自动控制原理第一章ppt课件

2020/5/19,.,1.1开环控制系统和闭环控制系统,自动控制自动控制是在没有人的直接干预下，利用物理装置对生产设备和工艺过程进行合理的控制，使被控制的物理量保持恒定或者按照一定的规律变化。,2020/5/19,.,1.1开环控制系统和闭环控制系统,系统完成一定任务的一些元、部件的组合。自动控制系统为完成某一自动控制目标或控制任务所需要的所有元件、物理装置或设备的有机组合。,2020/5/19,.,工业系统根据有无反馈作用可分为：开环控制系统闭环控制系统,1.1开环控制系统和闭环控制系统,2020/5/19,.,1-自耦变压器2-电阻炉（被控对象）,1.1.1开环控制系统例1-1.温度控制系统,T,控制过程：,输入,控制量,输出,被控量,系统组成：,1.1开环控制系统和闭环控制系统,控制目标：要求炉子的温度恒定在期望的数值上。,2020/5/19,.,被控量（输出量）output系统要控制的物理量。被控对象plant被控量所对应的控制装置或过程。工业炉扰动量disturbance当输入不变时使得输出发生变化的量。如：环境温度、开门次数、电压波动。,给定量或控制量（输入量）input决定被控量的物理量。,1.1开环控制系统和闭环控制系统,专业术语,2020/5/19,.,1.1开环控制系统和闭环控制系统,图中：,2020/5/19,.,1.1开环控制系统和闭环控制系统,（1）开环控制只有输入量对输出量产生控制作用，输出量不参与对系统的控制。,开环控制是不是自动控制？,开环控制举例！,（2）开环控制特点输入控制输出（输入量与输出量一一对应），结构简单输出不参与控制（信号传递是单方向的）系统没有抗干扰能力，控制精度不高。,2020/5/19,.,1.1开环控制系统和闭环控制系统,2.闭环控制系统例1-2温度闭环控制系统（1）人工闭环控制,反馈,2020/5/19,.,控制目标：要求炉子的温度恒定在期望的数值上。控制过程：,1.1开环控制系统和闭环控制系统,2020/5/19,.,1.1开环控制系统和闭环控制系统,（2）自动闭环控制,温度闭环控制系统图1-热电偶2-加热器,哪个量是系统的输入？,人的功能用一些物理装置来实现,2020/5/19,.,1.1开环控制系统和闭环控制系统,图1-4闭环控制结构示意图1-控制器2-控制对象3-检测装置,前向通道,反向通道,2020/5/19,.,（1）闭环控制（反馈控制）系统输出信号与测量元件之间存在反馈回路的系统叫闭环控制系统。闭环控制系统也叫反馈控制系统。“闭环”的含义就是将输出信号通过测量元件反馈到系统的输入端，通过比较、控制来减小系统误差。反馈信号与给定信号极性相反为负反馈，反之为正反馈。,1.1开环控制系统和闭环控制系统,2020/5/19,.,1.1开环控制系统和闭环控制系统,（2）闭环（反馈）控制特点输入控制输出（输入量与输出量一一对应）输出参与控制（信号双方向），反馈，结构复杂控制精度高，自动纠正偏差，具有抗干扰能力。,2020/5/19,.,Input(setpoint)-输入量、给定量、设定量Output-输出量、被控量Feedback-反馈Disturbance-扰动量Plant(object)-被控对象Controller-控制器Sensor-检测装置、传感器DesiredOutput-理想输出，期望输出ctualOutput-实际输出,1.1开环控制系统和闭环控制系统,2020/5/19,.,1.2闭环控制系统的组成和基本环节,1.闭环控制系统的结构（示意）图,1-给定环节；2-比较环节；3-校正环节；4-放大环节；5-执行机构；6-被控对象；7-检测装置,2020/5/19,.,1.2闭环控制系统的组成和基本环节,2.闭环控制系统的基本环节（1）检测环节或传感器其职能是检测被控制的物理量，并将其转换为与给定量相同量纲的物理量。如果这个物理量是非电量，一般转换为电量。例如：测速发电机是用于检测电动机轴的速度并转换为电压；自整角机等是用于检测角度并将角度信号转换为电压；热电偶是用于检测温度并将温度信号转换为电压等。,2020/5/19,.,1.2闭环控制系统的组成和基本环节,（）给定环节其职能是给出与期望的被控量相对应的系统输入量。如：给定电位器。（）比较环节将所检测的被控制量的实际值与给定环节给出的设定值进行比较，确定两者之间的偏差量。如：差动放大器、机械差动装置和电桥。,2020/5/19,.,1.2闭环控制系统的组成和基本环节,（4）放大环节将比较环节给出的偏差进行放大，用来推动执行元件去控制被控对象。如：电压偏差信号，可用电子管、晶体管、集成电路、晶闸管等组成的电压放大器和功率放大器加以放大。,2020/5/19,.,1.2闭环控制系统的组成和基本环节,（）执行机构直接推动被控对象，使其被控量发生变化，达到所要求的数值。一般由传动装置和调节机构组成。如：阀、电动机、液压马达等。,（）被控对象要进行控制的设备或过程。电炉，电机。,2020/5/19,.,1.2闭环控制系统的组成和基本环节,（）校正环节（补偿环节）其结构或参数便于调整，按某种规律对偏差信号进行运算，作用于执行机构，以改善系统性能。最简单的校正元件是由电阻、电容组成的无源或有源网络，复杂的则用电子计算机。在控制系统中，常把比较环节、校正环节和放大装置和在一起称为控制器。,2020/5/19,.,1.2闭环控制系统的组成和基本环节,闭环控制系统的结构（示意）图,1-给定环节；2-比较环节；3-校正环节；4-放大环节；5-执行机构；6-被控对象；7-检测装置,要求精度要高,控制器,2020/5/19,.,1.2闭环控制系统的组成和基本环节,图1-4闭环控制结构示意图1-控制器2-控制对象3-检测装置,2020/5/19,.,1.3自动控制系统类型,1.按照组成系统元件的输入输出特性划分,1）线性系统linearsystem,特点：a.系统由线性元件构成，系统的运动规律可用线性微分方程来描述。,称为线性定常系统（）。,线性微分方程中输出量及其各阶导数都是一次的，并且各系数与输入量无关。,2020/5/19,.,b.满足齐次性和叠加原理。(是判别是否为线性系统的根据),若系统方程中系数不是常数,则称为线性时变系统。,齐次性,叠加原理,1.3自动控制系统类型,2020/5/19,.,1.3自动控制系统类型,2）非线性系统nolinearsystem,在构成系统的环节中有一个或一个以上的非线性环节时，则称此系统为非线性系统。特点：由非线性微分方程描述的系统称为非线性系统。不满足齐次性和叠加原理.非线性的理论研究远不如线性系统那么完整，目前尚无通用的方法可以解决各类非线性系统，一直是控制理论界研究的热点.,2020/5/19,.,1.3自动控制系统类型,理想饱和特性,理想继电特性,死区特性,2020/5/19,.,1.3自动控制系统类型,2.按照系统传递信号的性质划分1）连续数据系统特点：系统各部分信号都是模拟的连续函数。目前工业中普遍采用的常规仪表PID调节器控制的系统。开环控制系统及闭环控制系统也是连续系统。2）离散数据系统特点：系统的一处或几处，信号是以脉冲序列或数码的形式传递。其中离散信号以脉冲形式传递的系统又叫脉冲控制系统，离散信号以数码形式传递的系统又叫数字控制系统。,2020/5/19,.,1.3自动控制系统类型,计算机控制系统结构框图,2020/5/19,.,1.3自动控制系统类型,3.按照输入量的变化规律划分1）恒值系统（或自动调节系统）特点：输入量是恒定不变。如恒温、恒压、恒速等。2）程序控制系统（或过程控制系统）特点：输入信号是一个已知的函数。系统的控制过程按预定的程序进行，要求被控量能迅速准确地复现输入，如化工中的压力、温度、流量控制、数控机床，电梯等。恒值控制系统可看成输入等于常值的过程控制系统。,2020/5/19,.,1.3自动控制系统类型,3）随动系统（或称伺服系统）特点：输入信号是一个未知函数。要求控制系统的输出量跟随输入信号变化。如：火炮自动跟踪系统、配钥匙等该系统要求有较好的跟踪能力。,三系统具有共同特征：即输出跟随输入。这是控制系统的本质特征。,2020/5/19,.,1.3自动控制系统类型,火炮自动跟踪系统“火炮打飞机”,2020/5/19,.,从系统结构角度来划分：开环控制系统和闭环控制系统。从系统输入输出量的个数来划分:SISO系统和MIMO系统。从控制目的角度来划分：温度控制系统、位置控制系统、速度控制系统等。,1.3自动控制系统类型,2020/5/19,.,1.4自动控制系统的性能指标,稳（稳定性）、快（快速性）、准（准确性）“稳”与“快”描述系统的暂态（过渡过程）品质。“准”描述系统的稳态（静态）品质。,对自动控制系统的基本要求,暂态（动态）过程：被控量处于变化状态的过程。（系统的过渡过程产生的原因：系统中储能元件的能量不可能突变。）稳态（静态）过程：被控量处于相对稳定的状态。,2020/5/19,.,1.4自动控制系统的性能指标,当扰动作用（或给定值发生变化）时，输出量将偏离原来的稳态值，这时由于反馈的作用，通过系统内部的自动调节，系统可能回到或接近原来的稳态值（或跟随给定值）稳定下来（如图a），称这样的系统为稳定系统，反之，不稳定系统的输出（如图b）。稳定性是保证控制系统正常工作的必备条件。稳定性，通常由系统的结构决定与外界因素无关。,1.稳-稳定性，平稳性,2020/5/19,.,1.4自动控制系统的性能指标,2.快-快速性，暂态性能指标即指过渡过程的快速性。对过渡过程的形式和快慢提出要求，一般称为暂态（或动态）性能。,最大超调量调整时间,2020/5/19,.,1.4自动控制系统的性能指标,3.准-准确性，稳态性能指标用稳态误差表示。过渡过程结束后，系统的实际输出与期望输出之差即为稳态误差。显然，这种误差越小，表示系统的输出跟随参考输入的精度越高跟踪能力，对扰动的抑制能力越强。,2020/5/19,.,1.4自动控制系统的性能指标,有差系统（图a）若稳态误差不为零，则系统称为有差系统。无差系统（图b）若稳态误差为零，则系统称为无差系统。,(a),(b),2020/5/19,.,1.4自动控制系统的性能指标,例：闭环调速系统，试分析该系统是有差还是无差的。,2020/5/19,.,1.4自动控制系统的性能指标,2020/5/19,.,小结,1.开环控制系统结构简单、稳定性好，但不能自动补偿扰动对输出量的影响（即抗干扰能力差或鲁棒性差）。当系统扰动量产生的偏差可以预先进行补偿或影响不大时，采用开环控制是有利的。当扰动量无法预计或控制系统的精度达不到预期要求时，则应采用闭环控制。,2020/5/19,.,小结,2.闭环控制系统具有反馈环节，它能依靠反馈环节进行自动调节，以克服扰动对系统的影响。闭环控制极大地提高了系统的精度。但是闭环使系统的稳定性变差，需要重视并加以解决。,2020/5/19,.,3.自动控制系统通常由给定环节、检测环节、比较环节、放大元件、被控对象、和等部件组成。系统的作用量和被控量有：给定量、反馈量、扰动量、输出量和各中间变量。,小结,2020/5/19,.,4.结构图（又简称框图）可直观地表达系统各环节（或各部件）间因果关系，可以表达各种作用量和中间变量的作用点和信号传递情况以及它们对输出量的影响。,小结,要求同学对于给定的物理系统会分析其控制的过程和原理，还要会画出系统相应的结构图。,2020/5/19,.,5.在不同输入量作用下，对系统的输出量的要求，揭示出反馈控制系统的本质特征：输出跟随输入。6.对自动控制系统的性能