第1章-自動(dòng)控制理論的一般概念

1、自動(dòng)控制原理,教學(xué)課件 紅河學(xué)院 徐紹坤 gjxusk5712@163.c0m,第一章 自動(dòng)控制理論的一般概念,1-1 自動(dòng)控制發(fā)展簡(jiǎn)史1-2 自動(dòng)控制的基本方式1-3 典型控制系統(tǒng)1-4 對(duì)于自動(dòng)控制系統(tǒng)的要求,1765年，瓦特發(fā)明蒸汽機(jī)，用離心式調(diào)速器控制蒸氣機(jī)1948年，維納《控制論－或關(guān)于在動(dòng)物和機(jī)器中控制和通 信的科學(xué)》產(chǎn)生40－60年代 經(jīng)典控制理論（頻域法為

2、主）60－70年代 現(xiàn)代控制理論（時(shí)域法為主)70年代以后 大系統(tǒng)控制理論,自動(dòng)控制： 在沒(méi)有人直接參與的情況下，采用控制裝置或機(jī)械使被控制對(duì)象達(dá)到預(yù)期的目標(biāo) 。,1-1 自動(dòng)控制發(fā)展簡(jiǎn)史,,發(fā)展簡(jiǎn)史：,自動(dòng)控制研究的內(nèi)容： 經(jīng)典控制理論 現(xiàn)代控制理論經(jīng)典控制理論 主要研究對(duì)象:對(duì)單輸入單輸出線性定常系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)問(wèn)題?，F(xiàn)代控制理論 主要研究對(duì)象:多輸入、多輸出、時(shí)變參

3、數(shù)、高精度復(fù)雜系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)問(wèn)題。,閉環(huán)控制,復(fù)合控制,開環(huán)控制,1-2 自動(dòng)控制的基本方式,,一、開環(huán)控制,控制裝置與被控對(duì)象之間只有順向作用而沒(méi)有反向聯(lián)系的控制。,給定值,控制方式： 按給定值操縱。信號(hào)由給定值至輸出量單向傳遞。一定的給定值對(duì)應(yīng)一定的輸出量。系統(tǒng)的控制精度取決于系統(tǒng)事先的調(diào)整精度。對(duì)于工作過(guò)程中受到的擾動(dòng)或特性參數(shù)的變化無(wú)法自動(dòng)補(bǔ)償。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，多用于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)穩(wěn)定和擾動(dòng)信號(hào)較弱的場(chǎng)合.,開環(huán)控制

4、系統(tǒng)特點(diǎn)： 信號(hào)從輸入到輸出無(wú)反饋,單向傳遞. 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單. 控制精度不高,無(wú)法抑制擾動(dòng).,例: 直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速開環(huán)控制系統(tǒng)。,輸出量對(duì)輸入量沒(méi)有影響的系統(tǒng)稱為開環(huán)系統(tǒng),控制任務(wù)：保持工作機(jī)械恒速運(yùn)行.,控制過(guò)程：,二、閉環(huán)控制,反 饋： 輸出量送回至輸入端并與輸入信號(hào)比較的過(guò)程負(fù)反饋： 反饋的信號(hào)與輸入信號(hào)相減而使偏差越來(lái)越小,典型閉環(huán)系統(tǒng)方框圖,閉環(huán)控制: 是指控制器與控制對(duì)象之間既

5、有順向 作用有反向聯(lián)系的控制過(guò)程。,特點(diǎn): 輸出影響輸入，所以能削弱或抑制干擾；低精度元件可組成高精度系統(tǒng)；因?yàn)榭赡馨l(fā)生超調(diào)，振蕩，所以穩(wěn)定性很重要,開環(huán) 優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，工作穩(wěn)定，當(dāng)輸入信號(hào)和 擾動(dòng)能預(yù)先知道時(shí)，控制效果較好。,缺點(diǎn)：不能自動(dòng)修正被控制量的偏離，系統(tǒng)的元件參 數(shù)變化以及外來(lái)的未知擾動(dòng)對(duì)控制精度影響較大。,閉環(huán) 優(yōu)點(diǎn)：具有自動(dòng)修正被控制量出現(xiàn)偏離的能力，可以修 正元件參

6、數(shù)變化及外界擾動(dòng)引起的誤差，控制精度高。,缺點(diǎn)：被控量可能出現(xiàn)振蕩，甚至發(fā)散。,三、開環(huán)控制與反饋控制的比較,主 反 饋 — 與輸出成正比或某種函數(shù)關(guān)系，但量綱與給定信號(hào)相同；偏 差 — 給定信號(hào)與主反饋信號(hào)之差的信號(hào)；控制單元 — 接受偏差信號(hào)，通過(guò)轉(zhuǎn)換與運(yùn)算，產(chǎn)生期望的控制量；擾 動(dòng) — 對(duì)系統(tǒng)輸出產(chǎn)生不利影響的信號(hào)；反饋環(huán)節(jié) — 檢測(cè)輸出信號(hào)并轉(zhuǎn)換與給定輸入信號(hào)相同量綱的信號(hào)。,四、閉環(huán)控制系統(tǒng)的術(shù)語(yǔ)和定義,閉

7、環(huán)控制系統(tǒng)的方框圖,方框圖的組成：,五、復(fù)合控制,它是把按偏差控制與按擾動(dòng)控制結(jié)合起來(lái)，對(duì)于主要擾動(dòng)采用適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償裝置實(shí)現(xiàn)按擾動(dòng)控制，同時(shí)再組成反饋控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)按偏差控制，以消除其余擾動(dòng)產(chǎn)生的偏差。,按擾動(dòng)補(bǔ)償,也稱鎮(zhèn)定系統(tǒng)。輸出量以一定的精度等于給定值，而給定值一般不變化或變化很緩慢，擾動(dòng)可隨時(shí)變化的系統(tǒng)稱為恒值系統(tǒng)，在生產(chǎn)過(guò)程中，這類系統(tǒng)非常多。例如，冶金部門的恒溫系統(tǒng)，石油部門的恒壓系統(tǒng)等。,1-3 典型控制系統(tǒng),恒值系統(tǒng)：,輸

8、出量能以一定精度跟隨給定值變化的系統(tǒng)稱隨動(dòng)系統(tǒng)，又稱為跟蹤系統(tǒng)。這類系統(tǒng)的特點(diǎn)是系統(tǒng)的給定值變化規(guī)律完全取決于事先不能確定的時(shí)間函數(shù)。例如，火炮系統(tǒng)，衛(wèi)星控制系統(tǒng)等。,隨動(dòng)系統(tǒng)：,例:一位置隨動(dòng)系統(tǒng)的工作原理圖。,控制任務(wù)：要求工作機(jī)械能夠跟隨指令機(jī)構(gòu)同步轉(zhuǎn)動(dòng),即要使工作機(jī)械的角位置跟隨給定指令轉(zhuǎn)角，亦即使：,首先確定以下基本問(wèn)題：（1）受控對(duì)象: 工作機(jī)械；（2）被 控 量: 角位置；（3）指令轉(zhuǎn)角: 給定值；（4）測(cè)量元件:

9、 通過(guò)兩個(gè)相同的電位計(jì)測(cè)量轉(zhuǎn)角及，并轉(zhuǎn)換為 相應(yīng)的電壓及；（5）計(jì)算比較: 兩個(gè)測(cè)量電位計(jì)的橋式連接，即完成了減法運(yùn)算， 兩電刷之間的電壓代表了被控量對(duì)給定量的誤差；（6）執(zhí)行機(jī)械: 電機(jī)減速裝置。,系統(tǒng)的工作原理： 如果工作機(jī)械轉(zhuǎn)角等于指令轉(zhuǎn)角，則經(jīng)事先整定，即電機(jī)不動(dòng)，系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)。當(dāng)指令轉(zhuǎn)角改變，隨之改變，而工作機(jī)械仍處于原位，則從而使電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)工作機(jī)械朝所要求

10、的方向快速偏轉(zhuǎn)，直至電機(jī)停轉(zhuǎn)，此時(shí)系統(tǒng)在新的位置上處于與指令同步的平衡工作狀態(tài)，即完成了跟隨的任務(wù)。,自動(dòng)控制系統(tǒng)的被控制量如果是根據(jù)預(yù)先編好的程序進(jìn)行控制的系統(tǒng)稱程序控制系統(tǒng)。例如，煉鋼爐中的微機(jī)控制系統(tǒng)，洲際彈道導(dǎo)彈的程序控制系統(tǒng)等。,程序控制系統(tǒng)：,穩(wěn)定性 被控制信號(hào)能跟蹤已變化的輸入信號(hào)，從一種狀態(tài)到另一種狀態(tài)，如果能做到，我們就認(rèn)為該系統(tǒng)是穩(wěn)定的，這是對(duì)反饋控制系統(tǒng)提出的最基本要求。 快速性　　對(duì)過(guò)渡過(guò)程的形式

11、和快慢提出要求，一般稱為動(dòng)態(tài)性能。　　穩(wěn)定高射炮射角隨動(dòng)系統(tǒng)，雖然炮身最終能跟蹤目標(biāo)，但如果目標(biāo)變動(dòng)迅速，而炮身行動(dòng)遲緩，仍然抓不住目標(biāo)。準(zhǔn)確性　　用穩(wěn)態(tài)誤差來(lái)表示?！　≡趨⒖驾斎胄盘?hào)作用下，當(dāng)系統(tǒng)達(dá)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。,1-4 對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)系統(tǒng)的要求,.穩(wěn)定性：是保證控制系統(tǒng)正常工作的先決條件。.快速性：動(dòng)態(tài)性能，有

12、指標(biāo)。.準(zhǔn)確性：穩(wěn)態(tài)（過(guò)度結(jié)束后的）值應(yīng)盡量與期望值一致。,t,n,n1,(a),0,(b),n,t,0,n0,,,,,,,n1,t,0,n,(c),,,n,0,t,(e),n1,n,0,t,(d),n0,,,,,,,n1,n,0,t,(f),,,,,,,,,,(a)、(b)非周期振蕩；(c)發(fā)散振蕩；(d)、(e)收斂振蕩；(f)等幅振蕩。,控制系統(tǒng)的分析典型信號(hào)下的響應(yīng) (階躍響應(yīng),頻率特性)數(shù)學(xué)模型 (傳遞函數(shù),狀態(tài)方程)