自动控制原理课件 中国水利水电出版社 第一章.ppt

机械与电子工程学院西北农林科技大学 自动控制原理 1 1引言 1 2自动控制理论发展概述 1 3自动控制系统的基本概念 1 4自动控制系统基本控制方式 1 5自动控制系统的基本组成 1 6自动控制系统示例 1 7自动控制系统分类 1 8自动控制系统的基本要求 引言 1 1 是研究关于自动控制系统组成 分析和设计的一般理论 是研究自动控制共同规律的科学技术 自动控制理论发展概述 1 2 图1 1离心调速器原理图 自动控制理论发展概述 1 2 经典控制理论 19世纪初 传递函数 第二章 时域法 第三章 复域法 根轨迹法 频域法 第五章 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 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 自动控制系统的基本概念 1 3 自动控制 是指在没有人直接参与的情况下 利用外加设备或装置 控制装置 使机器 设备或生产过程 被控对象 中的某一物理量 被控量 或多个物理量自动地按照期望的规律去运行或变化 被控对象 那些要求实现自动控制的机器 设备或生产过程 控制装置 对被控对象起控制作用的设备总体 图1 2水位人工调节原理图及方框图 自动控制系统的基本概念 1 3 自动控制系统的基本概念 1 3 图1 3水位自动调节原理图及方框图 方框 表示具有相应职能的元部件方框图信号线 表示信号传递方向中的符号比较点 表示对信号进行叠加引出点 被控量的引出位置负号 表示负反馈 自动控制系统的基本概念 1 3 图1 4 a 改进的水位自动控制原理图 自动控制系统的基本概念 1 3 图1 4 b 水位自动控制系统的方框图 自动控制系统的基本概念 1 3 自动控制系统基本控制方式 1 4 基本控制方式开环控制闭环控制复合控制 开环控制系统 不带反馈装置的控制系统 即不存在由输出端到输入端的反馈通路 闭环控制系统 输出量直接或间接地反馈到输入端 形成闭环参与控制的系统 复合控制系统 对主要的扰动采用适当的补偿装置实现按扰动原则控制 同时 组成闭环反馈控制实现按偏差原则控制 以消除其它扰动带来的偏差 自动控制系统基本控制方式 1 4 自动控制系统基本控制方式 1 4 图1 5开环控制系统示例 自动控制系统基本控制方式 1 4 图1 6闭环控制系统示例 自动控制系统基本控制方式 1 4 图1 7复合控制系统示例 自动控制系统的基本组成 1 5 被控对象控制系统给定元件比较元件控制装置放大元件执行机构校正装置测量元件 自动控制系统的基本组成 1 5 图1 8自动控制系统的基本构成 自动控制系统的基本组成 1 5 给定元件 产生给定的输入信号 如电位器等 比较元件 用来比较输入信号和反馈信号之间的偏差 如差动放大器等 放大元件 将控制信号进行放大 使其变换成能直接作用于执行机构的信号 如功率放大器等 执行元件 一般由传动装置和调节机构组成 直接作用于被控对象 使被控量发生变化 如阀门 伺服电机等 被控对象 控制系统所要控制的设备或生产过程 它的输出就是被控量 自动控制系统的基本组成 1 5 反馈元件 测量元件 对系统输出 被控量 进行测量 将它转换成为与给定量相同的物理量 一般是电量 如测速发电机等 扰动 除输入量外能使被控量偏离输入量所要求的值或规律的控制系统的内外的物理量 校正元件 补偿元件 结构和参数便于调整的元部件 用串联或反馈的方式连接在系统中 以改善系统性能 自动控制系统的基本组成 1 5 通路 信号沿箭头方向传递的路径 前向通路 信号从输入端沿箭头方向到达输出端 与其他信号相交不多于一次的通路 回路 通路的起点和终点是同一信号 与其他信号相交不多于一次的闭合路径 自动控制系统示例 1 6 图1 9炉温自动控制系统示例 自动控制系统示例 1 6 图1 10角度自动跟踪系统示例 自动控制系统示例 1 6 图1 11电压自动控制系统示例 自动控制系统分类 1 7 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 多变量系统 自动控制系统的基本要求 1 8 三个基本要求 稳定性 稳 系统处于平衡状态下 受到扰动作用后 系统恢复原有平衡状态的能力 给定输入变化 系统重新恢复平衡状态的能力 是控制系统能够正常工作的最基本要求 准确性 准 是在系统过渡过程结束后 衡量系统输出 被控量 达到的稳态值与系统输出期望值之间的接近程度 快速性 快 是系统在稳定的条件下 衡量系统过渡过程的形式和快慢 通常称为 系统动态性能 自动控制系统的基本要求 1 8 1稳定性一个实际系统处于一个平衡的状态时 当扰动作用 或给定值发生变化 时 输出量将偏离原来的稳定值 稳定系统 重新达到平衡状态 不稳定系统 不能重新达到平衡状态 线性系统的稳定性由系统本身的结构与参数所决定 与外部条件无关 自动控制系统的基本要求 1 8 a 输入为阶跃信号时的稳定系统 b 输入为阶跃信号时的不稳定系统 自动控制系统的基本要求 1 8 c 输入为干扰信号时的稳定系统 d 输入为干扰信号时的不稳定系统图1 12稳定系统和不稳定系统 自动控制系统的基本要求 1 8 2动态特性 快速性 快是对系统动态特性的要求 动态特性 暂态特性 表征系统从一个稳态过渡到另一个稳态经历的过渡过程的指标 由于控制对象的惯性有很大的不同 输出量的暂态过程也就不同 其表现有以下几种情况 单调过程衰减振荡过程持续振荡过程发散振荡过程 自动控制系统的基本要求 1 8 a 给定量突变时输出量的变化 b 负载突变时输出量的变化图1 13单调过程 自动控制系统的基本要求 1 8 a 给定量突变时输出量的变化 b 负载突变时输出量的变化图1 14衰减振荡过程 自动控制系统的基本要求 1 8 a 给定量突变时输出量的变化 b 负载突变时输出量的变化图1 15持续振荡过程 自动控制系统的基本要求 1 8 a 给定量突变时输出量的变化 b 负载突变时输出量的变化图1 16发散振荡过程 自动控制系统的基本要求 1 8 动态特性指标 描述系统在单位阶跃信号作用下的动态过程随时间的变化状态的指标 系统的动态特性指标通常有 延迟时间 上升时间 峰值时间 调节时间 超调量 振荡次数 对于单位阶跃信号 系统的动态响应如图1 17所示 自动控制系统的基本要求 1 8 图1 17系统对阶跃信号的动态响应曲线 自动控制系统的基本要求 1 8 延迟时间 响应曲线第一次到达其理论稳定值的一半所需的时间 上升时间 响应从开始上升到理论稳定值所需的时间 峰值时间 响应超过其稳态值到达第一个峰值所需的时间 调节时间 系统的输出量进入并保持在稳态输出值附近的允许误差带内 5 或 2 所需的时间 自动控制系统的基本要求 1 8 超调量 系统响应第一次到达的峰值超出稳态值的百分比 用公式表示为 振荡次数 在调节时间内 系统的输出量在稳态值附近上下波动的次数 自动控制系统的基本要求 1 8 3静态特性 准确性 准是对系统静态特性的要求 稳态误差 对于一个稳定系统 经过一个动态过渡