控制工程原理課件第一章第1頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一第一節(jié)自動控制與自動控制系統(tǒng)一、自動控制的基本概念二、控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成及控制方式第一章概述第2頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一第一節(jié)自動控制與自動控制系統(tǒng)一、自動控制的基本概念自動控制：

自動控制系統(tǒng)控制裝置受控對象在無人直接參與下，利用控制裝操縱受控對象，使受控對象的被控量按給定信號變化。控制器給定值檢測元件受控對象被控量自動控制示意圖分析和設(shè)計自動控制系統(tǒng)的性能。自動控制原理的主要任務(wù)：第3頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一例水溫自動控制系統(tǒng)系統(tǒng)中增加了：控制器電機加入給定信號工作原理：檢測實際溫度產(chǎn)生控制信號通過電機調(diào)節(jié)閥門的開度從而調(diào)節(jié)蒸汽流入，控制水的溫度.實現(xiàn)沒有人直接參入的自動水溫控制.第一節(jié)自動控制與自動控制系統(tǒng)第4頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一為了方便地分析系統(tǒng)性能，一般用框圖來表示系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，如圖所示:要使自動控制系統(tǒng)滿足工程實際的需要,必須研究自動控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)與系統(tǒng)性能之間的關(guān)系。實際溫度偏差反饋量預(yù)期溫度_控制器執(zhí)行機構(gòu)閥門水箱第一節(jié)自動控制與自動控制系統(tǒng)第5頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一二、自動控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成及控制方式1．開環(huán)控制有順向作用而無反向聯(lián)系.自動控制系統(tǒng)一般有兩種基本控制方式.開環(huán)控制控制裝置與受控對象之間只第一節(jié)自動控制與自動控制系統(tǒng)第6頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一例轉(zhuǎn)臺速度開環(huán)控制系統(tǒng)這種轉(zhuǎn)臺在CD機、計算機磁盤驅(qū)動器等現(xiàn)代裝置中廣泛應(yīng)用.轉(zhuǎn)臺電機電源和放大裝置速度設(shè)置系統(tǒng)組成：由圖可見：被控制量速度沒有反饋到輸入端與給定信號比較,為開環(huán)控制系統(tǒng)。第一節(jié)自動控制與自動控制系統(tǒng)第7頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一預(yù)期速度實際轉(zhuǎn)速直流電動機轉(zhuǎn)臺放大器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制過程均很簡單，但抗擾能力差，控制精度不高，故一般只能用于對控制性能要求較低的場合。轉(zhuǎn)臺速度開環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖:開環(huán)控制的特點：

2．閉環(huán)控制有順向作用，而且還有反向聯(lián)系.閉環(huán)控制:閉環(huán)控制又稱為反饋控制或按偏差控制?？刂蒲b置與受控對象之間，不但第一節(jié)自動控制與自動控制系統(tǒng)第8頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一測速機偏差反饋量預(yù)期速度實際轉(zhuǎn)速直流電動機轉(zhuǎn)臺放大器_

當實際速度受擾動的影響發(fā)生變化時，通過系統(tǒng)的調(diào)節(jié)，從而消除擾動對速度的影響。轉(zhuǎn)臺速度閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖第一節(jié)自動控制與自動控制系統(tǒng)第9頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一例轉(zhuǎn)速負反饋直流電動機調(diào)速系統(tǒng)直流電機測速發(fā)電機電源和放大裝置負載系統(tǒng)組成：UnUf給定電壓反饋電壓e=Un-Uf轉(zhuǎn)速取決于給定電壓與反饋電壓的差值。第一節(jié)自動控制與自動控制系統(tǒng)第10頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖unufeudn_直流電動機放大器測速機由電網(wǎng)電壓波動，負載變化以及其他部分的參數(shù)變化所引起的轉(zhuǎn)速變化，都可以通過系統(tǒng)的自動調(diào)整加以抑制。n↓→Uf↓→e↑→Ud↑→n↑減小或消除由于擾動所形成的偏差值，具有較高的控制精度和較強的抗擾能力。閉環(huán)控制系統(tǒng)具有的特點：第一節(jié)自動控制與自動控制系統(tǒng)第11頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一3．復合控制測量出外部作用，形成與外部作用相反的控制量與外部作用共同使被控量基本不受影響。前饋補償控制復合控制具有兩種基本形式.前饋補償控制：復合控制：反饋控制+第一節(jié)自動控制與自動控制系統(tǒng)第12頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一(a)按輸入前饋補償?shù)膹秃峡刂平o定值被控制量_受控對象檢測元件控制器前饋控制第一節(jié)自動控制與自動控制系統(tǒng)第13頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一(b)按擾動前饋補償?shù)膹秃峡刂茩z測元件_前饋控制擾動被控制量給定值受控對象控制器_第一節(jié)自動控制與自動控制系統(tǒng)第14頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一第二節(jié)自動控制系統(tǒng)的分類一、線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)自動控制系統(tǒng)的分類方法較多，常見的有以下幾種由線性微分方程或線性差分方程所描述的系統(tǒng)稱為線性系統(tǒng)；由非線性方程所描述的系統(tǒng)稱為非線性系統(tǒng)。第一章概述第15頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一二、定常系統(tǒng)和時變系統(tǒng)定常系統(tǒng):若系統(tǒng)微分方程的系數(shù)為常數(shù)，則稱之為線性定常系統(tǒng)。此類系統(tǒng)為本書主要討論對象。系統(tǒng)數(shù)學模型微分方程的系數(shù)不是時間變量的函數(shù)。否則稱為時變系統(tǒng)。第二節(jié)自動控制系統(tǒng)的分類第16頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一三、連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)連續(xù)系統(tǒng)：系統(tǒng)中各部分的信號都是時間的連續(xù)函數(shù)即模擬量。離散系統(tǒng)：系統(tǒng)中有一處或多處信號為時間的離散函數(shù)，如脈沖或數(shù)碼信號。若系統(tǒng)中既有模擬量也有離散信號，則又可稱之為采樣系統(tǒng)。第二節(jié)自動控制系統(tǒng)的分類第17頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一四、恒值系統(tǒng)、隨動系統(tǒng)和程序控制系統(tǒng)系統(tǒng)的給定值為一定值，而控制任務(wù)就是克服擾動，使被控量保持恒值。例如：電機速度控制、恒溫、恒壓、水位控制系統(tǒng)等。恒值系統(tǒng)：第二節(jié)自動控制系統(tǒng)的分類第18頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一隨動系統(tǒng)：系統(tǒng)給定值按照事先不知道的時間函數(shù)變化，并要求被控量跟隨給定值變化。第二節(jié)自動控制系統(tǒng)的分類程序控制系統(tǒng)：系統(tǒng)的給定值按照一定的時間函數(shù)變化，并要求被控量隨之變化。第19頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一第三節(jié)對控制系統(tǒng)性能的要求常見的評價系統(tǒng)優(yōu)劣的性能指標是從動態(tài)過程中定義出來的。對系統(tǒng)性能的基本要求有三個方面。二、快速性一、穩(wěn)定性三、準確性第一章概述第20頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一

系統(tǒng)受外作用力后,其動態(tài)過程的振蕩傾向和系統(tǒng)恢復平衡的能力。一、穩(wěn)定性第三節(jié)對控制系統(tǒng)性能的要求穩(wěn)定性：如果系統(tǒng)受外作用力經(jīng)過一段時間，其被控量達到某一穩(wěn)定狀態(tài)，則系統(tǒng)是穩(wěn)定的。否則為不穩(wěn)定的。穩(wěn)定系統(tǒng)的動態(tài)過程r(t)t0c(t)1r(t)c(t)不穩(wěn)定系統(tǒng)的動態(tài)過程(a)給定信號作用c(t)(b)擾動信號作用d(t)t0c(t)r(t)t0c(t)r(t)c(t)d(t)不穩(wěn)定的系統(tǒng)是無法正常工作的。第21頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一通過動態(tài)過程時間長短表征。時間越短，表明快速性越好，反之亦然。二、快速性第三節(jié)對控制系統(tǒng)性能的要求r(t)t0c(t)r(t)c1(t)c2(t)快速性表明了系統(tǒng)輸出對輸入響應(yīng)的快慢程度第22頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一由輸入給定值與輸出響應(yīng)的終值之間的差值ess大小表征。三、準確性第三節(jié)對控制系統(tǒng)性能的要求r(t)t0c(t)r(t)c(t)ess第23頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一穩(wěn)定性、快速性和準確性往往是互相制約的。在設(shè)計與調(diào)試的過程中,若過分強調(diào)某方面的性能,則可能會使其他方面的性能受到影響.怎樣根據(jù)工作任務(wù)的不同,分析和設(shè)計自動控制系統(tǒng)，使其對三方面的性能有所側(cè)重，并兼顧其它正是自控原理課程要解決的問題。第三節(jié)對控制系統(tǒng)性能的要求第24頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一

自動控制理論研究的是如何按受控對象和環(huán)境特征，通過能動地采集和運用信息，施加控制作用使系統(tǒng)在不確定的條件下正常運行并具有預(yù)定功能。它是研究自動控制共同規(guī)律的技術(shù)科學，其主要內(nèi)容涉及受控對象、環(huán)境特征、控制目標和控制手段以及它們之間的相互作用。第四節(jié)

自動控制理論發(fā)展簡述第一章概述第25頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一具有“自動”功能的裝置自古有之，瓦特發(fā)明的蒸汽機上的離心調(diào)速器是比較自覺地運用反饋原理進行設(shè)計并取得成功的首例。麥克斯韋對它的穩(wěn)定性進行分析，于1868年發(fā)表的論文當屬最早的理論工作。從20世紀20年代到40年代形成了以時域法，頻率法和根軌跡法為支柱的“古典”控制理論。第四節(jié)

自動控制理論發(fā)展簡述第26頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一60年代以來，隨著計算機技術(shù)的發(fā)展和航天等高科技的推動，又產(chǎn)生了基于狀態(tài)空間模型的所謂“現(xiàn)代”控制理論。隨著自動化技術(shù)的發(fā)展，人們力求使設(shè)計的控制系統(tǒng)達到最優(yōu)的性能指標，為了使系統(tǒng)在一定的約束條件下，其某項性能指標達到最優(yōu)而實行的控制稱為最優(yōu)控制。第四節(jié)

自動控制理論發(fā)展簡述第27頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一第四節(jié)

自動控制理論發(fā)展簡述當對象或環(huán)境特性變化時，為了使系統(tǒng)能自行調(diào)節(jié)，以跟蹤這種變化并保持良好的品質(zhì)，又出現(xiàn)了自適應(yīng)控制。各種理論中仍是古典頻率法最為適用。真正優(yōu)良的設(shè)計必須允許模型的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不精確并可能在一定范圍內(nèi)變化，即具有魯棒性。這是當前的重要前沿課題之一。第28頁，共30頁，2023年，2月20日，星期一第四節(jié)

自動控制理論發(fā)展簡述另外，使理論實用化的一個重要途徑就是數(shù)學模擬（仿真）和計算機輔助設(shè)計（CAD）。近年來，在非線性系統(tǒng)理論、離散事件系統(tǒng)、大系統(tǒng)和復雜系統(tǒng)理論等方面均有不同程度的