機(jī)械控制工程資料-第一章 控制系統(tǒng)導(dǎo)論課件

自動控制原理AutomaticControlTheory科學(xué)出版社2008年12月2003年國家精品課程教材1主講：賈存良教授電話：E-mail:辦公室：信電樓B2242自動化時代在這個時代中，能量變換與信息變換都可由機(jī)器來完成，在人類活動所見的空間里，只要需要用“力”的地方，都可以給它配上一個小的腦袋－－單片機(jī)或微處理器之類設(shè)備，代替人進(jìn)行某種判斷或操作。不僅工業(yè)生產(chǎn)自動化了，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、家務(wù)勞動、交通運(yùn)輸、人居環(huán)境，．．．凡是已知的規(guī)律，都可以用自動化技術(shù)來完成。自動化的基本任務(wù)就是將信息技術(shù)應(yīng)用到傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)中去4答疑時間：周五晚7：30-9：30地點(diǎn)：信電樓B205一共64學(xué)時，講課54學(xué)時，實(shí)驗(yàn)10學(xué)時

每章學(xué)時安排：第一章

控制系統(tǒng)導(dǎo)論

4學(xué)時第二章

控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述8學(xué)時第三章

線性系統(tǒng)的時域分析法

12學(xué)時第四章

線性系統(tǒng)的根軌跡法

8學(xué)時第五章線性系統(tǒng)的頻域分析法

12學(xué)時第六章線性系統(tǒng)的校正方法8學(xué)時

總復(fù)習(xí)2學(xué)時3．課程學(xué)時安排6

4．成績評定出勤5％無故曠課3次以上者不允許參加考試。作業(yè)10％抄襲作業(yè)者視同沒交，作業(yè)缺一半以上者不允許參加考試

實(shí)驗(yàn)15％

缺一次扣3分考試70％

5．其他參考書目１.劉明俊

《自動控制原理》國防科技大學(xué)出版社2.鄢景華《自動控制原理》哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社3.吳

麒

《自動控制原理》

清華大學(xué)出版社

7第一章

控制系統(tǒng)導(dǎo)論1-1自動控制的基本原理1-2自動控制系統(tǒng)示例1-3自動控制系統(tǒng)的分類1-4自動控制系統(tǒng)的基本要求1-5控制系統(tǒng)的計算機(jī)輔助設(shè)計81.1自動控制的基本原理◆

被控對象：控制系統(tǒng)要進(jìn)行控制的受控客體，如冰箱，空調(diào)，電機(jī)等?！?/p>

被控量：控制對象要實(shí)現(xiàn)的物理量，如冰箱的溫度；空調(diào)的溫度、風(fēng)向、風(fēng)速；電機(jī)的轉(zhuǎn)速應(yīng)用領(lǐng)域：冰箱、空調(diào)、洗衣機(jī)、電梯、汽車、電廠鍋爐、釀酒過程、航空航天等各種機(jī)器或生產(chǎn)過程控制以及軍事領(lǐng)域。自動控制的定義：是指在沒有人直接參與的情況下，利用控制裝置（控制器），使機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過程（被控對象）的某一工作狀態(tài)或參數(shù)（被控量）自動按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行。1.自動控制技術(shù)及其應(yīng)用

9112自動控制系統(tǒng)的工作原理

按對象方式運(yùn)動控制（電機(jī)調(diào)速、機(jī)器人等）過程控制（被控對象為某種生產(chǎn)過程，如化工過程）系統(tǒng)：由一些對象相互作用，相互制約，組成一個具有一定運(yùn)動規(guī)律的整體?？刂葡到y(tǒng)：由被控對象和控制器構(gòu)成的整體開環(huán)控制按控制方式反饋控制（閉環(huán)控制）復(fù)合控制12開環(huán)控制系統(tǒng)

Open-loopControlSystem◆定義：系統(tǒng)的控制輸入量不受輸出量影響的控制系統(tǒng)◆特點(diǎn)：系統(tǒng)的輸出量與輸入量間不存在反饋的通道，這種控制方式稱為開環(huán)控制在開環(huán)控制系統(tǒng)中，不需要對輸出量進(jìn)行測量，也不需要將輸出量反饋到系統(tǒng)輸入端與輸入量進(jìn)行比較。因此，開環(huán)控制系統(tǒng)又稱無反饋控制系統(tǒng)?？刂破鲗ο蠡蜻^程輸入量輸出量開環(huán)控制系統(tǒng)方塊圖（按輸入量控制方式）（被控量）13功率放大SM負(fù)載++++u0nua電動機(jī)速度控制系統(tǒng)（開環(huán)）14+-+ugudoMiuinR放大

器負(fù)載前饋控制(更復(fù)雜一點(diǎn)的開環(huán)控制)按擾動量控制的速度控制系統(tǒng)原理圖（注意：電流前饋，而系統(tǒng)輸出n并沒有反饋回來，故依然開環(huán)）15閉環(huán)（反饋）控制系統(tǒng)

Closed-loopControlSystem閉環(huán)控制系統(tǒng)又稱反饋控制系統(tǒng)，是應(yīng)用最廣泛的控制方式。負(fù)反饋——把取出的輸出量送回輸入端，并與輸入信號相比較產(chǎn)生偏差信號的過程，稱為負(fù)反饋。反饋控制——采用負(fù)反饋(正反饋較少使用)并利用偏差進(jìn)行控制的過程（利用偏差修正偏差）。由于引入了被反饋量的反饋信息，整個控制過程成為閉合的，因此反饋控制也稱為閉環(huán)控制。17熱力系統(tǒng)的人工反饋控制

18熱力系統(tǒng)的自動反饋控制

19電動機(jī)速度控制系統(tǒng)+++++電壓放大u0nuaueut功率放大負(fù)載SMTG電動機(jī)速度閉環(huán)控制系統(tǒng)20

反饋控制系統(tǒng)是一種能對輸出量與參考輸入量進(jìn)行比較，并力圖保持兩者之間的既定關(guān)系的系統(tǒng)，它利用輸出量與輸入量的偏差來進(jìn)行控制。應(yīng)當(dāng)指出，反饋控制系統(tǒng)不限于工程范疇，在各種非工程范疇內(nèi)，諸如社會學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)和生物學(xué)中，也普遍存在著反饋控制系統(tǒng)。反饋控制系統(tǒng)是自動控制原理的主要研究對象21閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖輸入量控制器被控對象測量元件輸出量反饋回路被控量干擾量電動機(jī)期望轉(zhuǎn)速實(shí)際轉(zhuǎn)速加熱器實(shí)際溫度期望溫度22工作原理：當(dāng)爐內(nèi)實(shí)際溫度與給定裝置表征的希望溫度一致時，熱電偶輸出電壓與給定電壓相等，電動機(jī)不轉(zhuǎn)動，系統(tǒng)相對平衡。偏差電壓經(jīng)放大后驅(qū)動電動機(jī)轉(zhuǎn)動，將調(diào)壓器電刷向上移動，使電阻絲兩端電壓增大，從而使?fàn)t溫升高，趨于希望值，直到達(dá)到新的平衡。

當(dāng)爐溫因擾動出現(xiàn)偏差時（比如爐溫低于希望值），24閉環(huán)與開環(huán)控制系統(tǒng)的比較開環(huán)控制：順向作用，沒有反向的聯(lián)系，對不可測擾動及系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)變化導(dǎo)致的輸出量偏差不能自動修正，抗擾動性較差。結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)整方便、成本低。在精度要求不高或擾動影響較小的場合，這種控制方式還有一定的實(shí)用價值（步進(jìn)電機(jī)，水泵，風(fēng)扇）。

閉環(huán)控制：為偏差控制，可以抑制內(nèi)（系統(tǒng)參數(shù)變化）、外擾動（負(fù)載變化）對被控制量產(chǎn)生的影響，對輸出出現(xiàn)的偏差有自動修正能力，因此，控制精度高。但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高（價格成倍增加，車床、洗衣機(jī)、小轎車）；系統(tǒng)設(shè)計、分析麻煩。

25圖1.3干擾補(bǔ)償?shù)膹?fù)合控制系統(tǒng)方塊圖輸入量控制器控制對象測量元件輸出量反饋回路被控量干擾量前饋補(bǔ)償按干擾前饋補(bǔ)償?shù)膹?fù)合控制27圖1.4輸入補(bǔ)償?shù)膹?fù)合控制系統(tǒng)方塊圖輸入量控制器控制對象測量元件輸出量反饋回路被控量干擾量前饋補(bǔ)償按輸入前饋補(bǔ)償?shù)膹?fù)合控制28給定元件：產(chǎn)生給定值或輸入信號（量）（即參考量或期望值）測量元件：測量被控制的物理量（被控量），用于產(chǎn)生反饋信號各種傳感器：測速發(fā)電機(jī)、電位計、熱電偶等。比較元件：把測量元件檢測的實(shí)際值（被控量）與給定元件給出的參考量進(jìn)行比較，求出它們之間的偏差。如差動放大器、自整角機(jī)。串聯(lián)校正（補(bǔ)償）元件放大元件執(zhí)行機(jī)構(gòu)被控對象反饋校正元件測量元件被控量——輸入量比較元件給定元件304自動控制理論的發(fā)展簡史人類對控制系統(tǒng)的基本原理（反饋）早有認(rèn)識，并利用它創(chuàng)造了許多裝置。如2000年前，羅馬人：水位控制系統(tǒng)（淋?。駨R（開關(guān)門）英雄裝置。中國能工巧匠（技師、工程師、科學(xué)家）：張衡的地震方向測定儀，蘇頌的水運(yùn)儀象臺。1932年，Nyquist提出了一種根據(jù)系統(tǒng)的開環(huán)頻率響應(yīng)(對穩(wěn)態(tài)正弦輸入)，確定閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定性的方法。1868年，英國J.C麥克斯韋首先解釋了瓦特速度控制系統(tǒng)中出現(xiàn)的不穩(wěn)定問題。1877年勞斯，1892年李雅普諾夫（《論運(yùn)動穩(wěn)定性的一般問題》），1895年赫爾維茨1787年，JamesWatt為控制蒸汽機(jī)速度設(shè)計的離心調(diào)節(jié)器，是自動控制領(lǐng)域的第一項重大成果。32從1980－現(xiàn)在，智能控制理論。19世紀(jì)40年代，頻率響應(yīng)法為閉環(huán)控制系統(tǒng)提供了一種可行方法，Evans提出并完善了根軌跡法。1948年，美國數(shù)學(xué)家N.Wiener出版《Cybernetics》是控制科學(xué)的里程碑?！犊刂普摗返母睒?biāo)題是關(guān)于人、動物及其通訊的科學(xué)。19世紀(jì)50年代末，控制系統(tǒng)設(shè)計問題的重點(diǎn)從設(shè)計許多可行系統(tǒng)中的一種系統(tǒng)，轉(zhuǎn)到設(shè)計在某種意義上的最佳系統(tǒng)。19世紀(jì)60年代，數(shù)字計算機(jī)的出現(xiàn)為復(fù)雜系統(tǒng)的基于時域分析的現(xiàn)代控制理論提供了可能。從1960－1980，確定性系統(tǒng)、隨機(jī)系統(tǒng)的最佳控制，及復(fù)雜系統(tǒng)的自適應(yīng)和學(xué)習(xí)控制，都得到充分的研究。33古典（經(jīng)典）控制理論自動控制原理（理論）（1787——1960）以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)研究單輸入－單輸出定?？刂葡到y(tǒng)的分析與設(shè)計問題。這些理論由于其發(fā)展較早，現(xiàn)已臻成熟。智能控制理論（1980——）以人工智能為基礎(chǔ)，研究復(fù)雜對象（車間、工廠、集團(tuán)）、復(fù)雜任務(wù)、復(fù)雜環(huán)境（3C控制問題）。

管理和控制一體化:計算機(jī)集成制造系統(tǒng)，復(fù)雜控制系統(tǒng)現(xiàn)代（近代）控制理論（1960——1980）以狀態(tài)空間法為基礎(chǔ)，研究多輸入－多輸出控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計問題。系統(tǒng)具有高精度和高效能的特點(diǎn)。最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制計算機(jī)控制、系統(tǒng)辨識34

1.液位控制系統(tǒng)圖1.6（a）是一個液位控制系統(tǒng)原理圖。在這里，自動控制器通過比較實(shí)際液位與希望液位，并通過調(diào)整閥門的開度，對誤差進(jìn)行修正，從而保持液位不變。圖1.6（b）是該控制系統(tǒng)的方塊圖。1-2自動控制系統(tǒng)示例35圖1.6（a）液位控制系統(tǒng)自動控制器通過比較實(shí)際液位與希望液位，并通過調(diào)整閥門的開度，對誤差進(jìn)行修正，從而保持液位不變。36Q1Q2H37控制器：比較、放大的作用浮子：液面高度的反饋元件氣動閥門：執(zhí)行機(jī)構(gòu)被控對象：水箱被控量：液位Q2為擾動量圖1.6（b）液位控制系統(tǒng)Q1Q2H38希望液位實(shí)際液肌肉、手閥

門水

箱眼

睛（III）

相對應(yīng)的人工操縱系統(tǒng)方塊圖

腦Q2392.液位控制系統(tǒng)控制閥減速器電動機(jī)電位器浮子用水開關(guān)Q2Q1cifSM40功率放大SM負(fù)載++++u0nua電動機(jī)速度控制系統(tǒng)3.電動機(jī)速度開環(huán)控制系統(tǒng)41電動機(jī)速度控制系統(tǒng)+++++電壓放大u0nuaueut功率放大負(fù)載SMTG4.電動機(jī)速度閉環(huán)控制系統(tǒng)425.電動機(jī)速度復(fù)合控制系統(tǒng)+++++電壓放大+u0nuaueutR電壓放大功率放大負(fù)載SMTG436.函數(shù)記錄儀原理示意圖RQRWΔuLtur變換器放大器繩輪電機(jī)測速機(jī)減速器447.俯仰角控制系統(tǒng)給定電位器反饋電位器飛機(jī)示意圖45給定裝置放大器舵機(jī)飛機(jī)

反饋電位器

垂直陀螺儀θ0θc擾動俯仰角控制系統(tǒng)方塊圖461-3自動控制系統(tǒng)的分類按工作原理分類開環(huán)控制、閉環(huán)控制、復(fù)合控制按數(shù)學(xué)模型分類線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)定常系統(tǒng)和時變系統(tǒng)按系統(tǒng)內(nèi)部的信號特征分類連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)按輸入量變化規(guī)律的功能分類恒值控制系統(tǒng)：如溫度控制系統(tǒng)、調(diào)速系統(tǒng)等隨動控制系統(tǒng)：如機(jī)器人、高射炮等程序控制系統(tǒng)：如數(shù)控機(jī)床、交通燈系統(tǒng)等47

1-4自動控制系統(tǒng)的基本要求一、自動控制系統(tǒng)性能的基本要求（三個方面）穩(wěn)定性（先決條件）

系統(tǒng)受到短暫的擾動后其運(yùn)動性能從偏差平衡點(diǎn)恢復(fù)到原來平衡狀態(tài)的能力。由系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)決定與外界因素?zé)o關(guān)。48快速性（過渡過程性能要求）：描述過渡過程性能可以用平穩(wěn)性和快速性加以衡量，一般稱為動態(tài)性能。如：上升時間、峰值時間、調(diào)整時間、超調(diào)量。準(zhǔn)確性（控制精度要求）：過渡過程結(jié)束后的輸出響應(yīng)系統(tǒng)過渡過程結(jié)束后，期望的穩(wěn)態(tài)輸出量與實(shí)際的穩(wěn)態(tài)輸出量之差叫穩(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。

簡單地說：穩(wěn)、快、準(zhǔn)4950時間tr上升峰值時間tpAB超調(diào)量%=AB100%動態(tài)性能指標(biāo)（振蕩型）調(diào)節(jié)時間tsh(t)t時間tr上升峰值時間tpAB超調(diào)量%=AB100%調(diào)節(jié)時間ts510二、典型的外作用1、階躍函數(shù)（位置函數(shù)）例如：電源電壓的突然跳動；負(fù)載突然增大或減?。缓阒悼刂葡到y(tǒng)的設(shè)定值等等。5202、斜坡函數(shù)（速度函數(shù)）例如：雷達(dá)跟蹤的目標(biāo)以恒定速度飛行5303、單位脈沖函數(shù)任意形式的外作用都分解成不同時刻的一系列脈沖函數(shù)之和可代表一些瞬間即逝的擾動信號541-5控制系統(tǒng)的計算機(jī)輔助設(shè)計控制系統(tǒng)的計算機(jī)輔助設(shè)計發(fā)展概況

第一階段：60～70年代，采用一個或者幾個控制系統(tǒng)計算程序組成的控制系統(tǒng)計算機(jī)輔助設(shè)計軟件包。第二階段：70～80年代，功能齊全的用于多變量系統(tǒng)設(shè)計的計算機(jī)輔助設(shè)計軟件包。第三階段：80中期開始，產(chǎn)生仿真軟件MATLAB—控制系統(tǒng)