自动控制原理第1章绪论(史小平主讲课件).ppt

1 自动控制原理 上册 哈尔滨工业大学史小平2008年3月 2 第一章绪论 1 1自动控制原理的概念 1 1 1控制 控制 使某个 某些 量按一定的规律变化 3 控制问题涉及到社会 人文 经济 生态 科学和工程等各个方面 范围十分广泛 本课程主要研究各种物理量的控制 这些物理量包括运动学 电学 热学 声学等方面的量 例如 物体的位置 转角 线速度 角速度 线加速度 角加速度 力 力矩 电压 电流 温度 流量 湿度等 把上述其中一些量作为被控制量 使它 们 按照一定规律变化 这就是工程科学中所涉及的控制问题 4 控制问题举例 5 瓦特蒸汽机自动控制思想的萌芽 6 7 机械手有6个被控制量按照预定的规律变化 8 导弹与目标的相对距离是被控制量 最终必须趋向于零 9 神弓 防空系统 10 高射炮的俯仰角和方位角是两个被控制量 11 12 13 14 为了防止在退火过程中工件产生内应力 退火炉内的温度应该按照图示曲线的规律变化 退火炉的温度变化曲线 15 在这个例子中 炉内温度就是被控制量 当外界环境温度的改变对炉内温度产生干扰时 炉内温度仍然应该按照预定的规律变化 而不受干扰的影响 这就是自动控制的目的 16 从上述例子可见 控制 就是使 被控制量 按照一定的规律变化 规律包括3种情况 例子 生产线上的机械手 特点 重复性运动 又称 程序控制 17 例子 高射炮控制系统 特点 事先无法知道飞机做怎样的机动飞行 即事先不知道俯仰角及方位角的变化规律 在控制过程中 使被控制量按照实时给出的规律变化 又称 随机控制 18 特点 使被控制量保持某一定值 例子 潜水艇水下深度控制 恒温箱温度控制 又称 恒值控制 或 调节 19 1 1 2自动控制 自动控制 无人直接参与的情况下 由一套设备来完成控制作用 自动控制的元件和设备构成自动控制系统 优点 20 21 1 1 3自动控制原理 自动控制原理是一门讲述自动控制基础知识的技术基础课 它不是研究某一个或某一类被控制量的控制问题 而是研究自动控制系统的普遍性 一般性的问题 自动控制原理首先研究自动控制系统的组成和基本结构 然后建立各元件和控制系统的数学模型 在数学模型的基础上计算系统各个信号之间的作用和关系 分析自动控制系统能否满意地实现 22 自动控制的功能 研究怎样才能使自动控制系统达到更好的控制效果 所以 自动控制原理是一门理论性和工程意义都很强的课程 23 1 2自动控制系统 1 2 1开环控制系统 自动控制系统由一系列元部件构成 被控对象 被控制量所在的实际物体 执行元件 为了使被控制量产生变化 需要有一个装置对被控对象施加作用 这个装置叫做执行装置或执行元件 24 执行元件举例 25 放大器 执行元件的作用往往需要较大的能量 因此需要有一个放大器向执行元件提供能量 开环控制系统 26 开环控制系统的优点 开环控制系统的应用实例 27 开环控制系统的缺点 在干扰和元件性能改变的影响下 会产生误差 使得控制精度较低 举例 机床在切削过程中 加大吃刀量会使转速降低 上升或下降的气流会使飞机的飞行高度发生变化 强风和发射后座力会使高射炮的俯仰角和方位角变化 28 元件特性或参数发生变化时 会使开环系统的被控制量出现误差 如放大器的零点漂移会使执行元件产生误动作 导致被控制量出现误差 结论 开环控制系统的被控制量出现误差时 不具有自动纠正的能力 29 1 2 2闭环控制系统 为了纠正和消除被控制量可能出现的误差 需要做下列工作 30 闭环控制系统 31 由于在系统的输入端将参考输入信号和反馈信号相减 所以又称为闭环负反馈控制系统 闭环负反馈控制系统不仅可以使被控制量按照参考输入给定的规律变化 而且可以纠正由于干扰或元件参数变化所引起的误差 闭环负反馈控制系统具有精度高 抗干扰能力强等优点 但是 闭环负反馈控制系统可能出现不稳定现象 或者在某些方面不能满足设计者和使用者的要求 于是往往在闭环负反馈控制系统中增加串联校正环节和 或 局部反馈 以改善闭环负反馈系统的性能 32 带有校正环节的闭环控制系统 33 开环控制系统与闭环控制系统的比较 34 1 2 3闭环控制系统的组成 被控制对象 被控制量所在的实际物体 执行元件 对被控制对象施加作用 使被控制量产生变化的元件 又称为执行机构 放大元件 即放大器 对较小的信号进行放大 使其有足够的大小和能量 测量元件 对被控制量进行测量 并形成反馈信号 35 比较元件 对输入信号和反馈信号作相减运算的元件 校正元件 改善系统性能的元件 如串联校正元件 反馈校正元件 针对不同的被控制量和被控制对象 如何选择执行元件 测量元件 放大元件和校正环节的问题 正是自动控制原理课程所要解决的问题 36 1 2 4闭环控制系统中的信号 在闭环控制系统中 各个元部件之间的相互作用关系可以看作是信号的传递 闭环控制系统中的信号主要有 输出信号 控制系统的被控制量 一般记作 输入信号 控制系统的参考输入 被控制量应该按照输入信号的变化规律变化 一般记作 37 反馈信号 对被控制量的测量结果 由反馈信号形成反馈系统 偏差信号 输入信号与反馈信号的差 偏差信号可以反映出被控制量是否存在误差 一般记作 误差信号 输出信号与期望输出信号的差 误差信号反映了控制系统的质量 一般记作 干扰信号 使被控制量产生不应有变化的信号 干扰信号会导致被控制量出现误差 一般记作 38 其他信号 系统中其他元部件之间作用的信号 变量 39 1 3对控制系统的基本要求 为了使闭环控制系统能够正常工作 能够满足设计者和使用者的要求 必须对控制系统提出一些要求 这些要求有 1 稳定性 稳定性是保证控制系统能够正常工作的先决条件 40 41 2 快速性 要求被控制量由初始值变为另一希望值 某些控制系统可以快速响应 如下图中的曲线1 而某些控制系统则响应十分缓慢 如下图中的曲线3 显然 能够快速响应的系统性能更好 一般来说 我们总是要求控制系统具有很好的快速性 42 43 3 平稳性 当被控制量由初始值变为另一个希望值时 某些控制系统会出现超调现象 44 45 4 准确性 如果要求被控制量由初始值变为另一个希望值时 在变化过程结束后 被控制量能够达到希望值 说明该系统具有很好的准确性 如下图的曲线1所示 如果被控制量在变化过程结束后不能达到希望值 存在很大的误差 说明该系统的准确性很差 如下图的曲线2所示 46 47 以上四项对控制系统的要求可以归纳为 稳 快 平 准 四个字 其中 快速性和平稳性反映控制系统的动态品质 准确性反映反映控制系统的稳态精度 而稳定性则是控制系统能够正常工作的先决条件 48 自动控制原理 课程包括以下主要内容 构建闭环控制系统 在1 2节中介绍了闭环控制系统的组成和结构 按照这一介绍的方法 结合自动控制元件 电子技术 电机学 机械原理和机械零件等基础知识 就可以构建一个闭环控制系统 49 建立元件和控制系统的数学模型 为了计算闭环控制系统的各项性能指标 判断系统能否满足设计者和使用者的各项要求 首先要建立元件和控制系统的数学模型 这里要用到物理学 力学 电路 电子技术 电机学 机械学 数学等广泛的基础知识 50 控制系统的分析 在数学模型的基础上 计算闭环控制系统的各项性能指标 判断系统能否满足设计者和使用者的各项要求 在这部分内容中 首先研究用哪些性能指标能够反映出控制系统的品质好坏 然后研究怎样计算这些性能指标 51 控制系统的综合 经过对控制系统的分析 如果系统不能满足设计者和使用者的各