自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念

自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念第1頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)的一般概念第二節(jié)開(kāi)環(huán)控制和閉環(huán)控制第三節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)的類(lèi)型第四節(jié)控制系統(tǒng)性能的基本要求

和本課程的主要任務(wù)????本章研究?jī)?nèi)容第一章引論第五節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)例?返回第2頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月自動(dòng)控制系統(tǒng)自動(dòng)控制本章返回1.1

自動(dòng)控制系統(tǒng)的一般概念相關(guān)概念第3頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月舉例：

對(duì)路燈的控制有兩種方式：依靠肉眼觀察路面亮度——對(duì)開(kāi)關(guān)進(jìn)行控制依靠檢測(cè)元件自動(dòng)檢測(cè)路面亮度——對(duì)開(kāi)關(guān)進(jìn)行控制兩者控制目的相同，但控制手段不同手動(dòng)完成自動(dòng)完成本章返回1.1

自動(dòng)控制系統(tǒng)的一般概念第4頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月★

自動(dòng)控制就是指在沒(méi)有人直接參與的情況下，利用控制器使被控對(duì)象(如機(jī)器、設(shè)備和生產(chǎn)過(guò)程)的某些物理量(或工作狀態(tài))能自動(dòng)地按照預(yù)定的規(guī)律變化(或運(yùn)行)

★

自動(dòng)控制系統(tǒng)完成自動(dòng)控制過(guò)程的所有元件與裝置組成的整體就稱(chēng)為自動(dòng)控制系統(tǒng)。1.1

自動(dòng)控制系統(tǒng)的一般概念第5頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月自動(dòng)控制系統(tǒng)由各種控制裝置被控制對(duì)象組成圖1.1直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)(V-M系統(tǒng))

給定裝置被控對(duì)象控制器給定量或輸入量n被控量輸出量控制量擾動(dòng)量TL第6頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖輸出量與輸入量之間沒(méi)有直接的聯(lián)系，對(duì)擾動(dòng)所引起的輸出的變化，系統(tǒng)沒(méi)有調(diào)節(jié)或控制作用。干擾輸入量輸出量單方向控制第7頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月圖1.3有人直接參與調(diào)節(jié)時(shí)的方塊圖1.1

自動(dòng)控制系統(tǒng)的一般概念干擾手動(dòng)調(diào)節(jié)第8頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月測(cè)速發(fā)電機(jī)放大器給定裝置圖1.4無(wú)人直接參與的電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)反饋量偏差n第9頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月圖1.5閉環(huán)控制的電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)方塊圖輸入量輸出量控制影響負(fù)反饋反饋量干擾偏差反饋控制系統(tǒng)第10頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.2

開(kāi)環(huán)控制和閉環(huán)控制閉環(huán)控制閉環(huán)控制系統(tǒng)的基本組成開(kāi)環(huán)控制第11頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.2.1開(kāi)環(huán)控制

?220V電阻爐（受控對(duì)象）自偶變壓器（控制器）溫度

Tc(被控量）uc控制量控制目標(biāo)uc→Tc擾動(dòng)量n

自耦變壓器電阻爐控制量uc輸出量Tc電阻爐溫度控制系統(tǒng)第12頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月★開(kāi)環(huán)控制只有輸入量對(duì)輸出量產(chǎn)生控制作用，而沒(méi)有輸出量參與對(duì)系統(tǒng)的控制；當(dāng)出現(xiàn)擾動(dòng)時(shí)，如果沒(méi)有人工干預(yù)，給定量與輸出量之間的對(duì)應(yīng)將被改變，即系統(tǒng)輸出量（實(shí)際輸出）將偏離給定量所要求的數(shù)值（理想輸出）。單方向控制開(kāi)環(huán)控制的特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、工作易穩(wěn)定、抗干擾能力差（精度不高）。開(kāi)環(huán)控制適用范圍：精度要求不高的場(chǎng)合。第13頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.2.2閉環(huán)控制M-+-+

-+uguf△uuc反饋量給定量

控制量偏差放大器加熱器

爐溫閉環(huán)控制系統(tǒng)自偶變壓器變速器被控量爐溫Tc熱電偶檢測(cè)裝置可逆伺服電動(dòng)機(jī)第14頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月比例積分調(diào)節(jié)器圖1.7實(shí)現(xiàn)比例積分控制規(guī)律的電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)U0nUnUd0第15頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月圖1.8閉環(huán)控制系統(tǒng)方塊圖前向通道反向通道對(duì)反饋環(huán)內(nèi)前向通道上的各種擾動(dòng)都具有控制作用反饋環(huán)反饋量第16頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月★

閉環(huán)控制（又稱(chēng)反饋控制或偏差控制）不僅存在輸入到輸出的控制，也存在輸出經(jīng)檢測(cè)裝置反饋到輸入端形成閉環(huán)，參與系統(tǒng)的控制，稱(chēng)此系統(tǒng)為閉環(huán)控制系統(tǒng)。

※閉環(huán)控制的實(shí)質(zhì)：

控制的過(guò)程——

不斷地進(jìn)行檢測(cè)偏差、糾正偏差的過(guò)程第17頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

★自動(dòng)控制系統(tǒng)的任務(wù)：

克服各種擾動(dòng)的影響，使系統(tǒng)按照給定量所設(shè)定的規(guī)律運(yùn)行。閉環(huán)控制的特點(diǎn)：精度高、抗干擾能力強(qiáng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高閉環(huán)控制的適用范圍：高精度控制系統(tǒng)中第18頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

1.2.3閉環(huán)控制系統(tǒng)的基本組成第19頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月本章返回第三節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)的類(lèi)型連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)單輸入單輸出系統(tǒng)與多輸入多輸出系統(tǒng)線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)定常系統(tǒng)和時(shí)變系統(tǒng)第20頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)的類(lèi)型按信號(hào)流向分開(kāi)環(huán)系統(tǒng)閉環(huán)系統(tǒng)恒值系統(tǒng)

按輸入量變化規(guī)律分隨動(dòng)系統(tǒng)程序控制系統(tǒng)

按系統(tǒng)輸入量和輸出量的關(guān)系分線性系統(tǒng)非線性系統(tǒng)本章返回本節(jié)返回★★★★第21頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月按系統(tǒng)傳輸信號(hào)與時(shí)間的關(guān)系分

連續(xù)系統(tǒng)離散系統(tǒng)按系統(tǒng)參數(shù)隨時(shí)間的變化情況分

定常系統(tǒng)時(shí)變系統(tǒng)按系統(tǒng)輸入輸出信號(hào)個(gè)數(shù)分

單輸入單輸出系統(tǒng)多輸入多輸出系統(tǒng)第三節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)的類(lèi)型本章返回本節(jié)返回★★★第22頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月本章返回本節(jié)返回同時(shí)滿足疊加性與均勻性的系統(tǒng)。一、線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)

⒈線性系統(tǒng)

疊加性：是指當(dāng)幾個(gè)輸入信號(hào)共同作用于系統(tǒng)時(shí)，總的輸出等于每個(gè)輸入單獨(dú)作用時(shí)產(chǎn)生的輸出之和。均勻性：是指當(dāng)輸入信號(hào)增大若干倍時(shí)，輸出也相應(yīng)增大同樣的倍數(shù)。第23頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月線性系統(tǒng)T()r(t)

c(t)

均勻性和疊加性：疊加性：均勻性：第24頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月式中：r(t)

——系統(tǒng)的輸入量an(t)

——系統(tǒng)參數(shù)

c(t)

——系統(tǒng)的輸出量bm(t)

——系統(tǒng)參數(shù)線性系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)規(guī)律用線性微分方程描述：第25頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月本章返回本節(jié)返回線性定常系統(tǒng)：

線性微分方程各項(xiàng)系數(shù)為常數(shù)的系統(tǒng)。2、非線性控制系統(tǒng)不滿足疊加性與均勻性的系統(tǒng)。第26頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

繼電器特性飽和特性不靈敏區(qū)特性輸入輸入輸入輸出輸出輸出本章返回本節(jié)返回系統(tǒng)中只要有一個(gè)元件的特性是非線性的，該系統(tǒng)即為非線性的控制系統(tǒng)系統(tǒng)中含有非線性元件第27頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二、定常系統(tǒng)和時(shí)變系統(tǒng)定常系統(tǒng)：系統(tǒng)的參數(shù)不隨時(shí)間的變化而變化時(shí)變系統(tǒng)：系統(tǒng)的參數(shù)隨時(shí)間的變化而變化性質(zhì)：在同樣的起始狀態(tài)下，系統(tǒng)的輸出(響應(yīng))

與輸入信號(hào)作用于系統(tǒng)的時(shí)刻無(wú)關(guān)

性質(zhì)：在同樣的起始狀態(tài)下，系統(tǒng)的輸出(響應(yīng))

與輸入信號(hào)作用于系統(tǒng)的時(shí)刻有關(guān)

第28頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月本章返回本節(jié)返回三、連續(xù)數(shù)據(jù)系統(tǒng)和離散數(shù)據(jù)系統(tǒng)連續(xù)信號(hào)：時(shí)間上連續(xù)。離散信號(hào)：時(shí)間上離散。模擬信號(hào)：時(shí)間連續(xù)，幅值連續(xù)。采樣信號(hào)：時(shí)間離散，幅值連續(xù)。數(shù)字信號(hào)：時(shí)間離散，幅值也離散。連續(xù)系統(tǒng):系統(tǒng)中的各變量都是連續(xù)信號(hào)。離散系統(tǒng)：系統(tǒng)中一處或幾處存在離散信號(hào)。第29頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月四、單輸入單輸出系統(tǒng)與多輸入多輸出系統(tǒng)單輸入單輸出系統(tǒng)(SISO)：?jiǎn)巫兞肯到y(tǒng)系統(tǒng)的輸入量與輸出量各為一個(gè)理論基礎(chǔ)：古典控制理論多輸入多輸出系統(tǒng)(MIMO)：多變量系統(tǒng)系統(tǒng)的輸入量與輸出量多于一個(gè)理論基礎(chǔ)：現(xiàn)代控制理論第30頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月本課程的主要任務(wù)控制系統(tǒng)性能的基本要求本章返回第四節(jié)控制系統(tǒng)性能的基本要求和本課程的主要任務(wù)第31頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

穩(wěn)性能好的自動(dòng)控制系統(tǒng)應(yīng)該具備

準(zhǔn)特點(diǎn)

快穩(wěn)——穩(wěn)定性——自動(dòng)控制系統(tǒng)首要考慮的問(wèn)題準(zhǔn)——準(zhǔn)確性——反映系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能（精度）快——快速性——反映系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程的暫態(tài)性能一、控制系統(tǒng)性能的基本要求第32頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月擾動(dòng)c(t）tc(t）t穩(wěn)定系統(tǒng)不穩(wěn)定系統(tǒng)本章返回本節(jié)返回★穩(wěn)定性第33頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月本章返回本節(jié)返回控制系統(tǒng)穩(wěn)定是系統(tǒng)正常工作的首要條件穩(wěn)定性還包含有過(guò)渡過(guò)程的平穩(wěn)性的含義——相對(duì)穩(wěn)定性擾動(dòng)c(t）t穩(wěn)定系統(tǒng)相對(duì)穩(wěn)定性高第34頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月本章返回本節(jié)返回負(fù)載擾動(dòng)負(fù)載擾動(dòng)

ess≠0

ess=0有差系統(tǒng)無(wú)差系統(tǒng)ttc(t)★

準(zhǔn)確性（穩(wěn)態(tài)性能）用穩(wěn)態(tài)誤差ess衡量c(t)第35頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月系統(tǒng)的暫態(tài)過(guò)程有以下幾種情況：

otot

給定突然變化負(fù)載突然變化

⑴單調(diào)過(guò)程本章返回本節(jié)返回★快速性（暫態(tài)性能）c(t)c(t)c2(t)c1(t)第36頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

給定突然變化負(fù)載突然變化⑶持續(xù)振蕩狀態(tài)

n

n

o

t

o

t

給定突然變化負(fù)載突然變化n2n1本章返回本節(jié)返回

o

t

o

t

⑵衰減振蕩過(guò)程c(t)c(t)c2(t)c1(t)c0(t)第37頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月⑷發(fā)散振蕩狀態(tài)

給定突然變化負(fù)載突然變化系統(tǒng)的暫態(tài)性能指標(biāo)系統(tǒng)的暫態(tài)性能由暫態(tài)性能指標(biāo)衡量最大超調(diào)量上升時(shí)間過(guò)渡過(guò)程時(shí)間(或調(diào)節(jié)時(shí)間)振蕩次數(shù)。本章返回本節(jié)返回第38頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月5%或2%c()r(t)

ts

tr

t系統(tǒng)對(duì)突加給定信號(hào)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線0階躍輸入階躍響應(yīng)本章返回本節(jié)返回cmax

cmax-c()

c(t)

第39頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1、建立數(shù)學(xué)模型：時(shí)域——微分方程復(fù)域、頻域——傳遞函數(shù)

z域——差分方程2、系統(tǒng)分析穩(wěn)定性分析、動(dòng)態(tài)分析、穩(wěn)態(tài)性能分析3、系統(tǒng)綜合（設(shè)計(jì)、校正）★

自動(dòng)控制原理研究的主要內(nèi)容——基礎(chǔ)——目的第40頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第五節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)例例：烘烤爐溫度控制系統(tǒng)的原理圖熱電偶被控對(duì)象被控量給定量偏差反饋量執(zhí)行元件控制量第41頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月烘烤爐溫度控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖閥門(mén)開(kāi)度第42頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月