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文档简介

自动控制原理自动控制原理机电工程学院机电工程学院1第一章 绪 论 第一章 绪论 主要内容本课程是一门技术基础课 1-1 控制工程的研究对象和任务1-2 控制系统的分类1-3 反馈和反馈控制1控制系统的工作原理和基本类型2控制系统的基本组成3控制系统的基本要求1-4 控制系统的基本要求 2以传递函数为基础,研究单输入 -单输出一类线性定常控制系统的分析与设计问题。这些理论由于其发展较早 ,现已臻成熟。经典控制理论以状态空间法为基础 ,研究多输入 -多输出、时变、非线性一类控制系统的分析与设计问题。系统具有高精度和高效能的特点。现代控制理论第一章 绪论 3研究工具: st复频域传递函数 时域微分方程 )( )(研究对象:以单输入 单输出线性时不变系统为主 研究对象:以多输入 多输出系统为主 研究工具 : 状态空间法(时域) 2现代控制理论 1经典控制理论 第一章 绪论 4自动控制技术及其应用在现代科学技术的众多领域中,自动控制技术起着越来越重要的作用。所谓自动控制,就是在没有人直接参与的情况下,利用外加的设备或装置(控制装置),使机器、设备或生产过程(控制对象)的某个工作状态或参数(被控量)自动地按照预定的规律运行。如数控车床按预定程序自动切削,人造卫星准确进入预定轨道并回收等。第一章 绪论 5自动控制技术除了在工业上广泛应用外,近几十年来,随着计算机技术的发展和应用,在宇航、机器人控制、导弹制导及核动力等高新技术领域中,自动控制技术更具特别重要的作用。不仅如此,自动控制技术的应用范围现在已扩展到生物、医学、环境、经济管理和其它许多社会生活领域中,自动控制已成为现代社会生活中不可缺少的一部分。第一章 绪论 6主要研究工程技术中广义系统的动力学问题,即系统在外界输入作用下(包括干扰输入),从一定的初始条件(状态)出发,所经历的整个动态过程,亦即系统及其输入、输出三者之间的关系。研究对象和任务1-1 机械工程控制论的研究对象和任务第一章 绪论 7例 1 :输出, f(t)为输入,系统的动态过程描述方程?弹簧力: FK=K y(t)小车运动方程:系统的输出响应取决 : 1)输入信号 2)系统结构参数3)初始条件 4)输入与系统的关系质量 弹簧 阻尼系统,以位移 y(t)为my(t)f(t)ck图 1-1阻尼力: FC=C V =C y(t) my(t)= f(t)-FK-FC第一章 绪论 8例 2 :为输入,求位移为输出 y(t)解 : )()( tytxKFK -=)( tyxCFC -= 小车运行方程: 质量 弹簧 阻尼系统,位移 x(t)my(t)图 1-2ckx(t)第一章 绪论 9第一章 绪论 101已知系统、输入,求输出(响应) 系统分析 2已知系统,根据尽可能优化的输出,求输入 最优控制 3已知输入,根据最优输出来设计系统 最优设计 4已知输出,排除干扰,识别输入的真值 滤波与预测 5已知输入、输出,求系统的数学模型,并估计参数 系统辨识和参数估计 机械工程控制的研究任务:控制系统建模、分析和综合(设计)。 系统、输入、输出三者的动态关系运用古典控制理论进行第一章 绪论 111-2 控制系统的分类 一、按反馈来分 1开环控制系统:输入和输出之间无反馈,特点:结构简单,不产生振荡,输出对系统的控制作用无影响。但控制精度不高,抗干扰能力差。第一章 绪论 例:数控机床驱动系统122闭环控制系统:输入、输出之间有反馈,输出对特点:精度高,抗干扰能力强,易产生振荡。控制作用有影响,反馈的作用就是减小偏差。第一章 绪论 131自动调节系统:在外界干扰存在情况下,输出基本2随动系统:输出在宽范围内跟随输入任意变化(给定3程序控制系统:输出量按预先程序变化(给定输入恒定(给定输入信号为恒值)输入信号是预先未知的时间函数)信号是已知的时间函数)二、按输出变化规律来分第一章 绪论 141连续控制系统:各环节输入和输出信号均为三、按控制方式来分 2离散控制系统:系统中有一处或数处的信号连续信号是离散的(脉冲序列或数码)第一章 绪论 15一、反馈 :将系统的输出,部分或全部地、直接或间接地返回输入端 1-3 反馈和反馈控制 反馈信号与系统的输入信号方向相同反馈信号与系统的输入信号方向相反(作用相同),称正反馈。(作用相反),称负反馈。 输入 xi 输出 xoG 图 1-3第一章 绪论 16二、反馈控制 第一章 绪论 采用负反馈并利用偏差进行控制的过采用负反馈并利用偏差进行控制的过程。程。由于引入了被反馈量的反馈信息,整由于引入了被反馈量的反馈信息,整个控制过程成为闭合的,因此反馈控个控制过程成为闭合的,因此反馈控制也称闭环控制制也称闭环控制反馈控制反馈控制17通过人工恒温调节系统和自动恒温调节系统来1人工恒温调节系统。1)目测温度计温度 T02)与给定温度 Ti( 期望)T=T I T0说明反馈控制原理。( 实际)比较得温度偏差 T 的大小。电阻丝温度计恒温箱调压器220V图 1-4第一章 绪论 183)根据 T 的大小和方向,调节调压器,控制供电电压最终实现温度控制。T0 T ITO 增大电压 T0因此,人工控制的过程就是测量 求偏差 再控制纠正偏差的过程( T=0 ), 简言之,为 “ 检测偏差并用以纠正偏差 ” 的过程 。第一章 绪论 19恒温箱的温度由给定电压信号 u1控制 1自动恒温调节系统热电偶 调压器 220V 减速器执行电机功率放大器电压放大器uu1u2第一章 绪论 201)温度信号 u1 电压信号 u22) 比较: = u1-u2, 为偏差信号3)控制: 经放大后,驱动执行电机,调节调节器,控制供电电压,最终控制温度。 所以,人工控制系统和自动控制系统极为相似,均为反馈控制,都要检测偏差并用以纠正偏差,在自动控制系统中,这一偏差是通过反馈来建立的。自动调节过程: 第一章 绪论 21职能方框图给定xi=u1 放 大ua电 机 减速器 调压器 被控对象x0温度测量环节热 电 偶xb=u2给定环节比较环节 放大及运算环节 执行环节图 1-6第一章 绪论 控制部分22 :表示作用方向 =xi-xb 负反馈典型闭环控制系统由以下环节组成:=xi+xb 正反馈 给定环节 执行环节测量环节 被控对象比较环节 放大运算环节: 表示比较元件第一章 绪论 1 231稳定性:1-4 控制系统的基本要求 第一章 绪论 动态过程的振荡倾向和系统能够恢复平衡状态的能力。2

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