東北大學(xué)自動(dòng)控制原理考研必看課件1

自動(dòng)控制原理東北大學(xué)王建輝顧樹生主編

楊自厚主審

清華大學(xué)出版社全國高等學(xué)校自動(dòng)化專業(yè)系列教材

普通高等教育“十一五”國家級(jí)規(guī)劃教材

國家精品課程教材自動(dòng)控制理論電路理論電機(jī)與拖動(dòng)大學(xué)物理信號(hào)與系統(tǒng)復(fù)變函數(shù)拉氏變換模擬電子技術(shù)線性代數(shù)微積分各類專業(yè)課線性系統(tǒng)現(xiàn)代控制理論該課程與其它課程的關(guān)系第1章自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念自動(dòng)控制原理東北大學(xué)《自動(dòng)控制原理》課程組第1章自動(dòng)控制原理的基本概念主要內(nèi)容開環(huán)控制系統(tǒng)與閉環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成和基本環(huán)節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)的類型自動(dòng)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)小結(jié)第1章自動(dòng)控制原理的基本概念學(xué)習(xí)重點(diǎn)了解自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)及其工作原理；

了解閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成和基本環(huán)節(jié)；

掌握反饋控制系統(tǒng)的基本要求——穩(wěn)定性、暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)——的基本定義；

學(xué)會(huì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的類型及本質(zhì)特征。自動(dòng)控制是一門技術(shù)學(xué)科，從方法論的角度來研究系統(tǒng)的建立、分析與設(shè)計(jì)《自動(dòng)控制原理》,是本學(xué)科的技術(shù)基礎(chǔ)課。課程的性質(zhì)和特點(diǎn)控制理論發(fā)展的幾個(gè)階段1.古典控制理論（20世紀(jì)40年代）以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)；研究單輸入單輸出（SISO）

線性定常（時(shí)不變）系統(tǒng)；主要為頻域法?？刂评碚摪l(fā)展的幾個(gè)階段2.現(xiàn)代控制理論（20世紀(jì)60年代）以狀態(tài)空間法為基礎(chǔ)；研究多輸入多輸出（MIMO）

非線性，時(shí)變系統(tǒng)；主要為時(shí)域法?？刂评碚摪l(fā)展的幾個(gè)階段3.智能控制理論（20世紀(jì)70年代）模仿人的智能對(duì)不確定性進(jìn)行有效的控制?？梢悦撾x模型。三個(gè)主要分支：模糊控制FuzzyControl專家系統(tǒng)

ExpertSystem神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)NeuralNetwork自動(dòng)控制自動(dòng)控制是在沒有人的直接干預(yù)下，利用物理裝置對(duì)生產(chǎn)設(shè)備和工藝過程進(jìn)行合理的控制，使被控制的物理量保持恒定，或者按照一定的規(guī)律變化，例如礦井提升機(jī)的速度控制、軋鋼廠加熱爐溫度的控制等等。自動(dòng)控制系統(tǒng)自動(dòng)控制系統(tǒng)是為實(shí)現(xiàn)某一控制目標(biāo)所需要的所有物理部件的有機(jī)組合體。1.1開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)幾個(gè)基本概念被控對(duì)象（控制對(duì)象）需要進(jìn)行控制的機(jī)器設(shè)備或生產(chǎn)過程被控量（輸出量）被控對(duì)象內(nèi)要求被控的參數(shù)輸入量給定量（控制量）：保證擾動(dòng)量：妨礙1.1開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)1.開環(huán)控制系統(tǒng)例1-1爐溫控制系統(tǒng)1-自耦變壓器2-加熱器被控對(duì)象輸出量輸入量擾動(dòng)量功能框圖(結(jié)構(gòu)示意圖)1.1開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)例1-2轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)被控對(duì)象輸出量輸入量擾動(dòng)量功能框圖(結(jié)構(gòu)示意圖)1.1開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)開環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖1-控制器2-被控對(duì)象1.1開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)開環(huán)控制

控制系統(tǒng)的輸出量對(duì)系統(tǒng)沒有控制作用。開環(huán)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)輸入量與輸出量一一對(duì)應(yīng)。信號(hào)傳遞是單方向的，即只有輸入量對(duì)輸出量產(chǎn)生控制作用。系統(tǒng)沒有抗干擾能力。1.1開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)2.閉環(huán)控制系統(tǒng)例1-3爐溫閉環(huán)控制系統(tǒng)1-熱電偶2-加熱器工作過程調(diào)節(jié)過程（過渡過程）功能框圖1.1開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)例1-4閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)工作過程調(diào)節(jié)過程功能框圖1-控制器

2-控制對(duì)象

3-檢測裝置正向通道反向通道1.1開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖反饋/偏差控制系統(tǒng)1.1開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制閉環(huán)控制是把系統(tǒng)的輸出量檢測出來，經(jīng)過物理量的轉(zhuǎn)換，再反饋到系統(tǒng)的輸入端去與給定量進(jìn)行比較（形成偏差），利用偏差量作為控制信號(hào)來糾正偏差。閉環(huán)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)輸入量與輸出量一一對(duì)應(yīng)。信號(hào)傳遞是雙方向的：既有輸入量對(duì)輸出量的作用，又有輸出量對(duì)輸入量的作用。系統(tǒng)具有抗干擾能力。1.1開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)開環(huán)系統(tǒng)與閉環(huán)系統(tǒng)的主要區(qū)別

開環(huán)：只有從輸入端到輸出端的信號(hào)傳遞通道（單向）閉環(huán)：既有從輸入端到輸出端的信號(hào)傳遞通道又有從輸出端到輸入端的信號(hào)傳遞通道（雙向）1.2閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成和基本環(huán)節(jié)閉環(huán)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖

1-給定環(huán)節(jié)；2-比較環(huán)節(jié)；3-校正環(huán)節(jié)；4-放大環(huán)節(jié)；5-執(zhí)行機(jī)構(gòu)；6-被控對(duì)象；7-檢測裝置中間環(huán)節(jié)控制器1.3自動(dòng)控制系統(tǒng)類型1.按照系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分開環(huán)閉環(huán)2.按照信號(hào)傳遞方式分連續(xù)數(shù)據(jù)系統(tǒng)離散數(shù)據(jù)系統(tǒng)1.3自動(dòng)控制系統(tǒng)類型3.給定量變化規(guī)律分恒值系統(tǒng)給定量恒定隨動(dòng)系統(tǒng)給定量隨時(shí)間變化，預(yù)先未知程序控制系統(tǒng)給定量有規(guī)律地隨時(shí)間變化，預(yù)先已知1.3自動(dòng)控制系統(tǒng)類型4.按照主要元件的特性方程的輸入輸出特征分線性系統(tǒng)系統(tǒng)由線性元件組成，其運(yùn)動(dòng)方程式可以用線性微分方程式描述。方程中的輸出量及其導(dǎo)數(shù)均為一次，且各項(xiàng)系數(shù)與輸入量無關(guān)。齊次性疊加性1.3自動(dòng)控制系統(tǒng)類型非線性系統(tǒng)系統(tǒng)微分方程式的系數(shù)與自變量有關(guān)（a）繼電器特性（b）飽和特性（c）不靈敏區(qū)特性1.4自動(dòng)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)反饋控制系統(tǒng)存在兩種狀態(tài)：暫態(tài)（動(dòng)態(tài)）輸出量處于變化狀態(tài)的過程穩(wěn)態(tài)（靜態(tài)）輸出量處于相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)1.4自動(dòng)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)1.穩(wěn)定性

穩(wěn)定性是自動(dòng)控制系統(tǒng)能工作的首要條件，對(duì)于一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，如果其暫態(tài)過程不穩(wěn)定，系統(tǒng)是根本無法工作的。1.4自動(dòng)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)2.穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)穩(wěn)態(tài)誤差系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，輸出量的實(shí)際值和期望值之間的誤差。系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差的大小反映了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度，它表明了系統(tǒng)控制的準(zhǔn)確程度。穩(wěn)態(tài)誤差越小，則系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度越高。1.4自動(dòng)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)3.暫態(tài)性能指標(biāo)閉環(huán)系統(tǒng)的暫態(tài)過程單調(diào)過程衰減振蕩過程等幅振蕩過程發(fā)散振蕩過程1.4自動(dòng)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)暫態(tài)性能指標(biāo)最大超調(diào)量輸出最大值與輸出穩(wěn)態(tài)值的相對(duì)誤差。反映了系統(tǒng)的平穩(wěn)性。最大超調(diào)量越小，則說明系統(tǒng)過渡過程越平穩(wěn)。

上升時(shí)間指系統(tǒng)的輸出量第一次到達(dá)輸出穩(wěn)態(tài)值所對(duì)應(yīng)的時(shí)刻。

1.4自動(dòng)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)過渡過程時(shí)間（調(diào)節(jié)時(shí)間）系統(tǒng)的輸出量進(jìn)入并一直保持在穩(wěn)態(tài)輸出值附近的允許誤差帶內(nèi)所需的時(shí)間。允許誤差帶寬度一般取穩(wěn)態(tài)輸出值的2%或5%。調(diào)節(jié)時(shí)間的長短反映了系統(tǒng)的快速性。調(diào)節(jié)時(shí)間越小，系統(tǒng)的快速性越好。振蕩次數(shù)在調(diào)節(jié)時(shí)間內(nèi)，輸出量在穩(wěn)態(tài)值附近上下波動(dòng)的次數(shù)。它也反映系統(tǒng)的平穩(wěn)性。振蕩次數(shù)越少，說明系統(tǒng)的平穩(wěn)性越好。

1.4自動(dòng)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)小結(jié)1.開環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好，但不能自動(dòng)補(bǔ)償擾動(dòng)對(duì)輸出量的影響。當(dāng)系統(tǒng)擾動(dòng)量產(chǎn)生的偏差可以預(yù)先進(jìn)行補(bǔ)償或影響不大時(shí)，采用開環(huán)控制是有利的。當(dāng)擾動(dòng)量無法預(yù)計(jì)或控制系統(tǒng)的精度達(dá)不到預(yù)期要求時(shí)，則應(yīng)采用閉環(huán)控制。2.閉環(huán)控制系統(tǒng)具有反饋環(huán)節(jié)，它能依靠反饋環(huán)節(jié)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，以克服擾動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的影響。閉環(huán)控制極大地提高了系統(tǒng)的精度。但是閉環(huán)使系統(tǒng)的穩(wěn)定性變差，需要重視并加以解決。3.自動(dòng)控制系統(tǒng)通常由給定環(huán)節(jié)、檢測環(huán)節(jié)、比較環(huán)節(jié)、放大元件、被控對(duì)象、和反饋環(huán)節(jié)等部件組成。系統(tǒng)的作用量和被控量有：給定量、反饋量、擾動(dòng)量、輸出量和各中間變量。

4.結(jié)構(gòu)圖（又簡稱框圖）可直觀地表達(dá)系統(tǒng)各環(huán)節(jié)（或各部件）間因果關(guān)系，可以表達(dá)各種作用量和中間變量的作用點(diǎn)和