1、2008-07,自動控制原理,1,自動控制原理 儲 忠,2008-07,自動控制原理,2,第一章,自動控制導論,2008-07,自動控制原理,3,第一章 自動控制的一般概念,1.1 引言 1.2自動控制系統(tǒng)術語和示例 1.3閉環(huán)控制和開環(huán)控制 1.4自動控制系統(tǒng)的分類 1.5對自動控制系統(tǒng)的基本要求,2008-07,自動控制原理,4,歷史的回顧,18世紀，James Watt 為控制蒸汽機速度設計的離心調節(jié)器，是自動控制領域的第一項重大成果。 1922年，Minorsky研制出船舶操縱自動控制器，并證明了從系統(tǒng)的微分方程確定系統(tǒng)的穩(wěn)定性的方法。 1932年，Nyquist提出了一種根據系統(tǒng)的開

2、環(huán)頻率響應(對穩(wěn)態(tài)正弦輸入)，確定閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定性的方法。 1934年，Hezen提出了用于位置控制系統(tǒng)的伺服機構的概念，討論了可以精確跟蹤變化的輸入信號的機電伺服機構。,2008-07,自動控制原理,5,19世紀40年代，頻率響應法為閉環(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。 19世紀50年代末，控制系統(tǒng)設計問題的重點從設計許多可行系統(tǒng)中的一種系統(tǒng)，轉到設計在某種意義上的最佳系統(tǒng)。 19世紀60年代，數字計算機的出現(xiàn)為復雜系統(tǒng)的基于時域分析的現(xiàn)代控制理論提供了可能。 從1960年到1980，確定性系統(tǒng)、隨機系統(tǒng)的最佳控制，及復雜系統(tǒng)的自適應和學習控制，都得到充分的研究。

3、從1980年到現(xiàn)在，現(xiàn)代控制理論進展集中于魯棒控制、H控制及其相關課題。,2008-07,自動控制原理,6,古典控制理論 以傳遞函數為基礎研究單輸入-單輸出一類定?？刂葡到y(tǒng)的分析與設計問題。這些理論由于其發(fā)展較早，現(xiàn)已臻成熟。,現(xiàn)代控制 以狀態(tài)空間法為基礎，研究多輸入-多輸出、時變、非線性一類控制系統(tǒng)的分析與設計問題。系統(tǒng)具有高精度和高效能的特點。,2008-07,自動控制原理,7,1.2自動控制系統(tǒng)術語和示例,自動控制 對象 過程 系統(tǒng) 擾動 反饋控制 反饋控制系統(tǒng) 隨動系統(tǒng) 自動調整系統(tǒng) 過程控制系統(tǒng),2008-07,自動控制原理,8,1 自動控制 在無人直接參與的情況下，通過控制器使被控

4、對象或過程自動地按照預定要求進行。,2 對象 是一個設備，它是由一些機器零件有機地組合在一起的，其作用是完成一個特定的動作。在下面的討論中，稱任何被控物體（如加熱爐、化學反應器或宇宙飛船）為對象。,3 過程 稱任何被控制的運行狀態(tài)為過程，其具體例子如化學過程、經濟學過程、生物學過程。,4 系統(tǒng) 完成一定任務的一些元、部件的組合。,2008-07,自動控制原理,9,5 擾動,6 反饋控制,擾動是一種對系統(tǒng)的輸出產生不利影響的信號。如果擾動產生在系統(tǒng)內部稱為內擾；擾動產生在系統(tǒng)外部，則稱為外擾。外擾是系統(tǒng)的輸入量。,反饋控制是這樣一種控制過程，它能夠在存在擾動的情況下，力圖減小系統(tǒng)的輸出量與參考輸

5、入量（也稱參據量）（或者任意變化的希望的狀態(tài)）之間的偏差，而且其工作正是基于這一偏差基礎之上的。,2008-07,自動控制原理,10,反饋控制系統(tǒng)是一種能對輸出量與參考輸入量進行比較，并力圖保持兩者之間的既定關系的系統(tǒng)，它利用輸出量與輸入量的偏差來進行控制。 應當指出，反饋控制系統(tǒng)不限于工程范疇，在各種非工程范疇內，諸如經濟學和生物學中，也存在著反饋控制系統(tǒng)。,7 反饋控制系統(tǒng),2008-07,自動控制原理,11,隨動系統(tǒng)是一種反饋控制系統(tǒng)，在這種系統(tǒng)中，輸出量是機械位移、速度或者加速度。因此，隨動系統(tǒng)這個術語，與位置（或速度或加速度）控制系統(tǒng)是同義語。在現(xiàn)代工業(yè)中，廣泛采用著隨動系統(tǒng)。,8

6、隨動系統(tǒng),9 過程控制,在工業(yè)生產過程中，諸如對壓力、溫度、濕度、流量、頻率以及原料、燃料成分比例等方面的控制，稱為過程控制。,2008-07,自動控制原理,12,熱力系統(tǒng)的例子熱力系統(tǒng)的人工反饋控制,2008-07,自動控制原理,13,熱力系統(tǒng)的自動反饋控制,2008-07,自動控制原理,14,1.3 閉環(huán)控制與開環(huán)控制,反饋控制系統(tǒng) 開環(huán)控制系統(tǒng) 閉環(huán)與開環(huán)控制系統(tǒng)的比較,2008-07,自動控制原理,15,1.3.1 反饋控制系統(tǒng),1 反饋,把取出的輸出量送回輸入端，并與輸入信號相比較產生偏差信號的過程，稱為反饋。若反饋的信號與輸入信號相減，使產生的偏差越來越小，則稱為負反饋；反之，則稱

7、為正反饋。,能對輸入量與輸出量進行比較，并且將它們的偏差作為控制手段，以保持兩者之間預定關系的系統(tǒng)，稱為反饋控制系統(tǒng)。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。,2 反饋控制系統(tǒng),2008-07,自動控制原理,16,3 閉環(huán)控制 凡是系統(tǒng)輸出信號對控制作用有直接影響的系統(tǒng)，都稱為閉環(huán)系統(tǒng)。輸入信號和反饋信號（反饋信號可以是輸出信號本身，也可以是輸出信號的函數或導數）之差，稱為誤差信號，誤差信號加到控制器上，以減小系統(tǒng)的誤差，并使系統(tǒng)的輸出量趨于所希望的值，換句話說，“閉環(huán)”這個術語的涵義，就是應用反饋作用來減小系統(tǒng)的誤差。,2008-07,自動控制原理,

8、17,圖1-3 閉環(huán)控制系統(tǒng),2008-07,自動控制原理,18,1.3.2 反饋控制系統(tǒng)的基本組成,被控對象 控制裝置(由具有一定職能的各種基本元件組成 ) 測量元件：其職能是測量被控制的物理量; 給定元件：其職能是給出與期望的被控量相對應的系統(tǒng)輸入量（即參據量）。 比較元件：把測量元件檢測的被控量實際值與給定元件給出的參據量進行比較，求出它們之間的偏差。 放大元件：將比較元件給出的偏差進行放大，用來推動執(zhí)行元件去控制被控對象。 執(zhí)行元件：直接推動被控對象，使其被控量發(fā)生變化。 校正元件：亦稱補償元件，它是結構或參數便于調整的元件，用串聯(lián)或反饋的方式連接在系統(tǒng)中，以改善系統(tǒng)性能。,2008-

9、07,自動控制原理,19,用“”號代表比較元件，“”號代表兩者符號相反，“+”號代表兩者符號相同。信號沿箭頭方向從輸入端到達輸出端的傳輸通路稱前向通路；系統(tǒng)輸出量經測量元件反饋到輸入端的傳輸通路稱主反饋通路。前向通路與主反饋通路共同構成主回路。此外，還有局部反饋通路以及由它構成的內回路。,2008-07,自動控制原理,20,1.3.3 開環(huán)控制系統(tǒng),定義,如果系統(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)控制系統(tǒng)。,控制裝置與受控對象之間只有順向作用而無反向聯(lián)系。,開環(huán)控制,前饋控制(開環(huán)),2008-07,自動控制原理,23,1.3.4 閉環(huán)與開環(huán)控制系統(tǒng)的比較,閉環(huán)控制系統(tǒng)的

10、特點 偏差控制，可以抑制內、外擾動對被控制量產生的影響。精度高、結構復雜，設計、分析麻煩。,開環(huán)控制系統(tǒng)的特點 順向作用，沒有反向的聯(lián)系，沒有修正偏差能力，抗擾動性較差。結構簡單、調整方便、成本低。,2008-07,自動控制原理,24,1.4 自動控制系統(tǒng)的分類,開環(huán)控制 閉環(huán)控制(反饋控制) 復合控制,按控制方式分,復合控制,2008-07,自動控制原理,26,機械系統(tǒng)恒張力系統(tǒng) 電氣系統(tǒng) 機電系統(tǒng)全自動照相機，光機 電結合 液壓系統(tǒng)伺服液壓缸，汽車發(fā)動機，大型的仿真模擬臺 氣動系統(tǒng) 生物系統(tǒng),按 元 件 類 型 分,2008-07,自動控制原理,27,按系統(tǒng)功用分,溫度控制系統(tǒng),壓力控制系

11、統(tǒng),位置控制系統(tǒng), ,2008-07,自動控制原理,28,線性系統(tǒng),非線性系統(tǒng),連續(xù)系統(tǒng),定常系統(tǒng),時變系統(tǒng),確定性系統(tǒng),不確定性系統(tǒng),按系統(tǒng)性能分,離散系統(tǒng),2008-07,自動控制原理,29,恒值控制系統(tǒng),隨動系統(tǒng),程序控制系統(tǒng),按參據量變化規(guī)律分,2008-07,自動控制原理,30,穩(wěn)定性： 1 對恒值系統(tǒng)，要求當系統(tǒng)受到擾動后，經過一定時間的調整能夠回到原來的期望值。 2 對隨動系統(tǒng)，被控制量始終跟蹤參據量的變化。 穩(wěn)定性是對系統(tǒng)的基本要求，不穩(wěn)定的系統(tǒng)不能實現(xiàn)預定任務。穩(wěn)定性，通常由系統(tǒng)的結構決定與外界因素無關。,1.5 對自動控制系統(tǒng)的基本要求,1、對自動控制系統(tǒng)性能的基本要求,可

12、以歸結為穩(wěn)定性（長期穩(wěn)定性）、準確性（精度）和快速性（相對穩(wěn)定性）。,穩(wěn),準,快,2008-07,自動控制原理,31,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。,快速性： 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。,2、典型外作用 選作典型外作用的條件： （1）易得性 （2）代表性 （3）簡單性 典型外作用： （1）階躍函數 （2）斜坡函數 （

13、3）脈沖函數 （4）正弦函數,2006-07,自動控制原理,32,2008-07,自動控制原理,33,2）根據對系統(tǒng)性能的要求，如何合理地設計校正裝置，使系統(tǒng)的性能能全面地滿足技術上的要求。,1.5.2本課程的任務,本課程所要研究的兩大課題：,1）對于一個具體的控制系統(tǒng)，如何從理論上對它的動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)精度進行定性的分析和定量的計算。,2006-07,自動控制原理,34,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際液位與希望液位，并通過調整氣動閥門的開度，對誤差進行修正，從而保持液位不變。圖1-6（b）是該控制系統(tǒng)的方框圖。試畫出相應的人工操縱液位控制系統(tǒng)方塊圖。,例

14、題1-1,2008-07,自動控制原理,35,自動控制原理,36,控制器：比較、放大的作用 浮子：液面高度的反饋元件 Q2為系統(tǒng)的干擾量 氣動閥門：執(zhí)行機構 被控對象：水箱,自動控制原理,37,2、許多機器，像車床、銑床和磨床，都配有跟隨器，用來復現(xiàn)模板的外形。下圖就是這樣一種跟隨系統(tǒng)的原理圖。在此系統(tǒng)中，刀具能在原料上復制模板的外形。試說明其工作原理，指出被控對象、被控量和給定量，畫出系統(tǒng)方框圖。,2006-07,自動控制原理,38,答：模板與原料同時固定在工作臺上。X、Y軸直流伺服馬達接受控制器的指令，按輸入命令帶動工作臺做X、Y方向運動。 模板隨工作臺移動時，觸針會在模板表面滑動，跟隨刀具中的位移傳感器將觸針感應到的反映模板表面形狀的位移信號送到跟隨控制器，控制器的輸出驅動Z軸直流伺服馬達帶動切削刀具連同刀具架跟隨觸針運動，當刀具位置與觸針位置一致時，兩者位置偏差為零，Z軸伺服馬達停止。系統(tǒng)中，刀具是被控對象，刀具位置是被控量，給定量是由模板確定的觸針位置。系統(tǒng)方框圖如圖解1-9所示。最終原料被切割加工成模板的形狀。,200