自动控制的一般概念.ppt

2019年11月24日星期日,1,自动控制理论,2019年11月24日星期日,2,教师：王勇,(029)82668665-179Email:wybear,参考书：1、自动控制原理，周其节编2、自动控制原理，张爱民编3、现代控制原理，绪方胜彦，第三版4、自动控制原理，胡寿松，第四版，科学出版社,2019年11月24日星期日,3,第一章自动控制的一般概念,2019年11月24日星期日,4,自动控制的基本原理自动控制系统的分类自动控制系统的研究内容和对系统的基本要求,本章主要内容,2019年11月24日星期日,5,概述,自动控制原理是研究自动控制技术的基础理论和自动控制共同规律的技术科学。自动控制原理按发展过程分为经典控制理论和现代控制理论。,经典控制：五十年代末形成完整的体系，以传递函数为基础研究单输入、输出系统（SISO）的反馈控制系统。采用的方法主要有：时域分析法、根轨迹法和频率法。,现代控制：以状态空间法为基础研究多输出输入(MIMO)系统，变参数、非线性、高精度等系统。采用的方法主要有：状态空间分析法。,本课程研究经典控制的主要内容和现代控制的部分内容。,2019年11月24日星期日,6,第一节自动控制的基本原理,2019年11月24日星期日,7,先看人工控制系统：1、观察实际水位；2、与要求水位比较，得出偏差；3、根据偏差的大小和方向人工调节进水阀的开度，以保证要求的水位。,此系统中，水池是被控对象，实际水位是被控量。,由于人的反应速度和力量的局限性，控制效果往往是不理想的。,自动控制的基本原理,自动控制：在无人参与的情况下，利用外加的设备使整个生产过程自动地按预定规律运行，或使其某个参数按预定的要求变化。研究水位控制系统：见教材中图1-1（人工控制）和图1-2（自动控制）。,2019年11月24日星期日,8,再看自动水位控制系统（见图1-2）：眼睛加判断用浮子、电位计和放大器代替；手用电动机和减速器代替。,使用自动水位控制系统能够自动而迅速精确的保持需要的水位。,从上例可以得出自动控制系统的定义如下：,自动控制系统：自动控制系统是由被控对象和自动控制装置按一定的方式连接起来，完成一定的自动控制任务的总和。,自动控制的基本原理,2019年11月24日星期日,9,自动控制的基本原理,自动控制装置的组成：测量元件：获得被控量的实际值并进行变换。比较元件：获得偏差=测量结果-要求值。调节元件：通常包括放大器和校正装置。使u=f(e)执行元件：驱动被控对象动作，使被控量达到要求值。,在图1-2的例子中，测量元件是浮子；比较元件是连杆；偏差由电位器的输出电压反映；调节装置由放大器、电动机和减速器组成；执行元件是阀门。,2019年11月24日星期日,10,自动控制的基本原理,2019年11月24日星期日,11,自动控制的工作原理：通过测量，比较而得到偏差，由偏差产控制作用使被控量趋近于要求值，使偏差消除或减少。又称为反馈控制系统。,自动控制的基本原理,被控量又称为系统的输出量。影响系统输出量的量称为系统输入量。输入量有两类：给定输入：决定输出的变化规律或要求值。扰动输入：不希望的外作用，它将影响对被控量的控制。在水位控制系统中，水位要求值是给定输入量，用水量为扰动的输入量。,2019年11月24日星期日,12,自动控制的基本原理,自动控制的特点：从信号传送方向来看：通过负反馈，构成闭环回路。由负反馈构成闭环结构特点。从控制作用的产生看：由偏差引起的控制作用使系统沿减小或消除偏差的方向运动。有上述两个特点的控制系统称为：反馈控制系统或闭环控制或偏差控制。其工作原理称为反馈控制原理。,2019年11月24日星期日,13,第二节自动控制系统的种类,2019年11月24日星期日,14,一、按信号传送的特点或系统的结构特点分为：开环和闭环控制系统。开环控制系统：输出量对系统的控制作用无任何影响。扰动控制系统是开环控制系统。闭环控制系统：负反馈偏差控制系统。偏差控制系统是闭环控制系统。,二、按控制作用产生的原因分为：扰动控制系统和复合控制系统。扰动控制系统：控制作用由扰动产生，不构成闭环。复合控制系统：同时具有开环结构和闭环结构或同时具有偏差和扰动产生作用的控制系统。,自动控制系统的种类,2019年11月24日星期日,15,M,功放,+,-,+,-,n,功放,电动机,n,扰动负载,图1.5(原理图),（方块图）,例子：1.“转速控制系统”之“开环控制系统”,自动控制系统的种类,工作原理：将电压ug经功率放大后获得ua，由ua驱动电动机旋转。ua和n具有一一对应的关系，如当ug=ug1，n=n1。但是，当电动机的负载改变时，ug=ug1时，可能n=n1+n，也就是说，ug和n的关系是不准确的。开环系统的输出易受到扰动的影响而无能为力。,2019年11月24日星期日,16,自动控制系统的种类,注意：在上图中，比较点上进行运算的各个量应具有相同的性质。比如都是电压量。（电压）称为偏差，而输出量和要求值之差（物理量）为系统误差。显然偏差和误差是不同的。我们可以发现，这两者是有一定的对应的关系的。可以用偏差反映系统的误差。,2019年11月24日星期日,17,自动控制系统的种类,2019年11月24日星期日,18,右上图中，1是放大器，2是功放，3是电动机，4是测速装置，5，6是扰动通道传递函数。,4.“转速控制系统”之“复合控制系统”（见下图）,自动控制系统的种类,该图由扰动控制（开环控制）和偏差控制（闭环控制）组成。扰动控制补偿负载干扰的影响，偏差控制补偿其他因素产生的偏差。,2019年11月24日星期日,19,三、按照输入作用的变化将反馈控制系统分成两类：,恒值控制系统：给定值不变。由于扰动的存在，将使被控量偏离给定值。控制系统能自动地根据偏差产生控制作用，使被控量恢复到给定值。如上述的水位和转速控制系统。,随动系统（自动跟踪系统、伺服系统）：给定值是预先未知的随时间任意变化的函数。控制系统能够使被控量以尽可能小的误差跟随给定值。随动系统也能克服各种扰动的影响，但一般来说，扰动的影响是次要的。,自动控制系统的种类,例子：船舶驾驶舵角位置跟踪系统。如图1-9和图1-10所示。目的：希望船舵转角跟随驾驶舵转动。在方块图中，我们看到：输出量直接反馈到输入端，这种系统称为单位反馈系统或直接反馈控制系统。一般随动系统常具有这种形式。,2019年11月24日星期日,20,四、按数学模型分为两类：线性和非线性控制系统。,自动控制系统的种类,五、按控制作用和控制时间分：分为连续控制系统和离散控制系统,2019年11月24日星期日,21,第三节自动控制系统的研究内容和对系统的基本要求,2019年11月24日星期日,22,研究内容有二：一为系统分析，二为系统的设计（包括系统综合）,系统设计：寻求一个能完成一定控制任务，满足一定控制要求的控制系统。,系统综合：控制系统设计好后，即控制系统的主要元件和结构确定后，为了满足系统的性能指标，需要改变控制系统的某些参数或结构或附加某种装置。这个过程称为系统的校正或系统的综合。,系统分析：已知系统的结构和参数，研究它在某种典型输入信号作用下，被控量变化的全过程。从这个变化过程得出其性能指标，并讨论性能指标和系统的结构、参数的关系。,自动控制系统的研究内容和对系统的基本要求,2019年11月24日星期日,23,对控制系统的基本要求：稳：要求系统稳定；准；