自动控制原理课件黄坚第一章

第一章概述第二节自动控制系统的分类第一节自动控制与自动控制系统第四节自动控制理论发展简述第三节对控制系统性能的要求第一章概述1本章重点自动控制的任务；自动控制的基本方式；控制过程及性能要求；2第一节自动控制与自动控制系统一、自动控制的基本概念二、控制系统的基本构成及控制方式第一章概述3第一节自动控制与自动控制系统一、自动控制的基本概念自动控制：

自动控制系统控制装置受控对象在无人直接参与下，利用控制装制操纵受控对象，使受控对象的被控量按给定信号变化。控制器给定值检测元件受控对象被控量自动控制示意图分析和设计自动控制系统的性能。自动控制原理的主要任务：4在自动控制技术中，把被控的设备或过程称为被控对象，把被控制的物理量称为被控量，决定被控量的物理量称为给定值或控制量（或参考输入）。控制的任务可概括为：克服扰动量的影响，使被控对象的被控量等于给定值。5下面通过具体例子来说明自动控制和自动控制系统的概念控制器气动阀门流入Q1浮子水箱流出Q2H水位自动控制系统6控制任务：维持水箱内水位恒定；控制装置：气动阀门、控制器；受控对象：水箱、供水系统；被控量：水箱内水位的高度；7给定值：控制器刻度盘指针标定的预定水位高度；测量装置：浮子；比较装置：控制器刻度盘；干扰：水的流出量和流入量的变化都将破坏水位保持恒定；8例水温自动控制系统系统组成：控制器电机加入给定信号工作原理：检测实际温度产生控制信号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.实现没有人直接参与的自动水温控制.第一节自动控制与自动控制系统由此可见：自动控制即没有人直接参与的控制，其基本任务是：在无人直接参与情况下，只利用控制装置操纵被控对象，使被控制量等于给定值。9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: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。实际温度偏差反馈量预期温度_控制器执行机构阀门水箱第一节自动控制与自动控制系统10二、自动控制系统的基本构成及控制方式1．开环控制有顺向作用而无反向联系.自动控制系统一般有两种基本控制方式.开环控制控制装置与受控对象之间只第一节自动控制与自动控制系统按给定值操纵的开环控制；按干扰补偿的开环控制。11计算执行受控对象给定值干扰被控量按给定值操纵的系统原理方块图一、按给定值操纵的开环控制12炉温控制系统炉温控制系统原理方框图13例转台速度开环控制系统这种转台在CD机、计算机磁盘驱动器等现代装置中广泛应用.转台电机电源和放大装置速度设置系统组成：由图可见：被控制量速度没有反馈到输入端与给定信号比较,为开环控制系统。第一节自动控制与自动控制系统14预期速度实际转速直流电动机转台放大器转台速度开环控制系统结构图:15按给定值操纵的开环控制特点：控制装置只接受给定值来控制受控对象的被控量。优点：控制系统结构简单，相对来说成本低。缺点：对可能出现的被控量偏离给定值的偏差没有任何修正能力，抗干扰能力差，控制精度不高。16二、按干扰补偿的开环控制定义：利用干扰信号产生控制作用，以及时补偿干扰对被控量的直接影响。计算测量受控对象执行干扰被控量特点：只能对可测干扰进行补偿，不可测干扰以及受控对象、各功能部件内部参数变化对被控量的影响，系统自身无法控制。适用于：存在强干扰且变化比较剧烈的场合。17水位高度控制系统原理图水位高度控制系统原理方框图18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，故一般只能用于对控制性能要求较低的场合。开环控制的特点：

第一节自动控制与自动控制系统192．闭环控制有顺向作用，而且还有反向联系.闭环控制:控制装置与受控对象之间，不但闭环控制又称为反馈控制或按偏差控制。20测速机偏差反馈量预期速度实际转速直流电动机转台放大器_

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的影响。转台速度闭环控制系统结构图第一节自动控制与自动控制系统21例转速负反馈直流电动机调速系统直流电机测速发电机电源和放大装置负载系统组成：UnUf给定电压反馈电压e=Un-Uf转速取决于给定电压与反馈电压的差值。第一节自动控制与自动控制系统22调速系统结构图unufeudn_直流电动机放大器测速机由电网电压波动，负载变化以及其他部分的参数变化所引起的转速变化，都可以通过系统的自动调整加以抑制。n↓→Uf↓→e↑→Ud↑→n↑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。闭环控制系统具有的特点：第一节自动控制与自动控制系统233．复合控制测量出外部作用，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不受影响。前馈补偿控制复合控制具有两种基本形式.前馈补偿控制：复合控制：反馈控制+第一节自动控制与自动控制系统24(a)按输入前馈补偿的复合控制给定值被控制量_受控对象检测元件控制器前馈控制第一节自动控制与自动控制系统25(b)按扰动前馈补偿的复合控制检测元件_前馈控制扰动被控制量给定值受控对象控制器_第一节自动控制与自动控制系统26第二节自动控制系统的分类一、线性系统和非线性系统自动控制系统的分类方法较多，常见的有以下几种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；由非线性方程所描述的系统称为非线性系统。第一章概述27二、定常系统和时变系统定常系统:若系统线性微分方程的系数为常数，则称之为线性定常系统。此类系统为本书主要讨论对象。系统数学模型微分方程的系数不是时间变量的函数。否则称为时变系统。第二节自动控制系统的分类28三、连续系统和离散系统连续系统：系统中各部分的信号都是时间的连续函数即模拟量。离散系统：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。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。第二节自动控制系统的分类29四、恒值系统、随动系统和程序控制系统系统的给定值为一定值，而控制任务就是克服扰动，使被控量保持恒值。例如：电机速度控制、恒温、恒压、水位控制系统等。恒值系统：第二节自动控制系统的分类30随动系统：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值变化。第二节自动控制系统的分类程序控制系统：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。31第三节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。二、快速性一、稳定性三、准确性第一章概述32

系统受外作用力后,其动态过程的振荡倾向和系统恢复平衡的能力。一、稳定性第三节对控制系统性能的要求稳定性：如果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。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(a)给定信号作用c(t)(b)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。33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。二、快速性第三节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的快慢程度34由输入给定值与输出响应的终值之间的差值ess大小表征。三、准确性第三节对控制系统性能的要求r(t)t0c(t)r(t)c(t)ess35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,若过分强调某方面的性能,则可能会使其他方面的性能受到影响.怎样根据工作任务的不同,分析和设计自动控制系统，使其对三方面的性能有所侧重，并兼顾其它正是自控原理课程要解决的问题。第三节对控制系统性能的要求36

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、控制目标和控制手段以及它们之间的相互作用。第四节

自动控制理论发展简述第一章概述37具有“自动”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析，于1868年发表的论文当属最早的理论工作。从20世纪20年代到40年代形成了以时域法，频率法和根轨迹法为支柱的“古典”控制理论。第四节

自动控制理论发展简述3860年代以来，随着计算机技术的发展和航天等高科技的推动，又产生了基于状态空间模型的所谓“现代”控制理论。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，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控制。第四节

自动控制理论发展简述39第四节

自动控制理论发展简述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化，即具有鲁棒性。这是当前的重要前沿课题之一。40第四节

自动控制理论发展简述另外，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