1、第一章第一章 自動控制系統概述自動控制系統概述 1-1 引言 1-2 開環控制和閉環控制 1-3 自動控制系統的組成 1-4 自動控制系統的分類 1-5 自動控制系統的性能指標 1-6 研究自動控制系統的方法1精品培訓課件PPT 1-1 引言引言一一、基本概念：基本概念： 1.控制控制：是使某些物理量按指定的規律變化是使某些物理量按指定的規律變化（包（包 括保持恒定），以保證生產的安全性，括保持恒定），以保證生產的安全性， 經濟性及經濟性及 產品質量等要求的技術手段。產品質量等要求的技術手段。 2.自動控制自動控制：就是在沒有人直接參與的情況下，：就是在沒有人直接參與的情況下，利用控制裝置，對

2、生產過程、工藝參數、目標利用控制裝置，對生產過程、工藝參數、目標要求等進行自動的調節與控制，使之達到預期要求等進行自動的調節與控制，使之達到預期的狀態或性能的狀態或性能要求求。2精品培訓課件PPT 3.自動控制系統自動控制系統：自動控制系統是指由控制裝自動控制系統是指由控制裝置與被控對象結合起來的，能夠對被控對象的置與被控對象結合起來的，能夠對被控對象的 一些物理量進行自動控制的一個有機整體。一些物理量進行自動控制的一個有機整體。二、自動控制的應用二、自動控制的應用： 鍋爐設備的壓力和溫度自動保持恒定鍋爐設備的壓力和溫度自動保持恒定 數控機床按照預定的程序自動地切削工件數控機床按照預定的程序自

3、動地切削工件 導彈發射與制導系統，自動地使導彈攻擊敵導彈發射與制導系統，自動地使導彈攻擊敵方目標方目標 無人駕駛飛機按照預定航跡自動升降和飛行無人駕駛飛機按照預定航跡自動升降和飛行 人造衛星準確地進入預定軌道運行并回收人造衛星準確地進入預定軌道運行并回收 3精品培訓課件PPT 近年來，隨著相關技術的發展，自動控制技術近年來，隨著相關技術的發展，自動控制技術的應用范圍已擴展到生物、醫學、環境、經濟管理的應用范圍已擴展到生物、醫學、環境、經濟管理和其它許多社會生活領域中，自動控制已成為現代和其它許多社會生活領域中，自動控制已成為現代社會活動中不可缺少的重要組成部分。社會活動中不可缺少的重要組成部分

4、。4精品培訓課件PPT三、自動控制理論的發展： 自動控制理論誕生于自動控制理論誕生于4040年代，是自動控制、電年代，是自動控制、電子技術、計算機等多學科相互交叉、相互滲透的產子技術、計算機等多學科相互交叉、相互滲透的產物。物。5050年代后期，由于軍事、航空等領域的需求，年代后期，由于軍事、航空等領域的需求，控制理論日趨完善?？刂评碚撊遮呁晟?。6060年代后控制理論出現分枝，年代后控制理論出現分枝，即：經典控制理論和現代控制理論。即：經典控制理論和現代控制理論。 經典控制理論和現代控制理論比較： 5精品培訓課件PPT研究對象研究對象 數學數學 工具工具 常用常用分析方法分析方法局限性局限性經

5、典經典控制控制理論理論單輸入單輸入-單單輸出線性輸出線性定常系統定常系統微分方微分方程，傳程，傳遞函數遞函數時域分析時域分析法，頻域法，頻域分析法分析法,根軌跡分根軌跡分析法析法對復雜多變量對復雜多變量系統、時變和系統、時變和非線性系統無非線性系統無能為力能為力現代現代控制控制理論理論多輸入多輸入-多多輸出變系輸出變系數，非線數，非線性等系統性等系統線性代線性代數、矩數、矩陣理論陣理論狀態空間狀態空間法法比較繁瑣（但比較繁瑣（但由于計算機技由于計算機技術的的迅速發術的的迅速發展，這一局限展，這一局限性已克服性已克服)6精品培訓課件PPT1-2 開環控制和閉環控制開環控制和閉環控制一、開環控制系

6、統：一、開環控制系統：1.定義定義：輸出量與輸入量之間沒有反向聯系，輸出量與輸入量之間沒有反向聯系， 只靠輸入量對輸出量單向控制的系統叫開環只靠輸入量對輸出量單向控制的系統叫開環 控制系統。控制系統?？刂蒲b置控制裝置被控對象被控對象控制量控制量擾動擾動被控制量被控制量7精品培訓課件PPT 開環控制又可稱為前饋控制，因為控制作用是開環控制又可稱為前饋控制，因為控制作用是由輸入信號直接向前輸送，而不是由輸出信號回饋由輸入信號直接向前輸送，而不是由輸出信號回饋到輸入信號來進行控制的，故稱為前饋控制。到輸入信號來進行控制的，故稱為前饋控制。2.應用應用： 目前比較常見的開環控制系統有自動售貨機，目前比

7、較常見的開環控制系統有自動售貨機，自動洗衣機，自動流水線，包裝機等。自動洗衣機，自動流水線，包裝機等。8精品培訓課件PPT例1.下面是一個具體的開環控制系統的例子 直流電機轉速控制系統電電壓壓放放大大器器可可控控硅硅功功放放負載負載uskuaun+MR電位器電壓us 010V轉速01000rpm9精品培訓課件PPT方方 框框 圖圖電位器電位器電壓電壓放大器放大器可控硅可控硅功放功放直流直流電動機電動機usukn擾動擾動ua10精品培訓課件PPT二、閉環控制系統：二、閉環控制系統： 1.定義：輸出量與輸入量之間有反向聯系，靠輸定義：輸出量與輸入量之間有反向聯系，靠輸 入量與反饋信號之間的偏差對輸

8、出量進行控制的系入量與反饋信號之間的偏差對輸出量進行控制的系 統叫閉環控制系統。統叫閉環控制系統。 2.反饋：是把系統輸出量全部或一部分回送到輸反饋：是把系統輸出量全部或一部分回送到輸 入端，以增強或減弱輸入信號的效應。入端，以增強或減弱輸入信號的效應。 11精品培訓課件PPT例2.引入閉環控制后的直流電機轉速控制系統電電壓壓放放大大器器可可控控硅硅功功放放負載負載ukuaun+MRUsufG12精品培訓課件PPT方框圖方框圖電位器電壓放大器可控硅放大器直流電動機測速機usuufuk-n擾動ua13精品培訓課件PPT 轉速負反饋的作用：引入測速發電機后，當外來轉速負反饋的作用：引入測速發電機后

9、，當外來的電網電壓波動使電機的轉速發生變化時，測速發電的電網電壓波動使電機的轉速發生變化時，測速發電機會將變化的情況反饋到比較環節，系統作出相應調機會將變化的情況反饋到比較環節，系統作出相應調節，最終控制轉速穩定。節，最終控制轉速穩定。fsuuu電壓放大器的輸入：nfufsuuuKuaun14精品培訓課件PPT 負反饋控制系統最大的特點：檢測偏差，糾正偏負反饋控制系統最大的特點：檢測偏差，糾正偏差起。差起。按偏差控制按偏差控制 反饋分為正反饋和負反饋。反饋分為正反饋和負反饋。 起增強輸入信號作用起增強輸入信號作用正反饋。正反饋。 起減弱輸入信號作用起減弱輸入信號作用負反饋。負反饋。 正反饋不能

10、進行控制，只會使系統的偏差越來越正反饋不能進行控制，只會使系統的偏差越來越大。大。 只有負反饋控制系統才能完成自動控制的任務。只有負反饋控制系統才能完成自動控制的任務。 三、開環與閉環系統的比較：三、開環與閉環系統的比較：15精品培訓課件PPT 開環控制系統：開環控制系統： 1. 結構簡單經濟結構簡單經濟 2.調試方便調試方便 3.抗干擾能力差，控制精度不高?？垢蓴_能力差，控制精度不高。 閉環控制系統：閉環控制系統： 1.系統具有糾正偏差的能力。系統具有糾正偏差的能力。 2.抗擾性好，控制精度高?？箶_性好，控制精度高。 3.包含元件多，結構復雜，價格高。包含元件多，結構復雜，價格高。 4.參數

11、應選擇適當。參數應選擇適當。 開環閉環復合控制系統開環閉環復合控制系統 （兼有兩者的優點，精度很高）（兼有兩者的優點，精度很高） 16精品培訓課件PPT1-3 自動控制系統的組成自動控制系統的組成 一、自動控制系統的組成：一、自動控制系統的組成： 自動控制系統是指由控制裝置與被控對象結合自動控制系統是指由控制裝置與被控對象結合 起來的，能夠對被控對象的一些物理量進行自動控起來的，能夠對被控對象的一些物理量進行自動控 制的一個有機整體。制的一個有機整體。 （一）.硬件部分： 1.給定元件：調節給定信號，以調節輸出量的大給定元件：調節給定信號，以調節輸出量的大小。小。 2.檢測元件：檢測輸出量的大

12、小，并反饋到輸入檢測元件：檢測輸出量的大小，并反饋到輸入端。端。 17精品培訓課件PPT 3.比較環節：反饋信號與給定信號在此迭加，比較環節：反饋信號與給定信號在此迭加，信號的極性以信號的極性以“+”或或“-”表示。極性相同為正反表示。極性相同為正反饋，饋，極性相反為負反饋。極性相反為負反饋。 4. 控制器（放大元件）：比較環節輸出的信控制器（放大元件）：比較環節輸出的信號，經控制器成為合適的信號，輸出給執行元件。號，經控制器成為合適的信號，輸出給執行元件。 5.執行元件：驅動被控對象的環節。執行元件：驅動被控對象的環節。 6.控制對象控制對象(被調對象被調對象)：要求實現自動控制的：要求實現

13、自動控制的機器設備或生產過程。機器設備或生產過程。 7.反饋環節：將輸出量引出，再回送到控制反饋環節：將輸出量引出，再回送到控制部分。部分。18精品培訓課件PPT *元件排列從左至右，給定元件在最左端，控元件排列從左至右，給定元件在最左端，控制對象在最右端。從左至右的通道稱為順饋通道，制對象在最右端。從左至右的通道稱為順饋通道，或前向通道。將輸出信號引回輸入端的通道稱為或前向通道。將輸出信號引回輸入端的通道稱為反饋通道，或反饋回路。反饋通道，或反饋回路。 （二）（二）.系統中的各個量：系統中的各個量： 1.輸入量（控制量、給定量）：通常通過給輸入量（控制量、給定量）：通常通過給定元件給出或其他

14、元件轉換而來。定元件給出或其他元件轉換而來。 2.輸出量（被控制量）：自動控制的目標。輸出量（被控制量）：自動控制的目標。 3.反饋量：通過檢測元件將輸出量轉變成與反饋量：通過檢測元件將輸出量轉變成與給定信號性質相同數量級相同的信號。給定信號性質相同數量級相同的信號。 19精品培訓課件PPT 4.擾動量（干擾、噪聲）：引起輸出量發生變化擾動量（干擾、噪聲）：引起輸出量發生變化的各種因素，稱為系統的擾動。如擾動來自外部，叫的各種因素，稱為系統的擾動。如擾動來自外部，叫做外擾動，如果擾動來自內部，如系統中各元件參數做外擾動，如果擾動來自內部，如系統中各元件參數的變化，稱為內擾動。的變化，稱為內擾動

15、。 5.中間變量：系統各環節之間的作用量。中間變量：系統各環節之間的作用量。 20精品培訓課件PPT1-4 自動控制系統的分類自動控制系統的分類 一、按輸入量變化的規律分類：一、按輸入量變化的規律分類： 1.1.恒值控制系統：特點：系統的輸入量是恒恒值控制系統：特點：系統的輸入量是恒量，并且系統的輸出量響應地保持恒定。量，并且系統的輸出量響應地保持恒定。如恒溫、如恒溫、水位、恒壓控制系統。水位、恒壓控制系統。 2. 2.隨動系統：（也叫伺服系統，跟蹤系統）隨動系統：（也叫伺服系統，跟蹤系統） 特點：輸入量是變化的或是隨機的，并且特點：輸入量是變化的或是隨機的，并且輸出量迅速而準確地跟隨輸入量的

16、變化而變化。輸出量迅速而準確地跟隨輸入量的變化而變化。比如：飛機和艦船的操舵系統，雷達自動跟蹤比如：飛機和艦船的操舵系統，雷達自動跟蹤系統。系統。 3.過程控制系統過程控制系統：在生產過程中，要求自動在生產過程中，要求自動21精品培訓課件PPT提供一定的外界條件，如壓力、溫度、流量等在提供一定的外界條件，如壓力、溫度、流量等在一定的時間內保持恒值或按一定的程序變化。如：一定的時間內保持恒值或按一定的程序變化。如：化工、石油等原料的生產。化工、石油等原料的生產。 二、二、按系統傳輸入信號對時間的關系分類：按系統傳輸入信號對時間的關系分類： 1.1.連續控制系統：連續控制系統：特點：系統的輸入量與

17、輸出量都是連續量或模擬量。連續系統的運動規律通常可用微分方程來描述。 2.離散離散控制系統控制系統：又稱采樣控制系統。特點：系統中的信號是脈沖序列、采樣數據或數字量。離散系統的運動規律通?？捎貌罘址匠虂砻枋觥?22精品培訓課件PPT 三、三、按系統的輸出量和輸入量間的關系分類：按系統的輸出量和輸入量間的關系分類： 1.1.線性系統：線性系統：系統全部由線性元件組成。具有疊加性和齊次性，可以用線性微分方程來描述。 2.非線性系統非線性系統：系統中存在非線性元件。不適用疊加原理，通常用非線性微分方程來描述。 四、四、按系統中的參數對時間的變化情況分類：按系統中的參數對時間的變化情況分類： 1. 1

18、.定常系統：定常系統：系統的全部參數不隨時間變化。 2.時變系統時變系統：系統中有的參數是時間的函數，它隨時間變化而改變。23精品培訓課件PPT1-5 自動控制系統的性能指標自動控制系統的性能指標 自動控制系統的性能 系統的穩定性系統的穩定性 穩態性能穩態性能 動態性能動態性能一、系統的穩定性： 對任何自動控制系統，首要的條件便是系統對任何自動控制系統，首要的條件便是系統穩定正常運行。穩定正常運行。 當輸入信號突然發生跳變或有擾動時，系統原有的平衡狀態被破壞，通過系統內部的自動調節，能重新穩定下來的為穩定系統。否則為不穩定系統。24精品培訓課件PPT 二、系統的穩態性能：二、系統的穩態性能： 系統從一個穩定狀態過渡到新的穩定狀態后，會出現偏差，稱為穩態誤差ess。ess=0,系統稱為無靜差系統。否則稱為有靜差系統。穩態誤差的大小反映了穩態誤差的大小反映了系統的穩態精度，表征系統的準確程度。系統的穩態精度，表征系統的準確程度。t01輸入r(t)t01輸入c(t)12理想的實際ess25精品培訓課件PPT三、系統的動態性能指標：三、系統的動態性能指標： 任何實際系統從原平衡狀態到達新的平衡狀態都要經歷一個過渡過程，表征這個過渡過程的指標為動態指標。動態指標有最大超調量動態指標有最大超調量 、調調整時間整時間t ts s、振蕩次數振蕩次數 N N。 1.最大超調量: