第1章自动控制原理概述优秀课件.ppt

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1、第第1章自章自动控制原理控制原理概述概述第1页，本讲稿共26页自动控制理论自动控制理论v地位和重要性地位和重要性v所需基础知识所需基础知识v知识构架知识构架v笔记和课件笔记和课件v出勤和考试出勤和考试第2页，本讲稿共26页自动控制理论自动控制理论第一章第一章 自动控制系统概述自动控制系统概述宋潇潇宋潇潇西华大学电气信息学院西华大学电气信息学院第3页，本讲稿共26页目录目录v1.1 开环控制与闭环控制开环控制与闭环控制v1.2 自动控制系统的分类自动控制系统的分类v1.3 对自动控制系统的基本性能要求对自动控制系统的基本性能要求第4页，本讲稿共26页1.1 开环控制与闭环控制开环控制与闭环控制v

2、1.1.1 开环控制系统开环控制系统v控制器与被控对象之间只有正向控制作用而没有控制器与被控对象之间只有正向控制作用而没有反馈控制作用。反馈控制作用。第5页，本讲稿共26页v1.1.2 闭环控制系统闭环控制系统v在控制器与被控对象之间，不仅存在正向作用，在控制器与被控对象之间，不仅存在正向作用，而且存在反馈作用。而且存在反馈作用。第6页，本讲稿共26页v开环控制与闭环控制的区别：开环控制与闭环控制的区别：v1）从控制信号和流向上看；）从控制信号和流向上看；v2）控制系统的组成上看；）控制系统的组成上看；v3）控制精度上看。）控制精度上看。第7页，本讲稿共26页v1.1.3 闭环控制系统的结构和

3、术语闭环控制系统的结构和术语v对于如图所示的恒温箱水位控制系统，在生产过对于如图所示的恒温箱水位控制系统，在生产过程中，常常需要维持被加热箱体的水位高度，以程中，常常需要维持被加热箱体的水位高度，以满足工业生产的需要。满足工业生产的需要。第8页，本讲稿共26页v1.工艺过程工艺过程v用户通过用户阀门用户通过用户阀门 2不定时、不定量地从加热的不定时、不定量地从加热的水箱中取走热水水箱中取走热水Q2以满足工业生产的需要。即以满足工业生产的需要。即 2Q2H实。实。v2.控制要求控制要求v人需要控制进水阀门人需要控制进水阀门 1来改变流入量来改变流入量Q1，即通，即通过不断调节进入箱体内的流量，使

4、得水箱中的实过不断调节进入箱体内的流量，使得水箱中的实际水位际水位H实等于规定的水位实等于规定的水位H0。水位过高水位过高溢出溢出不经济；不经济；水位过低水位过低干箱干箱不安全。不安全。第9页，本讲稿共26页v在控制过程中，人要连续不断地观测箱体内的水在控制过程中，人要连续不断地观测箱体内的水位，并与要求水位比较，反映到大脑中，然后大位，并与要求水位比较，反映到大脑中，然后大脑根据水位差的大小和方向，产生控制指令，加脑根据水位差的大小和方向，产生控制指令，加大或减小进水阀门的开度，以减少差异，人通过大或减小进水阀门的开度，以减少差异，人通过连续不断的操作，达到箱体水位维持在要求值附连续不断的操

5、作，达到箱体水位维持在要求值附近。近。v通过研究上述人工控制恒温箱的水位过程，可以通过研究上述人工控制恒温箱的水位过程，可以看到，所谓控制就是使某个对象中物理量按照一看到，所谓控制就是使某个对象中物理量按照一定的目标来动作。本例中，对象指箱体，其中的定的目标来动作。本例中，对象指箱体，其中的物理量指箱体水位，一定目标就是事先要求的高物理量指箱体水位，一定目标就是事先要求的高度期望值。度期望值。第10页，本讲稿共26页v若水位控制要求精度高，那么由人来控制就很难若水位控制要求精度高，那么由人来控制就很难满足要求，这时就需要用控制装置代替人，形成满足要求，这时就需要用控制装置代替人，形成恒温箱水位

6、自动控制系统，如下图所示。恒温箱水位自动控制系统，如下图所示。第11页，本讲稿共26页v(1)测量元件测量元件v将水位位置的变化，转换成仪表系统中的将水位位置的变化，转换成仪表系统中的(电电)信信号。它的作用类似于人工控制中人的眼，将水位号。它的作用类似于人工控制中人的眼，将水位的变化输送到大脑中。的变化输送到大脑中。v(2)比较元件比较元件v将水位变化相应的将水位变化相应的(电电)信号，用仪表显示给监视信号，用仪表显示给监视人员，或者用记录纸连续记录下来，报警可采用人员，或者用记录纸连续记录下来，报警可采用声光等形式。声光等形式。第12页，本讲稿共26页v(3)放大元件放大元件v将检测信号转

7、换为控制信号，输出足够的功率以将检测信号转换为控制信号，输出足够的功率以驱动电机控制阀门。驱动电机控制阀门。v(4)执行器执行器v执行器为一电动调节阀，它包括执行电机和阀体执行器为一电动调节阀，它包括执行电机和阀体两部分，它根据控制器的命令，改变进水调节阀两部分，它根据控制器的命令，改变进水调节阀门的开度门的开度 1。调节阀的作用类似于人工控制中人。调节阀的作用类似于人工控制中人的手，去执行大脑的命令。的手，去执行大脑的命令。第13页，本讲稿共26页v(5)被控对象被控对象v此例中的被控对象是液位的高度。此例中的被控对象是液位的高度。v(6)校正装置校正装置v对系统的参数或结构进行调整，用于改

8、善系统框对系统的参数或结构进行调整，用于改善系统框图。图。第14页，本讲稿共26页1.2 自动控制系统的分类自动控制系统的分类v1.2.1 线性和非线性控制系统线性和非线性控制系统v(1)线性控制系统线性控制系统v组成系统元器件的特性均为线性的，可用一个或组成系统元器件的特性均为线性的，可用一个或一组线性微分方程来描述系统输入和输出之间的一组线性微分方程来描述系统输入和输出之间的关系。线性系统的主要特征是具有关系。线性系统的主要特征是具有齐次性齐次性和和叠加叠加性性。v当线性微分方程的系数不随时间变化时，为线性当线性微分方程的系数不随时间变化时，为线性定常系统。本门课重点讨论线性定常系统。定常

9、系统。本门课重点讨论线性定常系统。第15页，本讲稿共26页v(2)非线性控制系统非线性控制系统v在系统中只要有一个元器件的特性不能用线性微在系统中只要有一个元器件的特性不能用线性微分方程描述其输入和输出关系，则称为非线性系分方程描述其输入和输出关系，则称为非线性系统。非线性系统还没有一种完整、成熟、统一的统。非线性系统还没有一种完整、成熟、统一的分析法。通常对于非线性程度不很严重，或做近分析法。通常对于非线性程度不很严重，或做近似分析时，均可用线性系统理论和方法来处理。似分析时，均可用线性系统理论和方法来处理。第16页，本讲稿共26页v1.2.2 按给定信号的特点分类按给定信号的特点分类v(1

10、)恒值控制系统恒值控制系统(自动调节系统自动调节系统)v这种系统的特征是输出量为一恒值，通常称为系这种系统的特征是输出量为一恒值，通常称为系统的给定值。控制系统的任务是尽量排除各种干统的给定值。控制系统的任务是尽量排除各种干扰因素的影响，使输出量维持在给定值扰因素的影响，使输出量维持在给定值(期望值期望值)。如工业过程中恒温、恒压、恒速等控制系统。如工业过程中恒温、恒压、恒速等控制系统。第17页，本讲稿共26页v(2)随动控制系统随动控制系统(跟踪系统跟踪系统)v该系统的控制输入量是一个事先无法确定的任意该系统的控制输入量是一个事先无法确定的任意变化的量，要求系统的输出量能迅速平稳地复现变化的

11、量，要求系统的输出量能迅速平稳地复现或跟踪输入信号的变化。如雷达天线的自动跟踪或跟踪输入信号的变化。如雷达天线的自动跟踪系统和高炮自动描准系统就是典型的随动系统。系统和高炮自动描准系统就是典型的随动系统。第18页，本讲稿共26页v(3)程序控制系统程序控制系统v系统的控制输入信号不是常值，而是事先确定的系统的控制输入信号不是常值，而是事先确定的运动规律，编成程序装在输入装置中，即控制输运动规律，编成程序装在输入装置中，即控制输入信号是事先确定的程序信号，控制的目的是使入信号是事先确定的程序信号，控制的目的是使被控对象的被控量按照要求的程序动作。如数控被控对象的被控量按照要求的程序动作。如数控车

12、床就属此类系统。车床就属此类系统。第19页，本讲稿共26页v1.2.3 按控制信号的形式分类按控制信号的形式分类v(1)连续控制系统连续控制系统v系统中所有元件的信号都是随时间连续变化的，系统中所有元件的信号都是随时间连续变化的，信号的大小均是可任意取值的模拟量，称为连续信号的大小均是可任意取值的模拟量，称为连续系统。本书主要研究连续控制系统。系统。本书主要研究连续控制系统。第20页，本讲稿共26页v(2)离散控制系统离散控制系统v离散系统是指系统中有一处或数处的信号是脉冲离散系统是指系统中有一处或数处的信号是脉冲序列或数码。若系统中采用了采样开关，将连续序列或数码。若系统中采用了采样开关，将

13、连续信号转变为离散的脉冲形式的信号，此类系统称信号转变为离散的脉冲形式的信号，此类系统称为采样控制系统或脉冲控制系统。若采用数字计为采样控制系统或脉冲控制系统。若采用数字计算机或数字控制器，其离散信号是以数码形式传算机或数字控制器，其离散信号是以数码形式传递的，此类系统称为数字控制系统。递的，此类系统称为数字控制系统。第21页，本讲稿共26页1.3 对自动控制系统的基本性能要求对自动控制系统的基本性能要求v尽管自动控制系统有不同的类型，对每个系统也尽管自动控制系统有不同的类型，对每个系统也都有不同的特殊要求，但对于各类系统来说，在都有不同的特殊要求，但对于各类系统来说，在已知系统的结构和参数时

14、，对该系统在某种典型已知系统的结构和参数时，对该系统在某种典型输入信号作用下，其被控变量变化全过程的基本输入信号作用下，其被控变量变化全过程的基本要求都是一样的，可以归结为稳定性、准确性和要求都是一样的，可以归结为稳定性、准确性和快速性，即快速性，即稳稳、准准、快快的要求。的要求。第22页，本讲稿共26页v1稳定性稳定性v对于一个自动控制系统，最基本要求为系统是绝对于一个自动控制系统，最基本要求为系统是绝对稳定的。否则系统无法正常工作，也无法完成对稳定的。否则系统无法正常工作，也无法完成控制任务，甚至会毁坏设备，造成重大损失。考控制任务，甚至会毁坏设备，造成重大损失。考虑到实际系统工作环境或参

15、数的变动，可能导致虑到实际系统工作环境或参数的变动，可能导致系统不稳定，因此，我们除要求系统稳定外，还系统不稳定，因此，我们除要求系统稳定外，还要求其具有一定的稳定裕量。要求其具有一定的稳定裕量。第23页，本讲稿共26页v2准确性准确性v系统的准确性是用稳态误差来衡量的，稳态误差系统的准确性是用稳态误差来衡量的，稳态误差是指系统过渡到新的平衡工作状态以后，或系统是指系统过渡到新的平衡工作状态以后，或系统对抗干扰重新恢复平衡后最终保持的精度。稳态对抗干扰重新恢复平衡后最终保持的精度。稳态误差与控制系统的结构及参数，输入信号形式有误差与控制系统的结构及参数，输入信号形式有关。关。第24页，本讲稿共

16、26页v3快速性快速性v动态过程是指控制系统的被控量在输入信号作用动态过程是指控制系统的被控量在输入信号作用下随时间变化的全过程，衡量系统快速性的品质下随时间变化的全过程，衡量系统快速性的品质好坏常采用单位阶跃信号作用下动态过程中的超好坏常采用单位阶跃信号作用下动态过程中的超调量，过渡过程时间等性能指标。调量，过渡过程时间等性能指标。v(1)单调过程单调过程v(2)衰减振荡过程衰减振荡过程v(3)等幅振荡过程等幅振荡过程v(4)发散振荡过程发散振荡过程第25页，本讲稿共26页v对不同的被控对象，系统对稳、准、快的要求有对不同的被控对象，系统对稳、准、快的要求有所侧重。例如，随动系统对快要求较高。同一系所侧重。例如，随动系统对快要求较高。同一系统稳、准、快是相互制约的。过分提高响应动作统稳、准、快是相互制约的。过分提高响应动作的快速性，可能会导致系统的强烈振荡；而过分的快速性，可能会导致系统的强烈振荡；而过分追求系统的平稳性，又可能使系统反映迟钝，控追求系统的平稳性，又可能使系统反映迟钝，控制过程拖长，最终导致控制精度也变差。如何分制过程拖长，最终导致控制精度也变差。如何分析与解决这些矛盾，是自动控制理论研究的重要析与解决这些矛盾，是自动控制理论研究的重要内容。内容。第26页，本讲稿共26页