反馈控制系统的基本概念汤ppt课件

1、1主讲： 汤 旭 晶2第一章第一章 反响控制系统的根本概念反响控制系统的根本概念第五章第五章 频率特性法频率特性法第四章第四章 时域分析法时域分析法第三章第三章 控制对象的动态特性控制对象的动态特性第二章第二章 自动控制系统的数学模型自动控制系统的数学模型第六章第六章 控制器作用规律控制器作用规律轮机自动化根底轮机自动化根底本章的根本要求本章的根本要求 掌握自控系统的根本概念、系统组成和各组成环节掌握自控系统的根本概念、系统组成和各组成环节 的作用的作用, 正确画出系统的原理方框图正确画出系统的原理方框图;了解自控系统的分类和特点了解自控系统的分类和特点; ; 掌握负反响在自控系统中的作用掌握

2、负反响在自控系统中的作用; 明确开明确开 环控制与闭环控制的区别；环控制与闭环控制的区别；明确对控制系统的根本要求。明确对控制系统的根本要求。第一章第一章 反响控制系统的根本概念反响控制系统的根本概念1-1 1-1 引言引言1-2 1-2 自动控制系统的根本方式自动控制系统的根本方式1-3 1-3 反响控制系统的概念反响控制系统的概念1-4 1-4 自动控制系统的性能要求自动控制系统的性能要求 第一章第一章 反响控制系统的根本概念反响控制系统的根本概念自动控制：是指在没有人参与的情况下利用控制器使被控对象自动控制：是指在没有人参与的情况下利用控制器使被控对象 ( (指消费设备或消费过程自动地按

3、预定的规律运转。指消费设备或消费过程自动地按预定的规律运转。开展：机械化开展：机械化 电气化时代电气化时代自动化、信息化、智能化自动化、信息化、智能化控制实际的开展：控制实际的开展：( (工程控制论工程控制论1 1、经典控制实际、经典控制实际 40 405050年代构成年代构成 (Single-input &.Single-output (Single-input &.Single-output system) system) 基于：二战军工技术基于：二战军工技术 目的：反响控制系统的镇定目的：反响控制系统的镇定 根本方法：传送函数，频率法，根本方法：传送函数，频率法，PIDPID调理器调理器

4、 ( (频域频域) ) 2 2、现代控制实际、现代控制实际 60 607070年代构成年代构成 (Multi-input &.Multi-output (Multi-input &.Multi-output system) system) 基于：基于： 冷战时期空间技术，计算机技术冷战时期空间技术，计算机技术 目的：最优控制目的：最优控制 根本方法：形状方程根本方法：形状方程 时域时域1-1 1-1 引言引言3 3、智能控制技术、智能控制技术 60 60年代中期开场开展年代中期开场开展 专家系统专家系统 模糊控制模糊控制 神经网络神经网络4 4、正在开展的各个领域、正在开展的各个领域 自顺应控

5、制自顺应控制 大系统实际大系统实际 H H鲁棒控制鲁棒控制 非线性控制微分几何，混沌，变构造非线性控制微分几何，混沌，变构造自动控制开展的历程(王广雄教授) 百家讲坛录像1-1 1-1 引言引言 人们普遍以为最人们普遍以为最早运用于工业过程的早运用于工业过程的自动反响控制器自动反响控制器, 是是James Watt于于1769年年发明的飞球调理器，发明的飞球调理器，它被用来控制蒸汽机它被用来控制蒸汽机的转速。后来此机械的转速。后来此机械安装被广泛运用。安装被广泛运用。 1-1 1-1 引言引言用于船舶推进器中用于船舶推进器中的离心式调速器的离心式调速器1-1 1-1 引言引言用于船舶推进器的电

6、子用于船舶推进器的电子式调速器式调速器1-1 1-1 引言引言1-2 自动控制的根本方式1.1.开环控制系统开环控制系统(open-loop)(open-loop) 控制系统的输出量对系统的控制造用没有任何影响。控制系统的输出量对系统的控制造用没有任何影响。 按给定值控制丈量给定值按给定值控制丈量给定值 按扰动补偿丈量破坏系统正常运转的扰动按扰动补偿丈量破坏系统正常运转的扰动 自动控制系统=控制器+控制对象Automatic Control Systems = Controller+plantFig.1-1Fig.1-1闭环系统本质：经过偏向消除偏向闭环系统本质：经过偏向消除偏向转换安装转换安

7、装电动机电动机进水阀进水阀水箱水箱HrHCH减速器减速器N主要特点为：主要特点为： 闭环负反响控制，即按偏向调理；闭环负反响控制，即按偏向调理； 抗扰性好，控制精度高；抗扰性好，控制精度高； 系统参数要适中选择，否那么能够不能正常任务。系统参数要适中选择，否那么能够不能正常任务。2.2.闭环控制系统闭环控制系统(closed-loop)(closed-loop) 指控制器与控制对象之间既有顺向作用又有反指控制器与控制对象之间既有顺向作用又有反向联络的控制过程，既控制系统的输出量对系统的向联络的控制过程，既控制系统的输出量对系统的控制造用有影响，即反响控制造用有影响，即反响(feedback)(

8、feedback)。因此，又称。因此，又称为反响控制。为反响控制。Fig.1-2Fig.1-21-2 自动控制的根本方式3.3.复合复合(compound)(compound)控制系统控制系统 为了提高系统的快速性和精度，除了主反响回路以外前置滤波或扰动补偿安装，这种开环与闭环结合的系统称为复合控制系统。 开环控制粗调 闭环控制细调Fig.1-3Fig.1-31-2 自动控制的根本方式1-3 1-3 反响控制系统的概念反响控制系统的概念 反响控制系统的组成反响控制系统的组成 反响控制系统的构造方框图反响控制系统的构造方框图 反响控制系统的分类反响控制系统的分类、控制对象：被控制的设备或过程冷却

9、器。系统的输出、控制对象：被控制的设备或过程冷却器。系统的输出就是指被控对象的输出或称被控量。就是指被控对象的输出或称被控量。、控制器或称调理器：根据偏向按一定规律输出控制量，、控制器或称调理器：根据偏向按一定规律输出控制量，送至执行机构。它有两个输入，即设定值输入和丈量值输送至执行机构。它有两个输入，即设定值输入和丈量值输入。入。 偏向偏向 = = 设定值设定值 丈量值丈量值、执行器执行机构：接受控制器送来的控制信号，驱动、执行器执行机构：接受控制器送来的控制信号，驱动调理机构，作用于被控对象。调理机构，作用于被控对象。、丈量变送器丈量单元：将被控对象的物理输出量，即、丈量变送器丈量单元：将

10、被控对象的物理输出量，即被控量转换为规范信号输出也称丈量输出，送到调理被控量转换为规范信号输出也称丈量输出，送到调理器，作为反响信号。器，作为反响信号。Fig.1-4Fig.1-41.1.反响控制系统的组成反响控制系统的组成1-3 1-3 反响控制系统的概念反响控制系统的概念2.2.反响控制系统的构造框图反响控制系统的构造框图特点特点: :信号传送单向性信号传送单向性 ；闭合回路闭环系统；闭合回路闭环系统； 负反响：反响通道的信号与前向通道的信号相减。负反响：反响通道的信号与前向通道的信号相减。 反之，那么为正反响。反之，那么为正反响。控制单元根据偏向进展控制，因此又称偏向驱动。控制单元根据偏

11、向进展控制，因此又称偏向驱动。 Fig.1-5Fig.1-5 假设控制单元、丈量单元和执行单元合为一体，那么称为基地式控制仪表；假设三者分开，那么称为组合式控制仪表。1-3 1-3 反响控制系统的概念反响控制系统的概念3.3.反响控制系统的分类反响控制系统的分类1. 按给定值的方式：按给定值的方式： a定值控制；定值控制；b程序控制；程序控制；c随动控制。随动控制。2. 按动作方式：按动作方式： a延续控制；延续控制；b断续控制双位控制或多位控制断续控制双位控制或多位控制3. 按控制精度：按控制精度： a有差调理；有差调理；b无差调理无差调理4. 按变量数：按变量数： a单变量控制；单变量控制

12、；b多变量控制多变量控制5. 按系统性质：按系统性质： a线性控制系统；线性控制系统；b非线性控制系统非线性控制系统6. 按运用实际：按运用实际： a基于经典实际的控制；基于经典实际的控制； b基于现代控制实际的控制最优控制、自顺应控制；基于现代控制实际的控制最优控制、自顺应控制； c智能控制模糊、神经、专家、自学习控制智能控制模糊、神经、专家、自学习控制1-4 1-4 自动控制系统的性能要求自动控制系统的性能要求1.1.自动控制系统的稳态与动态自动控制系统的稳态与动态稳态稳态(Static)(Static)：被控量不随时间变化的平衡形状。：被控量不随时间变化的平衡形状。静态静态动态动态(dy

13、namic)(dynamic)：被控量随时间变化的不平衡形状。：被控量随时间变化的不平衡形状。瞬态瞬态 自动控制过程：自动控制过程：新的稳态平衡新的稳态平衡动态过程动态过程稳态平衡稳态平衡扰动变化扰动变化控制造用控制造用平衡破坏平衡破坏抑制扰动影响抑制扰动影响Fig.1-4bFig.1-4b2.2.自动控制系统的过渡过程自动控制系统的过渡过程根据过渡过程的特点，控制系统可分为：根据过渡过程的特点，控制系统可分为： 1发散过程发散过程 2等幅振荡过程等幅振荡过程 Fig.1-14 3衰减过程衰减过程 4非周期过程非周期过程 其中，其中， 1、2称为不稳定过程；称为不稳定过程；3、4称为称为稳定过

14、程。稳定过程。Fig.1-8过渡过程过渡过程(transient)(transient)：指自动控制系统在动态中被控量随时间的：指自动控制系统在动态中被控量随时间的变化过程。或者说是从一个平衡态过渡到另一个平衡态的过程。变化过程。或者说是从一个平衡态过渡到另一个平衡态的过程。1-4 1-4 自动控制系统的性能要求自动控制系统的性能要求 为便于系统分析，定义几种常见的系统输入信号：为便于系统分析，定义几种常见的系统输入信号： 1阶跃输入：阶跃输入： Fig.1-9 2速度输入速度输入 ： Fig.1-10 3加速度输入：加速度输入： Fig.1-11 4脉冲输入：脉冲输入： Fig.1-12 5

15、正弦输入：正弦输入： Fig.1-13 其中，阶跃输入对系统的任务最为不利。其中，阶跃输入对系统的任务最为不利。)0( 0)0( )(ttRtr)0( 0)0( )(ttRttr)0( 0)0( 21)(2ttRttr), 0( 0)0( 1)(htththtr( )sin r tAt1-4 1-4 自动控制系统的性能要求自动控制系统的性能要求3.3.自动控制系统的典型输入信号自动控制系统的典型输入信号4 4自动控制系统过渡过程的性能要求自动控制系统过渡过程的性能要求 方法：给系统施加阶跃输入，得到系统过渡过程方法：给系统施加阶跃输入，得到系统过渡过程曲线，分析系统过渡过程的各项性能目的。曲线

16、，分析系统过渡过程的各项性能目的。 采用阶跃输入的缘由：采用阶跃输入的缘由： 1 1信号的阶跃变化在实践中比较常见近似的阶信号的阶跃变化在实践中比较常见近似的阶跃变化；跃变化； 2 2阶跃信号的数学处置比较简单；阶跃信号的数学处置比较简单； 3 3阶跃输入对系统的任务最为不利。阶跃输入对系统的任务最为不利。 评定系统过渡过程性能目的的三个方面：评定系统过渡过程性能目的的三个方面： 1 1稳定性；稳定性；2 2准确性；准确性；3 3快速性。快速性。 1-4 1-4 自动控制系统的性能要求自动控制系统的性能要求 fig.1-14 fig.1-144 4自动控制系统过渡过程的性能要求自动控制系统过渡

17、过程的性能要求 过渡过程评定目的过渡过程评定目的: :1 1稳定性：系统遭到扰动之后可以恢复到稳定形状的稳定性：系统遭到扰动之后可以恢复到稳定形状的才干。实践控制系统，至少要求是衰减过程或非周期过才干。实践控制系统，至少要求是衰减过程或非周期过程，以衰减为佳。程，以衰减为佳。 评定目的：衰减率评定目的：衰减率 ，衰减比，衰减比N Na a定值控制系统：给定值不变，外部扰动发生阶跃变定值控制系统：给定值不变，外部扰动发生阶跃变化；化； fig.1-15 fig.1-15b b随动控制系统：假定外部扰动不变，给定值阶跃变随动控制系统：假定外部扰动不变，给定值阶跃变化。化。 fig.1-16 fig

18、.1-16 闭环系闭环系统稳定统稳定是前提是前提1-4 1-4 自动控制系统的性能要求自动控制系统的性能要求4 4自动控制系统过渡过程的性能要求自动控制系统过渡过程的性能要求 2 2准确性：被控量偏离给定值的程度准确性：被控量偏离给定值的程度 评定目的：评定目的： a a定值控制系统：最大动态偏向定值控制系统：最大动态偏向emaxemax；静态偏；静态偏向向ysys fig.1-15 fig.1-15 b b随动控制系统：最大动态偏向随动控制系统：最大动态偏向emaxemax；超调量；超调量；静态偏；静态偏 差差ys ys 。 fig.1-16 fig.1-16 1-4 1-4 自动控制系统的

19、性能要求自动控制系统的性能要求4 4自动控制系统过渡过程的性能要求自动控制系统过渡过程的性能要求 3 3快速性：快速性： 评定目的：过渡过程时间评定目的：过渡过程时间 ts ts从扰动发生从扰动发生到被控量又重新到被控量又重新 趋于稳定到达新的平衡趋于稳定到达新的平衡态所需的时间态所需的时间 此外还有振荡频率、振荡次数等此外还有振荡频率、振荡次数等 fig.1-15 fig.1-15 fig.1-16 fig.1-16 1-4 1-4 自动控制系统的性能要求自动控制系统的性能要求 过渡过程的性能目的的要求(总结： 1定值控制： a动态偏向和静态偏向要小； b衰减率最好在0.750.9之间； c

20、过渡过程时间要短 2随动控制： a超调量要小； b过渡过程时间要短； c振荡次数要少1-4 1-4 自动控制系统的性能要求自动控制系统的性能要求本章的根本要求本章的根本要求 掌握自控系统的根本概念、系统组成和各组成环节掌握自控系统的根本概念、系统组成和各组成环节 的作用的作用, 正确画出系统的原理方框图正确画出系统的原理方框图;了解自控系统的分类和特点了解自控系统的分类和特点; 掌握负反响在自控系统中的作用掌握负反响在自控系统中的作用; 明确开环明确开环 控制与闭环控制的区别；控制与闭环控制的区别；明确对控制系统的根本要求。明确对控制系统的根本要求。第一章第一章 反响控制系统的根本概念反响控制

21、系统的根本概念Q1V2Q2V1HFFig.1-1 液位控制系统表示图液位控制系统表示图fig.1-1 液位控制系统表示图液位控制系统表示图Q1V2Q2V1HF+E+E浮子浮子控制器控制器电动机电动机Fig.1-2 液位控制闭环系统表示图液位控制闭环系统表示图fig.1-2 液位控制闭环系统表示图液位控制闭环系统表示图 fig.1-3 复合控制系统构造方框图复合控制系统构造方框图控制安装执行机构控制对象反响安装被控量给定信号+-前馈安装扰动补偿外部扰动 fig.1-4 电动仪表控制的主机冷却水温度控制系统电动仪表控制的主机冷却水温度控制系统温度变送器控制器伺服放大器执行器蝶阀机构温度传感器主机入口主机出口冷却器海水 fig.1-4a 柴油机气缸冷却水温度手动控制过程柴油机气缸冷却水温度手动控制过程冷却器冷却器三通阀三通阀淡水泵淡水泵主机主机眼眼脑脑手手海水入口海水入口海水出口海水出口手动控制过程：手动控制过程：Fi