自动控制原理与应用(第1章-绪论)

1、自动控制原理与应用主编:梁南丁自动控制原理与应用第1章 绪 论-梁南丁第1章 绪论1.1 自动控制理论概述 1.2 自动控制系统的基本概念1.3 自动控制系统的分类1.4 对自动控制系统的基本要求1.5 自动控制系统实例分析1.6 小结1.1 自动控制理论概述经典控制理论 ( 19世纪初 ) 时域法 复域法 (根轨迹法) 频域法 现代控制理论 ( 20世纪60年代 ) 线性系统 自适应控制 最优控制 鲁棒控制 最佳估计 容错控制 系统辨识 集散控制 大系统复杂系统智能控制理论 ( 20世纪70年代 ) 专家系统 模糊控制 神经网络 遗传算法1.1 自动控制理论概述自动控制理论的发展过程1.2

2、自动控制系统的基本概念 1.2.1 自动控制系统的基本原理自动控制:在无人直接参与的情况下，利用控制装置，使工作机械、或生产过程（被控对象）的某一个物理量（被控量如:如温度、压力、流量、速度、pH值等）按预定的规律（给定量）运行。自动控制系统: 实现上述控制目的，由相互制约的各部分按一定规律组成的具有特定功能的整体.1.2.2 自动控制系统的控制方式 1. 开环控制 2. 闭环控制 3. 复合控制 1.开环控制 开环控制系统是指被控量对控制过程无影响的系统，控制信号的传递方向只有顺向没有反向。也就是说，控制作用的传递路径不是完全闭合的，故称为开环控制系统。这种控制方式需要控制的是被控量，而系统

3、可以调节的只是给定值，系统的信号由给定值至被控量单向传递。 例1 转台速度开环控制系统这种转台在C D 机、计算机磁盘驱动器等许多现代装置中广泛应用.给定速度实际转速系统结构图:放大器直流电动机转台例2 水温人工控制系统手动调节阀门的开度，从而调节蒸汽的流量,来控制水的温度.结构简单，稳定性好，容易设计和调整以及成本较低的优点，对那些负载恒定，扰动小，控制精度要求不高的实际系统，是有效的控制方式。开环控制的特点：2闭环控制当速度受扰动发生变化时，偏差电压也随之变化，通过闭环调节能消除干扰。 闭环控制又称为反馈控制或按偏差控制。 与给定信号比较产生偏差电压，经过功率放大后对电动机的速度进行闭环控

4、制.测速机偏差预期速度实际转速放大器_直流电动机转台系统结构图例3 水温自动控制系统 通过电机调节阀门的开度从而调节蒸汽流入，控制水的温度. 实现没有人直接参入的自动水温控制.控制器温度检测 为了方便地分析系统性能，一般用框图来表示系统的结构，水温自动控制系统可用框图表示为： 要使自动控制系统满足工程实际的需要 , 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。特别是被控对象运动规律实际温度偏差反馈量预期温度_控制器执行机构阀门水箱控制器水温自动控制控制系统方框图.1.2.3 闭环控制系统的组成 被控对象控制系统 测量元件 比较元件 控制装置 放大元件 执行机构 校正装置 给定元件例 4

5、 炉温控制系统 炉温控制系统方框图炉温控制系统方框图闭环控制的特点:在这种（闭环）系统中，测量元件测的是被控量（转速n），所以，无论任何因素，只要n变化，就可以自动调节，消除或减小这种变化。（1）系统的控制信号是给定值与反馈量的差值，故称为按偏差控制或反馈控制。（2）闭环系统有两种传输通道：前向通道和反馈通道。（3）能减小或消除由扰动形成的偏差，具有较高的控制精度和较强的抗扰能力。自动控制原理中主要讨论闭环控制系统。反馈是控制的精髓方框图中各符号的意义元部件 信号（物理量）及传递方向比较点引出点表示负反馈 方框图中的符号 下图（）是一个液位自动控制系统原理图。在这里，自动控制器通过比较实际液位

6、与希望液位，并通过调整气动阀门的开度，对误差进行修正，从而保持液位不变。图（）是该控制系统的方框图。试画出相应的人工操纵液位控制系统方块图图()。1.2.4 自动控制系统控制器：比较、放大的作用浮子：液面高度的反馈元件 Q2为系统的干扰量气动阀门：执行机构被控对象：水箱开环控制系统与闭环控制系统 开环控制系统特点：1. 信号从输入到输出无反馈,单向传递. 2. 控制精度不高,无法抑制扰动.闭环控制系统特点: 1. 有反馈回路; 2. 控制精度高,自动纠偏1.3 控制系统的分类 1.按输入信号变化的规律 恒值系统/ 随动系统/程序控制系统 2.按信号传递的形式 连续系统 /离散系统3.按系统是否

7、满足叠加原理 线性系统/非线性系统4.按系统参数是否随时间变化 定常系统/时变系统5.按输入输出变量的多少 单变量系统/多变量系统恒值控制系统（或称自动调节系统） 特点：输入信号是一个恒定的数值。恒值控制系统主要研究各种干扰对系统输出的影响以及如何克服这些干扰随动控制系统（或称伺服系统） 特点：输入信号是一个未知函数，要求输出量跟随给定量变化。程序控制系统 特点：输入信号是一个已知的时间函数，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。 1) 按输入信号变化的规律分类2) 按变量的时间特性分类 连续时间控制系统 系统各部分的信号是模拟的连续函数 例：工业中普遍采用的常规控制仪表

8、PID调节器控制的系统 离散时间控制系统 系统的某一处或几处，信号以脉冲序列或数码的形式传递的控制系统 例 计算机控制系统 3) 按系统是否满足叠加原理分类 线性控制系统 输入与输出成正比，可用叠加原理 用线性数学模型描述 非线性控制系统 输入与输出不成正比，不可用叠加原理 用非线性数学模型描述 非线性系统:在构成系统的环节中有一个或一个以上的非线性环节典型非线性特性:饱和特性、死区性、间隙特性、继电特性、磁滞特性等。1.4 对自动控制系统的基本要求阶跃信号是最常用的典型的系统性能测试信号 tr(t) R-单位阶跃 函 数阶跃信号对系统性能的基本要求有三个方面即:稳定性、准确性、快速性一、稳定

9、性扰动信号作用下 的不稳定系统:不稳定的系统是无法正常工作的。 系统受外作用力经过一段时间，其被控量达到某一稳定状态，则系统是稳定的。否则为不稳定的。d(t)t0c(t)d(t) 一个能在生产实际中应用的系统,不仅应具有稳定性,而且在动态过程中的震荡也不能过于强烈.二、准确性由输入给定值与输出响应的终值之间的差值ess大小表征。 它反映了系统的稳态精度。若系统最终的误差为零，则称为无差系统，否则为有差系统。r(t)t0c(t)essc(t)r(t)三、快速性通过动态过程时间长短表征快速性。过渡过程时间越短，表明快速性越好。反之亦然。快速性表明了系统输出对输入响应的快慢程度r(t)t0c(t)r

10、(t)c1(t)c2(t)t1t2(1)稳定性-自动控制系统的最基本的要求(2)准确性-即要求动态误差和稳态误差 都越小越好。(3)快速性-在系统稳定的前提下，希望控制过程（过渡过程）进行得越快越好，但如果要求过渡过程时间很短，可能使动态误差（偏差）过大。合理的设计应该兼顾这两方面的要求。 对自动控制系统性能的要求自动控制系统被控量变化的动态特性(a)单调过程 (b)衰减振荡过程(c)等幅振荡过程 (d)渐扩振荡过程1.5自动控制系统实例分析实例1 有一发电机-电动机调速系统如图所示。其工作原理是操纵者转动操纵电位计的手柄，可使电位计的输出电压Ur改变大小和方向。经前置放大器和直流发电机两极放

11、大，使加在伺服电机上的端电压也随之改变大小和方向。从而使负载具有所要求的转速。试说明该系统的给定值、被控量和干扰量，并画出方块图。 实例2.家用电冰箱温控系统控制器设定温度与冰箱比较，产生偏差值，当偏差电压达到使继电器接通时，压缩机工作，将蒸发器中高温低压气态制冷液送制冷却器散热，降温后的低温低压制冷液压缩成高压液态进入蒸发器，急速降压扩散成气体，吸收箱体内热量，使冰箱温度下降，如此循环操作，使箱体温度达到希望温度，此时继电器断开，压缩机停止工作。 家用冰箱恒温系统的方框图 实例3.锅炉液位控制系统 当蒸汽的耗汽量与锅炉进水量相等时，液位保持在正常标准值。当过锅炉给水量不变，而蒸汽负荷发生变化

12、时，液位也相应发生变化；或者当蒸汽负荷不变，而给水管道水压发生变化时，引起锅炉液位发生变化。但 只要实际液位高度与正常给定液位之间出现偏差时，调节器均应立即进行控制，去开大或者关小给水阀门，使液位恢复到给定值。 锅炉液位控制系统的方框图 实例4.龙门刨床速度控制系统 图示为龙门刨床速度控制系统。当负载发生变化时，如何控制速度。 例如:：龙门刨床速度控制系统的方框图 自动控制系统应用（一）自动控制系统应用（二）自动控制系统应用（三）本章小结 自动控制理论分为经典控制理论、现代控制理论和智能控制理论自动控制系统的组成及其方框图,自动控制系统的分类方法自动控制理论中常用的术语：被控对象，参考输入信号