1、歡迎各位！,2002-09-23,自動(dòng)控制原理,2,自動(dòng)控制原理 程向紅 蔡體菁,2002-09-23,自動(dòng)控制原理,3,第1講程向紅,自動(dòng)控制的一般概念,2002-09-23,自動(dòng)控制原理,4,第一章 自動(dòng)控制的一般概念,1.1 引言 1.2自動(dòng)控制系統(tǒng)示例 1.3閉環(huán)控制和開(kāi)環(huán)控制 1.4自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類 1.5對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求 1.6對(duì)本課程的基本要求,2002-09-23,自動(dòng)控制原理,5,歷史的回顧,18世紀(jì)，James Watt 為控制蒸汽機(jī)速度設(shè)計(jì)的離心調(diào)節(jié)器，是自動(dòng)控制領(lǐng)域的第一項(xiàng)重大成果。 1922年，Minorsky研制出船舶操縱自動(dòng)控制器，并證明了從系統(tǒng)的微分方

2、程確定系統(tǒng)的穩(wěn)定性的方法。 1932年，Nyquist提出了一種根據(jù)系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)頻率響應(yīng)(對(duì)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(jī)構(gòu)的概念，討論了可以精確跟蹤變化的輸入信號(hào)的機(jī)電伺服機(jī)構(gòu)。,2002-09-23,自動(dòng)控制原理,6,19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。 19世紀(jì)50年代末，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)問(wèn)題的重點(diǎn)從設(shè)計(jì)許多可行系統(tǒng)中的一種系統(tǒng)，轉(zhuǎn)到設(shè)計(jì)在某種意義上的最佳系統(tǒng)。 19世紀(jì)60年代，數(shù)字計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)為復(fù)雜系統(tǒng)的基于時(shí)域分析的現(xiàn)代控制理論提供了可能。 從1960年到1980，

3、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。 從1980年到現(xiàn)在，現(xiàn)代控制理論進(jìn)展集中于魯棒控制、H控制及其相關(guān)課題。,2002-09-23,自動(dòng)控制原理,7,古典控制理論 以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)研究單輸入-單輸出一類定?？刂葡到y(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)問(wèn)題。這些理論由于其發(fā)展教早，現(xiàn)已臻成熟。,現(xiàn)代控制 以狀態(tài)空間法為基礎(chǔ)，研究多輸入-多輸出、時(shí)變、非線性一類控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)問(wèn)題。系統(tǒng)具有高精度和高效能的特點(diǎn)。,2002-09-23,自動(dòng)控制原理,8,1.2 術(shù)語(yǔ),自動(dòng)控制 對(duì)象 過(guò)程 系統(tǒng) 擾動(dòng) 反饋控制 反饋控制系統(tǒng) 隨動(dòng)系統(tǒng) 自動(dòng)調(diào)整系統(tǒng) 過(guò)程控制系統(tǒng),2002-

4、09-23,自動(dòng)控制原理,9,1 自動(dòng)控制 在無(wú)人直接參與的情況下，通過(guò)控制器使被控對(duì)象或過(guò)程自動(dòng)地按照預(yù)定要求進(jìn)行。,2 對(duì)象 是一個(gè)設(shè)備，它是由一些機(jī)器零件有機(jī)地組合在一起的，其作用是完成一個(gè)特定的動(dòng)作。在下面的討論中，稱任何被控物體（如加熱爐、化學(xué)反應(yīng)器或宇宙飛船）為對(duì)象。,3 過(guò)程 稱任何被控制的運(yùn)行狀態(tài)為過(guò)程，其具體例子如化學(xué)過(guò)程、經(jīng)濟(jì)學(xué)過(guò)程、生物學(xué)過(guò)程。,4 系統(tǒng) 完成一定任務(wù)的一些元、部件的組合。,2002-09-23,自動(dòng)控制原理,10,5 擾動(dòng),6 反饋控制,擾動(dòng)是一種對(duì)系統(tǒng)的輸出產(chǎn)生不利影響的信號(hào)。如果擾動(dòng)產(chǎn)生在系統(tǒng)內(nèi)部稱為內(nèi)擾；擾動(dòng)產(chǎn)生在系統(tǒng)外部，則稱為外擾。外擾是系統(tǒng)的

5、輸入量。,反饋控制是這樣一種控制過(guò)程，它能夠在存在擾動(dòng)的情況下，力圖減小系統(tǒng)的輸出量與參考輸入量（也稱參據(jù)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(chǔ)之上的。,2002-09-23,自動(dòng)控制原理,11,反饋控制系統(tǒng)是一種能對(duì)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(lái)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)，諸如經(jīng)濟(jì)學(xué)和生物學(xué)中，也存在著反饋控制系統(tǒng)。,7 反饋控制系統(tǒng),2002-09-23,自動(dòng)控制原理,12,隨動(dòng)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(jī)械位移、速度或者加速度。因

6、此，隨動(dòng)系統(tǒng)這個(gè)術(shù)語(yǔ)，與位置（或速度或加速度）控制系統(tǒng)是同義語(yǔ)。在現(xiàn)代工業(yè)中，廣泛采用著隨動(dòng)系統(tǒng)。,8 隨動(dòng)系統(tǒng),9 過(guò)程控制,在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，諸如對(duì)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(guò)程控制。,2002-09-23,自動(dòng)控制原理,13,熱力系統(tǒng)的例子熱力系統(tǒng)的人工反饋控制,2002-09-23,自動(dòng)控制原理,14,熱力系統(tǒng)的自動(dòng)反饋控制,2002-09-23,自動(dòng)控制原理,15,1.3 閉環(huán)控制與開(kāi)環(huán)控制,反饋控制系統(tǒng) 開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng) 閉環(huán)與開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)的比較,2002-09-23,自動(dòng)控制原理,16,1.3.1 反饋控制系統(tǒng),1 反饋 把取出的輸出量送回輸

7、入端，并與輸入信號(hào)相比較產(chǎn)生偏差信號(hào)的過(guò)程，稱為反饋。若反饋的信號(hào)與輸入信號(hào)相減，使產(chǎn)生的偏差越來(lái)越小，則稱為負(fù)反饋；反之，則稱為正反饋。 2 反饋控制系統(tǒng) 能對(duì)輸入量與輸出量進(jìn)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(yù)定關(guān)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(gè)控制過(guò)程成為閉合的，因此反饋控制也稱為閉環(huán)控制。,2002-09-23,自動(dòng)控制原理,17,3 閉環(huán)控制 凡是系統(tǒng)輸出信號(hào)對(duì)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(hào)和反饋信號(hào)（反饋信號(hào)可以是輸出信號(hào)本身，也可以是輸出信號(hào)的函數(shù)或?qū)?shù)）之差，稱為誤差信號(hào)，誤差信號(hào)加到控制器上，以減小系統(tǒng)的誤差

8、，并使系統(tǒng)的輸出量趨于所希望的值，換句話說(shuō)，“閉環(huán)”這個(gè)術(shù)語(yǔ)的涵義，就是應(yīng)用反饋?zhàn)饔脕?lái)減小系統(tǒng)的誤差。,2002-09-23,自動(dòng)控制原理,18,圖1-3 閉環(huán)控制系統(tǒng),2002-09-23,自動(dòng)控制原理,19,1.3.2 反饋控制系統(tǒng)的基本組成,被控對(duì)象 控制裝置(由具有一定職能的各種基本元件組成 ) 測(cè)量元件：其職能是測(cè)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(duì)應(yīng)的系統(tǒng)輸入量（即參據(jù)量）。 比較元件：把測(cè)量元件檢測(cè)的被控量實(shí)際值與給定元件給出的參據(jù)量進(jìn)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(jìn)行放大，用來(lái)推動(dòng)執(zhí)行元件去控制被控對(duì)象。 執(zhí)行元件：直接推動(dòng)

9、被控對(duì)象，使其被控量發(fā)生變化。 校正元件：亦稱補(bǔ)償元件，它是結(jié)構(gòu)或參數(shù)便于調(diào)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。,2002-09-23,自動(dòng)控制原理,20,用“”號(hào)代表比較元件，“”號(hào)代表兩者符號(hào)相反，“+”號(hào)代表兩者符號(hào)相同。信號(hào)沿箭頭方向從輸入端到達(dá)輸出端的傳輸通路稱前向通路；系統(tǒng)輸出量經(jīng)測(cè)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(gòu)成主回路。此外，還有局部反饋通路以及由它構(gòu)成的內(nèi)回路。,2002-09-23,自動(dòng)控制原理,21,1.3.3 開(kāi)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(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)。,2002

10、-09-23,自動(dòng)控制原理,22,現(xiàn)代化的工廠,2002-09-23,自動(dòng)控制原理,23,1.3.4 閉環(huán)與開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)的比較,閉環(huán)控制系統(tǒng)的特點(diǎn) 偏差控制，可以抑制內(nèi)、外擾動(dòng)對(duì)被控制量產(chǎn)生的影響。精度高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)計(jì)、分析麻煩。,開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)的特點(diǎn) 順向作用，沒(méi)有反向的聯(lián)系，沒(méi)有修正偏差能力，抗擾動(dòng)性較差。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)整方便、成本低。,2002-09-23,自動(dòng)控制原理,24,棉紡廠,2002-09-23,自動(dòng)控制原理,25,1.5 自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類,開(kāi)環(huán)控制 閉環(huán)控制(反饋控制) 復(fù)合控制,按控制方式分,2002-09-23,自動(dòng)控制原理,26,機(jī)械系統(tǒng)恒張力系統(tǒng) 電氣系統(tǒng) 機(jī)電系統(tǒng)全

11、自動(dòng)照相機(jī)，光機(jī) 電結(jié)合 液壓系統(tǒng)伺服液壓缸，汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)，大型的仿真模擬臺(tái) 氣動(dòng)系統(tǒng) 生物系統(tǒng),按 元 件 類 型 分,2002-09-23,自動(dòng)控制原理,27,按系統(tǒng)功用分,溫度控制系統(tǒng),壓力控制系統(tǒng),位置控制系統(tǒng),2002-09-23,自動(dòng)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(shí)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),2002-09-23,自動(dòng)控制原理,29,恒值控制系統(tǒng),隨動(dòng)系統(tǒng),程序控制系統(tǒng),按參據(jù)量變化規(guī)律分,2002-09-23,自動(dòng)控制原理,30,圖1-6（a）是一個(gè)液位控制系統(tǒng)原理圖。在這里，自動(dòng)控制器通過(guò)比較實(shí)際液位與希望液位，并通過(guò)調(diào)整氣動(dòng)閥門(mén)的開(kāi)度，對(duì)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)的方框圖。試畫(huà)出相應(yīng)的人工操縱液位控制系統(tǒng)方塊圖。,例題1-1,2002-09-23,自動(dòng)控制原理,31,2002-09-23,自動(dòng)控制原理,32,2002-09-23,自動(dòng)控制原理,33,2002-09-23,自動(dòng)控制原理,34,有一發(fā)電機(jī)-電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)如圖1-7所示。其工作原理是操縱者轉(zhuǎn)動(dòng)操縱電位計(jì)的手柄，可使電位計(jì)的輸出電壓Ur改變大小和方向。經(jīng)前置放大器和直流發(fā)電機(jī)兩極放大，使加在伺服電機(jī)上的端電壓也隨之改變大小和方向。從