第一章自动控制概论

华北科技学院电子信息工程学院自动化教研室 自动控制原理 高等数学 积分变换 自动控制理论 现代控制理论 其它专业课程 1 是一门专业基础课 2 理论实践相结合 理论性非常强 但又和实际应用紧密结合 3 内容广泛 自动控制理论课程特点 学习自动控制理论的重要性 3 本课程能为解决实际控制问题提供理论和方法 1 本课程是自动化专业承上启下的课程 2 自动控制技术是应用非常广泛的技术 电机控制 自动化生产线 火炮雷达控制 家用电器 机械 冶金 石油 化工 电力电子 航空 航海 航天 核反应堆等 4 学分较多 本课程学习方法 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 第一章自动控制概论 1 1引言1 2自动控制系统的分类1 3对控制系统的基本要求 自动控制 1 1 1自动控制理论及应用 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 自动控制系统 指能够对被控对象的工作状态自动控制的系统 它由被控对象和控制装置组成 1 1引言 动画1 动画2 1 1 2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 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大系统复杂系统智能控制理论 20世纪70年代 专家系统模糊控制神经网络遗传算法 控制对象 测量元件 控制单元 一 举例 家用空调控制器控制系统 功能 房间温度控制在人体比较舒适的范围 对象 物理量 控制设备 系统组成 温度设定 比较单元 控制单元 执行机构 控制对象 测量元件 控制器 控制对象 反馈 比较 控制指令 家用空调系统框图的简化 控制系统的组成 被控对象控制系统测量元件比较元件控制装置放大元件执行机构校正装置给定元件 分类 运动控制系统过程控制系统 线性 非线性系统连续 离散性系统定常 时变性系统单输入单输出 多输入多输出系统集中参数 分布参数系统 按被控对象分 按使用的数学方法分 按输入信号特征分 按系统功用分 恒值系统随动系统程序控制系统 按控制方式分 按给定值操纵的开环控制按干扰补偿的开环控制按偏差调节的闭环控制复合控制 闭环反馈为主 开环补偿为辅 温度控制系统压力控制系统位置控制系统 1 2自动控制系统的分类 基本控制方式 1 开环控制2 闭环控制3 复合控制 1 2 1按控制方式分类 1 开环控制系统 动画 按给定开环控制 按干扰补偿开环控制 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 开环控制系统的特点 控制装置与受控对象之间只有正向作用 没有反向联系 控制精度取决于元器件的精度和系统调整精度 没有抑制内 外干扰的能力 系统结构简单 成本低 2 闭环控制系统 负反馈原理 将系统的输出信号引回输入端 与输入信号比较 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 例1炉温控制系统 炉温控制系统方框图 炉温控制系统方框图 电动机转速闭环控制系统 例函数记录仪 函数记录仪方框图 动画 闭控制系统的特点 既有正向作用 又有反馈作用控制精度与元件精度 控制方法 调整精度有关 控制精度较高 有抑制干扰的能力 结构复杂 成本相对较高 复合控制系统 对系统提出较高要求时使用开环控制和闭环控制的组合有两种形式 1 按输入作用补偿 2 按扰动作用补偿 电动机转速复合控制系统 按干扰作用补偿 按偏差作用补偿 热处理炉温度控制系统 b 方框图 a 原理图 复合控制系统典型方框图 控制系统的组成 1 2 2按输入信号特征分类 1 恒值控制系统特征 输入信号为常数典型系统 液位 温度 压力 流量控制2 随动控制系统特征 输入信号未知的随时间变化任意函数典型系统 鱼雷飞行 炮瞄雷达 火炮自动瞄准 导弹制导 3 程序控制系统特征 输入信号为预知的随时间变化函数典型系统 热处理炉控制系统 程序控制机床 灌装生产线 自动生产流水线 1 2 3按使用的数学方法分类 连续系统 离散系统连续系统系统传递的信号为时间的连续函数 用微分方程描述 离散系统信号传递中至少有一处信号是脉冲序列或数字编码 用差分方程描述 线性系统 非线性系统 线性系统用线性微分方程或差分方程描述 满足叠加原理 叠加原理包括叠加性和齐次性 非线性系统用非线性微分方程或差分方程描述 特点是 方程中含有变量及其导数的高次幂或乘积项 不满足叠加原理 第七章介绍 例如 定常系统 时变系统定常系统 描述系统的数学方程中的系数为常数 定常系统结构和参数不随时间变化 时变系统 描述系统的数学方程中的系数随时间变化 单输入单输出系统输入输出信号变量仅有一个 多输入多输出系统输入输出信号变量多于一个 集中参数 和分布参数集中参数系统能用常微分方程描述的系统 分布参数系统至少有一个环节需要用偏微分方程描述的系统 单输入单输出 多输入多输出系统 1 3对自动控制系统的基本要求 1 稳 基本要求 要求系统稳定2 准 稳态要求 系统响应达到稳态时 输出跟踪精度要高3 快 动态要求 系统阶跃响应的过渡过程要平稳 快速 稳定性 系统受到干扰后偏离原来的工作状态 扰动消失后 能自动回到原工作状态 这样的系统是稳定的 反之 当干扰消除后 系统的输出趋于无穷或进入振荡状态 则称系统是不稳定的 稳定性是保证系统能正常工作的前提 动态性能 指系统过渡过程的快速性和振荡性 由于控制系统的惯性 系统的输出跟随输入的变化总有一定的延迟 这个时间越短 快速性越好 有些系统的阻尼比较小 所以系统从一个稳态进入另一个稳态时 要经过若干次衰减振荡 而且在振荡过程中会出现超调现象 一般控制系统对超调量是有限制的 稳态性能稳态性指系统的控制精度 系统由一个稳态过渡到另一个稳态时 希望系统的输出尽可能地接近给定值 但由于干扰或输入信号的不同 有些系统就会产生误差 系统的稳态性能用稳整误差