FC.1 自动控制原理课件

1、自动控制原理自动控制原理1 1、 胡寿松胡寿松 国防工业出版社国防工业出版社2 2、自动控制原理（第三版）、自动控制原理（第三版） 李友善李友善 国防工业出版社国防工业出版社自动控制原理自动控制原理 梅晓榕梅晓榕 科学出版社科学出版社4 4、现代控制系统（第十版）、现代控制系统（第十版） Richard C. Dorf Richard C. Dorf 高等教育高等教育 出版社出版社5 5、现代控制工程（第四版）、现代控制工程（第四版） katsuhiko ogata katsuhiko ogata 电子工业电子工业 出版社出版社这门课要解决什么问题？分析系统性能设计系统直流电动机速度控制系统直

2、流电动机速度控制系统控制目标是使电动机稳定在要求的转速上运行控制目标是使电动机稳定在要求的转速上运行1.1 引言引言通过调节Ug的大小，实现对电机转速的控制。由Ug和Uf的差值决定放大器的输出，从而控制电机转速。热力系统控制系统热力系统控制系统控制目标是使流出的热水保持一定的温度控制目标是使流出的热水保持一定的温度由蒸汽的进气量、冷水进水量和热水出水量共同决定水温。由给定水温和实际水温的差值决定蒸汽的进气量，从而控制水温。 自动控制： 自动控制是在没有人参与的情况下，系统的控制器自动地按照人预定的要求控制设备或过程，使之具有一定的状态和性能。 自动控制系统： 具有自动控制功能的系统称为自动控制

3、系统。1.2 1.2 自动控制系统示例自动控制系统示例离心式调速器1.2 1.2 自动控制系统示例自动控制系统示例电阻炉温度控制系统一、一、 按信号的传递路径来分类按信号的传递路径来分类 开环控制：开环控制： 闭环控制：闭环控制： 复合控制：同时引入开环和闭环控制复合控制：同时引入开环和闭环控制1.3 1.3 控制系统分类控制系统分类系统的输出端与输入端不存在反馈回路，系统的输出端与输入端不存在反馈回路，输出量对系统的控制作用不发生影响的系输出量对系统的控制作用不发生影响的系统统称为开环控制系统。称为开环控制系统。控制器控制器被控对象被控对象控制量控制量被控量被控量给定值r(t)u(t)y(t

4、)开环控制开环控制控制器控制器被控对象被控对象控制量控制量被控量被控量给定值给定值r(t)u(t)y(t)测量元件测量元件偏差偏差e(t) 如果系统的被控量直接或间接地参与控制，这种系统称为如果系统的被控量直接或间接地参与控制，这种系统称为闭环控制系统或反馈控制系统。闭环控制系统或反馈控制系统。 “ “闭环闭环” ” ，就是将输出信号通过测量元件反馈到系统的输，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。入端，通过比较、控制来减小系统误差。闭环控制（反馈控制）闭环控制（反馈控制）若反馈的信号与输入信号相减，使产生的偏差越来越若反馈的信号与输入信号相减，使产生的偏

5、差越来越小，则称为小，则称为负反馈负反馈；反之，则称为；反之，则称为正反馈。正反馈。反馈控制原理：利用输入量与反馈量之差（偏差）产反馈控制原理：利用输入量与反馈量之差（偏差）产生的控制作用，作用到被控对象，最终消除偏差。生的控制作用，作用到被控对象，最终消除偏差。优点：抗干扰能力强，稳态精度高、动态性能好、稳优点：抗干扰能力强，稳态精度高、动态性能好、稳定裕度大等等。定裕度大等等。控制器控制器被控对象被控对象控制量控制量被控量被控量给定值给定值r(t)u(t)y(t)测量元件测量元件偏差偏差e(t)反馈控制原理反馈控制原理12/ /BRRR(/ /)oCLvibevRRAvr 电压增益:晶体管

6、的参数易受温度影响而改变，因此电压增益Av的大小也易受温度影响。典型的共发射极放大电路典型的共发射极放大电路引入电流反馈的共发射极放大电路引入电流反馈的共发射极放大电路(/ /)(/ /)(1)(1)obCLCLvib bebFbeFvi RRRRAvi ri RrR 电压增益:(/ /)CLvFRRAR当(Rc| RL)和(1+ )RF的值远大于rbe时，该放大电路将具有较好的温度特性。复合控制复合控制 在系统中同时引进开环控制和闭环控制，这种系统称在系统中同时引进开环控制和闭环控制，这种系统称为复合控制系统。为复合控制系统。图1.8 复合控制系统控制器被控对象反馈环节扰动被控量控制量参考输

7、入控制器 1 1、恒值控制系统、恒值控制系统（或称自动调节系统、自动镇定系统）（或称自动调节系统、自动镇定系统） 特点：输入信号是一个恒定的数值。工业生产中的恒特点：输入信号是一个恒定的数值。工业生产中的恒 温、恒压等自动控制系统都属于这一类型。温、恒压等自动控制系统都属于这一类型。 二、按系统的控制作用来分类二、按系统的控制作用来分类LM78XX原理框图典型的恒压源原理图高压端输出端公共端输入反馈高压端输出端公共端 2 2、过程控制系统、过程控制系统（或称程序控制系统）（或称程序控制系统） 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

8、程序进行，要求被控量能迅速准确地复现输入，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。如化工中的压力、温度、流量控制。 恒值控制系统可看成输入等于常值的过程控制系统。恒值控制系统可看成输入等于常值的过程控制系统。 二、按系统的控制作用来分类二、按系统的控制作用来分类位移微型计算机放大器执行机构工作机床切削刀具反馈测量元件图纸数控加工设备原理图3 3、随动系统随动系统（或称伺服系统）（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，该系统要求有较好的跟踪能力。出量跟随输入信号变

9、化，该系统要求有较好的跟踪能力。 +_受信仪放大器减速器校正装置检测装置电机+火炮控制系统原理图 1 1、连续系统、连续系统 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普遍采用的常规仪表PID调节器控制的系统。调节器控制的系统。 2 2、离散系统、离散系统 特点：系统的某一处或几处信号以脉冲序列或数字形式传特点：系统的某一处或几处信号以脉冲序列或数字形式传递的控制系统。其中离散信号以脉冲形式传递的系统又叫脉递的控制系统。其中离散信号以脉冲形式传递的系统又叫脉冲控制系统，离散信号以数字形式传递的系统又叫数字控制冲控制系统

10、，离散信号以数字形式传递的系统又叫数字控制系统。系统。输入输出+_A DD A计算机放大器执行器被控对象反馈装置三、按系统传输信号的性质来分类三、按系统传输信号的性质来分类 1 1、线性系统、线性系统 特点：系统由线性元件构成，描述运动规律的数学模型为特点：系统由线性元件构成，描述运动规律的数学模型为线性微分方程。运动方程一般形式：线性微分方程。运动方程一般形式： -1-1-110-1( )( )( )( )nnnnnnnnd c tdc tdc taaaa c tdtdtdt-1-1-110-1( )( )( )( )mmmmmmmmdr tdr tdr tbbbb r tdtdtdt四、按

11、描述系统的数学模型不同来分类四、按描述系统的数学模型不同来分类 式中：式中：r(t)r(t)系统输入量；系统输入量； c(t)c(t)系统输出量系统输出量 主要特点是具有叠加性和齐次性。主要特点是具有叠加性和齐次性。特点：在构成系统的环节中有一个或一个以上的非线性特点：在构成系统的环节中有一个或一个以上的非线性环节。环节。 非线性的理论研究远不如线性系统那么完整，目前尚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。无通用的方法可以解决各类非线性系统。其他的分类方法：其他的分类方法： 按功能来分：按功能来分： 温度控制系统、速度控制系统、温度控制系统、速度控制

12、系统、 位置控系统等。位置控系统等。 按元件组成分：机电系统、液压系统、生物系统等。按元件组成分：机电系统、液压系统、生物系统等。2 2、非线性系统、非线性系统 四、按描述系统的数学模型不同来分类四、按描述系统的数学模型不同来分类 分类小结分类小结闭环系统开环系统按传递路径.1随动系统程序控制系统恒值控制系统按控制作用. 2离散系统连续系统按信号性质. 3非线性系统线性系统按数学模型. 41.4 控制系统的组成控制系统的组成控制系统的组成：输入部分、控制系统部分和输出部分。控制系统的组成：输入部分、控制系统部分和输出部分。 给定给定( (控制量控制量) )：给出与期望的被控量相对应的系统输入量

13、。给出与期望的被控量相对应的系统输入量。 被控制量：被控制量：要求控制的一个物理量要求控制的一个物理量, ,也就是系统输出量。也就是系统输出量。 测量元件测量元件：测量被控制量，其精确度直接影响系统的控制精：测量被控制量，其精确度直接影响系统的控制精度。度。 比较元件比较元件：比较给定与反馈量以产生偏差信号。：比较给定与反馈量以产生偏差信号。 放大元件放大元件：放大微弱的偏差信号，使其具有足够大的幅值和：放大微弱的偏差信号，使其具有足够大的幅值和功率。功率。 执行元件执行元件: :驱动被控制对象以产生按控制信号变化规律而变驱动被控制对象以产生按控制信号变化规律而变化的被控制信号。化的被控制信号

14、。 校正元件校正元件：亦称补偿元件，它是结构或参数便于调整的元件，：亦称补偿元件，它是结构或参数便于调整的元件，用串联或反馈的方式连接在系统中，以改善系统性能。用串联或反馈的方式连接在系统中，以改善系统性能。名词术语名词术语用用“”号代表比较元件，号代表比较元件，“”号代表符号相反，号代表符号相反，“+”号代表符号相同。号代表符号相同。 输输入入输输出出串串联联补补偿偿元元件件放放大大元元件件执执行行元元件件被被控控对对象象反反馈馈补补偿偿元元件件反反馈馈控控制制系系统统基基本本组组成成测测量量元元件件局局部部反反馈馈主主反反馈馈为为改改善善系系统统性性能能+-控制系统的组成和一般形式控制系统

15、的组成和一般形式水箱水位的手动控制水箱水位的手动控制指出该系统中的：指出该系统中的：给定、被控制量、比较元件、给定、被控制量、比较元件、放大元件、放大元件、 执行元件、被控执行元件、被控对象、测量元件。对象、测量元件。希 望 液 位实实际际液液位位肌肌肉肉、手手阀阀 门门水水 箱箱眼眼 睛睛（ III） 相 对 应 的 人 工 操 纵 系 统 方 块 图 脑 控制目标：要求水池的水位恒定在期望的数值上控制目标：要求水池的水位恒定在期望的数值上1、分别指出该系统中的、分别指出该系统中的被控对象、测量元件、被控对象、测量元件、 执行元件、给定、被控制执行元件、给定、被控制量量H控控制制器器（比比较

16、较、放放大大）Q1浮浮子子Q2气气动动阀阀门门 控制目标：要求水池的水位恒定在期望的数值上。控制目标：要求水池的水位恒定在期望的数值上。“负反馈”是万能钥匙？1.5 1.5 控制系统的基本要求控制系统的基本要求而惯性的存在，使得反馈控制系统的输出并不是那么“理想”。r(t)=1(t)为输入量（给定），理想输出量（被控制量）c0(t)=1(t)。()r tt1()c t2()c t3()c t实际的输出量（被控制量）可能为0()c tc1(t) 、c2(t) 和c3(t)。( )r t( )e t( )c t)(0sG)(sGc( )m t( )H s1.5 1.5 控制系统的基本要求控制系统的

17、基本要求 稳定性稳定性：是指系统在外扰动力去掉后能够恢复到原平衡状：是指系统在外扰动力去掉后能够恢复到原平衡状态的能力。即输出量偏离平衡状态后应该随时间收敛并且态的能力。即输出量偏离平衡状态后应该随时间收敛并且最后回到初始的平衡状态。系统不稳定最后回到初始的平衡状态。系统不稳定, ,系统就不能正常系统就不能正常运行，可能造成系统的彻底损坏，引起重大事故，稳定性运行，可能造成系统的彻底损坏，引起重大事故，稳定性的要求是系统工作的首要条件。的要求是系统工作的首要条件。 快速性快速性：在系统稳定的前提下，输出量与给定输入量之间：在系统稳定的前提下，输出量与给定输入量之间产生偏差时，消除这种偏差过程的

18、快速程度。产生偏差时，消除这种偏差过程的快速程度。 平稳性平稳性：是指过渡过程平稳：是指过渡过程平稳 准确性准确性：亦称静态精度，是指在调整过程结束后输出量与：亦称静态精度，是指在调整过程结束后输出量与给定的输入量之间的偏差，即稳态误差。给定的输入量之间的偏差，即稳态误差。2 2）根据对系统性能的要求，如何）根据对系统性能的要求，如何合理地设计校正装置，使系统的性合理地设计校正装置，使系统的性能能全面地满足技术上的要求。能能全面地满足技术上的要求。1 1）对于一个具体的控制系统，如何）对于一个具体的控制系统，如何从理论上对它的动态性能和稳态精从理论上对它的动态性能和稳态精度进行定性的分析和定量的计算。度进行定性的分析和定量的计算。1.6 1.6 本课程任务和内容本课程任务和内容2 2）分析系统的性能：稳分析系统的性能：稳定性、快速与平稳性和定性、快速与平稳性和准确性。准确性。1 1）建立控制系统的数学模型（第二章）建立控制系统的数学模型（第二章）1.6 1.6 本课程任务和内容本