自动控制原理第1章__绪论ppt课件.ppt

关于课程的相关背景内容,1、英文课名：PrincipleofAutomaticControl2、学时：60学时（实验10学时）3、学分：4学分4、课程性质：必修专业基础课5、与相关课程的关系：先修课程：高等数学、电路原理、模拟电子技术、电机及拖动基础后续课程：直流调速、交流调速、毕业设计6、开课目的与任务：（1）掌握自动控制系统的基本概念和分析、综合系统的方法；（2）具有初步分析和解决自动控制方面相关问题的能力；（3）为后续专业课的学习及毕业设计、报考研究生打下基础。7、课程重点、难点、手段和方法重点：从系统获得传递函数、动态结构图，会用时域法、根轨迹法和频率法分析线性系统。掌握校正装置的设计方法，会用描述函数法、相平面法分析非线性系统。掌握离散系统基本概念和基本理论。难点：开环频率特性的绘制；奈氏判据及对数稳定判据判断系统的稳定性；校正装置设计；相平面法分析非线性系统。方法及手段：以CAI教学为主，通过一定数量的习题、实验，深入掌握本课程的基本概念、基本理论和方法。,1,1、内容较多，讲课速度快。2、针对主要内容，多结合例题、习题讲解。3、涉及高等数学的内容较多，希望对相关知识做好复习工作。4、扩展了一些教材之外的内容，希望同学做好笔记。5、重要的知识点更细致些，重要的内容结合例题详解。6、讲课过程中，可以多渗透一些将来考试的内容。7、有些过程需要详细了解的，手写其过程。8、自觉维护课堂秩序。,关于课堂教学的几点问题,2,最终成绩平时(10分)实验(10分)考试(80分)平时考勤作业课堂测验考试100分8080分,关于课程成绩,1、胥布工主编.自动控制原理.电子工业出版社,2011.12、胡寿松编.自动控制原理(第4版).国防工业出版社，2006.63、白文峰编.自动控制原理.吉林科学技术出版社，2003.84、于希宁、刘红军编.自动控制原理.中国电力出版社，2007.65、张爱民编.自动控制理论重点难点及典型题解析.西安交通大学出版社，2006.86、胡寿松，沈程智编.自动控制原理习题集.国防工业出版社,1990,参考书,3,1、打好基础,高等数学（微积分）、积分变换（拉氏变换）,2、做好预习,3、听好课,讲课的速度较快、了解课程内容,掌握基本理论和基本方法,4、做好习题,应用学到的基本理论和基本方法解决实际问题,本课程学习方法,4,第1章绪论,自动控制理论是自动化学科的重要理论基础，专门研究有关自动控制系统中基本概念、基本原理和基本方法。本章介绍开环控制和闭环控制，控制系统的基本原理和组成，控制系统的类型，以及对控制系统的基本要求。,内容提要,开环控制，闭环控制，控制装置，被控对象，稳定性，稳态误差，动态特性。,知识要点,5,1.1引言,1.1.1相关术语,1、自动控制：在人不直接参与的情况下，利用自动控制装置使工作机械或生产过程自动地按预定规律运行，或使被控量（工作机械或生产过程的某个物理参数）按预定的要求变化。举例：炉温控制系统，数控机床。2、自动控制系统：能够对被控对象的工作状态进行自动控制的系统。一般由控制器和被控对象组成。3、控制系统分类：1）开环控制系统2）闭环控制系统3）复合控制系统,6,1.1.2控制系统的发展史,三千年前发明了“铜壶滴漏”装置;公元前2世纪发明了用来模拟天体运动和研究天体运动规律的“浑天仪”;两千一百年前研制出指南车;公元132年产生了世界上第一架自动测量地震的“地动仪”;公元3世纪发明了自动记录里数的“记里鼓车”。,7,8,开始多用于工业：压力、温度、流量、位移、湿度、粘度自动控制;后来进入军事领域：飞机自动驾驶、火炮自动跟踪、导弹、卫星、宇宙飞船自动控制;目前渗透到更多领域：大系统、交通管理、图书管理等;生物学系统：生物控制论、波斯顿假肢、人造器官;经济系统：模拟经济管理过程、经济控制论,自动控制成为一门学科是从1945发展起来的。,9,1.胚胎萌芽期（1945年以前）十八世纪以后，蒸汽机的使用提出了调速稳定等问题1765年俄国人波尔祖诺夫发明了锅炉水位调节器1784年英国人瓦特发明了调速器，蒸汽机离心式调速器1877年产生了古氏判据和劳斯稳定判据十九世纪前半叶，动力使用了发电机、电动机促进了水利、水电站的遥控和程控的发展以及电压、电流的自动调节技术的发展十九世纪末，二十世纪初，使用内燃机促进了飞机、汽车、船舶、机器制造业和石油工业的发展，产生了伺服控制和过程控制二十世纪初第二次世界大战，军事工业发展很快飞机、雷达、火炮上的伺服机构，总结了自动调节技术及反馈放大器技术，搭起了经典控制理论的架子，但还没有形成学科。,四个阶段:,瓦特改良的蒸汽机,10,2.经典控制理论时期（20世纪4060年代）,1945年美国人波德(Bode)写了“网络分析和反馈放大器设计”一文,奠定了经典控制理论基础,在西方国家开始形成了自动控制学科;1947年美国出版了第一本自动控制教材“伺服机件原理”;1948年美国麻省理工学院出版了另一本“伺服机件原理”教材,建立了现在广泛使用的频率法。20世纪50年代是经典控制理论发展和成熟的时期。主要内容为频率法(拉氏变换及Z变换)、根轨迹法、相平面法、描述函数法、稳定性的代数判据和几何判据、校正网络等,这些理论基本解决了单输入-单输出自动控制系统的有关问题。,11,3.现代控制理论时期（50年代末-60年代初）,空间技术的发展迫切要求对多输入/多输出、高精度、参数时变系统进行分析与设计,这是经典控制理论无法有效解决的问题,于是出现了新的自动控制理论,称为“现代控制理论”。1960年卡尔曼(Kalman)发表了“控制系统的一般理论”,1961年又与Bush发表了“线性过滤和预测问题的新结果”。西方国家公认卡尔曼奠定了现代控制理论的基础。他的主要工作是引进了“校正”的概念。现代控制理论的主要内容为:状态空间法、系统辨识、最佳估计、最优控制和自适应控制。,12,4.大系统和智能控制理论时期（20世纪70年代后）,这一理论是控制理论向广度和深度发展的结果。大系统是指规模庞大、结构复杂、变量众多的信息与控制系统,它涉及生产过程、交通运输、计划管理、环境保护、空间技术等多方面的控制和信息处理问题。智能控制系统是具有某些仿人智能的工程控制与信息处理系统,其中最典型的例子就是智能机器人。,13,1.1.3自动控制要解决的基本问题,自动控制是使一个或一些被控制的物理量按照另一个物理量即控制量的变化而变化或保持恒定，一般地说如何使控制量按照给定量的变化规律变化，就是一个控制系统要解决的基本问题。,14,1.1.4自动控制技术的作用,1.自动控制技术的应用不仅使生产过程实现了自动化，极大地提高了劳动生产率，而且减轻了人的劳动强度。,2.自动控制使工作具有高度的准确性，大大地提高了武器的命中率和战斗力，例如火炮自动跟踪系统必须采用计算机控制才能打下高速高空飞行的飞机。,3.某些人们不能直接参与工作的场合就更离不开自动控制技术了，例如原子能的生产、火炮或导弹的制导等等。,1.1.5自动控制技术的典型应用,15,16,17,18,19,20,21,1.2自动控制的基本原理,自动控制系统：把被控对象与控制装置按照一定的方式连接起来，组成的一个有机整体称为自动控制系统。,自动控制：在没有人直接参与的情况下，利用控制装置，使被控对象（机器设备或生产过程）的某个参数（被控量）自动地按照预定规律来运行。,22,人工控制：人工控制是人工操作实现：测量、求误差、控制、再测量、再求误差、再控制的循环过程。,1)操作员将期望的液位值(即水位高度)记在大脑中；2)操作员用眼读取实际液位值；3)操作员将液位期望值与实际值比较得出偏差值；4)操作员根据偏差的大小和性质（正负性），决定如何通过用手打开或关闭阀门的方式来调节经过阀门的水量大小，达到维持液位恒定的控制目标。,1.2.1人工控制与自动控制,1.人工控制,23,自动控制：没有人直接参与，利用自动控制装置，使工作机械或生产过程自动地按照预定规律运行或使某些物理量按预定要求变化。,24,自动控制与人工控制的工作原理十分相似,自动控制装置与人的器官对应的、能完成相应功能的元件有：给定元件：能根据液位期望值来调节连杆长度的环节代替人的大脑记下液位期望值；测量元件：浮子作为传感器代替人的眼睛测取实际液位值；比较元件：浮子和连杆组合代替人的大脑计算出液位偏差值；校正元件：杠杆机构代替人的大脑对偏差的大小和性质作出判断（作为决策机构作出如何校正的决定）；执行元件：带动进水阀代替人手打开或关闭阀门调节经过阀门的水量大小。由此可见，组成自动控制装置的元件一般应包括：给定元件，测量元件，比较元件，校正元件和执行元件，而上述液位自动控制系统就是由这些元件和被控对象（水池）组成的有机整体。,25,一.开环控制在自动控制系统中，信号由输入端到输出端的传递是单向的，没有形成一个闭环系统，这种控制形式称为开环控制。,1.2.2开环控制与闭环控制,26,例：开环调速系统,电位器：产生电压可控硅整流电路：产生直流输出电压电动机：带动负载执行机构励磁绕组：提供励磁电流,1）该系统中被控量，输入量，对象执行机构等。2）工作过程。3）扰动量：对系统输出量产生相反作用的量。该系统扰动量：TL；电流波动；元件参数变化,1、系统组成及各环节作用,2、工作原理：,27,3、系统框图,输出量：控制系统的被控量电机转速n输入量：影响系统输出的外界输入给定电压Ug（给定输入、扰动输入）控制装置：可控硅整流电路被控对象：电动机,4、开环控制系统的特点,1）系统输出量对控制作用无影响2）无反馈环节3)出现干扰靠人工消除4）无法实现高精度控制,28,二.闭环控制,在自动控制系统中，信号由输入端到输出端的传递方向既有顺向作用，又有反向作用的控制过程。,29,例：闭环调速系统,测速发电机（TG）将机械能（n）转换成电能（Uf）。,1）系统组成及各环节作用,2）工作原理：,闭环调速过程：,TLnUfUkn,TLnUfUkn,3）系统框图,30,1、闭环系统的基本组成。,1)控制对象：进行控制的设备或过程。（工作机械）2)执行机构：执行机构直接作用与控制对象。（电动机）3)检测装置：用来检测被控量。（TG）4)中间环节：一般指放大元件。（放大器，整流电路）5)给定环节：设定被控量的给定值。（电位器）6)比较环节：将所测的被控量与给定量比较，确定两者偏差量。,31,2、闭环控制系统的方框图,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。,相关说明：,反馈：输出量送回至输入端并与输入信号比较的过程。负反馈：反馈的信号是与输入信号相减而使偏差越来越小。,32,3、闭环控制系统的特点,1)系统输出量对控制作用有直接影响。2）有反馈环节，并应用反馈减小误差。3）当出现干扰时，可以自动减弱其影响。4）系统可能工作不稳定。,33,1.2.3开环控制与反馈控制的比较,开环优点:结构简单，成本低廉，工作稳定，当输入信号和扰动能预先知道时，控制效果较好。,缺点：不能自动修正被控制量的偏离，系统的元件参数变化以及外来的未知扰动对控制精度影响较大。,闭环优点：具有自动修正被控制量出现偏离的能力，可以修正元件参数变化以及外界扰动引起的误差，控制精度高。,缺点：被控量可能出现振荡，甚至发散。,34,1.2.4自动控制系统的组成及术语,典型反馈控制系统的原理如图所示：,1、被控对象：它是控制系统所控制和操纵的对象，它接受控制量并输出被控制量。2、控制器：接收变换和放大后的偏差信号，转换为对被控对象进行操作的控制信号。,35,3、放大变换环节：将偏差信号变换为适合控制器执行的信号。它根据控制的形式、幅值及功率来放大变换。4、校正装置：为改善系统动态和静态特性而附加的装置。如果校正装置串联在系统的前向通道中，称为串联校正装置；如果校正装置接成反馈形式，称为并联校正装置，又称局部反馈校正。5、反馈环节：它用来测量被控量的实际值，并经过信号处理，转换为与被控制量有一定函数关系，且与输入信号同一物理量的信号。反馈环节一般也称为测量变送环节。6、给定环节：产生输入控制信号的装置。,36,(1)输入信号:泛指对系统的输出量有直接影响的外界输入信号,既包括控制信号又包括扰动信号。其中控制信号又称控制量、参考输入、或给定值。(2)输出信号(输出量):是指反馈控制系统中被控制的物理量,它与输入信号之间有一定的函数关系。(3)反馈信号:将系统(或环节)的输出信号经变换、处理送到系统(或环节)的输入端的信号,称为反馈信号。若此信号是从系统输出端取出送入系统输入端,这种反馈信号称主反馈信号。而其它称为局部反馈信号。,控制系统中常用的名词术语：,37,(4)偏差信号:控制输入信号与主反馈信号之差。(5)误差信号:它指系统输出量的实际值与希望值之差。系统希望值是理想化系统的输出，实际上并不存在,它只能用与控制输入信号具有一定比例关系的信号来表示。在单位反馈情况下,希望值就是系统的输入信号,误差信号等于偏差信号。(6)扰动信号:除控制信号以外,对系统的输出有影响的信号。,38,1.3自动控制系统的类型,2、按数学描述形式,1）线性系统：用线性微分方程描述，满足叠加性和齐次性。,当系统输入为时，系统输出为，系统总的输出为,叠加性,当输入为，,则输出,齐次性,组成线性控制系统的元件都具有线性特性;线性系统的输入/输出关系一般可以用微分方程、差分方程或传递函数等来描述,也可以用状态空间表达式来表示;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、按信号流向,开环控制、闭环控制及复合控制。,39,2）非线性系统：在控制系统中,若至少有一个元件具有非线性特性,则称该系统为非线性控制系统。非线性系统一般不具有齐次性,也不适用叠加原理;它的输出响应和稳定性与输入信号和初始状态有很大关系;非线性系统也有时变系统和定常系统之分。,严格地讲,绝对线性的控制系统(或元件)是不存在的,因为所用的物理系统和元件在不同程度上都具有非线性特性。但为了简化对系统的分析和设计,在一定的条件下,可以用分析线性系统的理论和方法对它进行研究。,40,3、按输入信号变化规律,1）恒值控制系统：给定值不变的系统。恒值控制系统的输入信号是定值,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、发电厂的电压频率控制系统、高精度稳压电源装置中的电压控制系统等都是典型的定值控制系统。,41,2）随动（伺服）控制系统：给定值按未知时间函数变化，要求输出跟随给定值的变化。随动系统的输入信号是变化规律未知的任意时间函数,系统的任务是使被控变量按照同样规律变化并与输入信号的误差保持在规定的范围内。导弹发射架控制系统、雷达天线控制系统等都是典型的伺服控制系统。当被控量为位置或或其导数（角度）时,随动系统又称为伺服系统。,3）程序控制系统：系统按事先编制好的程序自动运行。程序控制系统中的输入信号是按已知的规律(事先规定的程序)变化的,要求被控变量也按相应的规律随输入信号变化,误差不超过规定值。热处理炉的温控系统、机床的数控加工系统和仿形控制系统等都是典型的程序控制系统。,42,4、按信号性质,1）连续系统：系统各部分的信号都是连续函数形式的模拟量。,2）离散系统：某一处或多处信号是以脉冲序列或数码的形式传递的系统。,5、按信号随时间变化的规律,1）定常（时不变）系统：系统的参数不随时间而变化。系统参数不随时间变化，因此在同样的起始状态下，系统的输出（响应）与输入信号作用于系统的时刻无关,2）时变系统：系统的参数随时间而变化。系统的参数随时间改变，因此系统的输出与输入信号作用于系统的时刻有关。,43,6、按输入/输出信号的数量,1）单输入/单输出（SISO）系统：系统的输入量与输出量各为一个。,2）多输入/多输出（MIMO）系统：系统的输入量与输出量多于一个。,其他的分类方法：集中参数系统和分布参数系统、确定性系统和不确定性系统、有静差和无静差系统等等。,44,1.4对反馈控制系统的基本要求,1.4.1应用举例,1-热电偶；2-电阻丝；3-电位器；4可控硅整流电路；5-可逆电动机；6-减速机；7-调压器；8-炉子,（一）炉温控制系统,45,1、工作原理：,系统分析：,受控对象-炉子；被控量-炉温；给定装置-电位器干扰-电源U，外界环境，加热物件；测量元件-热电偶；执行机构-可逆电动机,工作过程：静态、,动态,46,2、控制系统框图,47,（二）造纸机分部传动控制系统,含有大量水分的纸张经过第一压榨棍后，去掉了一部分含水量，然后再进入第二压榨棍，再榨去一部分水分。第一和第二压榨棍分别由各自的电动机拖动，显然两个压榨棍的转速必须协调，否则将会拉断纸页或出现叠堆。,自动控制系统中压榨棍拖动电动机M的转速由测速发电机TG检测出来，并转换为速度反馈电压Uf。参考电压Ur，与反馈电压Uf相比较得偏差电压Ur-Uf，经过放大去控制拖动电机的转速，达到两个压榨棍的转速协调。,48,（三）谷物湿度控制系统,谷物流量和水压均是变化不定的，为努力消除扰动的影响，可在上部加一水箱以保证供水压力不变，可以加一个送料漏斗以维持谷物流量基本不变。剩下就是谷物水分控制。首先测量输入谷物水分含量，构成顺馈控制部分，同时测量输出谷物水分含量，构成反馈部分，调节器将两个传感器来的信号与要求的湿度信号结合起来，给出正确水流量所必须的自动阀门整定值。,49,1.4.2几个基本概念,Y(t),t,0,1(t),Y(),Y(t),2,t,0,1、暂态(动态)：一个反馈系统，当扰动或给定量发生变化时，系统便由原来的平衡状态到新的平衡状态的过程。2、稳态(静态)：被控量相对稳定的状态叫稳态。3、稳态误差：系统达到稳定时，输出量的实际值与期望值之间的误差。,50,1.稳定性控制系统偏离平衡状态后,自动恢复到平衡状态的能力。稳定性是保证控制系统正常工作的先决条件,是控制系统的重要特性。所谓稳定性是在扰动信号的干扰、系统内部参数发生变化和环境条件改变的情况下,系统状态偏离了平衡状态。如果在随后所有时间内,系统的输出响应能够最终回到原先的平衡状态,则系统是稳定的;反之,如果系统的输出响应逐渐增加趋于无穷,或者进入振荡状态,则系统是不稳定的。不稳定的系统是不能工作的。,1.4.3控制系统的基本要求,51,2.准确性就是要求被控量和设定值之间的误差达到所要求的精度范围。准确性反映了系统的稳态精度,通常控制系统的稳态精度可以用稳态误差来表示。根据输入点的不同,一般可以分为给定输入稳态误差和扰动输入稳态误差。对于随动系统或其他有控制轨迹要求的系统,还应当考虑动态误差。误差越小,控制精度或准确性就越高。,52,3.快速和平稳性为了很好完成控制任务,控制系统不仅要稳定并具有较高的精度,还必须对过渡过程的形式和快慢提出要求,这个要求一般称为系统的动态性能。通常情况下