的運行狀態(tài)為過程），其作用是完成一種特定的操作。它是控制系統(tǒng)所控制和操縱的對象，它接受控制量并輸出被控量。其作用是把測量元件檢測到的實際輸出值與給定環(huán)節(jié)給出的輸入值進行比較，求出它們之間的偏差。常用的電量比較元件有差動放大器、電橋電路等。

1.1

自動控制系統(tǒng)的基本概念2023/7/275第5頁，課件共22頁，創(chuàng)作于2023年2月1.1

自動控制系統(tǒng)的基本概念2023/7/276第6頁，課件共22頁，創(chuàng)作于2023年2月

被控量：即系統(tǒng)的輸出，是一種被測量和被控制的量值或狀態(tài)。

控制量：控制量也稱操縱量，是一種由控制器改變的量值或狀態(tài)，它將影響被控量的值。通常，被控量是系統(tǒng)的輸出量?？刂埔馕吨鴮ο到y(tǒng)的被控量的值進行測量，并且使控制量作用于系統(tǒng)，以修正或限制測量值對期望值的偏離。

參考輸入：是人為給定的，使系統(tǒng)具有預定性能或預定輸出的激發(fā)信號，它代表輸出的希望值。故又稱為給定輸入、給定值、期望輸出等。名詞術語：1.1

自動控制系統(tǒng)的基本概念2023/7/277第7頁，課件共22頁，創(chuàng)作于2023年2月

反饋：將系統(tǒng)（或環(huán)節(jié)）的輸出量經(jīng)變換、處理送到系統(tǒng)（或環(huán)節(jié)）的輸入端，稱為反饋。

偏差：給定輸入量與主反饋量之差。

誤差：是指系統(tǒng)輸出量的實際值與希望值之差。系統(tǒng)希望值是理想化系統(tǒng)的輸出，實際上很難達到，因而用與控制輸入量有一定比例關系的信號來表示。在單位反饋情況下，希望值就是系統(tǒng)的輸入量，誤差量就等于偏差量。擾動：擾動是一種對系統(tǒng)的輸出量產(chǎn)生不利影響的信號。如果擾動產(chǎn)生在系統(tǒng)的內(nèi)部，稱為內(nèi)部擾動；反之，當擾動產(chǎn)生在系統(tǒng)的外部時，則稱之為外部擾動。外部擾動也是系統(tǒng)的輸入量。1.1

自動控制系統(tǒng)的基本概念2023/7/278第8頁，課件共22頁，創(chuàng)作于2023年2月1.2

自動控制的基本方式開環(huán)控制（信號單向流動）

控制裝置與被控對象之間只有順向作用而沒有反向聯(lián)系的控制。開關閉合后，不同的輸入電壓

u對應于不同的溫度

t。2023/7/279第9頁，課件共22頁，創(chuàng)作于2023年2月1.2

自動控制的基本方式輸入量輸出量典型開環(huán)控制的方框圖控制裝置被控對象擾動輸出量

受控對象控制裝置

(電源)輸入量(溫度)擾動量開關電爐恒溫箱加熱電阻絲爐溫開環(huán)控制系統(tǒng)方框圖2023/7/2710第10頁，課件共22頁，創(chuàng)作于2023年2月1.2

自動控制的基本方式控制方式：按給定值操縱。信號由給定值至輸出量單向傳遞。一定的給定值對應一定的輸出量。系統(tǒng)的控制精度取決于系統(tǒng)事先的調整精度。對于工作過程中受到的擾動或特性參數(shù)的變化無法自動補償。結構簡單，成本低廉，多用于系統(tǒng)結構參數(shù)穩(wěn)定和擾動信號較弱的場合。開環(huán)控制系統(tǒng)特點：信號從輸入到輸出無反饋,單向傳遞結構簡單控制精度不高,無法抑制擾動2023/7/2711第11頁，課件共22頁，創(chuàng)作于2023年2月閉環(huán)控制（信號有反向作用）閉環(huán)控制系統(tǒng)原理框圖控制裝置被控對象輸入量被控量反饋環(huán)節(jié)擾動1.2

自動控制的基本方式反饋：

輸出量送回至輸入端并與輸入信號比較的過程負反饋：

反饋的信號與輸入信號相減而使偏差越來越小2023/7/2712第12頁，課件共22頁，創(chuàng)作于2023年2月1.2

自動控制的基本方式閉環(huán)控制:

是指控制器與控制對象之間既有順向作用有反向聯(lián)系的控制過程。特點:

輸出影響輸入，所以能削弱或抑制干擾；低精度元件可組成高精度系統(tǒng)；因為可能發(fā)生超調、振蕩，所以穩(wěn)定性很重要。2023/7/2713第13頁，課件共22頁，創(chuàng)作于2023年2月復合控制（前向聯(lián)系、反向作用）

復合控制是閉環(huán)控制和開環(huán)控制相結合的一種方式。實質上是在閉環(huán)控制回路的基礎上，附加一個輸入信號（給定或擾動）的順饋通路，對該信號帶來的干擾進行補償，以達到精確的控制效果。1.2

自動控制的基本方式2023/7/2714第14頁，課件共22頁，創(chuàng)作于2023年2月單變量系統(tǒng)多變量系統(tǒng)按給定信號的形式分按系統(tǒng)參數(shù)是否隨時間變化分按輸入輸出變量的多少分分類按系統(tǒng)是否滿足疊加定理分按信號傳遞的形式分恒值系統(tǒng)隨動系統(tǒng)線性系統(tǒng)非線性系統(tǒng)定常系統(tǒng)時變性系統(tǒng)連續(xù)系統(tǒng)離散系統(tǒng)1.3

控制系統(tǒng)的分類2023/7/2715第15頁，課件共22頁，創(chuàng)作于2023年2月

定值調節(jié)系統(tǒng)

如果反饋控制系統(tǒng)的參考輸入信號為恒定的常量，則稱這類反饋控制系統(tǒng)為定值調節(jié)系統(tǒng)。1.3

控制系統(tǒng)的分類2023/7/2716第16頁，課件共22頁，創(chuàng)作于2023年2月

隨動系統(tǒng)

在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，如果參考輸入信號為一任意時間函數(shù)，其變化規(guī)律無法預先予以確定，則稱這類輸入信號的閉環(huán)控制系統(tǒng)為隨動系統(tǒng)。1.3

控制系統(tǒng)的分類2023/7/2717第17頁，課件共22頁，創(chuàng)作于2023年2月1.4

對控制系統(tǒng)的基本要求穩(wěn)定性

被控制信號能跟蹤已變化的輸入信號，從一種狀態(tài)到另一種狀態(tài)，如果能做到，我們就認為該系統(tǒng)是穩(wěn)定的，這是對反饋控制系統(tǒng)提出的最基本要求?？焖傩?/p>

對過渡過程的形式和快慢提出要求，一般稱為動態(tài)性能。穩(wěn)定高射炮射角隨動系統(tǒng)，雖然炮身最終能跟蹤目標，但如果目標變動迅速，而炮身行動遲緩，仍然抓不住目標?？刂葡到y(tǒng)的基本要求：2023/7/2718第18頁，課件共22頁，創(chuàng)作于2023年2月1.4對控制系統(tǒng)的基本要求準確性

用穩(wěn)態(tài)誤差來表示。在參考輸入信號作用下，當系統(tǒng)達到穩(wěn)態(tài)后，其穩(wěn)態(tài)輸出與參考輸入所要求的期望輸出之差叫做給定穩(wěn)態(tài)誤差。顯然，這種誤差越小，表示系統(tǒng)的輸出跟隨參考輸入的精度越高。穩(wěn)定性：是保證控制系統(tǒng)正常工作的先決條件。快速性：動態(tài)性能，有指標。準確性：穩(wěn)態(tài)（過度結束后的）值應盡量與期望值一致。2023/7/2719第19頁，課件共22頁，創(chuàng)作于2023年2月1.4

對控制系統(tǒng)的基本要求自動控制系統(tǒng)除了滿足穩(wěn)態(tài)性能之外，還應滿足動態(tài)過程的性能要求。動態(tài)過程的基本特性取決于系統(tǒng)的結構和參數(shù)，其基本形態(tài)有：（1）單調過程（2）衰減振蕩過程（3）等幅振蕩過程（4）發(fā)散振蕩過程2023/7/2720第20頁，課件共22頁，創(chuàng)作于2023年2月1.4

對控制系統(tǒng)的基本要求tnn1(a)0(b)nt0n0n1t0nn0t(e)n1n0t(d)n0(c)n1n0t(f)

(a)、(b)非周期振蕩；(c)發(fā)散振蕩；(d)、(e)衰減振蕩；(f)等幅振蕩2023/7/2721第21頁，課