第一章 自动控制的一般概念ppt课件

.,自动控制原理AutomaticControlTheory,邢丽娟自动化工程学院,.,.,控制科学与工程,控制理论与控制工程,检测技术与自动化装置,模式识别与智能系统,系统工程,56+8学时，4学分。,.,目录,第一章自动控制的一般概念第二章控制系统的数学模型第三章线性系统的时域分析法第四章线性系统的根轨迹法第五章线性系统的频域分析法第六章线性系统的校正方法第七章线性离散系统的分析与校正第八章非线性控制系统分析第九章线性系统的状态空间分析与综合第十章动态系统的最优控制方法,.,第一章自动控制的一般概念1-1自动控制的基本原理与方式1-2自动控制系统示例1-3自动控制系统的分类1-4对自动控制系统的基本要求1-5自动控制系统的分析与设计工具,.,人工控制与自动控制,自行车速度控制汽车驾驶收音机音量调节,电冰箱发电机组的运行导弹飞行控制,1-1自动控制的基本原理与方式,无人直接参与机器、设备或生产过程的工作状态或参数自动实现某种规律运行,1.自动控制的含义,.,数控车床按照规定程序自动地切削工件；化学反应炉自动地维持温度或压力的恒定；导弹发射和制导系统自动地把导弹引向敌方目标；人造地球卫星准确地进入预定轨道并回收,自动控制的作用：提高劳动生产率，改善生活质量，探索未知世界,.,2.自动控制原理发展概况,.,人取书,3.反馈控制原理,.,控制系统的组成,流出量等于流入量,控制的方法,液位控制的要求,维持液位在预定的高度,影响液位的基本原因,流入管道的压力变化。负荷(流出量)的改变,高于预定高度，增大出口阀开度。反之，减小出口阀开度。,液位稳定的基本条件,构成控制系统的基本要素,被控对象、传感器（眼）、执行器（手与阀）、控制器（脑）,（被控对象与控制装置）,.,自动控制系统可看成是人工控制的模拟,.,方块称环节，系统最基本的环节是被控对象、传感器、控制器、执行器。它表示系统中各种信息间的变换或转换关系（是某种运算关系）。,带箭头有向线条代表环节间信息传递方向，流入环节为输入信号，流出环节为输出信号。不代表实际物料流动方向。,方框图(方框+箭头+求和圆+线条)：分析系统内各部分之间关系的图解法。,自动控制系统的结构方块图（会画）,.,电机（执行机构）,例1：电风扇的控制,信号的单向传递,.,例2：电加热炉的控制,.,信号双向传递,开环、闭环（取自前向，反到前向）,反馈是控制的精髓，知己知彼。（其他领域：管理、经济等）,.,方框图为：,龙门刨床速度控制系统,速度控制？,举例,.,电动机电机，是自动控制系统中的常用部件。,负载波动转速变化控制速度？,.,有（静）差系统，无差系统（鱼雷）,.,只有负反馈控制系统才能完成自动控制的任务。负反馈控制系统最大的特点：检测偏差，纠正偏差按偏差控制,.,4.反馈控制系统的基本组成,基本概念:比较元件放大元件执行元件测量元件(测量输出量，把输出量纲转化成与输入量相同)校正元件(补偿元件，结构或参数便于调整，以改善系统性能)前向通路主反馈通路主回路内回路单位反馈给定信号扰动信号输入信号(给定,扰动)输出信号(被控量,与输入有一定函数关系)反馈信号(主反馈,局部反馈)偏差信号,.,.,5.基本控制方式反馈控制系统（闭环控制系统）开环控制系统（前馈控制）（按给定控制、按扰动控制）复合控制系统,.,.,.,.,按给定量控制的开环控制，控制精度取决于元件及校准的精度，无自动修正偏差的能力，抗扰动能力差。按扰动控制的开环控制用于扰动可测的场合，也称顺馈控制。开环控制和反馈控制方式各有优缺点,根据工程要求及具体情况来决定。事先预知输入量的变化规律,扰动很小,用开环控制。系统外部干扰无法预测,系统内部有扰动,为保证控制精度,用闭环控制。对系统的性能要求比较高,采用复合控制系统。,.,.,.,.,.,.,.,可以从不同的角度分类一.按控制方式:开环控制、闭环控制、复合控制二.按元件类型:电气、机械、液压、生物、经济等三.按输入输出变量数:SISO控制系统、MIMO控制系统,电加热炉,电站锅炉,单变量控制系统单入-单出SISO（SingleInputSingleOutput）例电加热炉温度控制系统,电流,温度,多变量控制系统多入-多出MIMO（Multiple-）例锅炉燃烧控制系统,燃料量,送风量,引风量,工质温度,工质压力,炉膛压力,.,四.按给定值(参据量)类型划分,（1）恒值控制系统给定值不随时间变化例恒温，恒压系统（稳定性和稳态误差）,（2）随动控制系统给定值按需求随机变化例雷达跟踪（快速性和准确性）,（3）程序控制系统给定值按条件（时间或流程）变化例电梯升降控制，退火炉的炉温控制（被控量迅速、准确地加以复现）,程序控制系统是已知的时间函数，和随动系统是未知的任意时间函数恒值控制系统也可视为程序控制系统的特例。,.,五.按数学模型性质划分,（1）线性系统和非线性系统非本质非线性线性化齐次性和叠加原理本质非线性（硬非线性）非线性理论（2）定常（时不变）系统和时变系统（3）连续时间系统和离散时间系统计算机控制系统时间离散差分方程（4）确定性控制系统和非确定性控制系统,本课程只讨论线性时不变、SISO控制系统,.,1-4对控制系统性能的基本要求一基本要求理想控制系统:输出变化（被控量）是对输入变化（给定量）的理想跟踪.实际系统:（惯性系统）作不到理想跟踪.(有响应过程，有控制偏差).,系统不同,要求相同：稳定性快速性准确性,.,稳定性,两层含义：不会产生自激振荡、有足够的稳定裕量。实用的控制系统必须是稳定的，否则系统不能正常运行，甚至造成系统损坏和事故。是保证控制系统正常工作的先决条件。,快速性（暂态特性）（动态特性）,过渡过程越短，响应的快速性越好。高射炮射角随动系统，但若目标变动迅速，炮身跟踪目标过渡过程时间过长，就不可能击中目标。,准确性（稳态特性）（静态特性）,偏差程度。理想系统的稳态误差为零。但系统结构、外作用形式以及摩擦、间隙等非线性因素的影响,稳态值与期望值会有误差存在,称为稳态误差。是衡量控制系统控制精度的重要标志,在技术指标中一般都有具体要求.,一般来说，都希望系统的快速性要好。但是，系统的暂态特性和稳态特性是相互矛盾的，要根据实际情况有所侧重。,.,外作用不同,响应不同,研究和比较系统的性能选用典型外作用（阶跃、斜坡、脉冲、正弦函数）,(1)阶跃函数,选取原则在现场及实验中容易产生系统在工程中经常遇到，并且是最不利的外作用。数学表达式简单，便于理论分析。,汽车压过一个台阶；电源电压突然变大；负载突然增大或减小；飞机飞行中遇到的常值阵风扰动等；,变化最剧烈，对系统最不利。在阶跃函数作用下能满足自动控制任务。那么，系统在其它缓慢变化下更能满足要求。在控制系统的分析设计工作中，一般将阶跃函数作用下系统的响应特性作为评价系统动态性能指标的依据。,二典型外作用,.,(2)斜坡函数（等速度函数）,雷达-高射炮跟踪飞行物，飞行物的轨迹可以看做是一种对高射炮跟踪系统的斜坡输入（高射炮转角与时间的关系）。,.,()脉冲函数,现实中不存在，只有数学上的定义，但它却是一个重要而有效的数学工具。例如，任意形式的外作用，可分解成不同时刻的一系列脉冲函数之和，研究脉冲函数作用下的响应特性，便可以了解在任意形式外作用下的响应特性。,.,(4)正弦函数,船的消摆系统就是处于形如正弦函数的波浪下工作的。更为重要的是系统在正弦函数作用下的响应，即频率响应，是自动控制理论中研究控制系统性能的重要依据.,A为振幅，为角频率，正弦函数为周期函数。,.,1-5自动控制系统的分析与设计工具,Matlab（矩阵实验室）演草纸一样的计算良好的人机界面结论可作一定等级的理论依据Simulink工具箱Simulink（模块化）通过连接典型的环节模块就可构成控制对象和控制系统，并实现计算机仿真。并可以通过相应的硬件电路，直接控制实际的控制对象。,.,小结,1.自动控制是在没有人直接参与的情况下，利用控制装置使被控对象