第一章自动控制系统的基本概念ppt课件

自动控制原理 讲授程曼 一 课程简介 自动控制原理是电气类专业的一门重要的专业技术基础课 该课程主要讲授经典控制理论的三大分析方法 时域分析法 根轨迹分析法和频域分析法 自动控制系统综合与校正的一般方法和非线性系统等内容 通过对本课程的学习 要求学生系统地掌握自动控制的基本原理和基本方法 并能对控制系统进行定性分析 定量计算和综合设计 二 课程体系设置 一 结构体系 理清 三纵三横 这里讲的 三纵 指系统在三域 时域 复域 频域 中的数学模型 三横 指系统特性 稳定性 稳态特性 动态特性 的三分析 1 三纵 结合系统的数学模型 讲清工程上实际求解与数学上理论计算之间的内在联系与区别 具体地说 就是要搞清楚几种数学模型之间的相互关系 2 三横 掌握系统分析的三要素 稳定性 静态特性和动态特性 性能指标是衡量一个系统好坏的重要标志 也是对系统进行校正的主要依据 抓住这条线 就是抓住了系统分析改造的关键 有利于学生建立一个 横向 的思路 二 内容体系 三 课程内容 共48学时 第一章自动控制系统的基本概念学时数 4第二章线性连续系统的数学模型学时数 第三章控制系统的时域分析法学时数 10第四章控制系统的根轨迹分析法学时数 第五章控制系统的频率特性分析法学时数 1 第六章频率校正方法学时数 3第七章非线性系统分析学时数 3总复习及小测验学时数 专业的培养目标 对高级工程技术人才的要求 如何学习才能成为人才 该课程的学习方法与要求 四 课程的学习目的 方法与要求 一 专业的培养目标 明确学习目的 电气工程及其自动化专业培养具有创新意识和创新能力 综合素质高 适应能力强的 能够从事与电气工程有关的系统运行 自动控制 电力电子技术 信息处理 试验分析 研制开发 经济管理以及电子与计算机技术应用等领域工作的宽口径 复合型 高级工程技术人才 工程技术人员 包括其他技术家 和科学家的职责不同 科学家的任务是如何认识 因而他可以选择自己感兴趣的研究课题 工程师的任务是如何实现 所以他必须解决面临的实际问题 工程问题受到多方面因素的制约 工程师必须在多种可能方案中做出选择 谋求最可靠 最经济 最实用的解决方法 工程技术人员的任务 将来我们做什么 二 对工程技术人才的要求 合格人才是什么样的 一个工程师接受任务的时候总会问自己这样的问题 会不会做 是否在科学技术上掌握了必须的知识和技能 能够解决工程上的难题 可不可以做 是否在政策法规和社会公德允许的条件下的工程 该不该做 是否拥有了良好的生态可行性和工程持续性 并且能在人 才 物和时空约束条件下经济合理地完成任务 如何去做 拿出切实可行的解决方案 三 如何学习才能成为人才 第一境界 总结知识的能力 自我学习的能力 综合知识的能力 第二境界 发现问题的能力 解决问题的能力 第三境界 创造思维的能力 课程重要性 自动控制原理 是工科的技术基础课 该课程与其它课程的关系 承上启下的课程 四 该课程的学习方法与要求 了解课程特点明确学习方法与要求 自动控制是一门技术学科 从方法论的角度来研究系统的建立 分析与设计 研究控制系统的共性问题 提供了研究思想与研究方法 课程特点及性质 自动控制技术是应用非常广泛的技术 本课程学习方法 打好基础 复习学过的基础课 认真听课 掌握基本理论和基本方法 做好习题 锻炼解决实际问题的能力 本课程学习要求学会分析 解决工程问题的基本思路和方法 五 教学方法 突出教学中的重点与难点问题 采用启发与讨论的方式 多列举实际工程中的应用示例 力求理论联系实际 采用传统与现代教学手段相结合 将实际控制系统与控制原理相结合 把抽象的系统动态过程与系统结构 参数关系形象化 以便于学生理解 加强实践教学环节 在加深对理论知识理解的基础上 提高学生动手解决问题的能力 五 选用教材 自动控制原理 第二版 孙炳达主编机械工业出版社出版该书基本概念清楚 数学推导严谨 理论系统性强 例题具有代表性 图解说明性强 习题丰富 文字简洁 几点要求 其它 关于出勤 课堂纪律 关于作业 第一章自动控制系统的基本概念 1 1引言1 2自动控制的基本方式1 3自动控制系统的组成1 4自动控制系统的分类1 5对控制系统的基本要求1 6自动控制系统的发展简史 一 自动控制的基本概念 现代科学技术中的自动控制技术得到了广泛的应用 航天器 工业控制 机器人 家用电器 自动控制的特征 通过对各类机器 各种物理参量 工业生产过程等的控制直接造福于社会 自动控制 在无人直接参与下 利用控制装置操纵受控对象 使受控对象的被控量按给定信号变化规律去变化 自动控制示意图 控制器 给定值 被控量 自动控制系统 控制装置 受控对象 机器 设备 生产过程等 控制器 检测元件等 分析和设计自动控制系统的性能 自动控制原理的主要任务 下面通过一些实例来说明自动控制和自动控制系统的基本概念 1 1引言 例水温人工控制系统 受控对象 水箱 热传导器件 系统的构成 被控制量 水温 阀门 显示仪表 蒸汽 排水 冷水 热水 工作过程 蒸汽通过热传导器件把热量传递给水 水的温度与蒸汽的流量成正比 手动调节阀门的开度 从而调节蒸汽的流量 来控制水的温度 但人工难以实现稳定的高质量控制 例水温自动控制系统 系统中增加了 控制器 电机 加入给定信号 工作原理 检测实际温度 产生控制信号 通过电机调节阀门的开度 从而调节蒸汽流入 控制水的温度 实现没有人直接参入的自动水温控制 为了方便地分析系统性能 一般用框图来表示系统的结构 水温自动控制系统可用框图表示为 要使自动控制系统满足工程实际的需要 必须研究自动控制系统的结构参数与系统性能之间的关系 实际温度 偏差 反馈量 预期温度 例 人工控制与自动控制 水箱水位控制问题 人工控制 人工控制过程归纳 用眼观察水位 目测出实际水位高度并反馈到大脑中 测量过程 在脑中与要求水位进行比较 得出偏差大小 决定手的操作动作 决策过程 手执行大脑决定的动作 打开或关闭阀门 执行过程 传感器代替眼看测量出实际水位高度并反馈到控制器 在控制器中将实际水位与设定水位进行比较得出偏差值 对偏差信号进行放大送到执行器 执行器执行开关阀门动作 自动控制 共同特点 通过检测被控量 得到与给定值的偏差 并去纠正偏差 进而减小偏差 在人工控制中偏差是通过人眼观测后 由人脑判断 决策得出的 在自动控制系统中偏差则是通过反馈 由控制器进行比较 计算产生的 自动控制过程归纳 杆杠长度 例液位自动控制系统 h 水箱 杆杠 浮球 阀门 进水 系统组成 出水 被控制量 水位高度 工作原理 调节杠杆长度L 通过杠杆机构调节阀门的开度 从而调节进水量以控制液位的高度 L 系统的结构框图如图所示 分析控制系统的工作原理 分析人要做这个事情的思路 分析控制系统的结构 设计与组成系统 分析控制系统的性能指标 是否能够完成任务 自动控制理论 研究和分析控制系统共性的理论 自动控制就是利用控制装置代替人去自动地完成人要完成的事情 1 开环控制 有顺向作用而无反向联系 自动控制系统从控制的基本方式看 可分为开环控制 闭环控制和复合控制 开环控制 控制装置与受控对象之间只 1 2自动控制的基本方式 例转台速度开环控制系统 这种转台在CD机 计算机磁盘驱动器等现代装置中广泛应用 转台 电机 电源和放大装置 速度设置 系统组成 由图可见 被控制量速度没有反馈到输入端与给定信号比较 为开环控制系统 预期速度 实际转速 系统结构和控制过程均很简单 但抗扰能力差 控制精度不高 故一般只能用于对控制性能要求较低的场合 转台速度开环控制系统结构图 开环控制的特点 2 闭环控制 有顺向作用 而且还有反向联系 闭环控制 闭环控制又称为反馈控制或偏差控制 控制装置与受控对象之间 不但 例转台速度闭环控制系统 实现对速度的闭环控制 测速发电机是一种传感器 测出电动机的速度与给定信号比较产生偏差电压 当实际速度受扰动的影响发生变化时 通过系统的调节 从而消除扰动对速度的影响 转台速度闭环控制系统结构图 放大装置 例位置随动系统 环型电位器 电机 电源 齿轮 系统组成 负载 给定转角 r 输出转角 c 工作过程 r c Ud 0 Ud r c Ud 0 电动机带动齿轮转动 系统闭环调节 电动机静止 位置随动系统结构图 例转速负反馈直流电动机调速系统 直流电机 测速发电机 电源和放大装置 负载 系统组成 Un Uf 给定电压 反馈电压 e Un Uf 转速取决于给定电压与反馈电压的差值 调速系统结构图 由电网电压波动 负载变化以及其他部分的参数变化所引起的转速变化 都可以通过系统的自动调整加以抑制 n Uf e Ud n 减小或消除由于扰动所形成的偏差值 具有较高的控制精度和较强的抗扰能力 闭环控制系统具有的特点 应用 多用于系统结构参数稳定和干扰较小的场合 如 自动化流水线 自动洗衣机 应用 对系统有精度要求时广泛采用反馈控制是最基本的闭环控制方式 uf 三 复合控制 1 按输入信号补偿的复合控制 no ug 应用 提高系统跟踪输入信号的能力和精度 2 按干扰作用补偿的复合控制 输出量 检测出干扰量 通过补偿装置对输入信号进行补偿以抵消干扰对系统输出量的影响 应用 增强系统的抗干扰能力 1 3自动控制系统的组成 要求实现自动控制的设备或过程 被控设备或过程中需要控制的参数即被控参数 测量被控参数的传感器与测量电路 它将系统的实际输出反馈到输入端 设定与系统输出希望值相对应的输入指令 改善系统性能的环节 因为串联在系统的输入端 又称串联校正 将微小的偏差信号进行放大 使之达到控制执行机构的能量要求 执行控制任务 驱动被控对象的动力设备 改善局部环节性能的装置 用反馈的方法调整局部信号达到校正的目的 所以称反馈校正 或并联校正 典型闭环系统结构框图 典型闭环系统结构框图 1 4自动控制系统的分类 按系统结构分 开环 闭环控制系统 按输入量形式分 恒值 随动控制系统 按信号传递形式分 连续 离散控制系统 按系统是否满足叠加性分 线性 非线性控制系统 按系统执行装置分 机电 液压 气压控制系统等 可以从不同角度对控制系统进行分类 系统输入量为常值 要求被控量也等于常值 系统的基本任务是当出现扰动时 使系统的输出量保持为恒定的期望值 工业产生中的温度 压力 流量 液面等参数的控制电力系统的电网电压 频率控制等 2 程序控制系统 系统输入量按预定规律变化 系统的控制过程按预定的程序进行 数控机床按预定程序自动地切削工件 石油化学工业中的反应塔 一 按输入量的特征1 恒值控制系统 系统输入量随时间任意变化 系统输出量常是机械位移 速度 加速度 力 力矩等机械量 系统的基本任务是使系统输出量能快速 准确地跟随输入量变化 机械加工中的仿形机床 武器装备中的火炮自动瞄准系统 雷达跟踪系统 导弹目标自动跟踪系统 3 伺服系统又称随动系统 系统的给定值为一定值 而控制任务就是克服扰动 使被控量保持恒值 例如 电机速度控制 恒温 恒压 水位控制系统等 1 恒值控制系统 2 随动系统 系统给定值按照事先不知道的时间函数变化 并要求被控量跟随给定值变化 如 火炮自动跟踪系统 轮舵位置控制系统等 3 程序控制系统 系统的给定值按照一定的时间函数变化 并要求被控量随之变化 例如 数控伺服系统 自动化生产线 二 连续控制系统和离散控制系统 控制系统中各部分的信号若都是时间t的连续函数 则称这类系统为连续控制系统 在控制系统各部分的信号中只要有一个是时间t的离散信号 则称这种系统为离散控制系统 脉冲和数码都属于离散信号 计算机控制系统就是一种常见的离散控制系统 计算机只能接受和处理数字信号 计算机的输出经D A转换加给放大器 然后再去驱动执行元件 或由计算机直接输出数字信号 经数字放大器后驱动数字式执行元件 三 线性控制系统和非线性控制系统 用非线性方程描述的系统 称为非线性系统 如果微分方程或差分方程的系数为常数 则称为线性定常数系统 否则 称为线性时变系统 可用线性微分方程或差分方程描述的系统 称为线性系统 1 5对控制系统的基本要求 控制系统应用于不同场合 对它有不同的性能要求 但从控制工程的角度来看 却有一些共同的标准 常见的评价系统优劣的性能指标基本有三个方面 稳 快 准 二 快速性 一 稳定性 三 准确性 系统受外作用力后 其动态过程的振荡倾向和系统恢复平衡的能力 一 稳定性 稳定性 如果系统受外作用力经过一段时间 其被控量达到某一稳定状态 则系统是稳定的 否则为不稳定的 稳定系统的动态过程 1 r t c t 不稳定系统的动态过程 a 给定信号作用 c t b 扰动信号作用 r t c t d t 不稳定的系统是无法正常工作的 一种过渡过程是收敛的 即过渡过程结束后 系统又趋于平衡状态 这类系统称为稳定的 另一种过渡过程是发散的 这类系统称为不稳定的 等幅振荡也被认为是不稳定的 显然 系统稳定是保证系统能正常工作的首要条件 通过动态过程时间长短表征 时间越短 表明快速性越好 反之亦然 二 快速性 r t c1 t c2 t 快速性表明了系统输出对输入响应的快慢程度 由输入给定值与输出响应的终值之间的差值ess大小表征 三 准确性 r t c t ess 过渡过程结束后 输出量的期望值与实际值之差 数控机床的加工误差小于0 02mm 一般恒速 恒温控制系统的稳态误差都在给定值的1 以内 同一个系统 稳 快 准是相互制约的 提高快速性 可能会引起系统强烈振动 改善了平稳性 控制过程又可能很迟缓 甚至精度也会变差 分析和解决这些矛盾 将是本学科讨论的重要内容 1 6自动控制系统的发展简史 经典控制理论 19世纪初 时域法 复域法 根轨迹 频域法 现代控制理论 20世纪50年代 线性控制最优控制最佳估计系统识别 自适应控制鲁棒控制容错控制集散控制大系统复杂系统 智能控制理论 20世纪70年代 专家控制模糊控制神经网络遗传算法 1400 1900工业机器时代亚历山大的希罗发明开闭庙门和分发圣水等自动装置 100年 中国张衡发明水运浑象 研制出自动测量地震的候风地动仪 132年 自动控制的发展简史 中国马钧研制出用齿轮传动的自动指示方向的指南车 235年 中国明代宋应星所著 工开物 记载有程序控制思想的提花织机结构图 1637年 英国J Watt用离心式调速器控制蒸汽机的速度 1788年 钱学森的 工程控制论 EngineeringCybernetics 1954 美国MIT研制出第一台数控机床 1952 美国研制出第一台工业机器人样机 1954 计算机集成制造的概念 1969 由加工中心和工业机器人组成的柔性制造单元 1976 中国批准863高技术计划 包括自动化领域的计算机集成制造系统和智能机器人两个主题 1986 世界第一颗人造地球卫星由苏联发射成功 1957 苏联东方 号飞船载着加加林进入人造地球卫星轨道 人类宇航时代开始了 1961 苏联发射 月球 9号探测器 成功 1966 三年后 1969 美国 阿波罗 11号把宇航员送上月球 火箭部分 2077个传感器 阿波罗10 1969年5月18日 飞船部分 1218个传感器 对3295个测量参数进行检测 阿波罗11 1969 7 16 24 阿波罗10 阿波罗11 勇气号 火星车留下的轮辙的照片 勇气号 拍摄的火星玄武岩的照片2003年6月10日 机遇号 拍摄的火星沙丘2003年6月25日 2004年1月3日和24日分别登上火星 第一台火星探测器在火星表面软着陆 1996 工业