自动控制原理胡寿松第六版第一张.ppt

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1、1-3 1-3 自动控制系统的分类自动控制系统的分类1-4 1-4 对控制系统的基本要求对控制系统的基本要求 1-11-1 自动控制的基本原理与方式自动控制的基本原理与方式1-1-2 2 自动控制系统示例自动控制系统示例第一章1-1 1-1 自动控制的基本原理与方法自动控制的基本原理与方法1.1.自动控制技术及其应用自动控制技术及其应用2.2.自动控制理论自动控制理论3.3.反馈控制原理反馈控制原理4.4.反馈控制系统的基本组成反馈控制系统的基本组成5.5.自动控制系统基本控制方式自动控制系统基本控制方式 自动控制技术：自动控制技术：利用外加设备或装置（利用外加设备或装置（控制装置、控制控制装

2、置、控制器器），使机器、设备或生产过程（），使机器、设备或生产过程（被控对象被控对象）的某个工）的某个工作状态或参数（作状态或参数（被控量被控量）自动地按预定的规律运行（）自动地按预定的规律运行（控控制目标制目标）。）。控制器对象被控量应用领域：应用领域：人类活动的各个领域。人类活动的各个领域。被控对象的属性？被控对象的属性？自动控制理论：自动控制理论：研究自动控制共同规律的技术科学。研究自动控制共同规律的技术科学。问题问题1.1.如何描述一个对象？如何描述一个对象？数学模型数学模型问题问题2.2.如何描述控制目标？如何描述控制目标？性能指标性能指标问题问题3.3.给定对象是否满足性能指标要求

3、？给定对象是否满足性能指标要求？系统分析系统分析问题问题4.4.如何使给定对象满足性能指标？如何使给定对象满足性能指标？系统综合系统综合例例1：人用手拿物品。人用手拿物品。控制目标：控制目标：手拿到物品。手拿到物品。相关部件：相关部件：1手。抓取物品。功能：手。抓取物品。功能：受控对象受控对象、执行部执行部 件件。2大脑。协调眼、手工作。功能：比较物品与手大脑。协调眼、手工作。功能：比较物品与手 之间的接近程度（之间的接近程度（比较元件比较元件）；控制手的动作（）；控制手的动作（控制部控制部 件件）。）。3 眼睛。观察物品与手的位置。功能：眼睛。观察物品与手的位置。功能：检测元检测元 件件。物

4、品大脑手臂、手手眼睛位置眼睛位置例例2：龙门刨床速度控制系统（教材图龙门刨床速度控制系统（教材图1-2）。）。控制目标：控制目标：刀架速度恒定。刀架速度恒定。相关部件：相关部件：1电机（电机（SM）。功能：）。功能：执行部件执行部件。2测速测速 电机（电机（TG）。功能：将速度信号转换为电信号）。功能：将速度信号转换为电信号 ，检检 测元件测元件。3放大器放大器FD。功能：比较、放大。（。功能：比较、放大。（比较元比较元 件件）。）。4 调节触发器调节触发器CF。电压放大。电压放大。5 晶闸管整流晶闸管整流 装置装置KZ。整流、功率放大。输出电枢电压。整流、功率放大。输出电枢电压 。电动机放大

5、器FD实现方式：实现方式：输入恒定电压输入恒定电压 ，电机速度，电机速度 恒定。恒定。设定速度调节触调节触发器发器CFCF转速测速发电机晶闸管整晶闸管整流装置流装置KZKZ控制部件？反馈控制：反馈控制：将输出量送回到输入端，并用于控制。（将输出量送回到输入端，并用于控制。（例例1、例例2）按偏差控制（误差控制）：按偏差控制（误差控制）：根据设定值（期望值）与输出根据设定值（期望值）与输出 值（实际值）的偏差量，确定对象的动作。值（实际值）的偏差量，确定对象的动作。负反馈：负反馈：输出量送回到输入端，与输入信号相减，使偏差输出量送回到输入端，与输入信号相减，使偏差 越来越小。越来越小。正反馈：正

6、反馈：输出量送回到输入端，与输入信号相加，使偏差输出量送回到输入端，与输入信号相加，使偏差 越来越大。越来越大。有静差系统：有静差系统：在稳态时被控量与设定值存在偏差。这个误在稳态时被控量与设定值存在偏差。这个误 差称为差称为稳态误差稳态误差。无静差系统：无静差系统：在稳态时被控量与设定值不存在偏差。在稳态时被控量与设定值不存在偏差。反馈控制系统的基本构成反馈控制系统的基本构成给定元件：给定元件：设定被控量的期望值。产生系统输入量。设定被控量的期望值。产生系统输入量。测量元件：测量元件：检测被控对象的输出量，将其转换为电信号。检测被控对象的输出量，将其转换为电信号。也称为传感器、传感元件。也称

7、为传感器、传感元件。比较元件：比较元件：比较设定值与实际值，产生相应的偏差信号。比较设定值与实际值，产生相应的偏差信号。放大元件：放大元件：将信号放大，包括信号放大和功率放大。将信号放大，包括信号放大和功率放大。校正元件：校正元件：为改善系统性能，连接在系统中的部件。也叫为改善系统性能，连接在系统中的部件。也叫 补偿元件。可以有串联补偿、反馈补偿、顺馈补偿。补偿元件。可以有串联补偿、反馈补偿、顺馈补偿。执行元件：执行元件：直接使输出量产生变化的部件。直接使输出量产生变化的部件。反馈元件：反馈元件：将输出量引回到输入端的部件。将输出量引回到输入端的部件。执行元件输入量放大元件放大元件输出量反馈元

8、件补偿元件补偿元件典型反馈系统组成：单闭环系统反馈元件反馈元件内回路局部反馈主回路主反馈执行元件输入量放大元件放大元件输出量补偿元件补偿元件典型反馈系统组成：双闭环系统被控对象被控对象测量元件测量元件自动控制系统基本控制方式自动控制系统基本控制方式反馈控制方式反馈控制方式开环控制方式：开环控制方式：被控对象个部件信号的只沿着顺向传递。被控对象个部件信号的只沿着顺向传递。输出量不会对系统的控制产生影响。输出量不会对系统的控制产生影响。执行元件输入量放大元件放大元件输出量顺馈控制方式：顺馈控制方式：在干扰可测量的时候，将干扰量测量出在干扰可测量的时候，将干扰量测量出 来，送到输入端，产生干扰补偿信

9、号，以减少干扰对来，送到输入端，产生干扰补偿信号，以减少干扰对 系统的影响。系统的影响。干扰测量干扰测量执行元件执行元件放大元件放大元件输入量输出量干扰输入反馈元件反馈元件补偿元件补偿元件复合控制方式：复合控制方式：将反馈控制与顺馈结合。将反馈控制与顺馈结合。干扰测量干扰测量执行元件执行元件放大元件放大元件输入量输出量干扰输入1-2 1-2 自动控制系统示例自动控制系统示例1.1.函数记录仪函数记录仪2.2.飞机自动驾驶仪飞机自动驾驶仪3.3.电阻炉微型计算机温度控制系统电阻炉微型计算机温度控制系统4.4.锅炉液位控制系统锅炉液位控制系统函数记录仪函数记录仪控制目标：控制目标：纪录笔按要求到达

10、规定位置。纪录笔按要求到达规定位置。控制对象：控制对象：纪录笔。纪录笔。控制量：控制量：纪录笔位置。纪录笔位置。纪录笔运动原理：纪录笔运动原理：给定一个电压信号，设定位移量。在输入作用下给定一个电压信号，设定位移量。在输入作用下 启动电机，带动齿轮、绳系，拖动纪录笔运动。启动电机，带动齿轮、绳系，拖动纪录笔运动。位置精度考虑：位置精度考虑：为了使纪录笔能准确到达指定位置，应将纪录笔的为了使纪录笔能准确到达指定位置，应将纪录笔的 位置测量出来，用来反馈。位置测量出来，用来反馈。电机拖动考虑：电机拖动考虑：纪录笔有惯性，希望电机速度能按所需位移量进行纪录笔有惯性，希望电机速度能按所需位移量进行控制

11、，所以将电机转速测量出来，用来反馈。控制，所以将电机转速测量出来，用来反馈。测速电机测速电机伺服电机伺服电机输入量放大器放大器笔位置传动机构传动机构纪录笔纪录笔位置测量位置测量馈馈内内反反可可增增加加系统的阻尼系统的阻尼飞机自动驾驶仪系统飞机自动驾驶仪系统控制目标：控制目标：按设定的规律，控制飞机的飞行姿态。按设定的规律，控制飞机的飞行姿态。舵机控制：舵机控制：位置伺服控制（内回路）。位移传感器测量。位置伺服控制（内回路）。位移传感器测量。飞行姿态：飞行姿态：横向，巡航方向。纵向，飞机的升降。横向，巡航方向。纵向，飞机的升降。外回路：外回路：飞机倾角飞机倾角的反馈控制。垂直陀螺仪测量。的反馈控

12、制。垂直陀螺仪测量。自动驾驶仪：自动驾驶仪：根据飞行要求，提供设定的电压信号。并将测量到的根据飞行要求，提供设定的电压信号。并将测量到的 输出信号，产生相应的控制规律。输出信号，产生相应的控制规律。纵向控制：纵向控制：给定一个电压信号，设定飞机爬升（俯冲）的倾角给定一个电压信号，设定飞机爬升（俯冲）的倾角。该信号经过放大，控制升降舵的移动。升降舵的角度，决定了飞该信号经过放大，控制升降舵的移动。升降舵的角度，决定了飞 机爬升（俯冲）的倾角机爬升（俯冲）的倾角。位移位移传感器传感器舵机舵机0放大器放大器驾驶仪驾驶仪飞机飞机位置测量位置测量干扰干扰电阻炉微型计算机温度控制系统电阻炉微型计算机温度控

13、制系统控制目标：控制目标：电炉温度在设定的范围内电炉温度在设定的范围内。温度检测：温度检测：热电偶。热电偶。工作原理：工作原理：电阻丝通过晶闸管主电路加热。温度依靠电阻丝中的电电阻丝通过晶闸管主电路加热。温度依靠电阻丝中的电 流大小来流大小来调节调节。控制器：控制器：微型计算机。微型计算机。A/D转换转换D/A转换转换设定温度设定温度微型计算机微型计算机炉温炉温晶闸管晶闸管热电偶热电偶计算机计算机控制器特点：控制器特点：微型计算机采用数字量，按节拍工作。微型计算机采用数字量，按节拍工作。电阻丝电阻丝锅炉液位控制系统锅炉液位控制系统控制目标：控制目标：锅炉内水位在设定范围（进水量与蒸发水量平衡）

14、。锅炉内水位在设定范围（进水量与蒸发水量平衡）。调节量：调节量：通过调节进水阀门开赌的大小，改变进水量。通过调节进水阀门开赌的大小，改变进水量。工作原理：工作原理：由液位测量装置（变送器）测出液位信号，与设定值比由液位测量装置（变送器）测出液位信号，与设定值比 较，若液位降低，则加大阀门开度，反之则减小。较，若液位降低，则加大阀门开度，反之则减小。阀门阀门设定水位设定水位调节器调节器水位水位锅炉锅炉液位测量液位测量干扰干扰1-3 1-3 自动控制系统的分类自动控制系统的分类1.1.线性连续控制系统线性连续控制系统2.2.线性定常离散控制系统线性定常离散控制系统3.3.非线性控制系统非线性控制系

15、统线性连续控制系统线性连续控制系统线性：线性：系统的输入输出满足线性关系。系统的输入输出满足线性关系。线性系统描述的特点：线性系统描述的特点：系统各变量及其各阶导数，没有乘积项和平系统各变量及其各阶导数，没有乘积项和平 方（或更高次）项。如：方（或更高次）项。如：连续：连续：系统各处的信号，在任意时间系统各处的信号，在任意时间 点上有定义。即任意给定一个时点上有定义。即任意给定一个时 间，有一个这时刻的信号值与之间，有一个这时刻的信号值与之 对应。对应。即有：若输入即有：若输入 时，输出为时，输出为 ;输入输入 时，输出为时，输出为 。则输入为。则输入为 输出为输出为 。tu连续系统描述的特点

16、：连续系统描述的特点：用微分方程用微分方程 （偏微分方程）来描述。（偏微分方程）来描述。恒值控制系统（调节器）：恒值控制系统（调节器）：控制目标是使系统的被控量保持恒定。控制目标是使系统的被控量保持恒定。如前述锅炉液位系统、炉温调节系统。如前述锅炉液位系统、炉温调节系统。随动系统（伺服系统）：随动系统（伺服系统）：控制目标是使系统输出跟踪输入的变化，控制目标是使系统输出跟踪输入的变化，系统的输入信号随时间任意变化。如前述自动驾驶仪系统。系统的输入信号随时间任意变化。如前述自动驾驶仪系统。程序控制系统：程序控制系统：控制输出量，使之按设定的规律变化。如数控机控制输出量，使之按设定的规律变化。如数

17、控机 床、自动生产线。床、自动生产线。线性定常离散控制系统线性定常离散控制系统定常：定常：系统的输入输出关系不随时间变化而变化。系统的输入输出关系不随时间变化而变化。定常系统描述的特点：定常系统描述的特点：系统各参数不随时间变化。系统各参数不随时间变化。时间离散：时间离散：系统中存在某些信号，仅在特定的时间点上有定义。系统中存在某些信号，仅在特定的时间点上有定义。即有：若时间即有：若时间 时，输入为时，输入为 ，相应的输出为，相应的输出为 。则时间。则时间 时，输时，输 入入 ，其输出仍为，其输出仍为 （初始条件相同初始条件相同）。）。离散系统描述的特点：离散系统描述的特点：用差分方程来描述。

18、用差分方程来描述。tu非线性控制系统非线性控制系统系统的输入输出不满足线性关系。系统的输入输出不满足线性关系。1-4 1-4 对对自动控制系统的基本要求自动控制系统的基本要求1.1.基本要求的提法基本要求的提法2.2.典型外作用典型外作用如何评价系统？如何评价系统？基本要求的提法基本要求的提法1.1.稳定性：稳定性：系统在没有外加信号激励条件下，能否最终停留在一个系统在没有外加信号激励条件下，能否最终停留在一个 固定的位置上。固定的位置上。平衡点：平衡点：系统停留的固定点。系统停留的固定点。特点：特点：稳定性与外加输入无关，由系统结构决定。稳定性与外加输入无关，由系统结构决定。稳定系统稳定系统

19、不稳定系统不稳定系统2.2.快速性：快速性：系统稳定快慢程度的性能描述。一般用过渡过程的时间系统稳定快慢程度的性能描述。一般用过渡过程的时间 来描述。来描述。过渡过程：过渡过程：系统从开始运动到回到平衡点稳定下来的过程，也叫系统从开始运动到回到平衡点稳定下来的过程，也叫动动 态过程、动态态过程、动态。3.3.准确性：准确性：系统稳定后被控制量与期望值接近程度的描述。系统稳定后被控制量与期望值接近程度的描述。稳态：稳态：系统稳定后的状态。系统稳定后的状态。稳态误差：稳态误差：系统稳定后被控制量与期望值的偏差。系统稳定后被控制量与期望值的偏差。典型外作用典型外作用典型：典型：1）容易实现；）容易实现；2）有代表性；）有代表性；3）便于分析计算。）便于分析计算。1.1.阶跃函数：阶跃函数：tuR单位阶跃函数：单位阶跃函数：R=1R=1。2.2.斜坡函数：斜坡函数：tuR单位斜坡函数：单位斜坡函数：R=1R=1。3.3.脉冲函数：脉冲函数：tu单位脉冲函数：单位脉冲函数：R=1R=1。4.4.正弦函数：正弦函数：tu满足满足tu