自动控制系统的工作原理教学提纲.ppt
《自动控制系统的工作原理教学提纲.ppt》由会员分享,可在线阅读,更多相关《自动控制系统的工作原理教学提纲.ppt(53页珍藏版)》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。
1、自动控制系统的工作原理v自动化时代自动化时代 在这个时代中,不仅能量变换、而且信息变在这个时代中,不仅能量变换、而且信息变换都由机器来完成,在人类活动所见的空间,换都由机器来完成,在人类活动所见的空间,只要需要用只要需要用“力力”的地方,都会给它配上一个的地方,都会给它配上一个小的脑袋单片机或微处理器之类的小脑袋。小的脑袋单片机或微处理器之类的小脑袋。不仅工业生产自动化了,农业生产、家务劳动、不仅工业生产自动化了,农业生产、家务劳动、交通运输、人居环境交通运输、人居环境凡是已知的规律,都凡是已知的规律,都可以用自动化技术来完成。可以用自动化技术来完成。232自动控制原理课程性质与地位自动控制原
2、理课程性质与地位自自动动控控制制原原理理(自自动动控控制制理理论论 自自动动调调节节原原理理 反反馈馈控控制制理理论论,简简称称自自控控)是是研研究究自自动动控控制制系系统统的的共共同同规规律律的的技技术术科科学学。它它是是一一门门技技术术基基础础理理论论课课,主主要要研研究究自自动动控制系统的组成、分析和设计的理论。控制系统的组成、分析和设计的理论。大一大一 公共基础课:公共基础课:英语英语 数学数学 物理物理 政治政治 大二大二 技术基础课:技术基础课:电路电路 电子电子 电机电机 计算机编程计算机编程 大三大三 专业基础课:专业基础课:自控自控 供电供电 微机微机 电力电子技术电力电子技
3、术 大四大四 专业课、设计:调速专业课、设计:调速 计算机控制计算机控制 毕业设计毕业设计 自自动动控控制制原原理理是是电电气气工工程程及及其其自自动动化化专专业业的的主主干干课课程程,也也是是信信电电学学院院平平台台课课程程。同同时时也也是是一一些些硕硕士士点点考考研研必修课。必修课。4上课时间:一共上课时间:一共14周,每周周,每周2次次星期一星期一12 星期三星期三 34答疑时间、地点:待定答疑时间、地点:待定一共一共64学时,讲课学时,讲课52学时,学时,习题习题2学时,实验学时,实验10学时学时 讲课地点:教一南讲课地点:教一南408,402每章学时安排:每章学时安排:第一章第一章绪
4、论绪论 3学时学时第二章第二章控制系统的数学描述控制系统的数学描述 8学时学时第三章第三章时域分析法时域分析法 11学时学时第四章第四章根轨迹法根轨迹法 8学时学时第五章第五章 频率响应法频率响应法 14学时学时 第六章第六章 控制系统补偿与综合控制系统补偿与综合 8学时学时 3课程学时安排课程学时安排510学时学时5个实验,各班课代表去联系。个实验,各班课代表去联系。联系方式:汪宁老师联系方式:汪宁老师实验内容:实验内容:1.典型环节(比例、积分、惯性)测试典型环节(比例、积分、惯性)测试 2.二阶系统单位阶跃响应及性能指标二阶系统单位阶跃响应及性能指标 3.高阶系统阶跃响应、根轨迹图绘制高
5、阶系统阶跃响应、根轨迹图绘制 4.频率特性(频率特性(Nyquist图、图、Bode图)绘制图)绘制 5.校正环节特性及系统阶跃响应校正环节特性及系统阶跃响应64成绩评定成绩评定出勤出勤 5作业作业 10 实验实验 15 缺一次扣缺一次扣5分分 允许补齐允许补齐考试考试 70 但是卷面成绩但是卷面成绩不得低于不得低于55分,否则按不及格分,否则按不及格处理。作业缺一半不允许参加考试。处理。作业缺一半不允许参加考试。5参考书目参考书目.刘明俊刘明俊 自动控制原理自动控制原理国防科技大学出版社国防科技大学出版社 2.胡寿松胡寿松 自动控制原理简明教程自动控制原理简明教程 科学出版社科学出版社 3.
6、鄢景华鄢景华自动控制原理自动控制原理哈尔滨工业大学出版社哈尔滨工业大学出版社4.吴吴 麒麒 自动控制原理自动控制原理 清华大学出版社清华大学出版社5.李友善李友善 自动控制原理自动控制原理 国防工业出版社国防工业出版社6.侯夔龙侯夔龙 自动控制原理自动控制原理 西安交通大学出版社西安交通大学出版社7第一章第一章 绪绪 论论1-1 自动控制的基本概念自动控制的基本概念1-2 自动控制系统工作原理自动控制系统工作原理1-3 闭环控制系统的基本组成闭环控制系统的基本组成1-4 自动控制系统的基本要求自动控制系统的基本要求1-5 自动控制系统的分类自动控制系统的分类1-6 控制系统举例控制系统举例1-
7、7 自动控制理论的发展史自动控制理论的发展史1-8 控制系统的计算机辅助设计控制系统的计算机辅助设计81.1 自动控制的基本概念自动控制的基本概念 被控对象:控制系统要进行控制的受控客体被控对象:控制系统要进行控制的受控客体 被控量:控制对象要实现的物理量被控量:控制对象要实现的物理量 如冰箱温度、电机的转速、飞机姿态如冰箱温度、电机的转速、飞机姿态 角、船的航角、船的航迹迹、电网的电压、电网的电压、生产过程中的压力、流量、生产过程中的压力、流量、温度、温度、湿度等。湿度等。应用领域应用领域:冰箱、空调、洗衣机、电梯、汽车、电厂锅炉、:冰箱、空调、洗衣机、电梯、汽车、电厂锅炉、酿酒过程、航空航
8、天等各种机器或生产过程控制以及军事领酿酒过程、航空航天等各种机器或生产过程控制以及军事领域。域。自动控制的定义:自动控制的定义:是指在没有人直接参与的情况下,利用控是指在没有人直接参与的情况下,利用控制装置(控制器),使机器、设备或生产过程(被控对象)制装置(控制器),使机器、设备或生产过程(被控对象)的某一工作状态或参数(被控量)自动按照预定的规律运行。的某一工作状态或参数(被控量)自动按照预定的规律运行。91.2自动控制系统的工作原理自动控制系统的工作原理系统:为了达到某一目的,由一些对象相互作用,相互制系统:为了达到某一目的,由一些对象相互作用,相互制 约,组成一个具有一约,组成一个具有
9、一 定运动规律的定运动规律的整体整体。控制系统:控制系统:指能够对被控对象的工作状态进行自动控制的系指能够对被控对象的工作状态进行自动控制的系 统,统,由被控对象和控制器构成的整体。由被控对象和控制器构成的整体。自动控制系统的性能,在很大程度上取决于系统中的控制器自动控制系统的性能,在很大程度上取决于系统中的控制器为了产生控制作用而必须接收的信息,这个信息有两个可能为了产生控制作用而必须接收的信息,这个信息有两个可能的来源:的来源:1)来自系统外部,即由系统输入端输入的参考输入信号。)来自系统外部,即由系统输入端输入的参考输入信号。2)来自被控对象的输出端,即反映被控对象的行为或状态)来自被控
10、对象的输出端,即反映被控对象的行为或状态的信息。的信息。10 开环控制开环控制按控制方式按控制方式 闭环控制闭环控制(反馈控制)(反馈控制)复合控制复合控制 按对象方式按对象方式运动控制运动控制(电机调速、机器人)(电机调速、机器人)过程控制过程控制(锅炉过程、化工过程)(锅炉过程、化工过程)把从被控对象输出端获得的信息通过中间环节(称为把从被控对象输出端获得的信息通过中间环节(称为反馈环节)再送回控制器的输入端的过程,称为反馈环节)再送回控制器的输入端的过程,称为反馈反馈。传送反馈信息的载体,称为反馈信号。是否采用反馈,传送反馈信息的载体,称为反馈信号。是否采用反馈,对控制系统的各个指标(即
11、稳定性、快速性、准确性)对控制系统的各个指标(即稳定性、快速性、准确性)影响很大。影响很大。11开环控制系统开环控制系统Open-loop Control System定义:系统的控制输入量不受输出量影响的控制系统定义:系统的控制输入量不受输出量影响的控制系统特点:系统的输出量与输入量间不存在反馈的通道,特点:系统的输出量与输入量间不存在反馈的通道,这种控制方式称为开环控制这种控制方式称为开环控制 在开环控制系统中,不需要对输出量进行测量,也不在开环控制系统中,不需要对输出量进行测量,也不需要将输出量反馈到系统输入端与输入量进行比较。因此,需要将输出量反馈到系统输入端与输入量进行比较。因此,开
12、环控制系统又称无反馈控制系统。开环控制系统又称无反馈控制系统。控制器控制器对象或过程对象或过程输入量输入量输出量输出量图图1.1 开环控制系统方块图开环控制系统方块图(按输入量控制方式按输入量控制方式)(被控量)12功率功率放大放大SM负载负载+u0nua图图1-2电动机电动机速度控制系统速度控制系统13+-+ugudoMiuin(a)原理图原理图R放大放大器器负载负载给定信号给定信号ug被控量被控量扰动扰动inui(b)方块图方块图电压电压放大放大电阻电阻R触发触发器器晶阐管可晶阐管可控整流器控整流器电动电动机机前馈控制前馈控制(开环开环)(按扰动量控制方式按扰动量控制方式)(参考输入量)这
13、种控制方式的前提条件:是干扰能够被测量这种控制方式的前提条件:是干扰能够被测量应用:交通红绿灯、自动洗衣机、生产流水线应用:交通红绿灯、自动洗衣机、生产流水线14闭环(反馈)控制系统闭环(反馈)控制系统Closed-loop Control Systemv闭环控制系统又称反馈控制系统,是应用最广泛的闭环控制系统又称反馈控制系统,是应用最广泛的控制方式。控制方式。v负反馈负反馈把取出的输出量送回输入端,并与输入把取出的输出量送回输入端,并与输入信号相比较产生偏差信号的过程,称为负反馈信号相比较产生偏差信号的过程,称为负反馈。v反馈控制反馈控制采用采用负反馈负反馈(正反馈较少正反馈较少)并利用偏差
14、并利用偏差进行控制的过程进行控制的过程(利用偏差修正偏差)。(利用偏差修正偏差)。v由于引入了被反馈量的反馈信息,整个控制过程成由于引入了被反馈量的反馈信息,整个控制过程成为闭合的,因此反馈控制也称为闭环控制为闭合的,因此反馈控制也称为闭环控制。15热力系统的人工反馈控制16热力系统的自动反馈控制17闭环控制的优缺点闭环控制的优缺点优点:优点:抑制干扰能力强抑制干扰能力强 对参数变化不敏感对参数变化不敏感 能获得满意的动态特性和控制精度能获得满意的动态特性和控制精度缺点:缺点:增加了系统的复杂性,如果参数选取增加了系统的复杂性,如果参数选取 不恰当,系统可能会振荡。不恰当,系统可能会振荡。所以
15、,所以,参数选取参数选取是控制理论和系统设计必是控制理论和系统设计必 须解决的重要问题。须解决的重要问题。18v反馈控制系统是一种能对输出量与参考输入量反馈控制系统是一种能对输出量与参考输入量进行比较,并力图保持两者之间的既定关系的系进行比较,并力图保持两者之间的既定关系的系统,它利用输出量与输入量的偏差来进行控制。统,它利用输出量与输入量的偏差来进行控制。v应当指出,反馈控制系统不限于工程范畴,在各应当指出,反馈控制系统不限于工程范畴,在各种非工程范畴内,诸如社会学、经济学和生物学种非工程范畴内,诸如社会学、经济学和生物学中,也存在着反馈控制系统。中,也存在着反馈控制系统。反馈控制系统是自动
16、控制原理的主要研究对象反馈控制系统是自动控制原理的主要研究对象19反馈在系统可以分正反馈和负反馈反馈在系统可以分正反馈和负反馈u负反馈主要通过输入、输出之间的差值作用于系统的其他部负反馈主要通过输入、输出之间的差值作用于系统的其他部分。这个分。这个差值差值反映了我们要求的输出和实际的输出之间的差别。反映了我们要求的输出和实际的输出之间的差别。控制器的控制策略是不停减小这个差值,以使差值变小。例如,控制器的控制策略是不停减小这个差值,以使差值变小。例如,人打算拿桌上的盒子。目测距离,确定方向,移动,不断测距人打算拿桌上的盒子。目测距离,确定方向,移动,不断测距离,脑判断以消除偏差离,脑判断以消除
17、偏差u正反馈在自动控制系统中主要是用来对小的变化进行正反馈在自动控制系统中主要是用来对小的变化进行放大放大,从而可以使系统在一个稳定的状态下工作。而且正反馈可以与从而可以使系统在一个稳定的状态下工作。而且正反馈可以与负反馈配合使用,以使系统的性能更优。负反馈配合使用,以使系统的性能更优。例如,铀例如,铀235在中在中子轰击下,通常会产生两个中等质子数的核,并放出子轰击下,通常会产生两个中等质子数的核,并放出23个中个中子和大量能量。放出的中子有的则继续引起重核裂变。这样就子和大量能量。放出的中子有的则继续引起重核裂变。这样就会使系统中的作用越来越剧烈。所以一般在核反应堆中通过控会使系统中的作用
18、越来越剧烈。所以一般在核反应堆中通过控制反应堆中铅棒与反应物接触的面积来控制核反应的剧烈程度制反应堆中铅棒与反应物接触的面积来控制核反应的剧烈程度20闭环控制系统框图闭环控制系统框图输入量输入量控制器控制器控制对象控制对象测量元件测量元件输出量输出量反馈回路反馈回路被控量被控量干扰量干扰量21给定电压给定电压热电偶热电偶输出电压输出电压22当炉内实际温度与给定电位计表征的希望高度当炉内实际温度与给定电位计表征的希望高度一致时,热电偶输出电压与给定电压相等,电一致时,热电偶输出电压与给定电压相等,电动机不转动,系统相对平衡。当炉温因扰动出动机不转动,系统相对平衡。当炉温因扰动出现偏差时(如炉温低
19、于希望值),偏差电压经现偏差时(如炉温低于希望值),偏差电压经放大后驱动电动机转动,将调压器电刷向上移放大后驱动电动机转动,将调压器电刷向上移动,使电阻丝两端电压增大,从而使炉温升高,动,使电阻丝两端电压增大,从而使炉温升高,趋于希望值。趋于希望值。工作原理:工作原理:23闭环与开环控制系统的比较闭环与开环控制系统的比较 v开环控制:顺向作用,没有反向的联系,没有修正开环控制:顺向作用,没有反向的联系,没有修正偏差能力,抗扰动性较差。结构简单、调整方便、偏差能力,抗扰动性较差。结构简单、调整方便、成本低。在精度要求不高或扰动影响较小的场合,成本低。在精度要求不高或扰动影响较小的场合,这种控制方
20、式还有一定的实用价值(步进电机,水这种控制方式还有一定的实用价值(步进电机,水泵,风扇)。泵,风扇)。v闭环控制:为偏差控制,可以抑制内(系统参数变闭环控制:为偏差控制,可以抑制内(系统参数变化)、外扰动(负载变化)对被控制量产生的影响,化)、外扰动(负载变化)对被控制量产生的影响,因此,控制精度高。但是结构复杂,成本高(价格因此,控制精度高。但是结构复杂,成本高(价格成倍增加,车床、洗衣机、小轿车);系统设计、成倍增加,车床、洗衣机、小轿车);系统设计、分析麻烦。分析麻烦。24复合控制系统复合控制系统 Compound Control Systemv定义:开环控制和闭环控制相结合的一种控制方
21、式。定义:开环控制和闭环控制相结合的一种控制方式。是构成高精度控制系统的一种有效控制方式,是构成高精度控制系统的一种有效控制方式,使控制系统具有良好的控制性能。使控制系统具有良好的控制性能。v复合控制的两种基本形式复合控制的两种基本形式 按输入前馈补偿的复合控制按输入前馈补偿的复合控制 按干扰前馈补偿的复合控制按干扰前馈补偿的复合控制25图图1.3 干扰补偿的复合控制系统方块图干扰补偿的复合控制系统方块图输入量输入量控制器控制器控制对象控制对象测量元件测量元件输出量输出量反馈回路反馈回路被控量被控量干扰量干扰量前馈补偿前馈补偿按干扰前馈补偿的复合控制按干扰前馈补偿的复合控制26图图1.4 输入
22、补偿的复合控制系统方块图输入补偿的复合控制系统方块图输入量输入量控制器控制器控制对象控制对象测量元件测量元件输出量输出量反馈回路反馈回路被控量被控量干扰量干扰量前馈补偿前馈补偿按输入前馈补偿的复合控制按输入前馈补偿的复合控制27v用用“”号代表比较元件,号代表比较元件,“”号代表两者符号相反。号代表两者符号相反。信号沿箭头方向从输入端到达输出端的传输通路称前向通信号沿箭头方向从输入端到达输出端的传输通路称前向通路;系统输出量经测量装置反馈到输入端的传输通路称主路;系统输出量经测量装置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,反馈通路。前向通路与主反馈通路共同
23、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。还有局部反馈通路以及由它构成的内回路。图图1.5 闭环控系统基本组成闭环控系统基本组成串联校正(补偿)元件放大元件执行机构被控对象反馈校正元件测量元件被控量1.3 闭环控制系统的基本组成闭环控制系统的基本组成输入量比较元件给定装置负反馈28给定装置:给定装置:产生给定值或输入信号(量)(即参考量或期望值)产生给定值或输入信号(量)(即参考量或期望值)测量元件:测量元件:测量被控制的物理量(被控量),用于产生反馈信号测量被控制的物理量(被控量),用于产生反馈信号 各种传感器:测速发电机、电位计、热电偶等。各种传感器:测速发电机、电位计、热电
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 自动控制系统 工作 原理 教学 提纲
限制150内