東北大學(xué)自動(dòng)控制原理第一章080901

1、自動(dòng)控制原理,東北大學(xué)　　王建輝 顧樹(shù)生 主編　　　　　　楊自厚　　　 主審　　　　　　　　　　清華大學(xué)出版社,全國(guó)高等學(xué)校自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)系列教材普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材國(guó)家精品課程教材,自動(dòng)控制原理 Principle of Automatic Control,東北大學(xué)《自動(dòng)控制原理》課程組負(fù)責(zé)人 顧樹(shù)生 王建輝,東北大學(xué)《自動(dòng)控制原理》課程組,3,自動(dòng)控制原理,教材及參考書(shū) 教　材：王建輝，

2、顧樹(shù)生.自動(dòng)控制原理.北 京: 清華大學(xué)出版社. 2007.4 參考書(shū)：吳麒主編.《自動(dòng)控制原理》.北京：　　　　　清華大學(xué)出版社.　　　　李友善主編.《自動(dòng)控制原理》. 北　　　　京：機(jī)械工業(yè)出版社.,東北大學(xué)《自動(dòng)控制原理》課程組,4,自動(dòng)控制原理,課程基本信息課程編號(hào) ：130100020 適用專(zhuān)業(yè) ：自動(dòng)化、測(cè)控技術(shù)及儀器 /電子信息工程、通信工程

3、課程性質(zhì) ：技術(shù)基礎(chǔ)課 課程類(lèi)型 ：必修課 學(xué) 時(shí) ：講課學(xué)時(shí) （68/42） 實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí) （12/6）,東北大學(xué)《自動(dòng)控制原理》課程組,5,自動(dòng)控制原理,課程的主要內(nèi)容（講課/實(shí)驗(yàn)）第1章 自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念(4/0)第2章 自動(dòng)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型(10/0)第3章 自動(dòng)控制系統(tǒng)的時(shí)域分析(12/4)第4章 根軌跡法(8/0)第5章 頻率法(12/

4、4)第6章 控制系統(tǒng)的校正及綜合(8/0)第7章 非線性系統(tǒng)分析(6/2)第8章 線性離散系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)(8/2),東北大學(xué)《自動(dòng)控制原理》課程組,6,自動(dòng)控制原理,課程的性質(zhì)和特點(diǎn) 自動(dòng)控制是一門(mén)技術(shù)學(xué)科，從方法論的角度來(lái)研究系統(tǒng)的建立、分析與設(shè)計(jì)《自動(dòng)控制原理》是本學(xué)科的技術(shù)基礎(chǔ)課。,東北大學(xué)《自動(dòng)控制原理》課程組,7,自動(dòng)控制原理,本課程與其它課程的關(guān)系,東北大學(xué)《自動(dòng)控制原理》課程組,8,自動(dòng)控制原

5、理,自動(dòng)控制理論的發(fā)展歷程第一階段：古典控制理論（20世紀(jì)40～60年代） SISO、線性定常、頻域法第二階段：現(xiàn)代控制理論（20世紀(jì)60～70年代） MIMO、非線性、時(shí)變、狀態(tài)空間法第三階段：智能控制理論（20世紀(jì)70年代～ 今） 非模型,第1章 自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念,自動(dòng)控制原理,東北大學(xué)《自動(dòng)控制原理》課程組,東

6、北大學(xué)《自動(dòng)控制原理》課程組,10,第1章 自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念,主要內(nèi)容開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)與閉環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成和基本環(huán)節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)的類(lèi)型自動(dòng)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)小結(jié),東北大學(xué)《自動(dòng)控制原理》課程組,11,第1章 自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念,學(xué)習(xí)重點(diǎn)了解自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)及其工作原理； 了解閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成和基本環(huán)節(jié)； 掌握反饋控制系統(tǒng)的基本要求及反饋控制系統(tǒng)的作用；學(xué)會(huì)分析自動(dòng)控制系統(tǒng)的類(lèi)型及本質(zhì)

7、特征。,東北大學(xué)《自動(dòng)控制原理》課程組,12,1.1 開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng),自動(dòng)控制自動(dòng)控制是在沒(méi)有人的直接干預(yù)下，利用物理裝置對(duì)生產(chǎn)設(shè)備和工藝過(guò)程進(jìn)行合理的控制，使被控制的物理量保持恒定，或者按照一定的規(guī)律變化，例如礦井提升機(jī)的速度控制、軋鋼廠加熱爐溫度的控制等等。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。,東北大學(xué)《自動(dòng)控制原理》課程組,13,1.1 開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng),1.開(kāi)

8、環(huán)控制系統(tǒng)例1-1 溫度控制系統(tǒng),性能指標(biāo) 工作過(guò)程,東北大學(xué)《自動(dòng)控制原理》課程組,14,1.1 開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng),圖中：,東北大學(xué)《自動(dòng)控制原理》課程組,15,1.1 開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng),（1）開(kāi)環(huán)控制 只有輸入量對(duì)輸出量產(chǎn)生控制作用，輸出量不參與對(duì)系統(tǒng)的控制。（2）開(kāi)環(huán)控制特點(diǎn)輸入控制輸出——輸入和輸出一一對(duì)應(yīng)；輸出不參與控制——信號(hào)單方向傳遞；不能檢測(cè)與糾正偏差——系統(tǒng)沒(méi)有抗干擾能力。,東北大學(xué)

9、《自動(dòng)控制原理》課程組,16,1.1 開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng),2.閉環(huán)控制系統(tǒng)例1-2 溫度閉環(huán)控制系統(tǒng)（1）人工閉環(huán)控制,東北大學(xué)《自動(dòng)控制原理》課程組,17,1.1 開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng),（2）自動(dòng)閉環(huán)控制,溫度閉環(huán)控制系統(tǒng)圖 1-熱電偶 2-加熱器,東北大學(xué)《自動(dòng)控制原理》課程組,18,1.1 開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng),給定量,閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)圖 1-控制器 2-控制對(duì)象 3-檢測(cè)裝置

10、,東北大學(xué)《自動(dòng)控制原理》課程組,19,1.1 開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng),① 閉環(huán)控制把輸出量的一部分檢測(cè)出來(lái),反饋到輸入端,與給定信號(hào)進(jìn)行比較，產(chǎn)生偏差,此偏差經(jīng)過(guò)控制器產(chǎn)生控制作用,使輸出量按照要求的規(guī)律變化。反饋信號(hào)與給定信號(hào)極性相反為負(fù)反饋,反之為正反饋。② 閉環(huán)控制特點(diǎn)輸入控制輸出——輸入和輸出一一對(duì)應(yīng)；輸出參與控制——信號(hào)雙方向傳遞；檢測(cè)與糾正偏差——具有抗干擾能力。,東北大學(xué)《自動(dòng)控制原理》課程組,20,1.

11、1 開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng),(1) 被控對(duì)象 (2) 被控量或輸出量 (3) 控制量 (4) 設(shè)定量或輸入量 (5) 擾動(dòng)量 (6) 反饋量 (7) 偏差量,3.自動(dòng)控制系統(tǒng)中的基本術(shù)語(yǔ),(8) 前向通道或正向通道 (9) 反饋通道或反向通道 (10) 理想輸出 (11) 實(shí)際輸出 (12) 開(kāi)環(huán) (13) 閉環(huán),東北大學(xué)《自動(dòng)控制原理》課程組,21,1.2 閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成和基

12、本環(huán)節(jié),1.閉環(huán)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖,1-給定環(huán)節(jié)；2-比較環(huán)節(jié)；3-校正環(huán)節(jié)；4-放大環(huán)節(jié)；5-執(zhí)行機(jī)構(gòu)；6-被控對(duì)象；7-檢測(cè)裝置,東北大學(xué)《自動(dòng)控制原理》課程組,22,1.2 閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成和基本環(huán)節(jié),2.閉環(huán)控制系統(tǒng)的基本環(huán)節(jié)（1）控制對(duì)象或調(diào)節(jié)對(duì)象 要進(jìn)行控制的設(shè)備或過(guò)程。（2）執(zhí)行機(jī)構(gòu) 一般由傳動(dòng)裝置和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)組成。執(zhí)行機(jī)構(gòu)直接作用于控制對(duì)象，使被控制量達(dá)到所要求的數(shù)值。 （3）檢測(cè)裝置或傳感器

13、 該裝置用來(lái)檢測(cè)被控制量，并將其轉(zhuǎn)換為與給定量相同的物理量。,東北大學(xué)《自動(dòng)控制原理》課程組,23,1.2 閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成和基本環(huán)節(jié),（4）給定環(huán)節(jié)設(shè)定被控制量的給定值的裝置。（5）比較環(huán)節(jié)將所檢測(cè)的被控制量與給定量進(jìn)行比較，確定兩者之間的偏差量。（6）中間環(huán)節(jié)一般包括比較環(huán)節(jié)和校正環(huán)節(jié)。,東北大學(xué)《自動(dòng)控制原理》課程組,24,1.3 自動(dòng)控制系統(tǒng)類(lèi)型,1.按照主要元件的輸入輸出特性劃分1）線性系統(tǒng)由線性元件組成的

14、系統(tǒng)，其微分方程中輸出量及其各階導(dǎo)數(shù)都是一次的，并且各系數(shù)與輸入量（自變量）無(wú)關(guān)。 2）非線性系統(tǒng)存在非線性元件的系統(tǒng)，其微分方程式的系數(shù)與自變量有關(guān)。,東北大學(xué)《自動(dòng)控制原理》課程組,25,1.3 自動(dòng)控制系統(tǒng)類(lèi)型,2.按照信號(hào)傳遞方式劃分1）連續(xù)數(shù)據(jù)系統(tǒng)系統(tǒng)各部分的信號(hào)都是連續(xù)的模擬量。 2）離散數(shù)據(jù)系統(tǒng)系統(tǒng)的一處或幾處，信號(hào)是以脈沖序列或數(shù)碼的形式傳遞。,東北大學(xué)《自動(dòng)控制原理》課程組,26,1.3 自動(dòng)控制系統(tǒng)

15、類(lèi)型,3.按照輸入量的變化規(guī)律劃分1）恒值系統(tǒng)給定量是恒定不變的。2）程序控制系統(tǒng)給定量是按照一定的時(shí)間函數(shù)變化的。 3）隨動(dòng)系統(tǒng)給定量按照事先未知的時(shí)間函數(shù)變化。,東北大學(xué)《自動(dòng)控制原理》課程組,27,1.4 自動(dòng)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo),穩(wěn)（穩(wěn)定性）、快（快速性）、準(zhǔn)（準(zhǔn)確性） 　　“穩(wěn)”與“快”描述系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)（過(guò)渡過(guò)程）品質(zhì)。 系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程產(chǎn)生的原因 ： 系統(tǒng)中儲(chǔ)能元件的能量不可能突變。

16、 “準(zhǔn)”描述系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)（靜態(tài)）品質(zhì)。,對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求,東北大學(xué)《自動(dòng)控制原理》課程組,28,1.4 自動(dòng)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo),當(dāng)擾動(dòng)作用（或給定值發(fā)生變化）時(shí)，輸出量將偏離原來(lái)的穩(wěn)態(tài)值，這時(shí)由于反饋的作用，通過(guò)系統(tǒng)內(nèi)部的自動(dòng)調(diào)節(jié)，系統(tǒng)可能回到或接近原來(lái)的穩(wěn)態(tài)值（或跟隨給定值）穩(wěn)定下來(lái)（如圖a），稱(chēng)這樣的系統(tǒng)為穩(wěn)定系統(tǒng)，反之，不穩(wěn)定系統(tǒng)的輸出如圖b 。穩(wěn)定性是保證控制系統(tǒng)正常工作的必備條件。,1. 穩(wěn)定性,東北大學(xué)《自動(dòng)控制原理》

17、課程組,29,1.4 自動(dòng)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo),2. 穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)穩(wěn)態(tài)誤差 當(dāng)系統(tǒng)從一個(gè)穩(wěn)態(tài)過(guò)渡到新的穩(wěn)態(tài)，或系統(tǒng)受擾動(dòng)作用又重新平衡后，系統(tǒng)可能會(huì)出現(xiàn)偏差，這種偏差稱(chēng)為穩(wěn)態(tài)誤差。 系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差的大小反映了系統(tǒng)的控制精度，它表明了系統(tǒng)控制的準(zhǔn)確程度。穩(wěn)態(tài)誤差越小，則系統(tǒng)的控制精度越高。,,,東北大學(xué)《自動(dòng)控制原理》課程組,30,1.4 自動(dòng)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo),有差系統(tǒng)（圖a） 若穩(wěn)態(tài)誤差不為零，則系統(tǒng)稱(chēng)為有差系統(tǒng)

18、。無(wú)差系統(tǒng)（圖b） 若穩(wěn)態(tài)誤差為零，則系統(tǒng)稱(chēng)為無(wú)差系統(tǒng)。,,,(a),(b),東北大學(xué)《自動(dòng)控制原理》課程組,31,1.4 自動(dòng)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo),,,3. 暫態(tài)性能指標(biāo),東北大學(xué)《自動(dòng)控制原理》課程組,32,（1）最大超調(diào)量輸出最大值與輸出穩(wěn)態(tài)值的相對(duì)誤差。反映系統(tǒng)的平穩(wěn)性。最大超調(diào)量越小，則說(shuō)明系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程越平穩(wěn)。 （2）上升時(shí)間 指系統(tǒng)的輸出量第一次到達(dá)輸出穩(wěn)態(tài)值所對(duì)應(yīng)的時(shí)刻。,1.4 自動(dòng)控制系統(tǒng)的性能

19、指標(biāo),,,東北大學(xué)《自動(dòng)控制原理》課程組,33,（3）過(guò)渡過(guò)程時(shí)間（調(diào)節(jié)時(shí)間）系統(tǒng)的輸出量進(jìn)入并一直保持在穩(wěn)態(tài)輸出值附近的允許誤差帶內(nèi)所需的時(shí)間。允許誤差帶寬度一般取穩(wěn)態(tài)輸出值的2%或5%。調(diào)節(jié)時(shí)間的長(zhǎng)短反映了系統(tǒng)的快速性。調(diào)節(jié)時(shí)間越小，系統(tǒng)的快速性越好。,1.4 自動(dòng)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo),,,東北大學(xué)《自動(dòng)控制原理》課程組,34,（4）振蕩次數(shù)在調(diào)節(jié)時(shí)間內(nèi)，輸出量在穩(wěn)態(tài)值附近上下波動(dòng)的次數(shù)。它也反映系統(tǒng)的平穩(wěn)性。振蕩次數(shù)越少，

20、說(shuō)明系統(tǒng)的平穩(wěn)性越好。,1.4 自動(dòng)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo),,,東北大學(xué)《自動(dòng)控制原理》課程組,35,小 結(jié),1. 開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好，但不能自動(dòng)補(bǔ)償擾動(dòng)對(duì)輸出量的影響。當(dāng)系統(tǒng)擾動(dòng)量產(chǎn)生的偏差可以預(yù)先進(jìn)行補(bǔ)償或影響不大時(shí)，采用開(kāi)環(huán)控制是有利的?！‘?dāng)擾動(dòng)量無(wú)法預(yù)計(jì)或控制系統(tǒng)的精度達(dá)不到預(yù)期要求時(shí)，則應(yīng)采用閉環(huán)控制。,東北大學(xué)《自動(dòng)控制原理》課程組,36,小 結(jié),2. 閉環(huán)控制系統(tǒng)具有反饋環(huán)節(jié)，它能依靠反饋環(huán)節(jié)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，以

21、克服擾動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的影響。閉環(huán)控制極大地提高了系統(tǒng)的精度。但是閉環(huán)使系統(tǒng)的穩(wěn)定性變差，需要重視并加以解決。,東北大學(xué)《自動(dòng)控制原理》課程組,37,3.自動(dòng)控制系統(tǒng)通常由給定環(huán)節(jié)、檢測(cè)環(huán)節(jié)、比較環(huán)節(jié)、放大元件、被控對(duì)象、和反饋環(huán)節(jié)等部件組成。系統(tǒng)的作用量和被控量有：給定量、反饋量、擾動(dòng)量、輸出量和各中間變量。,小 結(jié),東北大學(xué)《自動(dòng)控制原理》課程組,38,4.結(jié)構(gòu)圖（又簡(jiǎn)稱(chēng)框圖）可直觀地表達(dá)系統(tǒng)各環(huán)節(jié)（或各部件）間因果關(guān)系，可以表達(dá)各種作用

22、量和中間變量的作用點(diǎn)和信號(hào)傳遞情況以及它們對(duì)輸出量的影響。,小 結(jié),東北大學(xué)《自動(dòng)控制原理》課程組,39,5.在不同輸入量作用下，對(duì)系統(tǒng)的輸出量的要求，揭示出反饋控制系統(tǒng)的本質(zhì)特征：輸出跟隨輸入。 6.對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)要求有： 　穩(wěn)定性——系統(tǒng)能工作的首要條件；　快速性——用系統(tǒng)在暫態(tài)過(guò)程中的響應(yīng)　　　　　　　　速度和被控量的波動(dòng)程度描　　　　　　　述； 　準(zhǔn)確性——用穩(wěn)態(tài)誤差來(lái)衡量。,小 結(jié),東北大學(xué)《自動(dòng)控制