第一章自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念

1、大連交通大學(xué)自動(dòng)化教研室 主講教師 鄭士富(sfzheng@163.com; 0411-84106954),控制工程基礎(chǔ),Introduction to Control Engineering,本課程主要知識(shí)模塊,（1）知識(shí)模塊1：自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念 （含4個(gè)知識(shí)點(diǎn)）；（2）知識(shí)模塊2：控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

2、 （含5個(gè)知識(shí)點(diǎn)）；（3）知識(shí)模塊3：控制系統(tǒng)的時(shí)域分析 （含11個(gè)知識(shí)點(diǎn)）；（4）知識(shí)模塊4：根軌跡法 （含8個(gè)知識(shí)點(diǎn)）；（5）知識(shí)模塊5：控制系統(tǒng)的頻率特性

3、 （含5個(gè)知識(shí)點(diǎn)）；（6）知識(shí)模塊6：控制系統(tǒng)的綜合與校正 （含5個(gè)知識(shí)點(diǎn)）。,知識(shí)模塊1 自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念,本知識(shí)模塊基本知識(shí)點(diǎn)：,重點(diǎn)及難點(diǎn)：,1、自動(dòng)控制理論的產(chǎn)生、應(yīng)用及組成；2、自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本控制方式；3、自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本組成及分類；4、對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求。,重點(diǎn)：開、閉環(huán)控制的

4、基本原理及特點(diǎn)。難點(diǎn)：系統(tǒng)框圖繪制。,知識(shí)點(diǎn)1： 自動(dòng)控制理論的產(chǎn)生、應(yīng)用及組成,,主講教師 鄭士富,一、自動(dòng)控制理論的產(chǎn)生與發(fā)展,,1、什么是自動(dòng)控制,（a）人工控制,（b）自動(dòng)控制,水位控制工作原理,自動(dòng)控制：,在沒人參與的情況下，利用外加的設(shè)備或裝置（稱為控制裝置或控制器），使機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過程（通稱被控對(duì)象）的某個(gè)工作狀態(tài)或參數(shù)（即被控量）自動(dòng)地按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行。,,自動(dòng)控

5、制理論：,是以數(shù)學(xué)為工具，拋開自動(dòng)控制系統(tǒng)的物理屬性，抽象地研究其運(yùn)動(dòng)規(guī)律的基礎(chǔ)理論。,自動(dòng)控制系統(tǒng): 自動(dòng)控制系統(tǒng)是為實(shí)現(xiàn)某一控制目標(biāo)所需要的所有物理部件的有機(jī)組合體。,生產(chǎn)中：數(shù)控機(jī)床；汽車、船舶的行駛；自動(dòng)化 生產(chǎn)線等,生活中：空調(diào)、冰箱、洗衣機(jī)、自動(dòng)售貨機(jī)等,2、自動(dòng)控制理論的產(chǎn)生與應(yīng)用,控制理論是在產(chǎn)業(yè)革命的背景下，在生產(chǎn)和軍事需求的刺激下，自動(dòng)控制、電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)科

6、學(xué)等多學(xué)科相互交叉發(fā)展的產(chǎn)物。其應(yīng)用無處不在：,軍事中：火炮、導(dǎo)彈制導(dǎo)與防御系統(tǒng)、航空母艦等,瓦特離心式調(diào)速器在蒸汽機(jī)中的應(yīng)用（1788年）,產(chǎn)業(yè)革命期間比較自覺地運(yùn)用反饋原理,軍事需求促進(jìn)控制論誕生（1948年）和發(fā)展,火炮（維納：1943年實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制）,愛國(guó)者導(dǎo)彈,（遼寧號(hào)航空母艦）,船舶行駛,動(dòng)車組生產(chǎn)線,自動(dòng)控制在生產(chǎn)線中應(yīng)用,全自動(dòng)汽車焊接生產(chǎn)線,自動(dòng)控制在生產(chǎn)線中應(yīng)用,,控制理論在機(jī)械制造工業(yè)中的應(yīng)用,數(shù)控機(jī)床,焊接機(jī)械

7、人,自動(dòng)售貨機(jī),自動(dòng)控制在生活中的應(yīng)用,空調(diào)機(jī),自動(dòng)控制在生活中的應(yīng)用,洗衣機(jī),航天飛機(jī),自動(dòng)控制理論為人類的未來做出貢獻(xiàn),60年代初，為適應(yīng)宇航技術(shù)的發(fā)展----現(xiàn)代控制理論,和平號(hào)空間站（蘇聯(lián)，1986年）,火星探測(cè)器,神舟十號(hào)對(duì)接（2013年，中國(guó)）,“…從科學(xué)理論的角度來看，二十世紀(jì)上半葉的三大偉績(jī)是相對(duì)論、量子論和控制論，也許可以稱它們?yōu)槿?xiàng)科學(xué)革命，是人類認(rèn)識(shí)客觀世界的三大飛躍。”

8、 ——錢學(xué)森,二、自動(dòng)控制理論的組成,時(shí)域分析法、根軌跡法、頻率法等。,（1）古典控制理論,1948年，N. Wiener（數(shù)學(xué)家：維納）發(fā)表《控制論》，標(biāo)志古典控制理論基本形成，它以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)，主要研究單輸入、單輸出（SISO）的線性定常的系統(tǒng)。,研究方法有：,（2）現(xiàn)代控制理論（ 20世紀(jì)50年代末60年代初形成）,以狀態(tài)方程為基礎(chǔ)，主要研究多輸入、多輸出（MIMO

9、）、變參數(shù)的時(shí)變復(fù)雜系統(tǒng)。,分析或研究?jī)?nèi)容：,最優(yōu)控制、系統(tǒng)辨識(shí)、自適應(yīng)控制、魯棒控制、變結(jié)構(gòu)控制、預(yù)測(cè)控制等。,（3）智能控制理論（ 20世紀(jì)70年代產(chǎn)生，80年代迅速發(fā)展期）,模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、專家控制、遺傳算法,三、學(xué)習(xí)本課程的任務(wù)及要求,1、任務(wù),⑴系統(tǒng)分析能力：對(duì)給定系統(tǒng)，如何從理論上對(duì) 其動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行定性分析和定量計(jì)算；,⑵系統(tǒng)綜合（設(shè)計(jì)）能力：由已知的系統(tǒng)性能要 求，如何根據(jù)被控對(duì)象的特點(diǎn)設(shè)計(jì)系統(tǒng)；,⑶初

10、步的系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Γ撼醪降哪M實(shí)驗(yàn)及系統(tǒng) 仿真。,基于MATLAB的控制系統(tǒng)分析軟件,——專用于《控制工程基礎(chǔ)》課程學(xué)習(xí),大連交通大學(xué)《控制工程基礎(chǔ)》課程組,2、要求,先修課：電路理論、工程數(shù)學(xué)、模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)、 大學(xué)物理等。,3、參考書目,《自動(dòng)控制原理》，王建輝、顧樹生，冶金工業(yè)出版社,《控制工程基礎(chǔ)》，董景新等編著，清華大學(xué)出版社,《自動(dòng)控制原理》，胡壽松，國(guó)防工業(yè)出版社,知識(shí)點(diǎn)2：

11、 自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本控制方式,,主講教師 鄭士富,一、開環(huán)控制系統(tǒng),⑴溫度控制系統(tǒng),1、示例,結(jié)構(gòu)圖中的符號(hào),⑵電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng),,2、開環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖,輸入量:,給定量：決定被控量（輸出量）的物理量（被控量的 期望值）。,擾動(dòng)量：妨礙達(dá)到控制目的的因素（內(nèi)部擾動(dòng)，如電源 波動(dòng)；外部擾動(dòng)，如負(fù)載的輕重）。,控制的任務(wù)：克服擾動(dòng)量的影響，使系統(tǒng)按照

12、給定量所設(shè) 定的規(guī)律運(yùn)行。,3、開環(huán)系統(tǒng)的特點(diǎn),（1）從控制結(jié)構(gòu)上，只有從輸入端到輸出端的信號(hào) 正向傳遞通道，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，費(fèi)用低；,（2）系統(tǒng)只有輸入量對(duì)輸出量產(chǎn)生控制作用，輸出 量不參與系統(tǒng)的控制，因而系統(tǒng)無抗干擾能力；,（3）應(yīng)用場(chǎng)合：部件特性相當(dāng)穩(wěn)定且干擾極弱，被 控量要求不高，如風(fēng)扇轉(zhuǎn)速控制、空調(diào)機(jī)、自動(dòng)化 生產(chǎn)線等。,二、閉環(huán)控制系統(tǒng),1、系統(tǒng)示例,⑴

13、爐溫控制系統(tǒng),①系統(tǒng)原理圖,,②調(diào)節(jié)過程,③控制結(jié)構(gòu)圖,⑵電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng),①系統(tǒng)圖,,②調(diào)節(jié)過程,③系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖,,2、閉環(huán)系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)圖,3、閉環(huán)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)原理,,檢測(cè)偏差、并用檢測(cè)到的偏差去糾正偏差。,4、閉環(huán)控制系統(tǒng)特點(diǎn),（1）系統(tǒng)由正向通道和反饋通道組成；,（2）系統(tǒng)利用偏差信號(hào)作為控制信號(hào)，所以系統(tǒng) 必須有檢測(cè)、給定和比較環(huán)節(jié)；,（3）系統(tǒng)必須具有執(zhí)行糾正偏差的執(zhí)行機(jī)構(gòu)；,（4）輸出量對(duì)控制作用有直接影響，

14、系統(tǒng)控制精 度高，抗干擾能力強(qiáng)；,（5）缺點(diǎn)：由于系統(tǒng)偏差總會(huì)存在，對(duì)于慣性大 或?yàn)榧儨笤憫?yīng)速度慢，很容易引起 振蕩，使系統(tǒng)不穩(wěn)定。,5、人工控制（開環(huán)系統(tǒng)）的閉環(huán)結(jié)構(gòu)圖表示方法,三、復(fù)合控制＝開環(huán)＋閉環(huán),1、示例,鋁箔粗軋機(jī)控制示意圖,2、系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)圖,⑴按擾動(dòng)作用補(bǔ)償,,⑵按給定量作用補(bǔ)償,,知識(shí)點(diǎn)3： 自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本組成及分類,,主講教師

15、 鄭士富,一、閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成和基本環(huán)節(jié),,1、被控（調(diào)節(jié)）對(duì)象：要控制的設(shè)備或過程。,2、執(zhí)行機(jī)構(gòu)：直接作用于被控對(duì)象，使被控量 達(dá)到要求的數(shù)值。,3、放大環(huán)節(jié)：將微弱信號(hào)放大，以驅(qū)動(dòng)下一級(jí)工作。,4、校正環(huán)節(jié)：改善控制系統(tǒng)性能。,5、比較環(huán)節(jié)：將給定量與檢測(cè)出的被控量進(jìn)行比較， 以求出偏差。,6、給定環(huán)節(jié)：設(shè)定的與被控量相對(duì)應(yīng)的給定

16、值。,7、檢測(cè)環(huán)節(jié)：把被控量檢測(cè)出來，并將其轉(zhuǎn)換成便 于處理的信號(hào)（電流、電壓信號(hào)）。 →關(guān)鍵元件,（一）按控制結(jié)構(gòu)分,（二）按系統(tǒng)中主要元件的特性分,開環(huán)、閉環(huán)、復(fù)合控制系統(tǒng),主要特點(diǎn)：,,二、自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類,1、線性系統(tǒng)——組成系統(tǒng)的元件都為線性元件,2、非線性系統(tǒng)——系統(tǒng)中至少有一個(gè)為非線性環(huán)節(jié)。,（三）按系統(tǒng)中信號(hào)傳遞方式分,任

17、何系統(tǒng)都是非線性的，但在誤差允許范圍內(nèi)，可按線性系統(tǒng)近似處理。,1、連續(xù)數(shù)據(jù)系統(tǒng)： 系統(tǒng)中各部分信號(hào)都是模擬的連續(xù)函數(shù)。,2、離散數(shù)據(jù)系統(tǒng)： 系統(tǒng)中的一處或幾處信號(hào)是以脈沖序列或數(shù)碼的形式傳遞。,離散信號(hào)：⑴脈沖形式——脈沖控制系統(tǒng),,⑵數(shù)碼形式——數(shù)字控制系統(tǒng),,（四）按給定量的特征分,(五)按系統(tǒng)組成元件的物理性質(zhì)分,1、恒值控制系統(tǒng)：給定量恒定不變，如恒溫、恒速控制。2、程序控制系統(tǒng)：給定量是按照一定的

18、時(shí)間函數(shù)變化， 如生陽極石墨化過程控制。3、隨動(dòng)控制系統(tǒng)（自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)）：給定量按照事先未知 的函數(shù)變化，要求輸出量跟隨給定量的變 化，如輪船、汽車行駛、導(dǎo)彈制導(dǎo)。,1、電氣控制系統(tǒng)2、液壓控制系統(tǒng)3、機(jī)電控制系統(tǒng),知識(shí)點(diǎn)4： 對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求,,主講教師 鄭士富,一、給定量突變時(shí)輸出量變

19、化分析,1、希望：,或,2、實(shí)際：,3、分析,⑴對(duì)于（c）、（d），由于被控量不收斂（即 不穩(wěn)定），系統(tǒng)無法工作，穩(wěn)定是首要條件；,⑵對(duì)于（a）、（b），雖然被控量收斂（即穩(wěn) 定），但需要一段時(shí)間，動(dòng)態(tài)（或暫態(tài)）過程；,二、擾動(dòng)量突變時(shí)被控量變化分析,,,三、對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求,1、穩(wěn)定性：指動(dòng)態(tài)過程的振蕩傾向和系統(tǒng)恢復(fù)平衡 狀態(tài)的能力，是系統(tǒng)工作的首要條件。,2、快速性：指動(dòng)態(tài)過程