《自动控制概论》PPT课件.ppt

,华北科技学院电子信息工程学院 自 动 化 教 研室,自动控制原理,高等数学,积分变换,自动控制理论,现代控制理论,其它专业课程,1、 是一门专业基础课,2、理论实践相结合,理论性非常强,但又和实际应用紧密结合,3、内容广泛,自动控制理论课程特点,学习自动控制理论的重要性,3、本课程能为解决实际控制问题提供理论和方法,1、本课程是自动化专业承上启下的课程,2、自动控制技术是应用非常广泛的技术,电机控制、自动化生产线、火炮雷达控制、家用电器、机械、冶金、石油、化工、电力电子、航空、航海、航天、核反应堆等。,4、学分较多,本课程学习方法,1、打好基础,高等数学（微积分）、积分变换（拉氏变换）,2、做好预习,3、听好课,讲课的速度较快、了解课程内容,掌握基本理论和基本方法,4、做好习题,应用学到的基本理论和基本方法解决实际问题,第一章 自动控制概论,1.1 引 言 1.2 自动控制系统的分类 1.3 对控制系统的基本要求,自动控制：,1.1.1 自动控制理论及应用,在无人直接参与的情况下，利用控制装置，使工作机械、或生产过程（被控对象）的某一个物理量（被控量）按预定的规律（给定量）运行。,自动控制系统： 指能够对被控对象的工作状态自动控制的系统,它 由被控对象和控制装置组成,1.1 引 言,动画1,动画2,1.1.2 自动控制理论发展简史,经典控制理论 ( 19世纪初 ) 时域法 复域法 (根轨迹法) 频域法 现代控制理论 ( 20世纪60年代 ) 线性系统 自适应控制 最优控制 鲁棒控制 最佳估计 容错控制 系统辨识 集散控制 大系统复杂系统 智能控制理论 ( 20世纪70年代 ) 专家系统 模糊控制 神经网络 遗传算法,控制对象,测量元件,控制单元,一、举例：家用空调控制器控制系统,功能：房间温度控制在人体比较舒适的范围 （对象、物理量、控制设备） 系统组成：,温度设定,比较单元,控制单元,执行机构,控制对象,测量元件,控制器,控制对象,反馈,比较,控制指令,家用空调系统框图的简化,控制系统的组成,被控对象 控制系统 测量元件 比较元件 控制装置 放大元件 执行机构 校正装置 给定元件,分类,运动控制系统 过程控制系统,线性/非线性系统 连续/离散性系统 定常/时变性系统 单输入单输出/多输入多输出系统 集中参数/分布参数系统,按被控对象分,按使用的数学方法分,按输入信号特征分,按系统功用分,恒值系统 随动系统 程序控制系统,按控制方式分,按给定值操纵的开环控制 按干扰补偿的开环控制 按偏差调节的闭环控制 复合控制：闭环反馈为主，开环补偿为辅,温度控制系统 压力控制系统 位置控制系统,1.2自动控制系统的分类,基本控制方式,1. 开环控制 2. 闭环控制 3. 复合控制,1.2.1按控制方式分类,1.开环控制系统,动画,按给定开环控制,按干扰补偿开环控制,方框图中各符号的意义,元部件 方框（块）图 信号（物理量）及传递方向 中的符号 比较点 引出点 表示负反馈,开环控制系统的特点,控制装置与受控对象之间只有正向作用，没有反向联系； 控制精度取决于元器件的精度和系统调整精度； 没有抑制内、外干扰的能力； 系统结构简单、成本低。,2.闭环控制系统,负反馈原理_将系统的输出信号引回输入端，与输入信号比较，利用所得的偏差信号进行控制，达到减小偏差、消除偏差的目的。 _ 构成闭环控制系统的核心 闭环(反馈)控制系统的特点： (1) 系统内部存在反馈，信号流动构成闭回路 (2) 偏差起调节作用,例 1 炉温控制系统,炉温控制系统方框图,炉温控制系统方框图,电动机转速闭环控制系统,例 函数记录仪,函数记录仪方框图,动画,闭控制系统的特点,既有正向作用，又有反馈作用 控制精度与元件精度、控制方法、调整精度 有关，控制精度较高； 有抑制干扰的能力； 结构复杂，成本相对较高。,复合控制系统,对系统提出较高要求时使用 开环控制和闭环控制的组合 有两种形式 (1)按输入作用补偿 (2)按扰动作用补偿,电动机转速复合控制系统,按干扰作用补偿,按偏差作用补偿,热处理炉温度控制系统,(b) 方框图,(a) 原理图,复合控制系统典型方框图,控制系统的组成,1.2.2按输入信号特征分类,1、恒值控制系统 特征：输入信号为常数 典型系统：液位、温度、压力、流量控制 2、随动控制系统 特征：输入信号未知的随时间变化任意函数 典型系统：鱼雷飞行、炮瞄雷达、火炮自动瞄准、 导弹制导。 3、程序控制系统 特征：输入信号为预知的随时间变化函数 典型系统：热处理炉控制系统、程序控制机床、灌装生产线、自动生产流水线。,1.2.3 按使用的数学方法分类,连续系统/离散系统 连续系统 系统传递的信号为时间的连续函数，用微分方程描述。 离散系统 信号传递中至少有一处信号是脉冲序列或数字编码。用差分方程描述。,线性系统/非线性系统,线性系统 用线性微分方程或差分方程描述，满足叠加原理。叠加原理包括叠加性和齐次性。 非线性系统 用非线性微分方程或差分方程描述。特点是，方程中含有变量及其导数的高次幂或乘积项，不满足叠加原理。（第七章介绍） 例如,定常系统/时变系统 定常系统： 描述系统的数学方程中的系数为常数； 定常系统结构和参数不随时间变化。 时变系统: 描述系统的数学方程中的系数随时间变化。,单输入单输出系统 输入输出信号变量仅有一个。 多输入多输出系统 输入输出信号变量多于一个。,集中参数/和分布参数 集中参数系统 能用常微分方程描述的系统。 分布参数系统 至少有一个环节需要用偏微分方程 描述的系统。,单输入单输出/多输入多输出系统,1.3对自动控制系统的基本要求,1. 稳：（基本要求） 要求系统稳定 2. 准：（稳态要求） 系统响应达到稳态时， 输出跟 踪精度要高 3. 快：（动态要求） 系统阶跃响应的过渡过程要平稳， 快速,稳定性： 系统受到干扰后偏离原来的工作状态，扰动消失后， 能自动回到原工作状态，这样的系统是稳定的。反之，当干扰消除后，系统的输出趋于无穷或进入振荡状态，则称系统是不稳定的。稳定性是保证系统能正常工作的前提。,动态性能,指系统过渡过程的快速性和振荡性。由于控制系统的惯性，系统的输出跟随输入的变化总有一定的延迟。这个时间越短，快速性越好。有些系统的阻尼比较小，所以系统从一个稳态进入另一个稳态时，要经过若干次衰减振荡，而且在振荡过程中会出现超调现象。一般控制系统对超调量是有限制的。,稳态性能 稳态性指系统的控制精度。系统由一个稳态过渡到另一个稳态时，希望系统的输出尽可能地接近给定值。 但由于干扰或输入信号的不同，有些系统就会产生误差。系统的稳态性能用稳整误差来恒量。,自动控制