《自动控制原理》(第二版)PPT教学课件-第一章_自动控制原理的一般概念.ppt

自动控制理论 绪 论 一、本课程的性质任务特点及学习方法 1、性质：电类各专业重要专业基础课（考试课） 2、任务：基本概念、组成、原理、分析、设计方法，培养工 程观，系统观，为学习后续课程，也为今后从事科研、工程 技术工作打基础。 3、特点：理论性、实践性、系统性、逻辑性、趣味性都很强 ，较抽象，涉及数学知识面广，难度较大。 4、学习方法：理论联系实际，主观能动，系统钻研。 淡化数学推导和证明，复杂的运算和计算用计算机来做（ matlab/simulink仿真） 二、课程内容，学时安排 1、总课时88课时，其中理论课78课时 2、实验课10课时（5个实验，分5次做） 三、考核方法 1、总成绩=平时成绩（30%）+期考成绩（ 70%） 2、平时成绩=作业及考勤成绩分+实验成绩分 +其它加分（课堂讨论+回笿问题等）。 参考网站： 西北工业大学: /jp2005/03/ 清华大学： 南 航： /ftp/ n教材、教学参考书： 1、自动控制原理、卢京潮主编、西北工业 大学出版社、2009.8。 2、自动控制原理(第四版)、胡寿松主编、 科学出版社、2001.2。 3、信号、系统与控制理论，邱德润主编北 京工业出版社、2009.8。 4、现代控制工程(第三版)、katsuhiko ogata著、卢伯英,于海勋等译、电子工业出版 社、2000.5。 5、自动控制原理 导教.导学.导考、刘慧英 主编、西北工业大学出版社、2003.11。 第一章 自动控制的一般概念 1.1 引言 1.2 自动控制理论发展概述 1.3 自动控制和自动控制系统的 基本概念 1.4 自动控制系统的基本组成 1.5 控制系统示例 应用领域： 机械、冶金、石油、化工、电子、电力、航 空、航海、航天、核反应堆等 近年来扩展到交通管理、生物医学、生态环 境、经济管理、社会科学和其它许多社会生 活领域 定义: 自动控制理论是研究关于自动控制系统组成 、分析和设计的一般性理论，是研究自动控 制共同规律的技术科学。 1.1 引言 目的: 学习和研究自动控制理论是为了探索自动 控制系统中变量的运动规律和改变这种运 动规律的可能性和途径，为建立高性能的 自动控制系统提供必要的理论根据。 作为现代的工程技术人员和科学工作者 ，都必须具备一定的自动控制理论基础知 识。 1.2 自动控制理论发展概 述 n经典控制理论 ( 19世纪初 ) 时域法 复域法 (根轨迹法) 频域法 n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 n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 控制理论目前还在向更纵深、更广阔的领域发展. 1.3 自动控制和自动控制系统 的 基本概念 1.3.1 自动控制问题的提出 在许多工业生产过程或生产设备运行中， 为了保证正常的工作条件，往往需要对某 些物理量(如温度、压力、流量、液位、 电压、位移、转速等)进行控制，使其尽 量维持在某个数值附近，或使其按一定规 律变化。 人工控制 自动控制：在无人直接参与下 任何一个控制系统，都是由被控对象和控制器 两部分所组成的 最常见的控制方式有三种：开环控制、闭环控 制和复合控制。 u u f f 系统的控制输入不受输出影响的控制系统 称开环控制系统。 在开环控制系统中，输入端与输出端之间 ，只有信号的前向通道而不存在由输出端 到输入端的反馈通路。 1.3.2 开环控制系统 用方框代表系统中具有相应职能的元部件；用箭头 表示元部件之间的信号及其传递方向。mc 叫干扰或 扰动 1.3.3 闭环控制系统(反馈控制系统 ) n把输出量的信息反馈到输入端，通过比较 输入值与输出值，产生偏差信号，该偏差 信号以一定的控制规律产生控制作用，逐 步减小以至消除这一偏差，从而实现所要 求的控制性能。 n特征：有反馈通道，系统输出量对系统有 控制作用，形成了闭合通道。 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 必须指出 在系统主反馈通道中，只有采用负反馈才能 达到控制的目的。若采用正反馈，将使偏差 越来越大，导致系统发散而无法工作。 闭环系统工作的本质机理是： 将系统的输出信号引回到输入端，与输入信 号相比较，利用所得的偏差信号对系统进行 调节，达到减小偏差或消除偏差的目的。 1.3.4 开环控制系统与闭环控制 系统的比较 开环控制系统 : 结构比较简单，成本较低 控制精度不高，抑制干扰能力差， 对系统参数变化比较敏感 应用场合: 一般用于可以不考虑外界影响或精度要求 不高的场合，如洗衣机、步进电机控制及 水位调节等。 闭环控制系统 : 抑制干扰能力强，系统对参数变化不敏感， 可以选用不太精密的元件构成较为精密的控 制系统，获得满意的动态特性和控制精度。 造价较高，系统复杂，存在是否稳定的问题 。 问题: 如何分析系统，合理选择系统的结构参数， 从而获得满意的系统性能，是自动控制理论 必须研究解决的问题。 1.4 自动控制系统的基本组成 任何一个自动控制系统都是由被控对象和 控制器有机构成的。 一般是指生产过程中需要进行控制的一般是指生产过程中需要进行控制的 工作机械、装置或生产过程。描述被工作机械、装置或生产过程。描述被 控对象工作状态的、需要进行控制的控对象工作状态的、需要进行控制的 物理量就是被控量物理量就是被控量。 给定元件给定元件 主要用于主要用于 产生给定信号或控产生给定信号或控 制输入信号。制输入信号。 用于检测被控量或输出量，用于检测被控量或输出量， 产生反馈信号。如果测出的产生反馈信号。如果测出的 物理量属于非电量，一般要物理量属于非电量，一般要 转换成电量以便处理。转换成电量以便处理。 用来比较输入信号和反馈信号之间的用来比较输入信号和反馈信号之间的 偏差。它可以是一个差动电路，也可偏差。它可以是一个差动电路，也可 以是一个物理元件（如电桥电路、差以是一个物理元件（如电桥电路、差 动放大器、自整角机等）。动放大器、自整角机等）。 用来放大偏差信号的幅值和用来放大偏差信号的幅值和 功率，使之能够推动执行机功率，使之能够推动执行机 构调节被控对象。例如功率构调节被控对象。例如功率 放大器、电液伺服阀等。放大器、电液伺服阀等。 用于直接对被控对象进行操作用于直接对被控对象进行操作 ，调节被控量。如阀门，伺服，调节被控量。如阀门，伺服 电动机等。电动机等。 用来改善或提高系统的性能用来改善或提高系统的性能 。常用串联或反馈的方式连。常用串联或反馈的方式连 接在系统中。例如接在系统中。例如rcrc网络、网络、 测速发电机等。测速发电机等。 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 1.5 控制系统示例 1 电压调节系统 2 函数记录仪 u up p r r qq r rp p 3 火炮方位角控制系统 4 飞机-自动驾驶仪系统 1.6 控制系统的分类 按给定信号的形式 恒值系统 / 随动系统 按系统是否满足叠加原理 线性系统 / 非线性系统 按系统参数是否随时间变化 定常系统 / 时变系统 按信号传递的形式 连续系统 / 离散系统 按输入输出变量的多少 单变量系统 / 多变量