自動(dòng)控制-01一般概念

1、《自動(dòng)控制原理》,1-1 引言1-2 自動(dòng)控制系統(tǒng)的一般概念1-3 自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類1-4 對自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求,,,第一章 自動(dòng)控制的一般概念,1-1 引言,一. 自動(dòng)控制的概念及應(yīng)用1.控制：是使某些物理量按指定的規(guī)律變化（包括保持恒定），以保證生產(chǎn)的安全性，經(jīng)濟(jì)性及產(chǎn)品質(zhì)量等要求的技術(shù)手段。2.自動(dòng)控制：就是應(yīng)用自動(dòng)化儀表或控制裝置代替人，自動(dòng)地對機(jī)器設(shè)備或生產(chǎn)過程進(jìn)行控制，使之達(dá)到預(yù)期的狀態(tài)或性

2、能要求。,,鍋爐氣鼓水位控制系統(tǒng),3. 自動(dòng)控制的應(yīng)用 ●鍋爐設(shè)備的壓力和溫度自動(dòng)保持恒定 ●數(shù)控機(jī)床按照預(yù)定的程序自動(dòng)地切削工件 ●導(dǎo)彈發(fā)射與制導(dǎo)系統(tǒng)，自動(dòng)地使導(dǎo)彈攻擊敵方目標(biāo) ●無人駕駛飛機(jī)按照預(yù)定航跡自動(dòng)升降和飛行 ●人造衛(wèi)星準(zhǔn)確地進(jìn)入預(yù)定軌道運(yùn)行并回收 自動(dòng)控制技術(shù)的應(yīng)用范圍已擴(kuò)展到生物、醫(yī)學(xué)、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)管理和其它許多社會(huì)生活領(lǐng)域中，自動(dòng)控制已成為現(xiàn)代社會(huì)活動(dòng)中不可缺少的重要組

3、成部分。二.自動(dòng)控制理論的發(fā)展 1.經(jīng)典控制理論,40~50年代形成 適用于SISO（單輸入－單輸出）系統(tǒng) 基于：二戰(zhàn)軍工技術(shù)目標(biāo)：反饋控制系統(tǒng)的穩(wěn)定 基本方法：傳遞函數(shù)，頻率法，PID調(diào)節(jié)器 (頻域),2.現(xiàn)代控制理論,60~70年代形成 適用于MIMO （多輸入－多輸出）系統(tǒng) 基于： 冷戰(zhàn)時(shí)期空間技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)目標(biāo)：最優(yōu)控制基本方法：狀態(tài)空間表達(dá)式,1-2 自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念,一.自動(dòng)控制

4、系統(tǒng) 自動(dòng)控制系統(tǒng)是指由控制裝置與被控對象結(jié)合起來的，能夠?qū)Ρ豢貙ο蟮囊恍┪锢砹窟M(jìn)行自動(dòng)控制的一個(gè)有機(jī)整體。1.被控對象：（要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的機(jī)器設(shè)備或生產(chǎn)過程）2.被控制量：（指控制系統(tǒng)所要控制的物理量，一般指系統(tǒng)的輸出量）,3.給定值：（根據(jù)生產(chǎn)要求，被控制量需要達(dá)到的數(shù)值）4.擾動(dòng)：（破壞控制量與被控制量之間正常函數(shù)關(guān)系的因素，稱為系統(tǒng)的擾動(dòng)。如擾動(dòng)來自外部，叫做外擾，如果擾動(dòng)來自內(nèi)部，稱為內(nèi)擾。系統(tǒng)中各元件參

5、數(shù)的變化屬于內(nèi)擾。） 給定值和擾動(dòng)統(tǒng)稱為輸入量。5.控制裝置：（能夠?qū)Ρ豢貙ο笃鹂刂谱饔玫脑O(shè)備總稱）,二.原理方框圖,,,表示比較元件或比較點(diǎn)，它的輸出量等于各輸入量的代數(shù)和，各輸入量若為“＋”號可以不標(biāo)，若為“－”號必須在箭頭旁標(biāo)注負(fù)號。,,引出點(diǎn)，表示信號在此分兩路，兩路信號相同，不存在分流問題。,,方框表示它所代表部分的名稱和功能，而不畫出具體結(jié)構(gòu)，用方框之間帶箭頭的直線說明各部分之間的信號傳遞,,

6、,2.應(yīng)用 目前比較常見的開環(huán)控制系統(tǒng)有自動(dòng)售貨機(jī)，自動(dòng)洗衣機(jī)，自動(dòng)流水線，包裝機(jī)等。,三.開環(huán)控制系統(tǒng),1.定義：輸出量與輸入量之間沒有反向聯(lián)系，只靠輸入量對輸出量單向控制的系統(tǒng)叫開環(huán)控制系統(tǒng)。,開環(huán)控制又可稱為前饋控制，因?yàn)榭刂谱饔檬怯奢斎胄盘栔苯酉蚯拜斔停皇怯奢敵鲂盘柣剌數(shù)捷斎胄盘杹磉M(jìn)行控制的，故稱為前饋控制。,例1.下面是一個(gè)具體的開環(huán)控制系統(tǒng)的例子， 直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系

7、統(tǒng)。,,方框圖為：,四.閉環(huán)控制系統(tǒng)1定義：輸出量與輸入量之間有反向聯(lián)系，靠輸入量與主反饋信號之間的偏差對輸出量進(jìn)行控制的系統(tǒng)叫閉環(huán)控制系統(tǒng)。反饋：是把系統(tǒng)輸出量全部或一部分回送到輸入端，以增強(qiáng)或減弱輸入信號的效應(yīng)。,例2 引入閉環(huán)控制后的直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng),方框圖,同開環(huán)系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)由于干擾引起的轉(zhuǎn)速誤差要小得多。,如果極性接錯(cuò)，這時(shí)電壓放大器的輸入 ，如果外來的電網(wǎng)電壓波動(dòng)使電機(jī)的轉(zhuǎn)速n ，則

8、由測速發(fā)電機(jī)確定的則 則uk ，ua 則n ，則轉(zhuǎn)速越來越大，電動(dòng)機(jī)損壞，失去控制。——正反饋。,,,,,,,正反饋不能用于控制系統(tǒng)，用途——振蕩器（正弦信號發(fā)生器）,起增強(qiáng)輸入信號作用——正反饋。 起減弱輸入信號作用——負(fù)反饋。 正反饋不能進(jìn)行控制，會(huì)使系統(tǒng)的偏差越來越大。 只有負(fù)反饋控制系統(tǒng)才能完成自動(dòng)控制的任務(wù)。 負(fù)反饋控制系統(tǒng)最大的特點(diǎn)：檢測偏差，糾正偏差

9、 ——按偏差控制,例3.我們在日常生活中經(jīng)常遇到的抽水馬桶，也是一個(gè)典型的閉環(huán)控制系統(tǒng)。,水箱原來處于一個(gè)平衡狀態(tài)，q1(t)=q2(t)=0。如果打開閥門，沖水，沖好后關(guān)上閥門，h(t)發(fā)生變化，水位下降， △h變大，通過浮子反饋到執(zhí)行機(jī)構(gòu)。機(jī)械杠桿帶動(dòng)活塞打開， q1(t)變大，使△h 變小，浮子上浮，活塞也上升，直至達(dá)到新的平衡。,原理方框

10、圖：,這就是負(fù)反饋控制系統(tǒng)，檢測偏差，然后進(jìn)行調(diào)節(jié)，使偏差減小，最后直至消除偏差。 ——按偏差控制。,主反饋：直接取自系統(tǒng)輸出端n，經(jīng)過測量和變換，又引入到系統(tǒng)輸入端的信號ub叫主反饋信號，相應(yīng)的反饋叫主反饋。前向通道：從系統(tǒng)輸入端到輸出量之間的通道稱為前向通道。主反饋通道：從輸出量到主反饋信號之間的通道稱為主反饋通道。單位反饋系統(tǒng)：主反饋信號等于輸出量的系統(tǒng)叫單位反饋系統(tǒng)。非單位反饋系統(tǒng)：主反饋信號不等于輸出量的系統(tǒng)叫非單位反

11、饋系統(tǒng)。局部反饋：對應(yīng)內(nèi)回路。,五.重要概念,主回路：主反饋閉合了除系統(tǒng)輸入信號和干擾信號以外的其它所有信號，所形成的閉合回路稱為主回路。給定元件：給出與系統(tǒng)輸出量希望值相對應(yīng)的系統(tǒng)輸入量。測量元件：測量系統(tǒng)輸出量的實(shí)際值，并把輸出量的量綱轉(zhuǎn)化成與輸入量相同。比較元件：比較系統(tǒng)的輸入量和主反饋信號，并給出兩者之間的偏差。放大元件：對微弱的偏差信號進(jìn)行放大和變換，使之具有足夠的幅值和功率，以適應(yīng)執(zhí)行元件動(dòng)作的要求。執(zhí)行元件：根

12、據(jù)放大后的偏差信號產(chǎn)生控制、動(dòng)作，操作系統(tǒng)的輸出量，使之按照輸入量的變化規(guī)律而變化。,開環(huán)控制系統(tǒng)： 1. 結(jié)構(gòu)簡單經(jīng)濟(jì) 2.調(diào)試方便 3.抗干擾能力差，控制精度不高。閉環(huán)控制系統(tǒng)： 1.系統(tǒng)具有糾正偏差的能力。 2.抗擾性好，控制精度高。

13、 3.包含元件多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格高。 4.參數(shù)應(yīng)選擇適當(dāng)。開環(huán)＋閉環(huán)＝復(fù)合控制系統(tǒng)（兼有兩者的優(yōu)點(diǎn)，精度很高）,六.開環(huán)與閉環(huán)系統(tǒng)的比較,返回,,飛機(jī)示意圖,給定裝置,,,,,放大器,,舵機(jī),,,飛機(jī),,反饋電位器,,,,,,垂直陀螺儀,,,,,θ0,θ,,擾動(dòng),俯仰角控制系統(tǒng)方塊圖,飛機(jī)方塊圖,1-3 自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類,一.分類1.根據(jù)結(jié)構(gòu)劃分 a.

14、負(fù)反饋系統(tǒng) b.前饋控制系統(tǒng) c.復(fù)合控制系統(tǒng)2.按給定值的形式劃分 a.定值控制系統(tǒng)（輸入量是恒定的常值，任務(wù)：在各種擾動(dòng)作用下都能使輸出量保持在恒定希望值附近，如恒溫、水位、恒壓控制系統(tǒng)）,b.隨動(dòng)系統(tǒng)（也叫伺服系統(tǒng)，跟蹤系統(tǒng)） 這種控制系統(tǒng)的輸入量是事先不知道的任意時(shí)間函數(shù)。任務(wù)：使輸出量迅速而準(zhǔn)確地跟隨輸入量的變化而變化。比如：飛機(jī)和艦船的操舵系統(tǒng)，雷達(dá)自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)

15、。 c.程序控制系統(tǒng)（輸入量按照給定的程序變化。任務(wù)：使輸出量按預(yù)先給定的程序指令而動(dòng)作）最典型的就是數(shù)控車床和機(jī)器人控制系統(tǒng)。,3.按系統(tǒng)的特性分類 a.線性系統(tǒng)(具有疊加性和齊次性，可以用線性微分方程來描述) b.非線性系統(tǒng)（不適用疊加原理，用非線性方程來描述）4.按信號的形式分類 a.連續(xù)控制系統(tǒng) b.離散控制系統(tǒng),線性系統(tǒng) 特點(diǎn)：系統(tǒng)由線性元件構(gòu)成，描述運(yùn)動(dòng)規(guī)律的數(shù)學(xué)模型為線性微分方程。運(yùn)動(dòng)方程一般形

16、式：  式中：r(t)——系統(tǒng)輸入量； c(t)——系統(tǒng)輸出量 主要特點(diǎn)是具有疊加性和齊次性。,爐溫自動(dòng)控制系統(tǒng)方框圖,由于元件存在不靈敏區(qū)，只有偏差電壓大到一定數(shù)值后電機(jī)才轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)行控制，所以，控制精度只能保持在6800 ±50 C,電爐爐溫自動(dòng)控制系統(tǒng)的任務(wù)是控制爐溫維持在6800C附近

17、，以滿足硅鋼熱處理的要求。爐子的溫度由毫伏級的給定電壓ur控制的，其設(shè)置與爐溫的期望值Tr相對應(yīng)，熱電偶用來測量爐溫的實(shí)際值Tc，它的輸出ub正比于爐溫，ub=kTc,ub是毫伏級電壓信號，k是比例系數(shù)。ub僅反饋到系統(tǒng)的輸入端，與給定電壓ur進(jìn)行比較，得到偏差信號uε= ur- ub?要求的爐溫與實(shí)際爐溫的偏差。 uε=0，系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)。,若由于擾動(dòng)使實(shí)際的爐溫低于希期望值，則 uε= ur- ub?0，該電壓經(jīng)電壓放

18、大和功率放大后驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)，電機(jī)經(jīng)減速器帶動(dòng)調(diào)壓變壓器的滑臂，向增加加熱電流的方向移動(dòng)，于是反饋電壓ub增加， uε下降，直至爐溫達(dá)到給定值為止，此時(shí)uε= 0，電機(jī)停轉(zhuǎn)，系統(tǒng)重新處于平衡狀態(tài)，從而完成了自動(dòng)調(diào)節(jié)爐溫的任務(wù)，若由于干擾使實(shí)際的爐溫高于希望值，整個(gè)調(diào)節(jié)過程反方向進(jìn)行。,1-4 對控制系統(tǒng)的基本要求,前面我們已經(jīng)講過，輸入信號和擾動(dòng)是一個(gè)系統(tǒng)典型的外作用，但我們希望系統(tǒng)只受輸入信號的控制，而絲毫不受擾動(dòng)的影響，所以我們只研

19、究在輸入信號作用下，對系統(tǒng)性能的要求。,當(dāng)輸入信號突然發(fā)生跳變時(shí)，這時(shí)輸出量還處在原有的平衡狀態(tài)，這樣就出現(xiàn)了偏差，這個(gè)偏差控制輸出量達(dá)到新的平衡，這就是一個(gè)調(diào)節(jié)過程。,理想的調(diào)節(jié)過程是：出現(xiàn)偏差后，執(zhí)行機(jī)構(gòu)突然動(dòng)作，使輸出量立即達(dá)到新的平衡狀態(tài)，調(diào)節(jié)過程瞬時(shí)完成，實(shí)際上這是不可能的，因?yàn)槭裁茨?？對，慣性。所以當(dāng)輸出量發(fā)生跳變時(shí)，任何實(shí)際系統(tǒng)從原平衡狀態(tài)到達(dá)新的平衡狀態(tài)都要經(jīng)歷一個(gè)過渡過程，過渡過程的曲線形狀隨系統(tǒng)的不同而有所差異，有的

20、是單調(diào)增長到穩(wěn)定值（曲線1），有的是衰減到穩(wěn)定值（曲線2） 。,整個(gè)調(diào)節(jié)過程分為兩個(gè)階段:a.過渡過程 反映系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。（輸出量處于激烈變化之中）b.穩(wěn)態(tài)過程 反映系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性。（輸出量穩(wěn)定在新的平衡狀態(tài)，并保持不變。） 陰影部分表示的是實(shí)際調(diào)節(jié)過程與理想調(diào)節(jié)過程的差異，差異越小，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)質(zhì)量越高。一.典型外作用： 為了能對不同的控制系統(tǒng)的性能用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)來恒量，通常需要選擇幾

21、種典型的外作用。,1.選取原則（1）在現(xiàn)場及實(shí)驗(yàn)中容易產(chǎn)生（2）在工程中經(jīng)常遇到，并且是最不利的外作用。（3）數(shù)學(xué)表達(dá)式簡單，便于理論分析。2.階躍函數(shù)（1）數(shù)學(xué)表達(dá)式,（2）圖形： 表示在t=0時(shí)刻出現(xiàn)了幅值為R的跳變，是最不利的外作用。R=1時(shí)的階躍函數(shù)叫單位階躍函數(shù)，用1(t)表示。常用階躍函數(shù)作為評價(jià)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的典型外作用。所以階躍函數(shù)在自動(dòng)控制系統(tǒng)的分析中起著特別重要的作用。

22、 3.斜坡函數(shù) （也叫速度函數(shù)）,（1）.數(shù)學(xué)表達(dá)式 （2）圖形： 如R=1,叫單位速度函數(shù)，表示從t=0時(shí)刻，以恒速R變化。,4.加速度函數(shù) （1）數(shù)學(xué)表達(dá)式 (2)圖形 R=1叫單位加速度函數(shù)。表示從t=0時(shí)刻開始，以恒加速度R變化。,5.脈沖函數(shù) （1）矩形脈沖函數(shù)數(shù)學(xué)表達(dá)式 (2)圖形：,脈沖函數(shù)是對ε趨于0，求極限得到的。數(shù)學(xué)表達(dá)式為

23、 但脈沖函數(shù)在現(xiàn)實(shí)中是不存在的，只是數(shù)學(xué)上的定義，在現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中常把作用時(shí)間很短，幅值很大而強(qiáng)度有限的一些外作用近似看作脈沖函數(shù)。當(dāng)A=1時(shí)，稱為單位脈沖函數(shù)，記作δ(t), 強(qiáng)度為A的脈沖函數(shù)r(t)表示成 r(t)=Aδ(t)6.正弦函數(shù) （1）.數(shù)學(xué)表達(dá)式,A為振幅，w=2πf 為正弦函數(shù)的角頻率，這里，初始相角φ=0，如果初始相角φ不等于0，那么正弦函數(shù)r(t)的表達(dá)式為： r(t)=Asin(wt-φ) (

24、2).圖形,正弦函數(shù)也是控制系統(tǒng)常見的一種典型外作用，很多實(shí)際的隨動(dòng)系統(tǒng)就是經(jīng)常在這種正弦函數(shù)作用下工作的，更為重要的是系統(tǒng)在正弦函數(shù)作用下的響應(yīng)，即頻率特性，是自動(dòng)控制理論中研究系統(tǒng)性能的重要依據(jù)。 二.對系統(tǒng)性能的基本要求。 階躍輸入是變化最劇烈，對系統(tǒng)最不利的外作用，如果系統(tǒng)在階躍函數(shù)作用下能滿足自動(dòng)控制任務(wù)。那么，系統(tǒng)在其它緩慢變化的外作用下更能滿足要求。所以，常選用階躍函數(shù)作用典型輸入來研究系統(tǒng)的,性能。階躍響

25、應(yīng)的某些特征值，就是性能指標(biāo)，可以統(tǒng)一評價(jià)系統(tǒng)的性能。總的來說，希望實(shí)際的調(diào)節(jié)過程盡可能接近于理想的調(diào)節(jié)過程。工程上把它歸結(jié)為穩(wěn)、準(zhǔn)、快三個(gè)方面1.穩(wěn)定性：就是指系統(tǒng)重新恢復(fù)平穩(wěn)狀態(tài)的能力，即過渡過程的收斂情況。,1、2、5最終趨于平衡狀態(tài)，這類系統(tǒng)是穩(wěn)定的。3?振蕩發(fā)散，4 ?單調(diào)發(fā)散。這類系統(tǒng)的過渡過程隨時(shí)間的推移而發(fā)散，無法正常工作，不穩(wěn)定。穩(wěn)定性是對控制系統(tǒng)的最基本要求。2.快速性：指過渡過程進(jìn)行的時(shí)間長短。 （曲