自动控制原理与系统--课件第一章自动控制系统的基本概念

（一）课程定位本课程是电气自动化类专业一门必修的专业主干课程。本课程以自动控制原理为理论基础，以自动控制系统作为分析对象，在建立系统数学模型的基础上，对控制系统的性能进行分析与改进，对调速系统的组成、工作原理作了分析。,本课程的先修课为高等数学、电路与磁路、电子电路分析与实践、电机与电气控制和电力电子变流技术等，同时也为学习变频器原理与应用等后续课程奠定基础。,（二）学习目标通过本课程的学习和训练，使学生掌握分析企业典型自动控制系统功能所必须的专业理论知识，具有安装、调试和维护现代自动控制系统设备等专业能力，具有良好的职业道德素养和严谨的工作作风以及学习能力，能够适应工业自动化技术工作岗位的要求。,2018/6/5,第一章 自动控制系统概述,自动控制是在没有人的直接干预下，利用各种控制装置对生产设备和工艺过程进行合理的控制，使之达到人们所希望的状态和性能。 自动控制学科由自动控制技术和自动控制理论两部分组成。,1.1引言,自动控制技术广泛地应用于机械、冶金、石油、化工、电子、电力、交通运输、航天航空航海、生物工程及管理工程等各个学科领域。如果生产过程十分简单，需要控制的物理量较少，变化也比较缓慢，此时采用人工操作，生产也可正常进行。但是在庞大而复杂的生产过程中，需要加以控制的物理量多，变化也快，非人工操作所能胜任，而且某些环节生产环境是高温或有毒，如石油、化工、冶金生产是在密闭的罐、炉中进行的，此时只有通过自动控制技术来完成 。,由此可见，自动控制技术的广泛应用，能使生产过程实现自动化，提高劳动生产率和产品质量，改善劳动条件，更为重要的是，一些人们难以或者根本无法实现的操作，可以通过自动控制技术来完成。自动控制技术已经在国民经济和国防建设中起着越来越重要的作用。,自动控制理论就是在解决各种自动控制技术问题的过程中逐步形成和发展起来的研究自动控制技术的一门基础理论。,实现自动控制所采用的技术手段是多种多样的，可用机械方法实现自动控制，也可以用电气方法、液压方法、气动方法以及它们的组合方法等来实现自动控制。其中以电气控制法的应用最为普遍，本课程将以电气控制为主要研究对象进行分析。,1.2自动控制系统认识,控制系统： 通过执行规定的功能来实现给定目标的一些关联单元的组合。自动控制系统： 是在无人直接参与下可使生产设备和工艺过程按期望规律或预定程序运行的控制系统。自动控制原理与系统：本课程以自动控制原理为理论基础，以自动控制系统作为分析对象，在建立系统数学模型的基础上，分析自动控制系统(主要是交直流调速系统)的组成、工作原理和自动调节过程。,按控制原理的不同，自动控制系统可分为开环控制系统和闭环控制系统。,开环控制系统是指系统的输出端和输入端不存在反馈关系，系统的输出量对控制作用没有任何影响。这种系统控制装置与被控对象之间只有顺向作用，没有反向联系。,一、开环控制系统,开环系统示例,系统的输出端和输入端不存在反馈关系，系统的输出量对控制作用没有任何影响.输入量与输出量之间只有顺向作用，没有反向联系。,恒温箱,用于对系统控制性能要求不高，系统输入与输出关系明确、干扰较小且相对稳定的场合。,开环控制系统的特点:,系统结构和控制过程简单,稳定性好，成本低廉,没有自动调节能力，抗干扰能力差,适用范围：,系统的输入量和输出量不仅有顺向作用，而且输出端和输入端之间存在反馈关系，所以称为闭环控制系统。,二、闭环控制系统,闭环系统示例,n ufnue （ur ufn ）ucud n,恒温闭环控制系统,温度ufTu产生电压ud电动机转动带动调压器滑动臂转动ur温度,液位自动控制系统,水位浮子上浮下触点闭合电动机正转关小阀门水位下触点断开电动机停止工作水位恒定在规定的范围内。,恒张力自动控制系统,张力滚筒摇臂失去平衡而上移产生偏角位移量偏差电压电制动器制动力矩张力直到张力达到平衡。,随动系统,1uud电动机带动2直到1 =2u =0ud =0电动机停转。,在自动控制系统中，被控制的设备或过程称为被控对象或对象；被控制的物理量称为被控量或输出量；决定被控量的物理量称为控制量或给定量；妨碍控制量对被控量进行正常控制的所有因素称为扰动量。给定量和扰动量都是自动控制系统的输入量。,稳定性要求较高,控制精度高,结构复杂，元件较多，成本较高,抗扰能力强,适用范围广,闭环控制系统的特点:,总 结,开环系统和闭环系统的输入量和输出量 都存在一一对应关系,开环系统中，只有输入量对输出量产生 控制作用，输出量不参与系统控制，因 而开环系统没有抗干扰能力,闭环控制系统必须有检测反馈环节 和比较环节,闭环控制系统正是依靠放大的偏差 信号来纠正偏差的,1.3自动控制系统的基本组成,一系统的组成框图,闭环控制系统总是由一些基本元件或单元组成。为了清楚地表明系统的结构和组成，说明各个环节信号的传递情况，把系统各个环节用框图表示，构成自动控制系统的组成框图。,二各组成环节,3检测反馈环节: 用来检测被控制量，并将其转换为与给定量相同的物理量。,1被控对象:是指要进行控制的设备或过程。,2执行机构: 直接作用于控制对象，使被控制量达 到所要求的数值。执行机构一般由传动装置和调节机构组成。,6中间环节:中间环节一般是放大元件，将偏差信号 变换成适于控制执行机构工作的信号。,4给定环节:设定被控制量的给定值的装置。,5比较环节 :比较环节将所检测的被控制量与给定 量进行比较，确定两者之间的偏差量。,自动控制系统的组成框图,清楚地表明了各环节之间的关系和信号的传递方向。在框图中各环节的信号传递是有方向性的,由输入端到输出端从左向右的信号传递通道称为前向通道；由输出端到输入端从右向左的信号传递通道称为反馈通道。闭环控制系统就是由前向通道和反馈通道组成的。,1.4自动控制系统的分类,3、随动系统：输入信号的变化规律是预先不能确 定的，并要求被控量精确的跟随输入量变化。,一、按输入信号的变化规律：,1、恒值控制系统：输入信号在某种工作状态下一经 给定就不再变化，控制的任务就是抑制各种干扰 因素的影响，使被控量也维持恒定。,2、程序控制系统：输入信号按预定的规律变化，并 要求被控量也按照同样的规律变化。,2、离散控制系统：系统中至少有一处信号是脉冲序 列或数字量，因此系统的运动规律必须用差分方 程来描述。如果用计算机实现采样和控制，则称 为数字控制系统。,二、按系统传输的信号特征：,1、连续控制系统：系统中所有信号的变化均为时间 t的连续函数，因此系统的运动规律可用微分方程 来描述。,2、非线性控制系统：系统中至少有一个元件的输入 输出关系是非线性的。,三、按系统各环节输入输出关系的特征：,1、线性控制系统：系统中所有环节或元件的输入 输出关系都是线性关系。,四、按系统参数的变化特征：,1、定常参数控制系统：系统中所有参数都不会随着 时间推移而发生改变,描述它的微分方程是常系数微分方程。只要实际系统的参数变化不太明显，一般都视作该系统，绝对的定常系统是不存在的,2、时变参数控制系统：系统中部分或全部参数将 会随着时间的推移而发生变化。,描述它的运动规律要用变系数微分方程，系统的性质也会随时间变化，不允许用此刻观测的系统性能去代替另一时刻的系统性能,1.5对自动控制系统的性能要求,系统的稳定性：系统在受到外部作用后，其振荡倾向和能否恢复平衡状态的能力。,稳定,不稳定,一、系统的稳定性,不稳定的系统是无法进行工作的；因此，对任何自动控制系统，首要的条件便是系统能稳定正常运行。,系统稳定的重要性：,二.系统的动态性能,输入量作用于系统时,系统的输出量不能立即跟随输入量发生变化,而是需要经历一个过渡过程,才能达到稳定状态,这个过渡过程称为动态过程。突加给定信号系统输出量的动态过程用动态性能指标来描述。,控制系统突加给定信号输出量的动态过程,（1）最大超调量： 最大超调量是输出量c（t）与稳态值C（）的最大偏差Cmax与稳态值C（）之比。反映了系统的相对稳定性，超调量越小，说明系统过渡过程越平稳。,（2）调整时间ts ：（又称为调节时间）指系统输出量与其稳态值之差达到并且不再超过规定的误差范围所需的时间，其误差范围一般定为=(25 )C（） 。它反映了系统的快速性能，调整时间越小，系统快速性越好。,三.系统的稳态性能指标,系统从一个稳态过渡到另一个稳态，或系统受到扰动作用又重新进入平衡状态后，系统会出现偏差，这种偏差称为稳态误差ess。 系统稳态误差的大小表征系统的稳态精度，即系统的准确程度。稳态误差越小，则系统的稳态精度越高。 对于ess=0的系统，称为无静差系统；而ess0的系统，则称为有静差系统。,系统的稳态性能指标,a) 有静差系统 b) 无静差系统,对控制系统的性能要求,%反映了系统的相对稳定性，ts反映了系统的快速性，而ess反映了系统的准确性。简而言之，我们希望控制系统达到稳、准、快。 在同一控制系统中这些性能指标往往是相互矛盾的。这就需要根据具体控制对象所提出的要求，对其中的某些指标有所侧重的同时，又要注意兼顾其它性能指标。 在考虑提高系统的性能指标的同时，还要考虑到系统的可靠性和经济性。,作业题答案：控制系统中，合上开门开关（关门开关联动断开），给定电位器便向放大器送出一个给定电压信号。此时反映大门位置的检测电位器向放大器送出一个反馈电压信号。这两个电压信号在放大器的输入端进行迭加比较，形成