自动控制原理电子教案第一章

1、第一章第一章 绪论绪论 第一节 概论 第二节 反馈控制系统的基本概念 第三节 自动控制系统的组成和方框图 第四节 自动控制系统的分类 第五节 控制系统性能分析概论 第六节 自动控制系统性能要求第一节第一节 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

2、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-电力，化工，冶金。（电力控制）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？

3、 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 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

4、制自适应控制模糊控制大系统多层分散控制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

5、） 控制系统 = 受控过程控制装置例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+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 操作量 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调节器执行器调

6、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第四节自动控制系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：开环控制系统举例开环控制系统举例功率放大器负载电位器M 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.图1-4 开环转速控制系统 闭环控制系统举例

7、闭环控制系统举例 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M减速器温度控制器热电偶调压器220V闭环温度控制系统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 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

8、属热处理，化学水处理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

9、线性数学模型描述 例 弹簧秤（不在工作区） 位移位移力力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 变量变量时间时间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

10、间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

11、法l动态特性分析l稳态特性分析1.5.1.1 阶跃信号（阶跃信号（Step Function） 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)( 0 00 )()(tuttRtuRtr-单位阶跃 函 数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)( 0 00 )()(tuttRttutRtr-单位阶跃函数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

12、.5 R t 20 00 5 . 0)(5 . 0)(22tttRtutRtr1.5.1.4 脉冲信号（脉冲信号（Pulse 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）Ahdttdut)()(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）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 )xytt1.5.2.2 稳态特性分析稳态特性分析 y（