自控原理课件第2-1.2章第01章.ppt

1、2020/7/15,1,自动控制原理,主讲：龚锦红,2020/7/15,2,平时成绩组成及权重：,考勤：5 平时测试：8 作业： 12 平时表现：5,与其它课程的联系： 先修课程：高等数学、物理、电路,2020/7/15,3,第一章,绪 论,自动控制理论,2020/7/15,4,自动控制在国民经济中的作用,工业生产过程中 自动励磁调节器：维持发电机电压为定值 军事领域中 火炮自动跟踪并命中飞行目标。 航天技术方面 导弹发射和制导系统；无人驾驶飞机等等 现代农业生产中 其他领域 生物、医学、经济管理、环境等等,2020/7/15,5,第一节 自动控制理论发展史简述,自动控制是一门年轻的学科,它在

2、20世纪40年代末才形成。,18世纪中叶由瓦特研制的世界上最早的自动控制系统器蒸汽发动机速度的调节。 1932年奈奎斯特针对反馈放大器几何稳定判据。 1945年Bode提出来了反馈放大器的一般分析与设计方法频率法，并编著了网络分析与反馈放大器的设计一书。 1947年美国出版了当时世界上第一本控制方面的教材伺服机原理。 1948年美国麻省理工学院的辐射研究所完成了雷达自动跟踪、火炮指挥仪和数控车床等一系列的自动控制实践工程。,2020/7/15,6,1948年， Evans工程师提出了一种很实用的控制系统的分析与设计方法 根轨迹法。 一种图解法 1877年，Routh 1895年，Hurwitz

3、 50年代中期 非线性控制系统、离散控制系统 美国数学家维纳把那时发表的有关控制方面的理论称为“控制论”。,劳斯赫维茨判据,2020/7/15,7,20世纪60年代前的控制理论-经典控制理论。经典控制理论研究的是单输入单输出线性定常系统的分析与设计，所用的数学工具是常微分方程和复变函数。 20世纪60年代后所提出的控制理论-现代控制理论。用这种理论能分析与设计多输入多输出，高精度和参数时变系统的分析与设计，其内容有状态空间分析法，最优控制原理最优估计、系统辨识、大系统理论、模糊控制与预测控制、智能控制等，它们所研究的问题和所用的数学工具也各不相同。,2020/7/15,8,自动控制理论发展简介

4、,自动控制理论,经典控制理论,现代控制理论,自动控制原理,系统数学模型的建立 时域分析 频域分析法 根轨迹法 非线性系统 采样控制系统,2020/7/15,9,外部输入输出描述的传递函数,数学工具,数学模型,积分变换、Z变换，传递函数,研究领域,时域 频域,2020/7/15,10,2020/7/15,11,控制理论发展历程： 机械化电气化自动化信息化和智能化。由此可见，经典控制理论是基础，它卓有成效地解决单输入-单输出线性定常系统的分析与设计，是解决一般工程问题的基本方法。经典控制理论的一些基本概念有助于研究现代控制理论相关的内容。因此本教材主要介绍经典控制理论的相关内容。,2020/7/1

5、5,12,第二节 自动控制系统的一般概念,自动控制就是要人不直接参与的条件下，利用控制器使被控制的对象（如生产设备、生产过程）的某些物理量（或工作状态）能自动地按规定的规律变化（或运行）。如：,图1-1水池液面控制系统,一、液位控制系统,水池液面控制如图1-1所示。,电网的电压与频率自动地保持不变 金属切割机床的速度在电压变化或负载变化时能自动保持不变,手动控制,2020/7/15,13,人工控制的恒值水位系统,简单的水位自动控制系统,2020/7/15,14,人工控制的恒值水位系统,简单的水位自动控制系统,2020/7/15,15,人工控制,测量实际液面的高度0 -用眼 实际液面高度0与希望

6、液面高度h1相比较 -用脑 按比较的结果，即液面高度偏差的正负去决定控制动作 -用手,液面人工控制系统的方框图如图1-2所示。,图1-2 液面人工控制系统的方框图,2020/7/15,16,自动控制,人工控制中有三种职能作用：测量、比较和执行，而在自动控制系统中也必须有这三种，如图1-3所示。,图1-3 液面自动控制系统,被控对象-水池 测量元件-浮子 比较机构-浮子的希望位置与实际位置之差 放大机构-提高系统的控制精度 执行元件-驱动被控对象，以改变被控制的量,液位控制系统由以下五部分组成：,2020/7/15,17,何谓自动控制：是指在没有人直接参与的条件下，利用控制装置使被控对象按照预定

7、的技术要求进行工作。 自动控制系统：是指能够对被控对象的工作状态进行自动控制的系统，它由被控对象和控制装置组成。,被控对象 ：指需要给以控制的机器、设备或生产过程。被控对象是控制系统的主体，例如火箭、锅炉、机器人、电冰箱等。控制装置则指对被控对象起控制作用的设备总体，有测量变换部件、放大部件和执行装置。 被控量 ：指被控对象中要求保持给定值、要按给定规律变化的物理量。被控量又称输出量、输出信号 。 给定值 ：是作用于自动控制系统的输入端并作为控制依据的物理量。给定值又称输入信号、输入指令、参考输入。 干扰量 ：除给定值之外，凡能引起被控量变化的因素，都是干扰。干扰又称扰动。,2020/7/15

8、,18,图1-5 液面自动控制系统的方框图,为了控制系统的表示简单明了，控制工程中一般用方框图表示系统的各个组件，组件的基本组成单元如图1-4所示，其中图a）为引出点，图 b）为比较点，图 c）部件的框图。,图1-4 控制系统框图的基本组成单元,故液位自动控制系统也可用图1-5来表示。,2020/7/15,19,直流随动如图1-6所示。,随动控制系统,图1-6 直流随动系统的原理图,2020/7/15,20,图1-7 直流随动系统的方框图,图1-6直流随动系统是用一对电位器作为位置的检测元件，它们分别把系统的输入与输出的位置信号转换成与之成比例的电信号，并进行比较。其控制系统的方框图如图1-7

9、所示。,2020/7/15,21,输出量n,扰动,控 制 装 置,n,第三节 开环控制与闭环控制,2020/7/15,22,反馈：将输出量通过一定的方式送回到输入端，并与输入信号比较产生偏差信号过程称为反馈 负反馈：输入信号反馈信号（输出信号） 输出偏差减小 正反馈：输入信号+反馈信号 负反馈原理-通过测量、比较得到偏差信号, 由偏差 信号产生控制作用, 由控制作用使偏差消除或 减 少的原理。 主要特点： 由信号反馈构成闭环 控制作用由偏差产生，称偏差控制,自动控制系统的工作原理,正反馈不能用于控制系统，用途振荡器（正弦信号发生器）,2020/7/15,23,被控对象：被控制的设备或过程。 (

10、被控量：被控设备或过程中需要加以控制的物理量) 自动控制装置：由具有一定职能的各种基本元件（部件）组成。,测量元件、给定元件比较元件、放大元件执行元件、校正元件,自动控制系统的基本组成,被控对象、控制装置,2020/7/15,24,自动控制框图的一般形式,自动控制系统的框图,2020/7/15,25,图中：,r(t)-系统的参考输入(简称输入量或给定量) c(t)-系统的被控制量(又简称输出量) b(t)-系统的主反馈量 e(t)-系统的误差 e(t) r(t) b(t) d(t)-系统的干扰,它是一种对系统输出产生不利的信号 给定环节-产生参考输入信号的元件 如:电位器、旋转变压器等 被控对

11、象-系统控制的对象,其输入量是控制器的输出,输出量就是被控量 反馈环节-将被控制量转换为主反馈信号的装置,这个装置一般为检测元件,2020/7/15,26,主反馈：直接取自系统输出端n，经过测量和变换，又引入到系统输入端的信号ub叫主反馈信号，相应的反馈叫主反馈。 前向通道：从系统输入端到输出量之间的通道称为前向通道。 主反馈通道：从输出量到主反馈信号之间的通道称为主反馈通道。 单位反馈系统：主反馈信号等于输出量的系统叫单位反馈系统。 非单位反馈系统：主反馈信号不等于输出量的系统叫非单位反馈系统。 局部反馈：对应内回路。,重要概念：,2020/7/15,27,主回路：主反馈闭合了除系统输入信号

12、和干扰信号以外的其它所有信号，所形成的闭合回路称为主回路。 给定元件：给出与系统输出量希望值相对应的系统输入量。 测量元件：测量系统输出量的实际值，并把输出量的量纲转化成与输入量相同。 比较元件：比较系统的输入量和主反馈信号，并给出两者之间的偏差。 放大元件：对微弱的偏差信号进行放大和变换，使之具有足够的幅值和功率，以适应执行元件动作的要求。 执行元件：根据放大后的偏差信号产生控制、动作，操作系统的输出量，使之按照输入量的变化规律而变化。 校正元件：也叫补偿元件，使结构或参数便于调整的元件，用串联或反馈的方式连接在系统中。,2020/7/15,28,闭环控制,复合控制,开环控制,2020/7/

13、15,29,控制装置与受控对象之间只有顺向作用而无反向联系。,开环控制,前馈控制(开环),2020/7/15,30,闭环控制,2020/7/15,31,开环控制的优缺点：,结构简单，所用元器件少 系统没有抗扰动功能，因而大限制了系统的应用范围,闭环控制,若把系统的被控制量反馈到它的输入端，并与参考输入相比较，这种控制方式叫闭环控制。相应的系统称为闭环控制系统。,闭环控制的优点：,自动地消弱或清除来自系统内部或外部扰动对被控制量的影响,开环控制,如果系统的输出量没有与参考输入相比较,即系统的输出与输入间不存在着反馈的通道,这种控制方式叫开环控制。,2020/7/15,32,开环控制系统和闭环控制

14、系统比较,输出量n,扰动,控 制 装 置,n,2020/7/15,33,闭环直流调速系统,2020/7/15,34,该系统自动调节的过程：,2020/7/15,35,开环控制系统： 1. 结构简单经济 2.调试方便 3.抗干扰能力差，控制精度不高。 闭环控制系统： 1.系统具有纠正偏差的能力。 2.抗扰性好，控制精度高。 3.包含元件多，结构复杂，价格高。 4.参数应选择适当。 开环闭环复合控制系统（兼有两者的优点，精度很高）,开环与闭环系统的比较,2020/7/15,36,复合控制,2020/7/15,37,三种常用的分类方法：,第四节 自动控制系统的分类,线性控制系统和非线性控制系统,若组

15、成控制的元件都具有线性特性则称这种系统为线性控制系统,若在控制系统中有一个以上的元件具有非线性则称这种系统为非线性控制系统,特点：,不具有比例性，也不适用叠加原理 系统的输出响应稳定性与其初始状态有关,特点：,系统用微分方程、传递函数或状态方程来描述 具有比例性并适用叠加原理,2020/7/15,38,恒值控制系统和随动控制系统,按系统内部传输信号的性质分恒值控制和随动控制系统。,恒值控制系统的参与输入量为常量，要求它的被控制量在任何扰动的作用下能尽快地恢复（或接近）原有的稳态值.如恒温、水位、恒压控制系统,随动控制系统的输入是一个变化量，要求系统的被控制量能快速准确地跟随参考输入信号的变化而

16、变化. 比如：飞机和舰船的操舵系统，雷达自动跟踪系统。,c.程序控制系统（输入量按照给定的程序变化。） 任务：使输出量按预先给定的程序指令而动作最典型的就是数控车床和机器人控制系统。,2020/7/15,39,连续控制系统和离散控制系统,按系统内部传输信号的性质分为连续控制和离散控制系统。,控制系统中各部传输信号都是时间的连续函数，则称这类系统为连续控制系统,计算机控制系统的方框图,若在控制系统内部有一个或一个以上的信号是时间的离散信号，则称这类系统为离散控制系统。计算机控制系统是一种常见离散控制系统。,2020/7/15,40,第五节 对控制系统性能的要求和本课程的任务,输入信号和扰动是一个

17、系统典型的外作用，但我们希望系统只受输入信号的控制，而丝毫不受扰动的影响，所以我们只研究在输入信号作用下，对系统性能的要求。,2020/7/15,41,当输入信号突然发生跳变时，这时输出量还处在原有的平衡状态，这样就出现了偏差，这个偏差控制输出量达到新的平衡，这就是一个调节过程。,2020/7/15,42,整个调节过程分为两个阶段: a.过渡过程 反映系统的动态特性。（输出量处于激烈变化之中） b.稳态过程 反映系统的稳态特性。（输出量稳定在新的平衡状态，并保持不变。） 阴影部分表示的是实际调节过程与理想调节过程的差异，差异越小，系统的调节质量越高。,2020/7/15,43,暂态过程特点:下图中,(a)、(b)非周期振荡；(c)发散振荡；(d)、(e)收敛振荡；(f)等幅振荡。,2020/7/15,44,对控制系统性能的要求,控制系统的性能一般从以下三方面来评价：,一、稳定性,当系统受到某一扰动作用后，使被控制量偏离了原来的平衡状态，但当扰动一撤离，经过一定的时间，如果系统仍能回到原有的平衡状态，则称系统是稳定的。稳定是系统能正常运行的必要条件。,二、快速性,要求系统的输出响应具有一定的快速性，它是系统的一个