自动控制的一般概念PPT课件

1、1,自动控制原理教学课件2009年淮南师范学院校级精品课程,电气信息工程学院自动控制原理课程教学组,课程的性质和特点,自动控制是一门技术学科，从方法论的角度来研究系统的建立、分析与设计。 自动控制原理是本学科的技术基础课，是自动化专业和电气工程及其自动化专业的主干专业基础课程。,一个模型，三个方法（方法论） 时域法 根轨迹法 频域法,自动控制原理课程内容,该课程与其它课程的关系,对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度进行定性的分析和定量的计算； 根据对系统性能的要求，如何合理地设计校正装置，时系统的性能全面地满足技术上的要求。,课程的目的与任务,掌握自动控制系统的基本概念；

2、 学会建立和简化自动控制系统的数学模型； 着重掌握自动控制系统的时域分析法、根轨迹分析法和频域特性分析法； 掌握自动控制系统校正的一般方法： 了解非线性系统和离散控制系统的分析及校正方法。,课程的基本要求,第一章 自动控制的一般概念,本章主要内容,本章主要介绍自动控制理论的应用领域、发展过程和分类。通过一些控制系统实例讨论了手动控制、自动控制、自动控制系统的工作原理、方框图、系统分类等相关基本概念。最后介绍了本课程将要介绍的主要内容，以利于学生从总体上把握本课程的相关知识。,本章重点,要求掌握手动控制与自动控制、自动控制系统及其工作原理与组成、方框图、开环控制与闭环控制、系统输入量与输出量的相

3、关基本概念。了解本课程将要学习的内容。,1-1 自动控制的基本原理与方式 1-2 自动控制系统示例 1-3 控制系统的分类 1-4 对控制系统的基本要求 1-5 控制系统的分析与设计工具,第一章 自动控制的一般概念,1-1 自动控制的基本原理与方式,自动控制原理是研究自动控制技术的基础理论和自动控制共同规律的技术科学。,什么是自动控制?,无须人的直接参与，通过控制装置，使机器、设备、生产过程等按照预定的规律运行，完成要求的任务，就叫自动控制。,什么是自动控制系统?,自动控制系统是为实现某一控制目标所需要的所有物理部件的有机组合体。,1. 自动控制技术的应用,航空航天自动化,军事作战自动化,工业

4、生产自动化,加工制造自动化,数控机床,加工生产线,自动码垛机器人,自动包装机器人,家用电器控制自动化,电扇：控制转速,电冰箱、空调、电饭煲：控制温度,洗衣机：控制水位、强弱、时间等,智能建筑自动化系统,汽车控制系统,智能交通系统控制,安全、快捷、舒适、准点,电力系统自动化,电力调度中心,三峡电站控制中心,变电站,变电站监控中心,工业机器人的自动控制运用,物流配送自动化,研究对象: 单输入单输出(SISO)、线性定常系统; 研究方法: 传递函数、根轨迹、频率特性,研究对象: 多输入多输出(MIMO)、非线性、时变系统; 研究方法: 状态空间法.,研究对象: 多输入多输出、非线性、时变复杂系统;

5、研究方法: 模糊规则、神经网络模型等智能方法.,(1)经典控制理论(20世纪4060年代):,(2)现代控制理论(20世纪6070年代):,(3)智能控制与大系统理论(20世纪70年代-):,2.自动控制学科的发展,自动控制学科的发展示例,公元前我国的自动计时漏壶,公元132年张衡研制的候风地动仪,公元235年马钧研制出 能自动指示方向的指南车,1788年英国Watt发明的控制蒸汽机速度的离心式调速器,1913年美国建成最早的 汽车装配流水线,1952年美国MIT研制出第一台数控机床,1954年第一台工业机器人,1981年美国“哥伦比亚”号航天飞机首次发射成功,装配机器人,汽车自动焊接生产线,

6、自动立体仓库,注塑机,自动搬运车,机器人足球比赛,月球车,自动控制学科的代表人物,李亚普诺夫(1857-1918）,维纳(1894-1964),奈奎斯特(1889-1976) 卡尔曼(1930- ),3.反馈控制原理,以水箱水位控制为例说明,水位人工控制原理图,人工控制原理方块图：,水位简单机械自动控制原理图,水位简单机械控制原理方块图：,水位机电综合自动控制原理图,水位机电综合自动控制系统的方框图,结论： 自动控制和人工控制极为相似，自动控制系统只不过是把某些装置有机地组合在一起，以代替人的职能而已。这些装置相互配合，承担着控制的职能，通常称之为控制器（或控制装置）。 被控对象和控制器是自动

7、控制系统中的两个重要组成部分。,反 馈：取出输出量送回到输入端，并与输入 信号相比较产生偏差信号的过程。,反馈控制原理： 在反馈控制系统中，控制装置对被控对象施加控制作用，是取自被控量的反馈信息，用来不断修正被控量与输入量之间的偏差，从而实现对被控对象进行控制的任务，即反馈控制原理。,反馈控制本质是按偏差进行控制的过程。,举例：龙门刨床速度控制系统,要求：工件加工过程中不允许刨床速度波动过大 措施：利用速度反馈对刨床速度进行自动控制,龙门刨床速度控制系统方块图,4. 反馈控制系统的基本组成,反馈控制系统基本组成,原理用方块图表示。负反馈“-”；“”号即正反馈。 信号从输入端沿箭头方向到达输出端

8、的传输通路称前向通路； 系统输出量经测量元件反馈到输入端的传输通路称主反馈通路。 前向通路与主反馈通路共同构成主回路。 此外，还有局部反馈通路以及由它构成的内回路。 只包含一个主反馈通路的系统称单回路系统； 有两个或两个以上反馈通路的系统称多回路系统。, 测量元件：测量被控量的实际值或对被控量进行物 理转换。 比较元件：将测量值和给定值进行比较，得到偏差。 放大元件：放大偏差信号。 根据偏差大小产生控制信号。通常包括放大器 和校正装置，控制信号和偏差信号具有一定关 系(称为调节规律)。 执行元件：由控制信号产生控制作用，从而使被控 制量达到要求值。阀、电动机、液压马达等。 给定元件：给出期望的

9、被控量相对应的系统输入量。 校正元件：也叫补偿元件，改善系统的性能。,5. 自动控制系统基本控制方式 最典型的三种控制方式： 开环控制系统 闭环控制系统 复合控制系统,(1)开环控制系统： 定义：开环控制控制器与被控对象之间只有顺向作用而没有反向联系的控制过程。 特点：被控量对系统的控制作用不产生影响，需要控制的是c(t)，而测量的只是r(t).,开环直流调速系统,直流电机开环调速系统:,SM,负载,+,+,+,+,u0,n,ua,电动机速度开环控制系统,给定电压放大后得到电枢电压ua，从而控制转速n。 改变ugua改变n改变，ug与n一一对应。但是，当负载变化时（干扰量），会使n改变，即使u

10、g不变，n 也改变。 ua（ug）与n的关系不精确，抗扰动能力差，系统控制精度难以保证，应用少。,直流电机开环调速系统控制原理：,(2)闭环控制系统 定义：闭环控制被控量与给定值比较后用其偏差对系统进行控制。亦称反馈控制。 特点：不论什么原因使被控量偏离期望值而出现偏差时，必定会产生一个相应的控制作用去减小或消除这个偏差，使被控量与期望值趋于一致。需要控制的是c(t)、而测量的是c(t)对r(t)的偏差。只要c(t)出现偏差，系统就自行纠正。,+,+,+,+,+,u0,n,ua,ue,ut,功率,放大,负载,SM,TG,电动机速度闭环控制系统,直流电机闭环调速系统控制原理：,负载TL(TeTL

11、)nunuu1ua n 或温度TRaEnunuu1ua n 系统精度高、抗干扰能力强、应用广泛。,(3)复合控制系统 定义：把按偏差控制与按扰动控制结合起来，对于主要扰动采用适当的补偿装置实现按扰动控制，同时，再组成反馈控制系统实现按偏差控制，以消除其余扰动产生的偏差，即复合控制。,电动机速度复合控制系统,负载突增TLIdLUsU2=U1+Us必uan,TeTLn,1-2 自动控制系统示例,1. 函数记录仪,RQ,RW,u,L,t,ur,变换器,放大器,绳轮,电机,测速机,减速器,被控对象：记录笔 被控量：记录笔的位移x 系统输入：待记录的电压ur 控制要求：记录笔的位移(输出) x随输入待记

12、录的电压(输入) ur变化做相应变化，在记录纸上描绘待记录的电压曲线。,2. 飞机-自动驾驶系统,给定电位器,反馈电位器,给定装置,放大器,舵机,飞机,0,c,扰动,俯仰角控制系统方块图,垂直陀螺仪,反馈电位器,3. 电阻炉微型计算机温度控制系统,4.工程火炮跟踪控制系统,被控对象：炮塔 被控量：炮塔的旋转角 执行机构：功率放大装置、电机和齿轮传动机构 给定、测量和比较装置是同位仪,1-3 自动控制系统的分类,分类方法 按控制方式：开环控制、闭环控制、复合控制 按元件类型：机械系统、电气系统、机电系统、液压系统、气动系统、生物系统等。 按系统功能：温度、压力、位置 按系统性能：线性与非线性、连

13、续与离散、定 常与时变 按参考量变化规律：恒值、随动、程序控制,1.线性连续控制系统,由系数判定线性时变系统、线性定常系统。 线性定常系统根据参考输入量又可分为： 恒值控制系统、随动控制系统、程序控制系统,系统主要特点：,（1）恒值控制系统 参考输入是个常值，要求被控量也等于常值。 外部扰动的存在，被控量偏离参考量而出现偏差，控制系统根据偏差产生控制作用，以克服扰动的影响，使被控量恢复到给定的常值。 （2）随动系统 参考输入是预先未知的随时间任意变化的函数，要求被控量以尽可能小的误差跟随参考输入量变化。,（3）程序控制系统 参考输入是按预定规律随时间变化的函数，要求被控量迅速、准确地复现。,2

14、. 线性定常离散控制系统,离散系统指系统的某处或多处的信号为脉冲序列或数码形式,因而信号在时间上是离散的.连续信号经采样转换成离散信号。,一般,在离散系统中既有连续的模拟信号,也有离散的数字信号.因此,离散系统要用差分方程来描述.线性差分方程的一般形式为,式中, mn, n为差分方程的次数,a0,a1,an；b0,b1,bm为常系数,r(k),c(k)分别为输入和输出采样序列.,系统中只要有一个元部件的输入-输出特性是非线性的,这类系统就称为非线性系统.这时,要用非线性微分(或差分)方程来描述其特性.,非线性方程的特点是系数与变量有关,或者方程中含有变量及其导数的高次幂或乘积项,例如,严格地说

15、,实际的控制系统都是非线性系统.,3.非线性控制系统,1-4 对自动控制系统的基本要求 1.基本要求的提法,定义：通常将系统受到给定值或干扰信号作用后，控制被控量变化的全过程称为系统的动态过程。,工程上常从稳、快、准三个方面来评价控制系统。 稳： 指动态过程的稳定性。 快： 指动态过程的快速性。 准： 指动态过程的最终精度。,稳：指动态过程的稳定性,控制系统动态过程曲线,如上图所示，系统在外力作用下，输出逐渐与期望值一致，则系统是稳定的，如曲线所示；反之，输出如曲线所示，则系统是不稳定的。,快：指动态过程的快速性,快速性即动态过程进行的时间的长短。过程时间越短，说明系统快速性越好，反之说明系统

16、响应迟钝，如曲线所示。,稳和快反映了系统动态过程性能的好坏。 既快又稳，表明系统的动态精度高。,准： 指系统在动态过程结束后，其被控量（或反馈量）与给定值的偏差，这一偏差称为稳态误差，是衡量稳态精度的指标，反映了系统后期稳态的性能。,以上分析的稳、快、准三方面的性能指标往往由于被控对象的具体情况不同，各系统要求也有所侧重，而且同一个系统的稳、快、准的要求是相互制约的。,2. 典型外作用 在工程实际中，控制系统承受的外作用形式多样。对不同形式的外作用，系统被控量的变化情况各不相同。为研究和比较控制系统性能，统一选择几种典型外作用函数。 外作用函数应具备的条件： 1)这种函数在现场或实验室中容易得到。 2)控制系统在这种函数作用下的性能应代表在实际工作下的性能。 3)这种函数的数学表达式简单，便于理论计算。,（1）阶跃函数（信号） （2）斜坡函数（信号） （3）脉冲函数（信号） （4）正弦函数（信号）,1-5 自动控制系统的分析与设计工具,MATLAB是一种数值计算型科技应用软件，它具有编程简单、直观、用户界面友善，开放性强等优点。MATLAB可用于自动控制系统分析与设计，在控制器设计、仿真和分析方面的功能主要体现在其6个控