自动控制系统的基本概念.ppt

1、自动控制原理,东北大学王建辉 顾树生 主编杨自厚 主审清华大学出版社,全国高等学校自动化专业系列教材普通高等教育“十一五”国家级规划教材国家精品课程教材,该课程与其它课程的关系,过程控制,自动控制系统,现代控制理论,计算机控制系统,自适应控制,线性系统,最优化理论及方法,第1章 自动控制系统的基本概念,自动控制原理,东北大学自动控制原理课程组,第1章 自动控制原理的基本概念,主要内容 开环控制系统与闭环控制系统 闭环控制系统的组成和基本环节 自动控制系统的类型 自动控制系统的性能指标 小结,第1章 自动控制原理的基本概念,学习重点 了解自动控制系统的基本结构和特点及其工作原理； 了解闭环控制系

2、统的组成和基本环节； 掌握反馈控制系统的基本要求稳定性、暂态和稳态性能指标的基本定义； 学会自动控制系统的类型及本质特征。,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。,课程的性质和特点,控制理论发展的几个阶段,1. 古典控制理论（20世纪40年代） 以传递函数为基础； 研究单输入单输出（SISO） 线性定常（时不变）系统； 主要为频域法。,控制理论发展的几个阶段,2. 现代控制理论（20世纪60年代） 以状态空间法为基础； 研究多输入多输出（MIMO） 非线性，时变系统； 主要为时域法。,控制理论发展的几个阶段,3. 智能控制理论（2

3、0世纪70年代） 模仿人的智能对不确定性进行有效的控制。可以脱离模型。 三个主要分支： 模糊控制 Fuzzy Control 专家系统 Expert System 神经网络 Neural Network,自动控制 自动控制是在没有人的直接干预下，利用物理装置对生产设备和工艺过程进行合理的控制，使被控制的物理量保持恒定，或者按照一定的规律变化，例如矿井提升机的速度控制、轧钢厂加热炉温度的控制等等。 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。,1.1 开环控制系统和闭环控制系统,几个基本概念 被控对象（控制对象） 需要进行控制的机器设备或生产过程 被控量（输出

4、量） 被控对象内要求被控的参数 输入量 给定量（控制量）：保证 扰动量：妨碍,1.1 开环控制系统和闭环控制系统,1.开环控制系统 例1-1 炉温控制系统,1-自耦变压器 2-加热器,被控对象 输出量 输入量 扰动量 功能框图 (结构示意图),1.1 开环控制系统和闭环控制系统,例1-2 转速控制系统,被控对象 输出量 输入量 扰动量 功能框图 (结构示意图),1.1 开环控制系统和闭环控制系统,开环控制系统结构示意图,1-控制器 2-被控对象,1.1 开环控制系统和闭环控制系统,开环控制 控制系统的输出量对系统没有控制作用。 开环控制系统的特点 输入量与输出量一一对应。 信号传递是单方向的，

5、即只有输入量对输出量产生控制作用。 系统没有抗干扰能力。,1.1 开环控制系统和闭环控制系统,2.闭环控制系统 例1-3 炉温闭环控制系统,1-热电偶 2-加热器,工作过程 调节过程 （过渡过程） 功能框图,1.1 开环控制系统和闭环控制系统,例1-4 闭环调速系统,工作过程 调节过程 功能框图,1-控制器 2-控制对象 3-检测装置,正向通道,反向通道,1.1 开环控制系统和闭环控制系统,闭环控制系统结构示意图,反馈/偏差控制系统,1.1 开环控制系统和闭环控制系统,闭环控制 闭环控制是把系统的输出量检测出来，经过物理量的转换，再反馈到系统的输入端去与给定量进行比较（形成偏差），利用偏差量作

6、为控制信号来纠正偏差。 闭环控制系统的特点 输入量与输出量一一对应。 信号传递是双方向的：既有输入量对输出量的作用，又有输出量对输入量的作用。 系统具有抗干扰能力。,1.1 开环控制系统和闭环控制系统,开环系统与闭环系统的主要区别 开环： 只有从输入端到输出端的信号传递通道（单向） 闭环： 既有从输入端到输出端的信号传递通道 又有从输出端到输入端的信号传递通道（双向）,1.2 闭环控制系统的组成和基本环节,闭环控制系统的结构图,1-给定环节；2-比较环节；3-校正环节；4-放大环节； 5-执行机构；6-被控对象；7-检测装置,中间环节,控制器,1.3 自动控制系统类型,1. 按照系统结构分 开

7、环 闭环 2. 按照信号传递方式分 连续数据系统 离散数据系统,1.3 自动控制系统类型,3. 给定量变化规律分 恒值系统 给定量恒定 随动系统 给定量随时间变化，预先未知 程序控制系统 给定量有规律地随时间变化，预先已知,1.3 自动控制系统类型,4.按照主要元件的特性方程的输入输出特征分 线性系统 系统由线性元件组成，其运动方程式可以用线性微分方程式描述。方程中的输出量及其导数均为一次，且各项系数与输入量无关。 齐次性 叠加性,1.3 自动控制系统类型,非线性系统 系统微分方程式的系数与自变量有关,（a）继电器特性 （b）饱和特性 （c）不灵敏区特性,1.4 自动控制系统的性能指标,反馈控

8、制系统存在两种状态： 暂态（动态） 输出量处于变化状态的过程 稳态（静态） 输出量处于相对稳定的状态,1.4 自动控制系统的性能指标,1. 稳定性 稳定性是自动控制系统能工作的首要条件，对于一个闭环控制系统，如果其暂态过程不稳定，系统是根本无法工作的。,1.4 自动控制系统的性能指标,2. 稳态性能指标 稳态误差 系统达到稳态时，输出量的实际值和期望值之间的误差。 系统稳态误差的大小反映了系统的稳态精度，它表明了系统控制的准确程度。稳态误差越小，则系统的稳态精度越高。,1.4 自动控制系统的性能指标,3. 暂态性能指标 闭环系统的暂态过程,单调过程,衰减振荡过程,等幅振荡过程,发散振荡过程,1

9、.4 自动控制系统的性能指标,暂态性能指标,最大超调量 输出最大值与输出稳态值的相对误差。 反映了系统的平稳性。最大超调量越小，则说明系统过渡过程越平稳。 上升时间 指系统的输出量第一次到达输出稳态值所对应的时刻。,1.4 自动控制系统的性能指标,过渡过程时间（调节时间） 系统的输出量进入并一直保持在稳态输出值附近的允许误差带内所需的时间。允许误差带宽度一般取稳态输出值的2%或5%。 调节时间的长短反映了系统的快速性。调节时间越小，系统的快速性越好。 振荡次数 在调节时间内，输出量在稳态值附近上下波动的次数。 它也反映系统的平稳性。振荡次数越少，说明系统的平稳性越好。,1.4 自动控制系统的性

10、能指标,小 结,1. 开环控制系统结构简单、稳定性好，但不能自动补偿扰动对输出量的影响。当系统扰动量产生的偏差可以预先进行补偿或影响不大时，采用开环控制是有利的。当扰动量无法预计或控制系统的精度达不到预期要求时，则应采用闭环控制。 2. 闭环控制系统具有反馈环节，它能依靠反馈环节进行自动调节，以克服扰动对系统的影响。闭环控制极大地提高了系统的精度。但是闭环使系统的稳定性变差，需要重视并加以解决。,3.自动控制系统通常由给定环节、检测环节、比较环节、放大元件、被控对象、和反馈环节等部件组成。系统的作用量和被控量有：给定量、反馈量、扰动量、输出量和各中间变量。 4.结构图（又简称框图）可直观地表达系统各环节（或各部件）间因果关系，可以表达各种作用量和中间变量的