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1、自动控制原理电子教案新第1页，共35页，编辑于2022年，星期二第一节第一节 概论概论1.1.1 控制的含义1.1.2 人工控制与自动控制1.1.3 自动控制学科的特点1.1.4 控制科学与工程的内涵1.1.5 自动控制理论的内容1.1.6 自动控制理论的基本问题第2页，共35页，编辑于2022年，星期二1.1.1 控制的含义控制的含义l控制（CONTROL）-某个主体主体使某个客体客体按照一定的目的动作l主体-人：人工控制；机器：自动控制l客体-指一件物体，一套装置，一个物化过程，一个特定系统。物体-飞船，电炉。（飞船控制）装置-锅炉，汽机。（锅炉控制）过程-燃烧，传动。（燃烧控制）系统-电
2、力，化工，冶金。（电力控制）第3页，共35页，编辑于2022年，星期二1.1.2 人工控制与自动控制人工控制与自动控制煤气灶上油煎鸡蛋时的油温控制自行车速度控制汽车驾驶收音机音量调节X电饭煲X空调X抽水马桶X汽轮机转速控制X导弹飞行控制X声控光控路灯第4页，共35页，编辑于2022年，星期二1.1.3 自动控制学科的特点自动控制学科的特点应用广泛l小至电子表,大至人造卫星,几乎包括各个领域.我院6个专业有4个学“自控原理”课日益重要l很难想象现代生活和生产过程没有自动控制装置如何能够继续?你敢让大型发电机组用人工控制来运行吗?你愿意使用不能自动控制温度的电冰箱吗？第5页，共35页，编辑于202
3、2年，星期二发展迅速l从离心重锤式的简单自动机械到具有每秒运行上亿次的CPU的智能机器人,自动控制学科发展日新月异.l越来越复杂和越来越精确的控制要求以及高度发展的现代科技(如计算机)是促进自动控制学科飞速发展的重要原因第6页，共35页，编辑于2022年，星期二1.1.4 控制科学与工程学科的内控制科学与工程学科的内涵控制科学与工程控制理论与控制工程检测技术与自动化装置模式识别与智能系统系统工程第7页，共35页，编辑于2022年，星期二 1.1.5 自动控制理论的内容自动控制理论的内容自动控制理论经典控制理论(19世纪中叶-20世纪50年代)线性非线性根轨迹法频域法时域法波波夫法李雅普诺夫法描
4、述函数法相平面法采样控制Z变换法现代控制理论(60年代以来)状态反馈控制最优控制智能控制预测控制自适应控制模糊控制大系统多层分散控制第8页，共35页，编辑于2022年，星期二1.1.6 自动控制理论的基本问题自动控制理论的基本问题控制系统的分析l典型信号下的响应(阶跃响应,频率特性)l数学模型 (传递函数,状态方程)l性能指标 (稳态误差,超调量)控制系统的设计l性能要求 (性能指标,约束条件)l控制器的结构和参数设计和整定l性能校核 (计算,仿真,实验)第9页，共35页，编辑于2022年，星期二第二节第二节 反馈控制系统的基本概念反馈控制系统的基本概念l信息反馈-最基本的自动控制原理l反馈控
5、制系统的中的常用术语：给定值（参考输入值）偏差值控制量被控量扰动量(内扰,外扰)自动控制装置=传感器+控制器+给定器+执行器受控过程（受控对象）控制系统=受控过程控制装置第10页，共35页，编辑于2022年，星期二例1.1 锅炉汽包水位控制系统工业过程中的反馈控制系统例子-调节器汽包变送器主蒸汽过热器省煤器执行器给水调节阀给水泵给水第11页，共35页，编辑于2022年，星期二例1.2 水箱水位控制日常生活过程中的反馈控制系统例子-第12页，共35页，编辑于2022年，星期二第三节第三节 自动控制系统的组成及方框图自动控制系统的组成及方框图自动控制系统：控制装置受控对象方框图(方框+箭头+求和圆
6、+线条)：分析系统内各部分之间关系的图解法自动控制系统的组成(如锅炉水位控制系统)：给定值 SV Setpoint-Value 偏差值 DV Deviation-value 操作值 MV Manipulation-Value 过程变量值 PV Process-Value 给定器调节器执行器受控过程传感器SVSVDVDV反馈反馈PVPVMVMV被控量被控量PVPV第13页，共35页，编辑于2022年，星期二调节器执行器调节阀汽包变送器+-例1.3 锅炉水位控制系统测量水位PV偏差量DV控制量调节位移MV给水量反馈元件实际水位设定水位SV第14页，共35页，编辑于2022年，星期二第四节自动控制系
7、统的分类第四节自动控制系统的分类设定器控制器被控对象扰动被控量设定器被控过程传感器控制器1.4.1 按系统环节连接形式分类按系统环节连接形式分类闭环控制系统:开环控制系统：第15页，共35页，编辑于2022年，星期二开环控制系统举例开环控制系统举例电热丝加热炉220v调压器功率放大器负载电位器M例1.4.1 开环温度控制系统 开环控制系统特点：开环控制系统特点：1.信号从输入到输出无反馈信号从输入到输出无反馈,单向传递单向传递.2.结构简单结构简单.3.控制精度不高控制精度不高,无法抑制扰动无法抑制扰动.例1.4.2 开环转速控制系统第16页，共35页，编辑于2022年，星期二 闭环控制系统举
8、例闭环控制系统举例 M电压放大器功率放大器测速发电机负载M减速器温度控制器热电偶调压器220V例1.4.3 闭环温度控制系统例1.4.4 闭环转速控制系统闭环控制系统特点闭环控制系统特点:1.有反馈回路有反馈回路;2.结构复杂结构复杂;3.控制精度高控制精度高,自动纠偏自动纠偏第17页，共35页，编辑于2022年，星期二1.4.2 按控制依据信号性质分类控制器控制器被控过程控制器被控过程控制器被控过程反馈控制系统 前馈控制系统前馈-反馈控制系统第18页，共35页，编辑于2022年，星期二1.4.3 按给定值变化规律分类按给定值变化规律分类tttrrr恒值控制系统恒值控制系统 给定值不随时间变化
9、 例 恒温，恒压系统随动控制系统随动控制系统 给定值按需求随机变化 例 雷达跟踪，靠模加工系统程序控制系统程序控制系统 给定值按条件（时间或流程）变化例 金属热处理，化学水处理第19页，共35页，编辑于2022年，星期二1.4.4 按输入输出变量数分类按输入输出变量数分类电加热炉电加热炉电站锅炉电站锅炉单变量控制系统单变量控制系统 单入-单出 SISO（Single Input Single Output）例 电加热炉温度控制系统电流温度多变量控制系统多变量控制系统 多入-多出 MIMO（Multiple-）例 锅炉燃烧控制系统燃料量 送风量 引风量工质温度工质压力炉膛压力第20页，共35页，
10、编辑于2022年，星期二1.4.5 按系统特性分类按系统特性分类 线性控制系统线性控制系统 输入与输出成正比，可用叠加原理 用线性数学模型描述例 弹簧秤（在工作区）非线性控制系统非线性控制系统 输入与输出不成正比，不可用 叠加原理 用非线性数学模型描述 例 弹簧秤（不在工作区）位移位移力力第21页，共35页，编辑于2022年，星期二1.4.6 按变量的时间特性分类按变量的时间特性分类 连续时间控制系统连续时间控制系统 系统中的变量可随时变化，连续，不间断 例 重锤式转速控制系统 离散时间控制系统离散时间控制系统 系统中存在离散变量，它们只在 固定时刻存在和变化 例 计算机控制系统 变量变量时间
11、时间第22页，共35页，编辑于2022年，星期二1.4.7 按变量的变化特性分类按变量的变化特性分类 模拟量控制系统模拟量控制系统 系统中的变量是反映物理量的模 拟变量，可以是任意数值 例 热电偶测得电势，反映温度 开关量控制系统开关量控制系统 系统中变量只有两个状态，0或1，开或关 例 全自动洗衣机 变量变量时间时间第23页，共35页，编辑于2022年，星期二1.4.8 按变量的统计特性分类按变量的统计特性分类 确定性变量控制系统确定性变量控制系统 系统中的变量被认为是无噪声的 确定性变量 随机性变量控制系统随机性变量控制系统 系统中的变量被认为是有噪声的 随机性变量 变量时间变量时间第24
12、页，共35页，编辑于2022年，星期二1.4.9 按控制规律分类按控制规律分类常规控制（PID）智能控制预测控制最优控制自适应控制鲁棒控制模糊控制神经元控制第25页，共35页，编辑于2022年，星期二1.4.10 按控制器实现器件分类按控制器实现器件分类机械型电动型气动型计算机型综合型第26页，共35页，编辑于2022年，星期二 第五节第五节 控制系统性能分析概论控制系统性能分析概论典型试验信号l阶跃信号l斜坡信号l抛物线信号l脉冲信号l正弦信号系统性能分析方法l动态特性分析l稳态特性分析第27页，共35页，编辑于2022年，星期二1.5.1.1 阶跃信号（阶跃信号（Step Function
13、）阶跃信号含宽频带谐波分量，产生容易，是最常用系统性能测试信号。时间r（t）R-单位阶跃 函 数第28页，共35页，编辑于2022年，星期二1.5.1.2 斜坡信号（斜坡信号（Ramp Function）斜坡信号为匀速信号，适于测试匀速系统。时间 tr（t）R tt g（）=R-单位阶跃函数第29页，共35页，编辑于2022年，星期二1.5.1.3 抛物线信号（抛物线信号（Parabolic Function）u（t）-单位阶跃函数抛物线信号为匀加速信号，适于测试匀加速系统。时间 tr（t）0.5 R t 2第30页，共35页，编辑于2022年，星期二1.5.1.4 脉冲信号（脉冲信号（Pul
14、se Function）t=0 理想情况:r（t）=(t)=(t)-单位脉冲函数 0 t 0 A/h 0=t=h 实际情况:r（t）=0 t h 可用于测试系统抗冲击能力时间 tr（t）Ah第31页，共35页，编辑于2022年，星期二1.5.1.5 正弦信号（正弦信号（Sine Function）r（t）=Asin(t+)A-幅值 -频率 -初相位 正弦信号为单频率信号，适于测试系统频率特性。时间 tr（t）第32页，共35页，编辑于2022年，星期二1.5.2.1 动态特性分析动态特性分析 y（t）=f(x（t）)y(t)-输出 x(t)-输入 动态响应:系统输出在典型测试信号下随时间变化的特性 f(x(t)x(t)y(t)xytt第33页，共35页，编辑于2022年，星期二1.5.2.2 稳态特性分析稳态特性分析 y（t=）=f(x)y()-稳态输出 x -输入 稳态特性:平衡状态下系统输出与输入的关系 线性 饱和非线性 死区非线性 继电非线性x(t)y(t)txy第34页，共35页，编辑于2022年，星期二 第六节第六节 自动控制系统性能要求自动控制系统性能要求五个字：稳、准、快、壮、省l稳：扰动下不发散l准：与设定值的偏差小l快：用最少的时间达到要求l壮：适应宽范围工况l省：控制能量最省，波动小，效率高第35页，共35页，编辑于2022年，星期二