自动控制原理 1 概论.ppt

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1、 邹邹 恩恩自动化教研室自动化教研室Tel:134302671911/21/20231自自 动动 控控 制制 原原 理理总学时总学时72学时，讲课学时，讲课60学时，学时，12周，周学时周，周学时5，另另6次实验学时次实验学时教教 材：自动控制原理简明教程（第二版）材：自动控制原理简明教程（第二版）（胡寿松，科学出版社）（胡寿松，科学出版社）参考书参考书：自动控制原理习题集：自动控制原理习题集 (胡寿松，科学出版社胡寿松，科学出版社)1/21/20232 概概 述述教材中不讲授的内容：每一章的最后一节，教材中不讲授的内容：每一章的最后一节，2-1、3-4、4-3、4-4、七（计算机控制技术）、

2、七（计算机控制技术）、八（不要求）、九章（现代控制理论）八（不要求）、九章（现代控制理论）1/21/20233考核办法考核办法平时成绩平时成绩30（出勤率、课堂讨论、作业、（出勤率、课堂讨论、作业、实验）实验）考试成绩考试成绩701/21/20234 第一章第一章 控制系统导论控制系统导论 1.1 自动控制的基本原理自动控制的基本原理返回1/21/20235 、概述概述 自动化（自动化（Automation)Automation)1 1 自动控制自动控制 就是指在脱离人的直接干预，利用控制装置（简称控制器）使被控对象（或生产过程等）的某一物理量（如温度、压力、PH值等）准确地按照预期的规律运行

3、。2 2 自动控制系统自动控制系统 是指实现上述控制目的，由相互制约的各部分按一定规律组成的具有特定功能的整体。返回1/21/20236测速测速发电机发电机自动控制直流电动机转速示意图如下所示（自动控制直流电动机转速示意图如下所示（P3图图1-2）:基本概念基本概念:（1）被控制的机器设备或物体）被控制的机器设备或物体,叫被控对象叫被控对象,如直流电动机如直流电动机.（2）所用的控制装置常称为控制器）所用的控制装置常称为控制器.（3）控制器和被控对象的组合称为自动控制系统）控制器和被控对象的组合称为自动控制系统.直流电动机直流电动机激磁回路激磁回路激磁电流激磁电流电枢电压电枢电压控制器控制器返

4、回1/21/20237自动控制系统的基本控制方式自动控制系统的基本控制方式1.反馈控制方式反馈控制方式(闭环控制闭环控制)如上面所介绍的直流电动机转速自动控制系统就是闭环自动如上面所介绍的直流电动机转速自动控制系统就是闭环自动控制系统控制系统.1.开环控制方式开环控制方式2.复合控制方式复合控制方式 为清楚说明系统中各装置或元件间的作用关系为清楚说明系统中各装置或元件间的作用关系,或者说或者说 各装置或元件间的信号传递关系各装置或元件间的信号传递关系,常用方框图表示系统常用方框图表示系统,直流电动机转速自动控制系统可画成下版的方框图直流电动机转速自动控制系统可画成下版的方框图:返回1/21/2

5、0238被控对象被控对象反馈装置反馈装置控制器控制器 图中每一个方框表示系统中的一个元件或几个元件组图中每一个方框表示系统中的一个元件或几个元件组合而成的一个装置合而成的一个装置;带箭头的直线表示系统中信号流通的带箭头的直线表示系统中信号流通的方向，小圆圈符号表示比较器方向，小圆圈符号表示比较器,正负号表示信号在比较器正负号表示信号在比较器中是被相加还是被相减中是被相加还是被相减,需特别提请注意的是需特别提请注意的是:在比较器在比较器中进行比较的信号必须是同一种物理量中进行比较的信号必须是同一种物理量,否则不能进行比否则不能进行比较较.在直流电动机转速自动控制系统中在直流电动机转速自动控制系统

6、中,需要进行比较的需要进行比较的二个物理量一个是电压二个物理量一个是电压,一个是转速一个是转速,所以要把转速通过测所以要把转速通过测速发电机的转换速发电机的转换,变成电压后再比较变成电压后再比较.1/21/20239方框图中信号的常用名称方框图中信号的常用名称:r(t):系统的输入信号系统的输入信号,又可称为给定输入信号或参考输又可称为给定输入信号或参考输入信号入信号,如电位器的输出电压如电位器的输出电压.c(t):系统的输出信号系统的输出信号,或叫输出量或叫输出量,又常叫做系统对又常叫做系统对输入的响应输入的响应,如电动机的转速如电动机的转速.b(t):反馈信号，把系统中输出信号转换成反馈信

7、号的反馈信号，把系统中输出信号转换成反馈信号的元件或装置元件或装置,称为反馈元件或反馈装置称为反馈元件或反馈装置,如测速发电机如测速发电机.e(t):偏差信号偏差信号.是是r(t)与与b(t)比较的结果比较的结果.u(t):控制信号，是控制器的输出信号控制信号，是控制器的输出信号.需特别指出的是需特别指出的是:以上所有信号都是时间以上所有信号都是时间 t 的函数的函数.1/21/202310 闭环系统的特点闭环系统的特点:系统的输出信号经反馈与输入信系统的输出信号经反馈与输入信号进行比较号进行比较,系统按比较的结果系统按比较的结果（偏差）（偏差）e(t)进行控进行控制制,凡具有这一特点的系统叫

8、闭环控制系统凡具有这一特点的系统叫闭环控制系统,也常也常叫做反馈控制系统叫做反馈控制系统.在反馈控制系统中在反馈控制系统中,如果反馈信号的作用是加如果反馈信号的作用是加强输入信号的作用强输入信号的作用,则称为正反馈控制系统（则称为正反馈控制系统（如电如电子电路中的振荡电路子电路中的振荡电路）;如果反馈信号的作用是减如果反馈信号的作用是减弱输入信号的作用弱输入信号的作用,则称为负反馈控制系统（则称为负反馈控制系统（如电如电冰箱、空调电路冰箱、空调电路）.自控理论中主要研究的是负反自控理论中主要研究的是负反馈控制系统馈控制系统.返回1/21/202311 假如系统的输出信号不反馈到系统的输入端与输

9、入信假如系统的输出信号不反馈到系统的输入端与输入信号进行比较号进行比较,则这类系统叫开环控制系统（如洗衣机）则这类系统叫开环控制系统（如洗衣机）.还有一种信号叫干扰信号，它的出现可以破坏系统还有一种信号叫干扰信号，它的出现可以破坏系统的预定输出（的预定输出（如电机负荷的变化、电源的波动等如电机负荷的变化、电源的波动等）。）。如果系统同时对偏差和扰动信号进行控制，这类方如果系统同时对偏差和扰动信号进行控制，这类方式就称为式就称为“复合控制复合控制”，如如 P7 的电机调速系统的电机调速系统 1/21/202312反反馈馈控制系控制系统统的基本的基本组组成成被控对象（被控对象（P3P3，图，图1-

10、21-2）控制装置控制装置(由具有一定职能的各种基本元件组成由具有一定职能的各种基本元件组成 )1.测量元件：（检测被控制的物理量测量元件：（检测被控制的物理量-测速发电测速发电 机）机）1.给定元件：（给出输入量给定元件：（给出输入量-电位器）电位器）2.比较元件：（求出被控量的实际值与输入量的比较元件：（求出被控量的实际值与输入量的 偏差偏差-放大器）放大器）1.放大元件：（放大偏差信号放大元件：（放大偏差信号-放大器）放大器）2.执行元件：（推动被控对象执行元件：（推动被控对象-电动机）电动机）3.校正元件：（改善系统的性能校正元件：（改善系统的性能-第第6章）章）返回1/21/2023

11、131.2 自动控制系统示例自动控制系统示例1 热力系统的人工反馈控制热力系统的人工反馈控制返回是属于何种控制？是属于何种控制？1/21/2023141.热力系统的自动反馈控制热力系统的自动反馈控制返回1/21/2023152.2.温控系统温控系统-人工控制人工控制返回1/21/202316 控制目标：控制目标：要求炉子的温度恒定在期望的数值上。要求炉子的温度恒定在期望的数值上。控制过程：控制过程：返回1/21/2023173.3.温控系统温控系统自动控制自动控制返回1/21/2023181.3 自动控制系统的分类自动控制系统的分类P10 自己看自己看返回1/21/2023191-4 自动控制

12、系统的基本要求自动控制系统的基本要求可以归结为可以归结为稳稳定性定性（长期稳定性）、（长期稳定性）、准准确性确性（精度）（精度）和和快快速性速性（相对稳定性）。（相对稳定性）。稳稳 准准快快稳定性：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（如温度系统）。的调整能够回到原来的期望值（如温度系统）。2 对随动系统，被控制量始终跟踪参据量的变化（如高对随动系统，被控制量始终跟踪参据量的变化（如高射炮打飞机）。射炮打飞机）。稳定性是对系统的基本要求，不稳定的系统不能实现预稳定性是对系统的基本要求，不稳定的系统不能

13、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。定任务。稳定性，通常由系统的结构决定与外界因素无关。返回1/21/202320快速性：快速性：对过渡过程的形式和快慢提出要求，一般称对过渡过程的形式和快慢提出要求，一般称为动态性能。为动态性能。稳定高射炮射角随动系统，虽然炮身最终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。缓，仍然抓不住目标。准确性：准确性：用稳态误差来表示。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，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

14、输入所要求的期望输出之差叫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。统的输出跟随参考输入的精度越高。返回1/21/202321二、典型输入作用二、典型输入作用1 阶跃函数阶跃函数：2 斜坡函数（速度阶跃函数）斜坡函数（速度阶跃函数）3 脉冲函数脉冲函数 抛物线函数（加速度阶跃函数）抛物线函数（加速度阶跃函数）正弦函数正弦函数返回分析系统特性究竟采用何种典型输入信号，取决于实际系统在正常工分析系统特性究竟采用何种典型输入信号，取决于实际系统在正常工作情况下最常见的输入信号形式。作情

15、况下最常见的输入信号形式。当系统的输入具有突变性质时，可选择阶跃函数为典型输入信号；当系统的输入具有突变性质时，可选择阶跃函数为典型输入信号；当系统的输入是随时间增长变化时，可选择斜坡函数为典型输入信号。当系统的输入是随时间增长变化时，可选择斜坡函数为典型输入信号。1/21/202322 图（图（）是一个液位控制系统原理图。在这里，自动控）是一个液位控制系统原理图。在这里，自动控制器通过比较实际液位与希望液位，并通过调整气动阀门的制器通过比较实际液位与希望液位，并通过调整气动阀门的开度，对误差进行修正，从而保持液位不变。开度，对误差进行修正，从而保持液位不变。例题例题例题例题1-11-1返回1

16、/21/202323控制器：比较、放大的作用；浮子：液面高度的反馈元件；控制器：比较、放大的作用；浮子：液面高度的反馈元件；控制器：比较、放大的作用；浮子：液面高度的反馈元件；控制器：比较、放大的作用；浮子：液面高度的反馈元件；Q2Q2Q2Q2为系统的干扰量；气动阀门：执行机构；被控对象：为系统的干扰量；气动阀门：执行机构；被控对象：为系统的干扰量；气动阀门：执行机构；被控对象：为系统的干扰量；气动阀门：执行机构；被控对象：水箱水箱水箱水箱1/21/202324 有一发电机有一发电机-电动机调速系统如图电动机调速系统如图1-6所示。所示。其工作原理是操纵者转动操纵电位计的手柄，可其工作原理是操

17、纵者转动操纵电位计的手柄，可使电位计的输出电压使电位计的输出电压Ur改变大小和方向。经前置改变大小和方向。经前置放大器和直流发电机两极放大，使加在伺服电机放大器和直流发电机两极放大，使加在伺服电机上的端电压也随之改变大小和方向。从而使负载上的端电压也随之改变大小和方向。从而使负载具有所要求的转速。试说明该系统的给定值和被具有所要求的转速。试说明该系统的给定值和被控量，并画出方块图。控量，并画出方块图。例题1-2返回1/21/202325返回1/21/202326重重 点：点：闭环系统（反馈系统）的特征：采用负反闭环系统（反馈系统）的特征：采用负反馈，系统的被控变量对控制作用有直接影馈，系统的被

18、控变量对控制作用有直接影响，即被控变量对自己有控制作用。响，即被控变量对自己有控制作用。典型闭环控制系统的功能框图。典型闭环控制系统的功能框图。返回1/21/202327难难 点：点：参考系统功能框图，由系统的物理结构图参考系统功能框图，由系统的物理结构图或工作原理示意图绘出系统元件框图。或工作原理示意图绘出系统元件框图。返回1/21/202328考点：考点：基本概念。（自动控制、自动控制系统、基本概念。（自动控制、自动控制系统、被控对象、被控量、给定量、扰动量、开被控对象、被控量、给定量、扰动量、开环控制、闭环控制、复合控制）环控制、闭环控制、复合控制）由物理结构图或工作原理示意图绘出元件由物理结构图或工作原理示意图绘出元件框图。框图。由系统的微分方程判断出线性定常系统、由系统的微分方程判断出线性定常系统、线性时变系统和非线性系统。线性时变系统和非线性系统。自动控制系统的要求：稳、快、准。自动控制系统的要求：稳、快、准。1/21/202329作业：1-2返回1/21/202330