控制工程基础2-第1章(绪论)

一、自动控制系统的基本工作原理,人工控制与自动控制：水箱水位控制问题,2,人在控制过程中起三个作用：（1）观测：用眼睛去观测刻度计的指示值；（2）比较与决策：人脑把观测得到的数据与要求的数据相比较，并进行判断，根据给定的控制规律给出控制量；（3）执行：根据控制量用手具体调节，如调节阀门开度。,精确的控制系统例子-,水位控制工作原理,人工控制：眼、脑、手、水箱+阀门,自动控制：传感器、控制器、执行器、水箱+阀门,5,输出量（或称输出信号、被控制量）：是指控制系统中需要加以控制的物理量。输入量（或称输入信号、给定值、给定量）：是指输入给控制系统用以控制输出量变化规律的物理量它作用于系统输入端，直接地或间接地表示系统输出量的期望值（给定值）。例如与要求的炉温对应的电压。扰动量（或称扰动信号）：指那些能使输出量偏离预定要求（期望值）的意外干扰因素。是一种对自动控制系统输出量起反作用的信号，如电源电压的波动、环境温度的变化。,输入量:通常由给定电压信号构成，或通过检测元件转化成信号电压。角标通常用i(或r)表示。输出量:角标通常用0(或c)表示。反馈量：通过检测元件将输出量转变成与给定信号相同且数量级相同的信号。角标通常用f表示。,7,方框图的概念,方框控制装置和被控对象分别用方框表示信号线方框的输入和输出以及它们之间的联接用带箭头的信号线表示输入信号进入方框的信号输出信号离开方框的信号,人工控制恒温箱,动态过程,观测恒温箱内的温度（被控制量）与要求的温度（给定值）进行比较，得到温度偏差的大小和方向根据偏差大小和方向调节调压器，控制加热电阻丝的电流以调节温度回复到要求值。,测量、比较、判断、操作,实质检测偏差和纠正偏差。,例子2：恒温系统,自动控制恒温箱,温度偏差信号经电压、功率放大后，用以驱动执行电动机，并通过传动机构拖动调压器动触头。当温度偏高时，动触头向减小电流的方向运动，反之加大电流，直到温度达到给定值为止，此时，偏差u=0,电机停止转动。,动态过程,实质检测偏差纠正偏差,实现控制的三个基本步骤,不论采用人工控制还是自动控制都具有以下的共同点：一是要检测被控制量的实际值；二是被控制量的实际值要与给定值进行比较得出偏差值；三是要用偏差值产生控制调节作用再去消除偏差。总结：检测偏差，消除偏差,11,反馈的概念,反馈：把输出量送回到系统的输入端并与输入信号比较的过程。若反馈信号是与输入信号相减而使偏差值越来越小，则称为负反馈；反之，则称为正反馈。显然，负反馈控制是一个利用偏差进行控制并最后消除偏差的过程，又称偏差控制。同时，由于有反馈的存在，整个控制过程是闭合的，故也称为闭环控制。,12,自动控制：自动控制，就是在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（控制装置），使机器、设备或生产过程（控制对象）的某个工作状态或参数（被控量）自动地按照预定的规律运行。,自动控制系统：是指能够对被控对象的工作状态进行自动控制的系统。它是控制对象以及参与实现其被控制量自动控制的装置或元部件的组合，一般由控制装置和被控对象组成。一般包括三种机构：测量机构、比较机构、执行机构。,二、开环、闭环控制系统,控制系统按其有无反馈作用和反馈作用的方式可分为两类类：1、开环控制系统2、闭环控制系统,电风扇的控制系统,电机（执行机构）,风扇叶片（控制对象）,开关或程序控制器,开环例1：,控制电压,15,开环控制是指系统的被控制量（输出量）只受控于控制作用，而对控制作用不能反施任何影响的控制方式。采用开环控制的系统称为开环控制系统。优点：结构简单，成本低廉，易于实现缺点：对扰动没有抑制能力，控制精度低,开环控制2,16,开环控制系统方框图,（被控制量）,输入量：加在电阻丝两端的电压被控制对象：炉子被控制量（输出量）：炉温控制装置：开关K和电热丝，对被控制量起控制作用。,17,开环例3:直流电机速度开环控制系统,18,闭环控制,如果系统的输出量与输入量之间具有反馈联系，即输出量对系统的控制过程有直接影响，这样的系统称为闭环控制系统。闭环控制系统是按照反馈控制原理工作的，又称为反馈控制系统。这种系统的信号传递路线构成闭合回路（闭环）。优点：具有自动补偿由于系统内部和外部干扰所引起的系统误差（偏差）的能力，因而有效地提高了系统的精度。缺点：系统参数应适当选择，否则可能不能正常工作。,19,闭环控制的电加热炉方框图,20,21,自动控制系统的组成,1.给定元件产生给定信号或输入信号。,2.反馈元件（测量元件）测量被控制量（输出量），产生主反馈信号。,5.执行元件直接对受控对象进行操纵的元件，使被控量与希望值趋于一致。,3.比较元件对给定信号和反馈信号进行比较，产生偏差信号。,三、闭环控制系统的基本组成,6.校正元件参数或结构便于调整的元件，用以改善系统性能。分为串联和并联两种。,实际的控制系统中，扰动总是不可避免的，扰动分为内部扰动和外部扰动。但在控制系统中，扰动集中表现在控制量与被控量的偏差上，因此，可以将控制系统的扰动等效为对控制对象的干扰。,偏差信号：控制信号与主反馈信号之差。误差信号：系统输出量的实际值与希望值之差。注意：误差与偏差不是同一概念。,四、自动控制系统的基本类型,按输入量输出量的运动规律可分为三种,恒值控制系统（自动调节系统）程序控制系统随动系统(伺服系统）,26,恒值系统是指参考输入量保持常值的系统。其任务是消除或减少扰动信号对系统输出的影响，使被控制量（即系统的输出量）保持在给定或希望的数值上。例如蒸汽机离心调速器系统、恒温箱温度控制系统等。随动系统是指参考输入量随时间任意变化的系统。其任务是要求输出量以一定的精度和速度跟踪参考输入量，跟踪的速度和精度是随动系统的两项主要性能指标。程序控制系统这类系统的输入量是变化的，且变化规律是预先确定了的已知的时间函数。系统的任务是使输出量按预先给定的规律（程序）变化。例如，数控线切割机床进给系统、热处理炉温控制系统等都属于此类。,27,线性系统和非线性系统（按系统的输入量和输出量间的关系）线性系统是指构成系统的所有元件都是线性元件的系统。其动态性能可用线性微分方程描述，系统满足叠加原理。非线性系统是指构成系统的元件中含有非线性元件的系统。其只能用非线性微分方程描述，不满足叠加原理。同时把可以进行线性化处理的系统或元件特性称为非本质非线性特性。反之，称之为本质非线性，它只能用非线性理论分析研究。,线性系统与非线性系统满足叠加原理的系统是线性系统,否则是非线性系统。微分方程描述：若系统的输入量、输出量及其各阶导数均为线性时，系统为线性系统。,定常系统和时变系统（按系统中参数对时间的变化情况分类）定常系统指系统的全部参数不随时间变化，输出量与输入量的关系可用定常微分方程来描述。时变系统指系统中有的参数是时间t的函数，它随时间变化而改变。宇宙飞船就是时变控制系统的一个例子。,30,连续系统和离散系统（按系统传输信号对时间的关系分类）连续系统是指系统内各处的信号都是以连续的模拟量传递的系统。如果系统内某处或数处信号是以脉冲序列或数码形式传递的系统则称为离散系统。其脉冲序列可由脉冲信号发生器或振荡器产生，也可用采样开关将连续信号变成脉冲序列，这类控制系统又称为采样控制系统或脉冲控制系统。而用数字计算机或数字控制器控制的系统又称为数字控制系统或计算机控制系统。,性能指标是评价系统动态品质的定量指标，是定量分析的基础。控制系统应用于不同的场合，对它有不同的性能要求。但从控制工程的角度来看，对控制系统却有一些共同的要求，一般可归结为稳、快、准。即：稳定性、快速性、准确性（稳态精度）,五、对控制系统的基本要求,33,稳定性系统在受到扰动作用后自动返回原来的平衡状态的能力。如果系统受到扰动作用（系统内或系统外）后，能自动返回到原来的平衡状态，则该系统是稳定的。稳定系统的数学特征是其输出量具有非发散性；反之，系统是不稳定系统。,稳定性是控制系统正常工作的首要条件。控制系统稳定性由系统结构所决定，与外界因素无关。,稳定系统的时间响应曲线（图1-11）,不稳定系统的时间响应曲线（图1-11）,快速性：输出量和输入量产生偏差时，系统消除这种偏差的快慢程度。快速性表征系统的动态性能。,快速性好的系统，它消除偏差的过渡时间就短，就能复现快速变化的输入信号，因而具有较好的动态性能。系统的快速性可以用调整时间来衡量。,准确性：控制精度，以稳态误差来衡量。,注意：1不同性质的控制系统，对稳定性、精确性和快速性要求各有侧重。2系统的稳定性、精确性、快速性相互制约，应根据实际需求合理选择。,稳态误差:是指以一定变化规律的输入信号作用于系统后，当调整过程结束而趋向于稳定时，输出量的实际值与期望值之间的误差值。,39,稳态误差指稳定系统在完成过渡过程后的稳态输出偏离希望值的程度。开环控制系统的稳态误差通常与系统的增益或放大倍数有关，而反馈控制系统（闭环系统）的控制精度主要取决于它的反馈深度。稳态误差越小，系统的精度越高，它由系统的稳态响应反映出来。,注意：1.不同性质的控制系统，对稳定性、精确性和快速性要求各有侧重。2.系统的稳定性、精确性、快速性相互制约，应根据实际需求合理选择。,41,控制系统分析：已知系统的结构参数，分析系统的稳定性，求取系统的动态、静态性能指标，并据此评价系统的过程称为控制系统分析。控制系统设计（或综合）：根据控制对象和给定系统的性能指标，合理的确定控制装置的结构参数，称为控制系统设计。,第三节控制系统主要任务与研究内容,42,系统(机械，电气，过程等),建模方法,机理或实验,数学模型,性能分析,稳定性、动态性能、鲁棒性等等,若性能不满足要求对系统进行校正,校正方法（控制器设计方法）,课程的主要内容及其相互关系,例：在任意情况下，希望液面高度维持不变，试说明系统工作原理并画出系统方块图。,这个系统是个典型的自镇定系统，在该系统中：控制量（输入值）希望水位的设定值被控制量（输出值）实际水位扰动量出水量Q2被控对象水池测量元件浮子比较元件电位器放大元件放大器执行元件电动机、减速器、进水阀门