自动控制原理及其应用的课件第一章

1、第一章 概述第二节第二节 自动控制系统的分类自动控制系统的分类第一节第一节 自动控制与自动控制系统自动控制与自动控制系统第四节第四节 自动控制理论发展简述自动控制理论发展简述第三节第三节 对控制系统性能的要求对控制系统性能的要求第一章第一章 概述概述第一节第一节 自动控制与自动控制系统自动控制与自动控制系统一、自动控制的基本概念一、自动控制的基本概念二、控制系统的基本构成二、控制系统的基本构成 及控制方式及控制方式第一章第一章 概述概述一、自动控制的基本概念一、自动控制的基本概念自动控制自动控制： 自动控制系统自动控制系统控制装置控制装置受控对象受控对象 在无人直接参与下，利用控制装操纵在无人

2、直接参与下，利用控制装操纵受控对象，使受控对象的被控量按给定信受控对象，使受控对象的被控量按给定信号变化号变化。 控制器控制器给定值给定值 检测元件检测元件 受控对象受控对象被控量被控量 自动控制示意图自动控制示意图分析和设计自动控制系统分析和设计自动控制系统的性能。的性能。自动控制原理的主要任务自动控制原理的主要任务：例例 水温自动控制系统水温自动控制系统系统中增加了：系统中增加了：控制器控制器电机电机加入给定信号加入给定信号工作原理：工作原理：检测实际温度检测实际温度产生控制信号产生控制信号 通过电机调通过电机调节阀门的开度节阀门的开度 从而调节蒸从而调节蒸汽流入，控制汽流入，控制水的温度

3、水的温度. 实实现没有人直接现没有人直接参入的自动水参入的自动水温控制温控制. 为了方便地分析系统性能，一般用为了方便地分析系统性能，一般用框图来表示系统的结构，如图所示框图来表示系统的结构，如图所示: 要使自动控制系统满足工程实际的需要使自动控制系统满足工程实际的需要要 , 必须研究自动控制系统的结构参数与必须研究自动控制系统的结构参数与系统性能之间的关系。系统性能之间的关系。实际实际温度温度偏差偏差反馈量反馈量预期预期温度温度_控制器控制器执行机构执行机构阀门阀门水箱水箱二、自动控制系统的基本构成二、自动控制系统的基本构成及控制方式及控制方式1开环控制开环控制有顺向作用而无反向联系有顺向作

4、用而无反向联系.自动控制系统一般有两种基本控制自动控制系统一般有两种基本控制方式方式.开环控制开环控制控制装置与受控对象之间只控制装置与受控对象之间只例例 转台速度开环控制系统转台速度开环控制系统 这种转台在这种转台在CD机、计算机磁盘驱动器机、计算机磁盘驱动器等现代装置中广泛应用等现代装置中广泛应用.转台转台 电机电机电源和放电源和放 大装置大装置速度设置速度设置系统组成：系统组成：由图可见：由图可见： 被控制量速被控制量速度没有反馈到度没有反馈到输入端与给定输入端与给定信号比较信号比较,为开为开环控制系统。环控制系统。预期速度预期速度实际转速实际转速直流电动机直流电动机转台转台放大器放大器

5、 系统结构和控制过程均很简单，但抗系统结构和控制过程均很简单，但抗扰能力差，控制精度不高，故一般只能用扰能力差，控制精度不高，故一般只能用于对控制性能要求较低的场合。于对控制性能要求较低的场合。 转台速度开环控制系统结构图转台速度开环控制系统结构图:开环控制的特点：开环控制的特点： 2闭环控制闭环控制 有顺向作用，而且还有反向联系有顺向作用，而且还有反向联系.闭环控制闭环控制: 闭环控制又称为闭环控制又称为反馈控制反馈控制或或按偏差控制按偏差控制。 控制装置与受控对象之间，不但控制装置与受控对象之间，不但 测速机测速机偏差偏差反馈量反馈量预期速度预期速度实际转速实际转速直流电动机直流电动机转台

6、转台放大器放大器_ 当实际速度受扰动的影响发生变化时当实际速度受扰动的影响发生变化时，通过系统的调节，从而消除扰动对速度，通过系统的调节，从而消除扰动对速度的影响。的影响。转台速度闭环控制系统结构图转台速度闭环控制系统结构图例例 转速负反馈直流电动机调速系统转速负反馈直流电动机调速系统直流电机直流电机测速发电机测速发电机电源和放电源和放 大装置大装置负载负载系统组成：系统组成：UnUf给定电压给定电压反馈电压反馈电压e=Un-Uf 转速取决转速取决于给定电压于给定电压与反馈电压与反馈电压的差值。的差值。 调速系统结构图调速系统结构图unufeudn_直流电动机直流电动机放大器放大器测速机测速机

7、 由电网电压波动，负载变化以及其他由电网电压波动，负载变化以及其他部分的参数变化所引起的转速变化，都可部分的参数变化所引起的转速变化，都可以通过系统的自动调整加以抑制。以通过系统的自动调整加以抑制。 nUf eUd n 减小或消除由于扰动所形成的偏差值，减小或消除由于扰动所形成的偏差值，具有较高的控制精度和较强的抗扰能力。具有较高的控制精度和较强的抗扰能力。闭环控制系统具有的特点：闭环控制系统具有的特点：3复合控制复合控制 测量出外部作用，形成与外部作用相测量出外部作用，形成与外部作用相反的控制量与外部作用共同使被控量基本反的控制量与外部作用共同使被控量基本不受影响。不受影响。前馈补偿控制前馈

8、补偿控制复合控制具有两种基本形式复合控制具有两种基本形式.前馈补偿控制：前馈补偿控制：复合控制：复合控制：反馈控制反馈控制+(a) 按输入前馈补偿的复合控制按输入前馈补偿的复合控制给定值给定值被控制量被控制量_受控对象受控对象检测元件检测元件控制器控制器前馈控制前馈控制(b) 按扰动前馈补偿的复合控制按扰动前馈补偿的复合控制检测元件检测元件_前馈控制前馈控制扰动扰动被控制量被控制量给定值给定值受控对象受控对象控制器控制器_第二节自动控制系统的分类第二节自动控制系统的分类一、线性系统和非线性系统一、线性系统和非线性系统 自动控制系统的分类方法较多，常自动控制系统的分类方法较多，常见的有以下几种见

9、的有以下几种 由线性微分方程或线性差分方程所由线性微分方程或线性差分方程所描述的系统称为线性系统；由非线性方描述的系统称为线性系统；由非线性方程所描述的系统称为非线性系统。程所描述的系统称为非线性系统。第一章第一章 概概 述述二、定常系统和时变系统二、定常系统和时变系统定常系统定常系统: 若系统微分方程的系数为常数，则若系统微分方程的系数为常数，则称之为线性定常系统。此类系统为本书称之为线性定常系统。此类系统为本书主要讨论对象。主要讨论对象。 系统数学模型微分方程的系数不是系统数学模型微分方程的系数不是时间变量的函数。时间变量的函数。否则称为时变系统。否则称为时变系统。第二节自动控制系统的分类

10、第二节自动控制系统的分类三、连续系统和离散系统三、连续系统和离散系统连续系统：连续系统： 系统中各部分的信号都是时间的连续系统中各部分的信号都是时间的连续函数即模拟量。函数即模拟量。离散系统：离散系统： 系统中有一处或多处信号为时间的系统中有一处或多处信号为时间的离散函数，如脉冲或数码信号。离散函数，如脉冲或数码信号。 若系统中既有模拟量也有离散信号，若系统中既有模拟量也有离散信号，则又可称之为采样系统。则又可称之为采样系统。第二节自动控制系统的分类第二节自动控制系统的分类四、恒值系统、随动系统和四、恒值系统、随动系统和 程序控制系统程序控制系统 系统的给定值为一定值，而控制任系统的给定值为一

11、定值，而控制任务就是克服扰动，使被控量保持恒值。务就是克服扰动，使被控量保持恒值。 例如：电机速度控制、恒温、恒压、例如：电机速度控制、恒温、恒压、 水位控制系统等。水位控制系统等。 恒值系统：恒值系统： 第二节自动控制系统的分类第二节自动控制系统的分类随动系统：随动系统： 系统给定值按照事先不知道的时系统给定值按照事先不知道的时间函数变化，并要求被控量跟随给定间函数变化，并要求被控量跟随给定值变化。值变化。第二节自动控制系统的分类第二节自动控制系统的分类程序控制系统：程序控制系统： 系统的给定值按照一定的时间函系统的给定值按照一定的时间函数变化，并要求被控量随之变化。数变化，并要求被控量随之

12、变化。第三节第三节 对控制系统性能的要求对控制系统性能的要求 常见的评价系统优劣的性能指标是常见的评价系统优劣的性能指标是从动态过程中定义出来的。对系统性能从动态过程中定义出来的。对系统性能的基本要求有三个方面。的基本要求有三个方面。 二、快速性二、快速性一、稳定性一、稳定性三、准确性三、准确性第一章第一章 概概 述述 系统受外作用力后系统受外作用力后,其动态过程的振其动态过程的振荡倾向和系统恢复平衡的能力。荡倾向和系统恢复平衡的能力。一、稳定性一、稳定性第三节第三节 对控制系统性能的要求对控制系统性能的要求稳定性：稳定性： 如果系统受外作用力经过一段时间如果系统受外作用力经过一段时间，其被控

13、量达到某一稳定状态，则系统，其被控量达到某一稳定状态，则系统是稳定的。是稳定的。否则为不稳定的。否则为不稳定的。稳定系统的动态过程稳定系统的动态过程r(t)t0c(t)1r(t)c(t)不稳定系统的动态过程不稳定系统的动态过程(a) 给定信号作用给定信号作用c(t)(b) 扰动信号作用扰动信号作用d(t)t0c(t)r(t)t0c(t)r(t)c(t)d(t) 不稳定的系统是无法正常工作的。不稳定的系统是无法正常工作的。 通过动态过程时间长短表征。时间通过动态过程时间长短表征。时间越短，表明快速性越好，反之亦然。越短，表明快速性越好，反之亦然。二、快速性二、快速性第三节第三节 对控制系统性能的

14、要求对控制系统性能的要求r(t)t0c(t)r(t)c1(t)c2(t) 快速性表明了系统输出对输入响应快速性表明了系统输出对输入响应的快慢程度的快慢程度 由输入给定值与输出响应的终值由输入给定值与输出响应的终值之间的差值之间的差值ess大小表征。大小表征。三、准确性三、准确性第三节第三节 对控制系统性能的要求对控制系统性能的要求r(t)t0c(t)r(t)c(t)ess 稳定性、快速性和准确性往往是互稳定性、快速性和准确性往往是互相制约的。在设计与调试的过程中相制约的。在设计与调试的过程中,若过若过分强调某方面的性能分强调某方面的性能,则可能会使其他方则可能会使其他方面的性能受到影响面的性能

15、受到影响. 怎样根据工作任务的不同怎样根据工作任务的不同,分析和设分析和设计自动控制系统，使其对三方面的性能有计自动控制系统，使其对三方面的性能有所侧重所侧重 ，并兼顾其它正是自控原理课程，并兼顾其它正是自控原理课程要解决的问题。要解决的问题。第三节第三节 对控制系统性能的要求对控制系统性能的要求 自动控制理论研究的是如何按受控对自动控制理论研究的是如何按受控对象和环境特征，通过能动地采集和运用信象和环境特征，通过能动地采集和运用信息，施加控制作用使系统在不确定的条件息，施加控制作用使系统在不确定的条件下正常运行并具有预定功能。它是研究自下正常运行并具有预定功能。它是研究自动控制共同规律的技术

16、科学，其主要内容动控制共同规律的技术科学，其主要内容涉及受控对象、环境特征、控制目标和控涉及受控对象、环境特征、控制目标和控制手段以及它们之间的相互作用。制手段以及它们之间的相互作用。第四节第四节 自动控制理论发展简述自动控制理论发展简述第一章第一章 概概 述述 具有具有“自动自动”功能的装置自古有之功能的装置自古有之，瓦特发明的蒸汽机上的离心调速器是比，瓦特发明的蒸汽机上的离心调速器是比较自觉地运用反馈原理进行设计并取得成较自觉地运用反馈原理进行设计并取得成功的首例。麦克斯韦对它的稳定性进行分功的首例。麦克斯韦对它的稳定性进行分析，于析，于1868年发表的论文当属最早的理论年发表的论文当属最

17、早的理论工作。从工作。从20世纪世纪20年代到年代到40年代形成了以年代形成了以时域法，频率法和根轨迹法为支柱的时域法，频率法和根轨迹法为支柱的“古古典典”控制理论。控制理论。第四节第四节 自动控制理论发展简述自动控制理论发展简述 60年代以来，随着计算机技术的发年代以来，随着计算机技术的发展和航天等高科技的推动，又产生了基于展和航天等高科技的推动，又产生了基于状态空间模型的所谓状态空间模型的所谓“现代现代”控制理论。控制理论。 随着自动化技术的发展，人们力求随着自动化技术的发展，人们力求使设计的控制系统达到最优的性能指标，使设计的控制系统达到最优的性能指标，为了使系统在一定的约束条件下，其某

18、项为了使系统在一定的约束条件下，其某项性能指标达到最优而实行的控制称为最优性能指标达到最优而实行的控制称为最优控制。控制。第四节第四节 自动控制理论发展简述自动控制理论发展简述第四节第四节 自动控制理论发展简述自动控制理论发展简述 当对象或环境特性变化时，为了使当对象或环境特性变化时，为了使系统能自行调节，以跟踪这种变化并保持系统能自行调节，以跟踪这种变化并保持良好的品质，又出现了自适应控制。良好的品质，又出现了自适应控制。 各种理论中仍是古典频率法最为适各种理论中仍是古典频率法最为适用。真正优良的设计必须允许模型的结用。真正优良的设计必须允许模型的结构和参数不精确并可能在一定范围内变构和参数不精确并可能在一定范围内变化，即具有鲁棒性。这是当前的重要前化，即具有鲁棒性。这是当前的重要前沿课题之一。沿课题之一。第四节第四节 自动控制理论发展简述自动控制理论发展简述 另外，使理论实用化的一个重要途另外，使理论实用化的一个重要途径就是数学模拟（仿真）和计算机辅助径就是数学模拟（仿真）和计算机辅助设计（设计（CAD）。）。 近年来，在非线性系统理论、离散近年来，在非线性系统理论、离散事件系统、大系统和复杂系统理论等方面事件系统、大系统和复杂系统理论等方面均有不同程度的发展。智能控制也得到了均有不同程度的发展。智能控制也得到了很快的发展，它主要包括专家系统、模糊很快的发展