自动控制原理电子教案-新ac1x.ppt

1、第一章 绪论,第一节 概论 第二节 反馈控制系统的基本概念 第三节 自动控制系统的组成和方框图 第四节 自动控制系统的分类 第五节 控制系统性能分析概论 第六节 自动控制系统性能要求,第一节 概论,1.1.1 控制的含义 1.1.2 人工控制与自动控制 1.1.3 自动控制学科的特点 1.1.4 控制科学与工程的内涵 1.1.5 自动控制理论的内容 1.1.6 自动控制理论的基本问题,1.1.1 控制的含义,控制（CONTROL）-某个主体使某个客体按照一定的目的动作 主体-人：人工控制； 机器：自动控制 客体-指一件物体，一套装置，一个物化过程，一个特定系统。 物体-飞船，电炉。（飞船控制）

2、 装置-锅炉，汽机。（锅炉控制） 过程-燃烧，传动。（燃烧控制） 系统-电力，化工，冶金。（电力控制）,1.1.2 人工控制与自动控制,煤气灶上油煎鸡蛋时的油温控制 自行车速度控制 汽车驾驶 收音机音量调节,电饭煲 空调 抽水马桶 汽轮机转速控制 导弹飞行控制 声控光控路灯,1.1.3 自动控制学科的特点,应用广泛 小至电子表,大至人造卫星,几乎包括各个领域. 我院6个专业有4个学“自控原理”课 日益重要 很难想象现代生活和生产过程没有自动控制装置如何能够继续? 你敢让大型发电机组用人工控制来运行吗? 你愿意使用不能自动控制温度的电冰箱吗？,发展迅速 从离心重锤式的简单自动机械到具有每秒运行上

3、亿次的CPU的智能机器人,自动控制学科发展日新月异. 越来越复杂和越来越精确的控制要求以及高度发展的现代科技(如计算机)是促进自动控制学科飞速发展的重要原因,1.1.4 控制科学与工程学科的内涵,控制科学与工程,控制理论与 控制工程,检测技术与 自动化装置,模式识别与 智能系统,系统工程,1.1.5 自动控制理论的内容,自动控制理论,经典控制理论(19世纪中叶-20世纪50年代),线性,非线性,根轨迹法,频域法,时域法,波波夫法,李雅普诺夫法,描述函数法,相平面法,采样控制,Z变换法,现代控制理论(60年代以来),状态反馈控制,最优控制,智能控制,预测控制,自适应控制,模糊控制,大系统多层分散

4、控制,1.1.6 自动控制理论的基本问题,控制系统的分析 典型信号下的响应 (阶跃响应,频率特性) 数学模型 (传递函数,状态方程) 性能指标 (稳态误差,超调量) 控制系统的设计 性能要求 (性能指标,约束条件) 控制器的结构和参数设计和整定 性能校核 (计算,仿真,实验),第二节 反馈控制系统的基本概念,信息反馈-最基本的自动控制原理 反馈控制系统的中的常用术语： 给定值（参考输入值） 偏差值 控制量 被控量 扰动量(内扰,外扰) 自动控制装置 = 传感器 + 控制器 + 给定器 + 执行器 受控过程（受控对象） 控制系统 = 受控过程控制装置,例1.1 锅炉汽包水位控制系统,工业过程中的

5、反馈控制系统例子-,调节器,汽包,变送器,主蒸汽,过热器,省煤器,执行器,给水调节阀,给水泵,给水,例1.2 水箱水位控制,日常生活过程中的反馈控制系统例子-,第三节 自动控制系统的组成及方框图,自动控制系统：控制装置受控对象 方框图(方框+箭头+求和圆+线条)：分析系统内各部分之间关系的图解法 自动控制系统的组成(如锅炉水位控制系统)： 给定值 SV Setpoint-Value 偏差值 DV Deviation-value 操作值 MV Manipulation-Value 过程变量值 PV Process-Value,给定器,调节器,执行器,受控过程,传感器,SV,DV,反馈PV,MV,

6、被控量PV,调节器,执行器,调节阀,汽包,变送器,+,-,例1.3 锅炉水位控制系统,第四节自动控制系统的分类,设定器,控制器,被控对象,扰动,被控量,设定器,被控过程,传感器,控制器,1.4.1 按系统环节连接形式分类,闭环控制系统 :,开环控制系统：,开环控制系统举例,电 热 丝,加 热 炉,220v,调压器,功率放大器,负载,电 位 器,例1.4.1 开环温度控制系统,开环控制系统特点： 1. 信号从输入到输出无反馈,单向传递. 2. 结构简单. 3. 控制精度不高,无法抑制扰动.,例1.4.2 开环转速控制系统,闭环控制系统举例,M,电压放大器,功率放大器,测速发电机,负载,M,减速器

7、,温度 控 制器,热 电 偶,调压器,220V,例1.4.3 闭环温度控制系统,例1.4.4 闭环转速控制系统,闭环控制系统特点: 1. 有反馈回路; 2. 结构复杂; 3. 控制精度高,自动纠偏,1.4.2 按控制依据信号性质分类,控制器,被控过程,控制器,被控过程,控制器,被控过程,反馈控制系统,前馈控制系统,前馈-反馈 控制系统,1.4.3 按给定值变化规律分类,t,t,r,恒值控制系统 给定值不随时间变化 例 恒温，恒压系统,随动控制系统 给定值按需求随机变化 例 雷达跟踪， 靠模加工系统,程序控制系统 给定值按条件（时间 或流程）变化 例 金属热处理，化学水处理,1.4.4 按输入输

8、出变量数分类,电加热炉,电站锅炉,单变量控制系统 单入-单出 SISO（Single Input Single Output） 例 电加热炉温度控制系统,电流,温度,多变量控制系统 多入-多出 MIMO（Multiple -） 例 锅炉燃烧控制系统,燃料量,送风量,引风量,工质温度,工质压力,炉膛压力,1.4.5 按系统特性分类,线性控制系统 输入与输出成正比，可用叠加原理 用线性数学模型描述 例 弹簧秤（在工作区） 非线性控制系统 输入与输出不成正比，不可用 叠加原理 用非线性数学模型描述 例 弹簧秤（不在工作区）,位移,位移,力,力,1.4.6 按变量的时间特性分类,连续时间控制系统 系统

9、中的变量可随时变化，连续， 不间断 例 重锤式转速控制系统 离散时间控制系统 系统中存在离散变量，它们只在 固定时刻存在和变化 例 计算机控制系统,变量,变量,时间,时间,1.4.7 按变量的变化特性分类,模拟量控制系统 系统中的变量是反映物理量的模 拟变量，可以是任意数值 例 热电偶测得电势，反映温度 开关量控制系统 系统中变量只有两个状态，0或1， 开或关 例 全自动洗衣机,变量,变量,时间,时间,1.4.8 按变量的统计特性分类,确定性变量控制系统 系统中的变量被认为是无噪声的 确定性变量 随机性变量控制系统 系统中的变量被认为是有噪声的 随机性变量,变量,时间,1.4.9 按控制规律分

10、类,常规控制（PID） 智能控制 预测控制 最优控制 自适应控制 鲁棒控制 模糊控制 神经元控制,1.4.10 按控制器实现器件分类,机械型 电动型 气动型 计算机型 综合型,第五节 控制系统性能分析概论,典型试验信号 阶跃信号 斜坡信号 抛物线信号 脉冲信号 正弦信号 系统性能分析方法 动态特性分析 稳态特性分析,1.5.1.1 阶跃信号（Step Function）,阶跃信号含宽频带谐波分量，产生容易，是最常用系统 性能测试信号。,时间,r（t）,R,-单位阶跃 函 数,1.5.1.2 斜坡信号（Ramp Function）,斜坡信号为匀速信号，适于测试匀速系统。,时间 t,r（t）,R

11、t,t g（）=R,-单位阶跃函数,1.5.1.3 抛物线信号（Parabolic Function）,u（t）-单位阶跃函数 抛物线信号为匀加速信号，适于测试匀加速系统。,时间 t,r（t）,0.5 R t 2,1.5.1.4 脉冲信号（Pulse Function）, t = 0 理想情况: r（t）= ( t ) = (t) -单位脉冲函数 0 t 0 A / h 0 h 可用于测试系统抗冲击能力,1.5.1.5 正弦信号（Sine Function）,r（t）=Asin( t + ) A - 幅值 - 频率 - 初相位 正弦信号为单频率信号，适于测试系统频率特性。,时间 t,r（t）,1.5.2.1 动态特性分析,y（t）= f ( x（t）) y (t ) - 输出 x (t ) - 输入 动态响应: 系统输出在典型测试信号下随时间变化的特性,f(x(t),x (t ),y( t ),x,y,t,t,1.5.2.2 稳态特性分析,y（t = ）= f