课件-2.1-自动控制概述与性能指标

第2章·自动控制理论和应用2.1自动控制概述与性能指标从人工控制到自动控制——用稳、准、快三把尺子衡量一个系统本节知识链基本概念→四步分析→五大案例→系统分类→过渡过程→品质指标2.1.1自动控制系统的基本概念|2.1.2自动控制系统的基本要求机电系统控制原理及应用·数字教材配套授课课件本节导图2.1自动控制概述与性能指标·内容与知识主线数字教材第2章·2.1自动控制概述与性能指标配套授课课件0201自动控制系统的基本概念控制与自动控制的定义；系统由被控对象与控制装置两部分组成；12个核心术语；五大应用案例与系统分类。02读案例的统一方法控制目标→六大组成→术语对应→控制过程：同一框架下看直流电机、数控机床、机器人关节、无人机与AMR。03自动控制系统的基本要求稳定性（稳）、准确性（准）、快速性（快）；三项要求各用一对阶跃响应曲线对比。04过渡过程与品质指标阶跃响应五种基本形式；余差、最大偏差、超调量、调节时间、衰减比、振荡周期六项指标。05典型输入信号阶跃、斜坡（等速）、抛物线（等加速）、正弦、脉冲；实用上常以阶跃信号分析系统。主线·知识链概念与术语↓四步分析法↓五大案例↓系统分类↓稳准快与指标学习目标学完2.1，你将能够…数字教材第2章·2.1自动控制概述与性能指标配套授课课件03知识目标①说出控制、自动控制与自动控制系统的定义②说出系统的两部分组成与12个核心术语③记住“控制目标→六大组成→术语对应→控制过程”四步分析法④说出三种分类依据及各类系统的特点⑤解释为什么负反馈是自动控制的精髓⑥说出稳、准、快三大性能要求及其衡量指标⑦说出阶跃响应五种基本形式与稳定性判定⑧记住六项品质指标的定义与计算式⑨说出五种典型输入信号技能目标①能读懂闭环控制系统方框图②能用四步分析法拆解一个实际控制系统③能从过渡过程曲线上量取最大偏差、余差、衰减比、振荡周期与过渡时间④能用σ%=B/c(∞)×100%计算超调量⑤能判断一条阶跃响应曲线属于哪种基本形式素质目标①建立“不同设备、同一闭环”的系统思维②养成用曲线和指标说话、以数据验证的严谨习惯③体会最大偏差关系到设备安全工作的极值④关注自动控制技术在机电装备中的广泛应用⑤团队协作与工程规范意识本节关键自动控制系统=被控对象+控制装置，靠负反馈闭环工作；衡量它好不好，看稳、准、快，落到指标上就是余差、最大偏差、超调量、调节时间、衰减比与振荡周期。2.1.1自动控制系统的基本概念控制与自动控制的定义·系统组成·12个核心术语·五类应用案例·系统分类与负反馈基本概念→系统组成→核心术语→五大案例→系统分类机电系统控制原理及应用·数字教材配套授课课件知识储备什么是控制·自动控制·自动控制系统数字教材第2章·2.1自动控制概述与性能指标配套授课课件05控制为了改善系统的性能或达到特定的目的，通过信息采集和处理而施加到系统的作用。自动控制在没有人直接参与的情况下，利用控制装置使生产设备或生产过程在受到外界干扰偏离正常状态后，其工作状态或参数能够自动地按照预定的规律运行。自动控制系统为实现某一控制目标，将被控对象和控制装置按照一定的方式连接起来组成的一个有机整体。自动控制系统就在我们身边电饭煲自动门自动洗衣机交通红绿灯电梯机器人三个定义的落脚点“控制”是一种作用；“自动控制”强调没有人直接参与、并在受到外界干扰后仍按预定规律运行；“自动控制系统”则是实现控制目标的实体——被控对象+控制装置，按一定方式连接成有机整体。承上启下三个定义最终都汇到同一张方框图上：自动控制装置+被控对象，靠一条负反馈通路构成闭环。例题精讲例2-1电动机转速的控制对比数字教材第2章·2.1自动控制概述与性能指标配套授课课件06例2-1【题目】电动机转速的人工控制与自动控制对比人工控制过程：眼睛观察转速表→神经系统传给大脑→大脑比较目标值与指示值→双手改变电位器位置→反复调整保持转速。自动控制过程：测速传感器（如编码器）检测转速（相当于眼睛）→传感器检测到的转速与目标值比较产生偏差信号（相当于大脑）→输出信号调整执行器输出→自动保持目标转速。【解析】①人工控制靠人的三个器官：眼（检测）→脑（判断）→手（执行）。②自动控制用装置替代这三个作用：传感器（检测）→比较器/控制器（判断）→执行器（执行）。③两者的目标完全相同：让转速保持在目标值上。④自动控制装置替代了人工操作，提高了控制精度，减轻了劳动强度。结论：人的眼、脑、手分别担负检测、判断和执行三个作用，自动控制装置正是这三者的替代。例2-1图电动机转速的人工控制与自动控制过程对比要点自动控制=用控制装置替代人的“检测—判断—执行”，并自动保持被控变量按预定规律运行。教材图示自动控制系统的组成原理图数字教材第2章·2.1自动控制概述与性能指标配套授课课件07两部分·三类基本单元·一条负反馈闭环自动控制系统由自动控制装置和被控对象两部分组成。自动控制装置包括检测及变送装置（传感器）、控制器、执行机构等基本单元。它们与参考输入（设定值）和比较器一起构成负反馈闭环：①比较器比较设定值与测量值，产生偏差信号；②控制器按控制规律运算后，由执行机构作用于被控对象；③传感器将被控变量检测出来，并反馈回输入端。于是形成“检测→比较→控制→执行→反馈”的闭环控制。闭环的五个动作检测→比较→控制→执行→反馈传感器把被控变量测出来送回输入端，与设定值再次比较——如此循环往复，偏差不断被修正。自动控制系统的组成原理图主线检测→比较→控制→执行→反馈：这五个动作就是一切闭环系统的骨架。知识要点12个核心术语（上）：四个组成环节与两类变量数字教材第2章·2.1自动控制概述与性能指标配套授课课件08①被控对象需要控制其工艺变量的生产设备或机器（如电机、塔、反应器、泵等）。②检测及变送装置传感器把工艺变量转化为特定信号，变送器把特定信号变成标准统一信号。③控制器将传感变送器送来的信号与给定值比较，得到偏差信号并按一定运算规律确定控制信号。④执行机构接受控制器送来的信号，对被控对象产生直接的控制作用（如继电器、电磁铁、调节阀、电动机等）。⑤被控变量y(t)表征生产设备或过程运行状况是否正常而需要加以控制的变量（系统输出量）。⑥操纵变量q(t)受控制器操纵使被控变量回归到给定值的变量（执行器输出量）。记忆四个环节管“怎么控”，两个变量管“控什么、用什么控”——被控变量是输出，操纵变量是执行器的输出。知识要点12个核心术语（下）：五类信号与反馈数字教材第2章·2.1自动控制概述与性能指标配套授课课件09⑦干扰变量f操纵变量之外并能影响被控变量变化的各种外来因素（系统输入量）。⑧测量值z(t)由检测元件与变送器的输出信号值，用于指示和反馈。⑨设定值x(t)与控制要求（被控变量期望）相对应的信号值（系统输入量）。⑩偏差e(t)给定值与测量值之差。⑪控制信号p(t)控制器对偏差按一定控制规律运算处理后输出的信号。⑫反馈把系统的输出信号通过检测元件与变送器回送到系统输入端；反馈是自动控制的精髓，自动控制系统一般采用负反馈。记忆七类信号里只有y是输出量；x、f是输入量，z是检测结果，e=x−z，p是控制器的输出。教材图示自动控制系统核心术语框架图数字教材第2章·2.1自动控制概述与性能指标配套授课课件10自动控制系统核心术语框架图——以闭环方框图展示12个核心术语（4个组成环节、7类信号、负反馈），编号①~⑫对应教材原顺序先认环节方框里的四个环节：被控对象、检测及变送装置、控制器、执行机构。再认信号箭头上的七类信号：y(t)、q(t)、f、z(t)、x(t)、e(t)、p(t)。最后看反馈最下面一条从输出回到输入端的通路就是反馈，取负值与设定值相加。知识要点读案例的通用方法：四步分析法数字教材第2章·2.1自动控制概述与性能指标配套授课课件11①控制目标先问一句：这台设备最终要保证什么量处于期望状态？（转速/位置/角度/姿态/路径）②六大组成参考输入、比较器、控制器、执行器、被控对象、传感器——任何闭环系统都能拆成这六块。③术语对应把被控变量y(t)、操纵变量q(t)、干扰变量f、设定值x(t)、测量值z(t)、偏差e(t)、控制信号p(t)与反馈，逐一落到具体物理量上。④控制过程走一遍闭环：扰动使y偏离x→测量得z→比较得偏差e→控制器算出p→执行器改变q→被控变量y回到设定值。按同一框架读案例的意义为了便于理解与后续动画化，教材中每个案例都按统一的四步展开分析。按同一框架读案例，很容易发现不同设备背后的控制本质是相同的。教材图示案例①直流电机恒速控制——最基础的闭环控制数字教材第2章·2.1自动控制概述与性能指标配套授课课件12案例①图直流电机恒速控制控制目标让直流电机始终保持1500r/min。六大组成参考输入——1500r/min；比较器——比较目标转速与实际转速；控制器——根据转速偏差计算控制信号；执行器——电机驱动器；被控对象——直流电机；传感器——编码器或测速发电机。术语对应被控变量y(t)——电机转速；操纵变量q(t)——电机电枢电压；干扰变量f(t)——负载转矩变化；设定值x(t)——1500r/min；测量值z(t)——实际转速；偏差e(t)——设定转速－实际转速；控制信号p(t)——控制器输出信号；反馈——测速传感器将实际转速送回比较器。控制过程电机负载突然增大→转速下降→测量值降低→偏差增大→控制器输出增大→驱动器提高电机转矩→转速恢复到设定值。一句话理解测出来→比一比→算一算→调一下→再测量。教材图示案例②数控机床进给轴位置控制——精确定位数字教材第2章·2.1自动控制概述与性能指标配套授课课件13案例②图数控机床进给轴位置控制控制目标让数控机床的X轴准确移动到100.000mm。六大组成参考输入——100.000mm；比较器——比较目标位置与实际位置；控制器——位置控制器；执行器——伺服驱动器和伺服电机；被控对象——丝杠、工作台等机械传动机构；传感器——编码器或光栅尺。术语对应被控变量y(t)——工作台实际位置；操纵变量q(t)——伺服电机的转矩/运动作用；干扰变量f(t)——切削力、摩擦、负载变化；设定值x(t)——100.000mm；测量值z(t)——实际位置；偏差e(t)——目标位置－实际位置；控制信号p(t)——伺服控制器输出；反馈——编码器或光栅尺将实际位置反馈给控制器。控制过程输入目标位置→检测实际位置→计算位置偏差→控制伺服电机运动→工作台移动→再检测位置→不断修正→最终准确定位。一句话理解控制系统不仅要“让它动”，还要“知道它到底动到了哪里”。教材图示案例③工业机器人关节伺服控制——高精度运动数字教材第2章·2.1自动控制概述与性能指标配套授课课件14案例③图工业机器人关节伺服控制控制目标让机器人某个关节准确转到90°。六大组成参考输入——90°；比较器——比较目标角度与实际角度；控制器——机器人关节伺服控制器；执行器——伺服驱动器和伺服电机；被控对象——机器人关节及机械臂；传感器——编码器。术语对应被控变量y(t)——关节实际角度；操纵变量q(t)——伺服电机输出转矩；干扰变量f(t)——机械负载、摩擦等；设定值x(t)——90°；测量值z(t)——编码器测得的实际角度；偏差e(t)——90°－实际角度；控制信号p(t)——伺服控制信号；反馈——编码器将关节实际角度反馈给控制器。控制过程目标90°→比较实际角度→产生偏差→控制电机→机器人关节转动→编码器检测→反馈→修正。一句话理解机器人之所以能精准地“走到指定位置”，核心就在于不断检测和反馈。教材图示案例④无人机姿态控制——让飞机保持水平数字教材第2章·2.1自动控制概述与性能指标配套授课课件15案例④图无人机姿态控制控制目标让无人机保持水平姿态。六大组成参考输入——目标姿态；比较器——比较目标姿态与实际姿态；控制器——飞控系统；执行器——无刷电机和螺旋桨；被控对象——无人机机体；传感器——IMU等姿态传感器。术语对应被控变量y(t)——无人机实际姿态角；操纵变量q(t)——各电机转速/推力；干扰变量f(t)——风力、载荷变化等；设定值x(t)——目标姿态；测量值z(t)——IMU测得的姿态信息；偏差e(t)——目标姿态－实际姿态；控制信号p(t)——飞控输出的电机控制信号；反馈——IMU将无人机姿态信息反馈给飞控。控制过程无人机受到侧风发生倾斜→IMU检测到姿态变化→控制器发现偏差→调整各电机转速→改变各方向推力→无人机恢复水平。一句话理解无人机能够“自己保持平衡”，本质上也是一个高速运行的反馈控制系统。教材图示案例⑤AMR移动机器人自动导航——让机器人沿路线行驶数字教材第2章·2.1自动控制概述与性能指标配套授课课件16案例⑤图AMR移动机器人导航控制控制目标让AMR沿规划路线自动行驶。六大组成参考输入——规划路径；比较器——比较期望位置/方向与实际位置/方向；控制器——机器人运动控制器；执行器——左右驱动电机；被控对象——AMR移动机器人；传感器——激光雷达、编码器、IMU、视觉传感器等。术语对应被控变量y(t)——机器人实际位置和运动方向；操纵变量q(t)——左右驱动轮速度；干扰变量f(t)——地面摩擦、障碍物、坡度等；设定值x(t)——规划路径和目标位置；测量值z(t)——传感器检测到的位置和姿态；偏差e(t)——期望位置/方向与实际值之间的差异；控制信号p(t)——控制器输出的电机控制信号；反馈——传感器将机器人实际运动状态反馈给控制器。控制过程机器人偏离规划路线→传感器检测到偏差→控制器计算→调整左右电机速度→改变运动方向→回到规划路线。一句话理解“发现偏了→自动纠正→再检测→再纠正”。知识要点五大应用案例对照表数字教材第2章·2.1自动控制概述与性能指标配套授课课件17案例参考输入控制器执行器被控对象传感器主要被控变量直流电机恒速1500r/min转速控制器驱动器直流电机编码器转速数控机床定位100mm位置控制器伺服驱动器进给轴编码器/光栅尺位置机器人关节90°伺服控制器伺服电机机器人关节编码器角度无人机姿态水平姿态飞控无刷电机无人机IMU姿态角AMR导航规划路径运动控制器驱动电机移动机器人激光雷达/编码器/IMU位置、方向递进逻辑电机恒速→机床定位→机器人运动→无人机平衡→AMR导航：控制对象越来越复杂，闭环的本质却完全一样。核心总结虽然这些设备看起来完全不同，但它们背后都在做同一件事情：检测实际状态，与期望状态进行比较，根据偏差进行控制，再通过反馈不断修正。知识要点自动控制系统的分类数字教材第2章·2.1自动控制概述与性能指标配套授课课件18分类依据类型特点设定值规律定值控制系统给定值恒定不变，输出稳定在工艺指标上设定值规律随动控制系统给定值随机变化，被控变量迅速跟踪给定值设定值规律程序控制系统给定值按一定时间程序性变化有无闭环闭环控制系统有主通道和反馈通道、采用差值控制，精度高、抗扰能力强有无闭环开环控制系统输出不被引回影响控制部分，结构和控制简单，精度低响应速度过程控制连续生产过程的自动控制（温度、压力、流量、液位等）响应速度随动控制以机械运动为主、电机为主要被控对象的快速高精度控制三种分类依据各回答一个问题按设定值规律分——给定值怎么变；按有无闭环分——输出是否被引回参与控制；按响应速度分——以过程量为对象还是以机械运动为对象。教材图示闭环控制的核心原理：负反馈数字教材第2章·2.1自动控制概述与性能指标配套授课课件19闭环控制系统方框图——控制器、执行器、被控对象、传感器构成负反馈闭环负反馈是精髓把系统的输出信号通过检测元件与变送器回送到系统输入端。怎么取负回送的信号取负值与设定值相加，形成信号传递的闭合回路。带来什么闭环控制基于反馈机制能减小或消除由扰动产生的偏差，具有较高的控制精度和较强的抗扰能力。2.1.2自动控制系统的基本要求稳·准·快三大性能要求·过渡过程五种基本形式·六项品质指标·五种典型输入信号三大要求→过渡过程→品质指标→典型输入机电系统控制原理及应用·数字教材配套授课课件知识要点三大性能要求：稳、准、快数字教材第2章·2.1自动控制概述与性能指标配套授课课件21稳定性（稳）系统在受到扰动后能重新达到平衡状态的性能。稳定性是保证控制系统正常工作的先决条件。看“能否回到设定值”。准确性（准）反映系统的稳态精度，由稳态误差或余差来反映。若系统最终误差为零，称为无差系统；否则为有差系统。看“终值是否到位”。快速性（快）系统输出对输入响应的快慢程度。过渡过程时间越短，快速性越好。看“多久到位”。怎么比较这三项要求教材用两条单位阶跃响应曲线分别对比：稳定看“能否回到设定值”，准确看“终值是否到位”，快速看“多久到位”。三项要求各有侧重又互相牵制：一味求快容易超调甚至振荡，一味求稳又会拖慢响应，工程上要在三者之间取平衡。先后顺序稳定是前提，准确是目标，快速是性能——系统先要能稳定工作，才谈得上准和快。教材图示三项性能要求的阶跃响应对比数字教材第2章·2.1自动控制概述与性能指标配套授课课件22稳定性（稳）稳定性（稳）：衰减振荡（稳定）与发散振荡（不稳定）的阶跃响应对比判定问题：扰动之后能不能回到设定值？上面一条衰减振荡→稳定；下面一条发散振荡→不稳定。准确性（准）准确性（准）：无差系统（余差为0）与有差系统（留有余差）的阶跃响应对比判定问题：终值有没有落在设定值上？余差为0→无差系统；终值留有偏差→有差系统。快速性（快）快速性（快）：快系统与慢系统进入±5%误差带的阶跃响应对比判定问题：多久能进入并保持在误差带内？先进入±5%误差带的→快速性好；过渡过程时间越短越好。知识要点过渡过程与五种基本形式数字教材第2章·2.1自动控制概述与性能指标配套授课课件23什么是过渡过程控制系统从一个平衡状态过渡到另一个平衡状态的过程称为过渡过程。在阶跃输入信号作用下，阶跃响应曲线有五种基本形式：非振荡发散、非振荡衰减、衰减振荡、等幅振荡、发散振荡。稳定非振荡衰减过程：被控变量单调趋近给定值，无振荡。衰减振荡过程：经过几个周期波动后重新稳定下来。衰减振荡是应用最广泛的形式。不稳定非振荡发散过程：被控变量单调上升，偏离给定值越来越远。发散振荡过程：上下波动，幅度越来越大。临界稳定等幅振荡过程：在给定值某一范围内来回波动。既不衰减也不发散，工程上视为不稳定。判稳口诀看趋势：曲线逼近给定值→稳定；远离给定值→不稳定；等幅来回波动→临界稳定（按不稳定处理）。教材图示五种基本形式：阶跃响应波形与稳定性数字教材第2章·2.1自动控制概述与性能指标配套授课课件24类型波形图特点稳定性非振荡发散过程被控变量单调上升，偏离给定值越来越远不稳定非振荡衰减过程被控变量单调趋近给定值，无振荡稳定衰减振荡过程经过几个周期波动后重新稳定下来稳定（应用广泛）等幅振荡过程在给定值某一范围内来回波动临界稳定（视为不稳定）发散振荡过程上下波动，幅度越来越大不稳定知识要点六项品质指标：定义与物理意义数字教材第2章·2.1自动控制概述与性能指标配套授课课件25指标符号定义物理意义余差（稳态误差）CC=y(∞)−x反映稳态精度，一般希望为零或不超过预定范围最大偏差A被控变量偏离设定值的最大数值关系到系统安全工作的极值超调量σ%第一个波峰超出稳态值的百分比反映系统振荡程度调节时间t_s响应进入±5%或±2%误差带的最短时间反映系统快速性衰减比nn=B/B′反映系统稳定程度振荡周期T相邻两同向峰值的时间间隔反映振荡频率两个常用计算式辨析：B是第一个波峰相对稳态值c(∞)的超出量，即B=c(t_p)−c(∞)，故两个超调量式子一致。教材图示二阶系统（ξ=0.5）阶跃响应品质指标标注数字教材第2章·2.1自动控制概述与性能指标配套授课课件26图上标注t_r、t_p、σ%（16.3%）、t_s（±5%）、B1:B2、T、C、A全部标在同一条曲线上。与表格对照这张图把上一页表格里的六项指标一次画全，可以和图、表对照着记。读图顺序先认稳态值c(∞)，再认第一个波峰B1与第二个波峰B2，最后看时间轴上的各项时间。二阶系统（ξ=0.5）阶跃响应品质指标——上升时间t_r、峰值时间t_p、超调量σ%（16.3%）、调节时间t_s（±5%）、衰减比B1:B2、振荡周期T、余差C、最大偏差A例题精讲例2-3转速控制系统品质指标计算数字教材第2章·2.1自动控制概述与性能指标配套授课课件27例2-3【题目】某转速控制系统工艺要求的转速为890±10（r/min），为了保证设备的安全，电动机转速偏离设定值最高不得超过20（r/min）。转速控制系统在单位阶跃干扰作用下的过渡过程曲线如图所示。试分别求出最大偏差、余差、衰减比、振荡周期和过渡时间指标。【解析】结合指标定义和分析图，得①最大偏差：A=901.8−890=11.8（r/min）；②余差：C=898−890=8（r/min）；③第一个波峰值B=901.8−898=3.8（r/min），第二个波峰值B′=898.8−898=0.8（r/min），衰减比n=3.8:0.8=4.75:1；④振荡周期：T=19.5−6.5=13（s）；⑤过渡时间与规定的被控变量限制范围大小有关。假定被控变量进入额定值的±5%，认为过渡过程结束，则限制范围为(898−890)×(±5%)=±0.4（r/min），从图上可以看出过渡时间约为t_s=27s。结论：A=11.8r/min（未超过20，安全），C=8r/min，n=4.75:1，T=13s，t_s≈27s。例2-3图转速控制系统过渡过程曲线要点读曲线先定基准：稳态值898定余差C，设定值890定最大偏差A，相邻两个同向波峰定衰减比n与振荡周期T。教材图示五种典型输入信号数字教材第2章·2.1自动控制概述与性能指标配套授课课件28五种典型输入信号——阶跃(1)/斜坡(t)/抛物线(½t²)/正弦(sinωt)/脉冲(δ)“以有限实验解构无限场景”阶跃信号幅值跳变后保持不变；最常用的典型输入。斜坡信号又称等速信号，幅值随时间线性增长。抛物线信号又称等加速信号，幅值按½t²规律增长。正弦信号幅值按sinωt规律周期变化。脉冲信号δ信号，作用时间极短。课堂小结2.1知识链串讲数字教材第2章·2.1自动控制概述与性能指标配套授课课件29①三个定义控制是作用；自动控制是无人直接参与、按预定规律运行；自动控制系统是被控对象+控制装置的整体。②系统组成自动控制装置（检测及变送装置、控制器、执行机构）+被控对象，与参考输入、比较器构成负反馈闭环。③12个术语4个环节+7类信号（y、q、f、z、x、e、p）+