自动控制的基本控制原理与方式.ppt

1-1自动控制的基本控制原理与方式,1-2 基本控制方式,1-3 控制系统的类型,1-4 对控制系统的基本要求,第一章 自动控制的一般概念,1-1自动控制的基本控制原理与方式,一、自动控制基本术语,1、人工控制,控制器,减速器,电动机,电位器,浮子,用水开关,Q2,Q1,c,if,SM,2、自动控制,（1）自动控制(automatic control) 在无人直接参与的情况下，通过控制装置使被控对象或过程自动地按照预定要求进行。,（2）被控对象(controlled object) 被控制的工艺设备、机器或生产过程。被控对象是控制系统的主体，例如火箭、锅炉、机器人、电冰箱等。控制装置则指对被控对象起控制作用的设备总体，有测量变换部件、放大部件和执行装置。在上述例子中，被控对象为水箱。,（3）自动控制系统(automatic control system) 是指能够对被控对象的工作状态进行自动控制的系统，它由被控对象和控制装置组成。,（4）被控量(controlled variable) 表征被控对象运行情况且需要控制的物理量。被控量又称输出量、输出信号。,（6）偏差(error) 参考输入信号与反馈信号之差称为偏差信号（e= r - y）。,（5）给定值(set value) 是作用于自动控制系统的输入端并作为控制依据的物理量。给定值又称输入信号、参考输入。,（6）干扰量(disturbance) 除给定值之外，凡能引起被控量变化的因素，都是干扰。干扰又称扰动。干扰是一种对系统的输出产生不利影响的信号。如果扰动产生在系统内部称为内扰；扰动产生在系统外部，则称为外扰。外扰是系统的输入量。,（7）反馈控制系统(feedback control system) 通过测量、比较而得到偏差，由偏差产控制作用而使偏差消除或减少，使被控量趋近于要求值 。又称为反馈控制系统。,解决的基本问题： 建立系统的数学模型（建模） 分析控制系统的性能（分析） 控制系统的综合与校正控制器设计（综合）,（8）自动控制理论(automatic control theory) 研究自动控制系统共同规律的一门科学。,自动控制原理研究的主要内容,二、自动控制系统的组成,用“”号代表比较元件，“”号代表两者符号相反，“+”号代表两者符号相同。信号沿箭头方向从输入端到达输出端的传输通路称前向通路；系统输出量经测量元件反馈到输入端的传输通路称主反馈通路。前向通路与主反馈通路共同构成主回路。此外，还有局部反馈通路以及由它构成的内回路。,二、自动控制系统的组成,（1）被控对象 被控制的工艺设备、机器或生产过程。 （水箱）,（2）测量元件 其职能是测量被控制的物理量,（5）放大元件 将比较元件给出的偏差进行放大，用来推动执行元件去控制被控对象。,（3）给定元件 其职能是给出与期望的被控量相对应的系统输入量（即参据量）。,（4）比较元件 把测量元件检测的被控量实际值与给定元件给出的参据量进行比较，求出它们之间的偏差。,（7）控制器 对控制对象产生控制作用的装置称为控制器，有时也称为控制元件、调节器等。,（6）校正元件 亦称补偿元件，它是结构或参数便于调整的元件，用串联或反馈的方式连接在系统中，以改善系统性能。,（8）执行元件 直接作用于被控对象，使其被控量发生变化的元件称为执行元件（阀门） 。,三、基本控制方式,开环控制,闭环控制,复合控制,1、开环控制,控制系统的输入端与输出端只有顺向作用而没有反向联系的控制方式称为开环控制。,输入量,输出量,开环控制系统方框图,1、特点：输出量不会对系统的控制作用产生影响。,2、优点：结构简单，成本相对较低，容易控制。,2、优点：结构简单，成本相对较低，容易控制。,3、缺点：没有自动修正偏差的能力，抗干扰能力差，控制精度不高。,4、适用场合：一般适合于干扰影响小、控制精度要求不高的场合。,2、闭环控制,控制系统的输入端与输出端既有顺向作用又有反向联系的控制方式称为闭环控制。,2、优点：具有自动修正偏差的能力，抗干扰能力强，控制精度高。,3、缺点： （1）结构复杂，成本高。 （2）存在稳定性问题，如果系统设计不合理或参数选择不合适，系统可能产生振荡，严重时不能正常工作。,4、适用场合：适合于干扰不可预测、控制精度要求高的场合。,1、特点：输出量对系统的控制作用产生影响。,3、开环控制和闭环控制的比较,1、与开环控制系统相比，闭环控制系统的最大特点是检测偏差、纠正偏差 ；,2、从系统结构上看，闭环系统具有反馈通道；,3、从功能上看，闭环系统具有如下特点： 由于增加了反馈通道，提高了系统的控制精度； 由于存在系统的反馈，可以较好地抑制系统各种扰动和由于器件的老化而引起的结构和参数的变化；,4、闭环控制必须考虑稳定性问题，而开环控制通常可以不考虑。,开环控制和闭环控制的结合,4、复合控制系统,1-2 自动控制系统示例,飞机示意图,给定电位器,反馈电位器,控制任务：系统在任何扰动作用下，保持飞机俯仰角不变。 被控对象：飞机。 被控量： 飞机的俯仰角 。,俯仰角控制系统原理方框图,1-3 自动控制系统的分类,线性/非线性系统 连续/离散性系统 定常/时变性系统 确定/不确定系统,按控制方式分,按被控对象分,按系统性能分,分类,按给定值变化规律分,按系统功用分,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,恒值系统 随动系统 程序控制系统,运动控制系统 过程控制系统,温度控制系统 压力控制系统 位置控制系统,液位恒值控制,天线随动控制,一、系统类型,二、线性控制系统和非线性控制系统 按照系统是否满足叠加原理，系统可分为线性系统和非线性系统两类 。 1、线性控制系统 组成控制系统的元件都具有线性特性； 输入输出关系一般可以用微分方程、差分方程、传递函数以及状态空间表达式来描述； 线性系统的主要特点是满足叠加原理；,（1）可叠加性 若输入x1(t)产生输出 y1(t) ；输入 x2(t) 产生输出 y2(t)；输入x1(t)+x2(t)产生输出y1(t)+y2(t) ；这就是可叠加性。,叠加原理：,（2）齐次性 若输入x1(t)产生输出 y1(t)，当输入为ax1(t)时，则输出为ay1(t),这就是齐次性,因此，线性系统满足叠加原理。反之，满足叠加原理的系统是线性系统。,2、非线性控制系统 控制系统中，若至少有一个元件具有非线性特性； 一般不具有齐次性，也不适用叠加原理； 输出响应和稳定性与输入信号和初始状态有很大关系； 也有时变和定常系统之分； 严格地讲，绝对线性的控制系统（或元件）是不存在的。,三、定值控制控制系统、随动控制系统和程序控制系统 按照输入信号分类，控制系统可分为定值控制系统、随动控制系统和程序控制系统。 1、定值控制系统（r(t) = const.） 输入信号是恒值，要求被控变量保持相对应的数值不变 室温控制系统、直流电机转速控制系统,2、随动控制系统 输入信号是未知的随时间任意变化的函数，要求被控量以尽可能小的误差跟随输入信号的变化。又称为跟踪系统。 函数记录仪，雷达系统。,3、程序控制系统 输入信号是按预定规律随时间变化的函数，要求被控量迅速、准确的复现输入信号。 数控机床。,按照信号时间变量取值的连续性与离散性，可将信号分为连续时间信号与离散时间信号，简称为连续信号与离散信号。 若系统中所有信号都是连续信号，则称为连续时间系统，简称为连续系统。如果系统中有一处或几处的信号是离散信号，则称为离散时间系统，简称为离散系统。 随着计算机的发展，离散系统得到越来越广泛的应用。,四、连续系统与离散系统,如果控制系统的结构、参数在系统运行过程中不随时间变化，则称为定常系统或者时不变系统，否则，称为时变系统。,四、定常系统与时变系统,如果线性系统中的参数不随时间变化，则称为线性定常系统；否则称为线性时变系统 。,1-4 对控制系统的基本要求,(a)非周期过程,(b)衰减过程,(c)等幅振荡过程,(d)发散过程,一、对控制系统基本要求,(a)、(b)稳定 （c)临界稳定 (d)不稳定,1、稳定性：是保证控制系统正常工作的先决条件。,2、快速性：动态性能指标。,对于稳定的系统，虽然理论上能够到达平衡状态，但还要求能够快速到达，而且，在调节过程中，要求系统输出超过给定的稳态值的最大偏差，即所谓的超调量不要太大，要求调节的时间比较短。这些性能称为动态性能。,3、准确性：稳态（过渡过程结束后的）值应尽量与期望值一致。,但在实际中，由于系统结构、外作用形式以及非线性因素等影响，系统给定值与系统稳态输出之间总会有误差存在，称为稳态误差。,1、选取原则 （1）在现场及实验中容易产生 （2）系统在工程中经常遇到，并且是最不利的外作用。 （3）数学表达式简单，便于理论分析。,二、典型外作用,表示在t=0时刻出现了幅值为R的跳变，是最不利的外作用。R=1时的阶跃函数叫单位阶跃