自控原理刻件(第一章).ppt

自动控制原理 Automatic Control System,北京化工大学北方学院 授课：周 于 露,单位 信息学院自动化教研室 教师联系方式 Email :ylzhou_2008163.com 办公地点 :F103 办公电话：3380005,课程概况及考核方式 课程名称：自动控制原理 课程性质： 专业基础课 课程学时： 共80学时，5学分 理论课：4学时/周，1-16周 实验课：2学时/周，10-16周 考核方式： 闭卷考试 成绩评定： 平时成绩（40%）+卷面成绩（60%）,学科背景简介,教学过程方框图,学科背景简介,自动化的作用,自动化是一个国家或社会现代化水平的重要标志,1. 提高社会生产率和工作效率； 2. 节约能源和原材料消耗； 3. 保证产品质量； 4. 改善劳动条件，减轻体力、脑力劳动； 5. 改进生产工艺和管理体制。,自动化的研究内容,有反馈控制和信号处理两个方面，包括理论、方法、应用硬件和软件等。从应用观点来看，研究内容有过程自动化、机械制造自动化、武器及军事自动化、办公室自动化和家庭自动化等。 主要工具：数学/计算机,参考书目,自动控制原理 化学工业出版社 厉玉鸣、马召坤、王晶 自动控制原理 高等教育出版社 程鹏 自动控制原理 科学出版社 胡寿松,学习方法推荐： 把握好课堂时间 多练习勤思考,自动控制原理,第一章 自动控制概论 1.1 自动控制理论发展概述 1.2 开环控制和闭环控制 1.3 对自动控制系统的基本要求 1.4 本书梗概,自动装置的出现和应用（18世纪以前）,“自动控制”作为一种技术掌握在发明家的手中,(1) 古代自动装置 (2)近代自动化装置,自动控制理论发展简史,候风地动仪图,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 ),智能控制理论 ( 20世纪70年代 ),自动控制理论发展简史,水温控制系统,(a) 手动控制漫画 (b) 自动控制 水温的手动控制和自动控制的示意图,自动控制概念,自动控制系统： 能对被控对象的工作状态进行自动控制的系统。,自动控制: 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。,开环控制 闭环控制 复合控制,控制系统的分类,恒值系统 随动系统 程序控制系统,按系统使用的能源分类,机械，电气，液压和气动控制系统,按控制结构分类,按系统功用分类,按系统性能分类,定常系统和时变系统， 连续系统和离散系统， 有差系统和无差系统,例 1 直流电动机,直流电动机开环控制的原理图和系统框图,直流电动机,转速,人工改变,电压,输出不影响输入，对输出不需要测量，通常容易实现； 组成系统的元部件精度高，系统的精度才能高； 系统的稳定性不是主要问题；,开环控制：开环控制是指控制器与被控对象之间只有顺向作用 而没有反向联系的控制过程。,主要特点：,控制方式：,按给定值操纵。信号由给定值至输出量单向传递。一定的给定值对应一定的输出量。系统的控制精度取决于系统事先的调整精度。对于工作过程中受到的扰动或特性参数的变化无法自动补偿。结构简单，成本低廉，多用于系统结构参数稳定和扰动信号较弱的场合,如自动售货机，自动报警器，自动流水线等。,控制器,被控制 对象,按给定值 控制的原 理方框图,开环控制,按扰动补偿 。这种控制方式的原理是：利用对扰动信号的测量产生控制作用，以补偿扰动对输出量的影响。由于扰动信号经测量装置，控制器至被控对象的输出量是单向传递的，故属于开环控制方式。对于不可测扰动以及被控对象及各功能部件内部参数变化给输出量造成的影响，系统自身无法控制。因此，控制精度有限，常用于工作机械的恒速控制（如稳定刀具转速）以及电源系统的稳压，稳频控制。,控制器,被控制 对象,扰动,按扰动补偿 的原理方框图,开环控制,例 2 热交换器,热交换器开环控制的原理图和系统框图,例 3 直流电动机,直流电动机闭环控制的原理图和系统框图,放大器,电位计,电动机,ur,控制器,测速发电机,u0,偏差,例 4 热交换器闭环控制,热交换器闭环控制的系统框图,控制器,温度期望值,温度测量装置,-,温度实际值,偏差,热交 换器,调节阀,输出影响输入，所以能削弱或抑制干扰； 低精度元件可组成高精度系统； 因为可能发生超调，振荡，所以稳定性很重要。,闭环控制：是指控制器与控制对象之间既有顺向作用又有反向 联系的控制过程。,主要特点：,控制方式：,反馈控制，反馈按反馈极性的不同分成两种形式：正反馈，负反馈。我们所讲述的反馈系统如果无特殊说明，一般都指负反馈。,输入量,输出 量,闭环控制 典型方框图,反馈原理,闭环控制 将系统的输出信号引回输入端，与输入信号相比较，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,开环控制 优点：简单、易于实现 缺点：当被控量与期望值出现偏差时，系统不具备自动调整控制量的能力。,闭环系统的组成,由上述举例表明，尽管控制系统不同，复杂各异，但基本组成是类同的，即闭环系统的基本组成为：(1)比较元件；(2)控制器；(3)执行元件； (4)被控对象；(5)测量元件。,控制器,-,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,控制系统的组成 (3),控制系统类型,自动控制系统有多种分类方法。除了按信号传递路径，可分为开环，闭环等控制系统外，还可以按系统的功用和性能进行分类。 按系统功用分类，主要可分为以下三类：,恒值系统：也称镇定系统。输出量以一定的精度 等于给定值，而给定值一般不变化或变化很缓慢，扰动可随时变化的系统称为恒值系统，在生产过程中，这类系统非常多。例如，冶金部门的恒温系统，石油部门的恒压系统等。,随动系统：输出量能以一定精度跟随给定值变化的系统称随动系统，又称为跟踪系统。这类系统的特点是系统的给定值变化规律完全取决于事先不能确定的时间函数。例如，火炮系统，卫星控制系统等。,程序控制系统：自动控制系统的被控制量如果是根据预先编好的程序进行控制的系统称程序控制系。例如，炼钢炉中的微机控制系统，洲际弹道导弹的程序控制系统等。,按系统性能分类，主要可分为以下三类：,定常系统和时变系统：控制系统的参数如果在工作过程中不随时间而变化，那么这类系统称为定常系统。如果系统在工作期间其参数变化不能忽略其对系统工作的影响，则这种系统成为时变系统。不包括非线性的时变系统称为线性时变系统。线性系统的特点，可以应用叠加原理。用非线性方程描述的时变系统成为非线性时变系统。,连续系统和断续系统：如果系统中传递的信号都是时间的连续函数，则称为连续系统，系统中只要有一个传递的信号是时间上断续的信号，则称为断续系统，或采样系统,或离散系统。例如，计算机控制系统一定是断续系统。,有差和无差系统：若系统在给定输入量或扰动输入量的作用下，存在稳态误差则称为有差系统；不存在稳态误差的系统，则称为无差系统。,控制系统类型,由原理图画出方框图的步骤,看懂工作原理图，找出被控量、被控对象、给定量 从两头来，先画出给定量、被控对象和被控量 依原理图补上中间部分,温度控 制器TC,调节阀,化学反 应器,温度测量 转换装置,-,温度设定值,控制器,执行机构,被控对象,测量装置,输入/给定值,输出/实际值,对控制系统的一般要求,为了实现自动控制的基本任务，必须对系统在控制过程中表现出来的行为提出要求。对控制系统的基本要求，通常是通过系统对特定输入信号的响应来满足的。例如，用单位阶跃信号的过渡过程及稳态的一些特征值来表示。,稳定性 被控制信号能跟踪已变化的输入信号，从一种状态到另一种状态，如果能做到，我们就认为该系统是稳定的，这是对反馈控制系统提出的最基本要求。 精度要求 稳态精度要求：精度要求一般以稳态误差表示，既实际输出C（t）与期望值之差是否进入允许误差区, . 动态精度要求：超调量 它是说明系统阻尼性即振荡性的，阻尼大则振荡小。对于稳定系统而言，第一次超调量为输出最大超调量，取其为性能指标之一，即：,时间要求 过度过程时间ts 系统达到给定区所需的时间。这个指标反映系统的惯性，即响应速度。 上升时间 tr 从原始状态开始，第一次达到单位阶跃响应的时间，对系统要求概括一句话 为：稳定好，动作快，精度高。,单位阶跃响应 仿真MATLAB模型,仿真输出,1 +,1 -,ts,tp,tr,本课程的研究内容,系统模型 定量地表达系统（或环节）各变量之间的关系的表达式，称为系统（或环节）的数学模型。 系统分析 已知系统数学模型的基础上，如何对系统系统的稳定性、快速、稳定性进行分析。,系统综合 为达到控制目的如何选择控制器（合适