自动控制系统的的基本原理与结构.ppt

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1、第一章第一章 绪论绪论 1.1.引言引言1.2.自动控制自动控制系系统统的的的基本原的基本原理与理与结结构构 主要内容主要内容1.3.自动控制系统分类自动控制系统分类1.4.对自动控制系统的基本要求对自动控制系统的基本要求 自动控制理论自动控制理论是研究自动控制共同规律的技术科学。它是采用数学的方法对自动控制系统进行分析与综合的一般理论。所谓分析指在给出系统数学模型的基础上确定系统的性能。所谓综合指在对系统性能提出要求的基础上，确定一个满足要求的系统模型。1.1引言引言自动控制理论自动控制理论 古典控制理论 （20世纪40年代）以传递函数为工具和基础，以频域法和根轨迹法为核心，研究单输入-单输

2、出线性定常控制系统的分析与设计问题。现代控制理论 （20世纪60年代）以状态空间法为标志和基础，以矩阵论和近代数学方法作为工具，研究多输入-多输出、变参数（时变）、非线性、高精度等各种复杂系统的分析与设计问题。自动控制理论自动控制理论 1.2自自动动控制系控制系统统的基本原理与的基本原理与结结构构 自动控制自动控制(Automatic control):所谓自动控制是指在没有人直接参与的情所谓自动控制是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置况下，利用外加的设备或装置(称为控制器称为控制器)，使机器、设备或生产过程，使机器、设备或生产过程(称为被控对象称为被控对象)的某个工作状态或参数

3、的某个工作状态或参数(即被控量即被控量)自动地按自动地按照预定的规律运行。照预定的规律运行。自动控制系统自动控制系统 自动控制系统是为实现某一控制目标，将自动控制系统是为实现某一控制目标，将被控对象和控制装置按照一定的方式连接起来组被控对象和控制装置按照一定的方式连接起来组成的一个有机总体。成的一个有机总体。金属切削机床的速度在电网电压或负载变化时，能自动保持近似地不变金属切削机床的速度在电网电压或负载变化时，能自动保持近似地不变,按照预定的程序自动地切削工件按照预定的程序自动地切削工件机机 器器 人按照预定的程序进行工作人按照预定的程序进行工作宇宙飞船能准确地在月球着陆，并进行成功回收宇宙飞

4、船能准确地在月球着陆，并进行成功回收 一一.开环控制开环控制定义定义1.2.1 开环控制开环控制 (Open-loop control)开环控制是指控制装置与被控对象之间只开环控制是指控制装置与被控对象之间只有顺向作用而没有反向联系的控制过程，按这种有顺向作用而没有反向联系的控制过程，按这种控制方式组成的系统称为开环控制系统。控制方式组成的系统称为开环控制系统。分类：1.按给定量控制方式组成的开环控制系统2.按扰动控制方式组成的开环控制系统图1-1 按给定量控制方式组成的开环控制系统框图 1.按给定量控制方式组成的开环控制系统图1-2 直流电动机转速开环控制系统原理图 例图1-3 直流电动机转

5、速开环控制方框图图1-2 直流电动机转速开环控制系统原理图 例工作原理分析：Rw向上 Ug 晶闸管整流装置的触发电路便产生一串与电压Ug相对应的、具有一定相位的触发脉冲去控制晶闸管的导通角晶闸管放大器的输出电压Ud n 图1-3 直流电动机转速开环控制方框图各组成元件功能分析：输入量（控制量）:用以控制电动机M转速的给定电压Ug被控对象:电动机输出量（被控制量）:负载的转速n输入量与输出量一一对应。输入量与输出量一一对应。二二.开环控制特点：开环控制特点：信号单方向传递信号单方向传递 即只有输入量对输出量产生控制作用。即只有输入量对输出量产生控制作用。系统反映速度快系统反映速度快,但没有抗干扰

6、能力但没有抗干扰能力,控制精度不高。控制精度不高。控制器控制器被控对象被控对象输入量输入量输出量输出量控制信号控制信号扰动量扰动量 一一.闭环控制定义：闭环控制定义：闭环控制是指控制装置与被控对象之间既有闭环控制是指控制装置与被控对象之间既有顺向作用，又有反向联系的控制过程。顺向作用，又有反向联系的控制过程。这这种控制系种控制系统统由于存在由于存在输输出出对输对输入的反入的反馈馈，因此因此对对系系统统的的输输出形成了一个出形成了一个闭闭合的回路，故称合的回路，故称为闭环为闭环控制系控制系统统，又称反，又称反馈馈控制系控制系统统。1.2.2 闭环控制闭环控制 (closed-loop contr

7、ol)二二.闭环闭环控制系控制系统统的的组组成成 给定元件给定元件Command input控制器控制器Controller测量元件测量元件Measuring Device放大元件放大元件Amplifier执行元件执行元件Actuator比较元件比较元件Comparator被控对象被控对象Controlled systemDisturbance input三三.闭环闭环控制系控制系统统的的结结构原理构原理图图 图1-6 闭环控制系统组成框图图中，用“”代表多路信号汇合点，“+”表示信号相加，“-”表示信号相减。测量元件：其职能是测量被控制的物理量;给定元件：其职能是给出与期望的被控量 相对应的

8、系统输入量（即参据量）。比较元件：把测量元件检测的被控量实际值与给定元件给出的参据量进行比较，求出它们之间的偏差。放大元件：将比较元件给出的偏差进行放大，用来推动执行元件去控制被控对象。执行元件：直接推动被控对象，使其被控量发生变化。校正元件：亦称补偿元件，它是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，以改善系统性能。图1-7直流电动机转速闭环控制系统 图1-8直流电动机转速闭环控制方框图工作原理分析：当系统受到扰动影响，如电动机的负载转矩 TL 流经电动机电枢中的电流Id电枢电阻上的 压降 n Uf U=(Ug-Uf)Uk Ud n图1-8直流电动机转速闭环控制方框图例例 图

9、图1-17是一个控制导弹发射架方位的角位置随动系统原是一个控制导弹发射架方位的角位置随动系统原理图。图中，电位器理图。图中，电位器P1,P2并联后跨接到同一电源并联后跨接到同一电源E0的两端，的两端，其滑臂分别与输入轴和输出轴相连接，以组成方位角的给其滑臂分别与输入轴和输出轴相连接，以组成方位角的给定装置和反馈装置。输入轴由手轮操纵，输出轴则由电动定装置和反馈装置。输入轴由手轮操纵，输出轴则由电动机经减速器后带动，电动机采用电枢控制方式工作。它的机经减速器后带动，电动机采用电枢控制方式工作。它的原理框图如图原理框图如图1-18所示。所示。图1-17 角位置随动系统的原理图图1-17 角位置随动

10、系统的原理图图1-17 角位置随动系统的原理图图1-18 角位置随动系统的方框图2工作原理分析：当发送电位器P1与接收电位器P2的转角相等，即导弹发射架的方位角与输入轴方位角一致时 ，Ue=Ui-Uo=Ua=0，此时，两环形电位器组成的桥式电路处于平衡状态，无电压输出，表示此时跟踪无偏差，电动机不动，系统处于静止状态。2工作原理分析：当摇动手轮使电位器P1的滑臂转过一个输入角 的瞬间，由于输出轴的转角 ,于是出现了一个误差角 ，该误差角通过电桥P1，P2转换成偏差电压 ，经放大后驱动电动机转动，在通过减速器带动导弹发射架转动的同时，通过输出轴带动电位器P2的滑臂向 要求的方向偏转，直到 为止。

11、此时，偏差电压 ，系统达到新的平衡状态，电动机停止转动，这时，导弹发射架停留在相应的发射角上。只要 ，偏差就会产生调节作用，控制的结果是消除偏差 ，使输出量 严格地跟随输入量 而变化，从而达到角位置跟踪的目的。1各组成元件功能分析：给定量：手轮的角位移被控对象：导弹发射架被控量：导弹发射架的角位移控制装置：给定元件发送电位器 测量与比较元件 电位器P1，P2,把系统的输入与输出的位置信号转换成与之成比例的电压信号，并进行比较执行元件 电动机与减速器按偏差控制原则按偏差控制原则四四.闭环控制的特点：闭环控制的特点：信号传递是双方向的：既有输入量对输出量的作用，信号传递是双方向的：既有输入量对输出

12、量的作用，又有输出量对输入量的作用。又有输出量对输入量的作用。控制信号控制信号 控制器控制器被控对象被控对象 测量元件测量元件扰动量扰动量输入量输入量反馈量反馈量偏差量偏差量输出量输出量系统具有服从给定系统具有服从给定,抵抗扰动的能力。抵抗扰动的能力。提高了控制精度。提高了控制精度。控制信号控制信号 控制器控制器被控对象被控对象 测量元件测量元件扰动量扰动量输入量输入量反馈量反馈量偏差量偏差量输出量输出量 一一.复合控制定义：复合控制定义：将开环和闭环控制结合在一起构成开环将开环和闭环控制结合在一起构成开环闭闭环控制方式，称为复合控制。环控制方式，称为复合控制。复合控制实质上是在闭环控制回路的

13、基础上复合控制实质上是在闭环控制回路的基础上附加一个输入信号或扰动信号的前馈通路，对该附加一个输入信号或扰动信号的前馈通路，对该信号实行加强或补偿以提高系统的控制精度。信号实行加强或补偿以提高系统的控制精度。1.2.4 复合控制系统复合控制系统图1-9 按输入信号补偿的复合控制系统方框图 按输入信号补偿的复合控制是一种对控制能力的加强作用。通常，补偿装置可提供一个输入信号的微分作用，并作为前馈控制信号，与原输入信号一起对被控对象进行控制，以提高系统的跟踪精度。1.按输入信号补偿的复合控制系统 控制器控制器被控对象被控对象扰动量扰动量输入量输入量反馈量反馈量偏差偏差输出量输出量2.按扰动信号补偿

14、的复合控制系统 补偿器补偿器图1-10 按扰动信号补偿的复合控制系统方框图 按扰动作用补偿的补偿装置，能够在可测扰动对系统的不利影响产生前，提供一个控制作用以抵消 扰动对系统输出的影响。控制精度高。控制精度高。3.复合复合控制特点：控制特点：可抑制几乎所有的可测扰动可抑制几乎所有的可测扰动量。量。例 图1-23是一个谷物湿度自动控制系统示意图。它的原理框图如图1-24所示。在谷物磨粉的生产过程中，有一个出粉最多的湿度，因此，磨粉之前要给谷物加水以得到给定的湿度。图中，谷物用传送装置按一定流量通过加水点，加水量由自动阀门控制。加水过程中，谷物流量、加水前谷物湿度以及水压都是对谷物湿度控制的扰动作

15、用。为了提高控制精度，系统中采用了谷物湿度的前馈控制。2工作原理分析：设在出口处的湿度测量装置测量输出谷物的实际湿度并将信号反馈到调节器，构成系统的主反馈通道。若输出谷物湿度与调节器中设定的湿度值不一致，就会产生偏差信号，通过调节器控制阀门调节水量，使谷物湿度向设定值调节。入口处的湿度测量装置测量入口处的谷物湿度，并将信号直接传到调节器，构成系统的前馈通道。若从入口处进入的谷物的湿度与设定值不一致，调节器可以及时调节阀门，对谷物湿度进行预先调节，使系统输出湿度的调节过程更加平稳、准确。调节器调节器传送装置传送装置输入量输入量反馈量反馈量输出量输出量扰动量扰动量 湿度传感器湿度传感器 阀门阀门

16、湿度传感器湿度传感器输入量输入量 期望的谷物湿度期望的谷物湿度输出量输出量 输出的输出的谷谷物湿度物湿度扰动量扰动量 输入的输入的谷谷物湿度物湿度被控对象被控对象 传送装置上的传送装置上的谷谷物物控制装置：测量元件控制装置：测量元件 湿度传感器湿度传感器 执执行元件行元件 调节调节器、器、阀门阀门 补偿器补偿器扰动量扰动量 控制器控制器被控对象被控对象输入量输入量反馈量反馈量输出量输出量 测量元件测量元件偏差量偏差量 测量元件测量元件反馈量反馈量 控制器控制器被控对象被控对象输入量输入量输出量输出量偏差量偏差量扰动量扰动量控制器控制器被控对象被控对象输入量输入量输出量输出量控制信号控制信号扰动

17、量扰动量开环开环闭环闭环复合复合1.3 自动控制系统分类自动控制系统分类按控制方式分闭环控制(反馈控制)开环控制复合控制 按系统功用分温度控制系统压力控制系统位置控制系统 按输入量变化规律分恒值自动调节系统随动系统程序自动控制系统恒值自动调节系统（Constant Automatic Regulating System）特点：输入量是恒定值 功能：克服各种对被调节量的扰动而保持被 调节量为恒值随动系统（Servo-mechanism）特点：输入量是未知时间函数，要求输出以最小 误差跟随输入功能：按预先未知的规律来控制被控量程序自动控制系统特点：输入量是已知时间函数，要求输出以最快速度跟随输入变

18、化(Programmed Automatic Control System)功能:自动控制系统给定环节给出的给定作用是 一个预定的程序,系统按该预定程序来控制被控量按系统性能分非线性系统连续系统定常系统时变系统确定性系统不确定性系统离散系统线性系统从描述系统微分方程分线性控制系统式中：c（t）是被控量 r（t）是系统输入量 只要有一个以上随时间变化，就叫线性时变系统（9章）2.非线性系统 描述系统r(t)与y(t)之间关系用非线性方程（8章）此方程的特点是系数与变量有关，或者方程中含有变量及其导数的高次幂或乘积项。按系统内部信号性质分1.系统内部每个信号均是时间的连续函数叫连续控制系统2.系统

19、内部有一个或两个信号是时间的离散函数叫离散控制系统（7章）按系统变量个数分1.单变量控制系统单变量控制系统 在在一一个个控控制制系系统统中中，如如果果只只有有一一个个输输入入量量和和一一个个输输出出量量则则这这类类系系统统称称为为单单变变量量控制系统，又叫单输入单输出系统。控制系统，又叫单输入单输出系统。图1-12 单变量多回路系统按系统变量个数分2.多变量控制系统多变量控制系统 在在一一个个控控制制系系统统中中，如如果果有有多多个个输输入入量量和和多多个个输输出出量量，且且各各控控制制回回路路相相互互之之间间有有耦耦合合关关系系，则则称称这这种种系系统统为为多多变变量量控控制系统，也叫多输入

20、多输出控制系统，制系统，也叫多输入多输出控制系统，图1-13 多变量控制系统稳定性：1 对恒值系统，要求当系统受到扰动后，经过一定时间的调整能够回到原来的期望值。2 对随动系统，被控制量始终跟踪参据量的变化。稳定性是对系统的基本要求，是保证系统正常工作的先决条件。不稳定的系统不能实现预定任务。稳定性，通常由系统的结构决定与外界因素无关。1.4 对自动控制系统的基本要求可以归结为稳定性（长期稳定性）、准确性（精度）和快速性（相对稳定性）。稳 准快 对过渡过程的形式和快慢提出要求，一般称为动态性能。稳定高射炮射角随动系统，虽然炮身最终能跟踪目标，但如果目标变动迅速，而炮身行动迟缓，仍然抓不住目标。

21、快速性：准确性：用稳态误差来表示。在参考输入信号作用下，当系统达到稳态后，其稳态输出与参考输入所要求的期望输出之差叫做给定稳态误差。显然，这种误差越小，表示系统的输出跟随参考输入的精度越高。1.5 自动控制系统的性能指标自动控制系统的性能指标n暂态性能指标暂态性能指标n稳态性能指标暂态性能指标暂态性能指标 图图1-13暂态性能指标暂态性能指标 最大超调量上升时间过渡过程时间或调节时间振荡次数本章重点：1.自动控制的基本原理与控制方式自动控制的基本原理与控制方式2.2.反馈控制系统的本质特征反馈控制系统的本质特征在不同输入量作用下，对系统的输出量的要求，揭示出反馈控制系统的本质特征：输出跟随输入。3.3.对自动控制系统的性能指标要求有：对自动控制系统的性能指标要求有：稳定性系统能工作的首要条件；快速性用系统在暂态过程中的响应速度和被控量的波动程度描述；准确性用稳态误差来衡量。1.5 小结本课程的研究对象：单变量线性定长连续或离散系统本课程的主要内容：电路课着重将电路模型转为数学模型，本课程着重 怎样从物理系统建立数学模型。分析系统的运动规律，即对于一个具体的控制系统，如何从理论上对它的动态性能和稳态精度进行定性 的分析和定量的计算。线性系统的校正 根据对系统性能的要求，如何合理地设计校正装置，使系统的性能能全面地满足技术上的要求。Thank You!Thank You!