自动控制原理与系统1.ppt

1、第一章 自动控制系统概述,1-1 引言 1-2 开环控制和闭环控制 1-3 自动控制系统的组成 1-4 自动控制系统的分类 1-5 自动控制系统的性能指标 1-6 研究自动控制系统的方法, 1-1 引言,一、基本概念： 1.控制：是使某些物理量按指定的规律变化（包 括保持恒定），以保证生产的安全性， 经济性及 产品质量等要求的技术手段。 2.自动控制：就是在没有人直接参与的情况下，利用控制装置，对生产过程、工艺参数、目标要求等进行自动的调节与控制，使之达到预期的状态或性能要求。,3.自动控制系统：自动控制系统是指由控制装置与被控对象结合起来的，能够对被控对象的 一些物理量进行自动控制的一个有机

2、整体。 二、自动控制的应用： 锅炉设备的压力和温度自动保持恒定 数控机床按照预定的程序自动地切削工件 导弹发射与制导系统，自动地使导弹攻击敌 方目标 无人驾驶飞机按照预定航迹自动升降和飞行 人造卫星准确地进入预定轨道运行并回收,近年来，随着相关技术的发展，自动控制技术 的应用范围已扩展到生物、医学、环境、经济管理 和其它许多社会生活领域中，自动控制已成为现代 社会活动中不可缺少的重要组成部分。,三、自动控制理论的发展： 自动控制理论诞生于40年代，是自动控制、电 子技术、计算机等多学科相互交叉、相互渗透的产 物。50年代后期，由于军事、航空等领域的需求， 控制理论日趋完善。60年代后控制理论出

3、现分枝， 即：经典控制理论和现代控制理论。 经典控制理论和现代控制理论比较：,1-2 开环控制和闭环控制,一、开环控制系统： 1.定义：输出量与输入量之间没有反向联系， 只靠输入量对输出量单向控制的系统叫开环 控制系统。,开环控制又可称为前馈控制，因为控制作用是 由输入信号直接向前输送，而不是由输出信号回馈 到输入信号来进行控制的，故称为前馈控制。 2.应用： 目前比较常见的开环控制系统有自动售货机， 自动洗衣机，自动流水线，包装机等。,例1.下面是一个具体的开环控制系统的例子 直流电机转速控制系统,方 框 图,二、闭环控制系统： 1.定义：输出量与输入量之间有反向联系，靠输 入量与反馈信号之

4、间的偏差对输出量进行控制的系 统叫闭环控制系统。 2.反馈：是把系统输出量全部或一部分回送到输 入端，以增强或减弱输入信号的效应。,例2.引入闭环控制后的直流电机转速控制系统,方框图,转速负反馈的作用：引入测速发电机后，当外来 的电网电压波动使电机的转速发生变化时，测速发电 机会将变化的情况反馈到比较环节，系统作出相应调 节，最终控制转速稳定。,电压放大器的输入：,负反馈控制系统最大的特点：检测偏差，纠正偏 差起。按偏差控制 反馈分为正反馈和负反馈。 起增强输入信号作用正反馈。 起减弱输入信号作用负反馈。 正反馈不能进行控制，只会使系统的偏差越来越 大。 只有负反馈控制系统才能完成自动控制的任

5、务。,三、开环与闭环系统的比较：,开环控制系统： 1. 结构简单经济 2.调试方便 3.抗干扰能力差，控制精度不高。 闭环控制系统： 1.系统具有纠正偏差的能力。 2.抗扰性好，控制精度高。 3.包含元件多，结构复杂，价格高。 4.参数应选择适当。 开环闭环复合控制系统 （兼有两者的优点，精度很高）,1-3 自动控制系统的组成,一、自动控制系统的组成： 自动控制系统是指由控制装置与被控对象结合 起来的，能够对被控对象的一些物理量进行自动控 制的一个有机整体。 （一）.硬件部分： 1.给定元件：调节给定信号，以调节输出量的大 小。 2.检测元件：检测输出量的大小，并反馈到输入 端。,3.比较环节

6、：反馈信号与给定信号在此迭加， 信号的极性以“+”或“-”表示。极性相同为正反馈， 极性相反为负反馈。 4. 控制器（放大元件）：比较环节输出的信 号，经控制器成为合适的信号，输出给执行元件。 5.执行元件：驱动被控对象的环节。 6.控制对象(被调对象)：要求实现自动控制的 机器设备或生产过程。 7.反馈环节：将输出量引出，再回送到控制 部分。,*元件排列从左至右，给定元件在最左端，控 制对象在最右端。从左至右的通道称为顺馈通道， 或前向通道。将输出信号引回输入端的通道称为 反馈通道，或反馈回路。 （二）.系统中的各个量： 1.输入量（控制量、给定量）：通常通过给 定元件给出或其他元件转换而来

7、。 2.输出量（被控制量）：自动控制的目标。 3.反馈量：通过检测元件将输出量转变成与 给定信号性质相同数量级相同的信号。,4.扰动量（干扰、噪声）：引起输出量发生变化 的各种因素，称为系统的扰动。如扰动来自外部，叫 做外扰动，如果扰动来自内部，如系统中各元件参数 的变化，称为内扰动。 5.中间变量：系统各环节之间的作用量。,1-4 自动控制系统的分类,一、按输入量变化的规律分类： 1.恒值控制系统：特点：系统的输入量是恒 量，并且系统的输出量响应地保持恒定。如恒温、 水位、恒压控制系统。 2.随动系统：（也叫伺服系统，跟踪系统） 特点：输入量是变化的或是随机的，并且 输出量迅速而准确地跟随输

8、入量的变化而变化。 比如：飞机和舰船的操舵系统，雷达自动跟踪 系统。 3.过程控制系统：在生产过程中，要求自动,提供一定的外界条件，如压力、温度、流量等在 一定的时间内保持恒值或按一定的程序变化。如： 化工、石油等原料的生产。 二、按系统传输入信号对时间的关系分类： 1.连续控制系统：特点：系统的输入量与输出 量都是连续量或模拟量。连续系统的运动规律通常 可用微分方程来描述。 2.离散控制系统：又称采样控制系统。特点： 系统中的信号是脉冲序列、采样数据或数字量。离 散系统的运动规律通常可用差分方程来描述。,三、按系统的输出量和输入量间的关系分类： 1.线性系统：系统全部由线性元件组成。具有叠

9、加性和齐次性，可以用线性微分方程来描述。 2.非线性系统：系统中存在非线性元件。不适用 叠加原理，通常用非线性微分方程来描述。 四、按系统中的参数对时间的变化情况分类： 1.定常系统：系统的全部参数不随时间变化。 2.时变系统：系统中有的参数是时间的函数，它 随时间变化而改变。,1-5 自动控制系统的性能指标,自动控制系统的性能 系统的稳定性 稳态性能 动态性能 一、系统的稳定性： 对任何自动控制系统，首要的条件便是系统 稳定正常运行。 当输入信号突然发生跳变或有扰动时，系统 原有的平衡状态被破坏，通过系统内部的自动调 节，能重新稳定下来的为稳定系统。否则为不稳 定系统。,二、系统的稳态性能：

10、 系统从一个稳定状态过渡到新的稳定状态后，会 出现偏差，称为稳态误差ess。ess=0,系统称为无静差 系统。否则称为有静差系统。稳态误差的大小反映了 系统的稳态精度，表征系统的准确程度。,三、系统的动态性能指标： 任何实际系统从原平衡状态到达新的平衡状 态都要经历一个过渡过程，表征这个过渡过程的 指标为动态指标。动态指标有最大超调量 、调 整时间ts、振荡次数 N。 1.最大超调量:输出量与稳态值的最大偏差， 与稳态值之比。 最大超调量反映了系统的动态精度。 不同的控制系统，对最大超调量的要求也不 同：一般系统， 可为10%-35%；轧钢机初扎， 小于10%；连轧机， 小于2%-5%.,2.调整时间ts:表征系统的过渡过程时间。 调整时间反映了系统的快速性。 连轧机的调整时间为0.2-0.5s；造纸机的调 整时间为0.3s。 3.振荡次数 N：指在调整时间内，输出量在稳 态值上下摆动的次数。 振荡次数反映了系统的稳定性能。 普通机床允许振荡2-3次；龙门刨床、轧钢 机允许振荡1次；造纸机不