第1章 自动控制系统概述优秀课件.ppt

《第1章 自动控制系统概述优秀课件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第1章 自动控制系统概述优秀课件.ppt（56页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、第第1章章 自自动控制系控制系统概述概述第1页，本讲稿共56页第第1章章 自动控制系统概述自动控制系统概述 v1.1 自动控制理论的发展史及内容 v1.2 开环控制和闭环控制 v1.3 自动控制系统的组成 v1.4 自动控制系统的分类 v1.5 对自动控制系统的基本要求 v1.6 自动控制系统实例 v习题 2023/2/9第2页，本讲稿共56页1.1 自动控制理论的发展史及内容自动控制理论的发展史及内容 v自动控制自动控制v就就是是在在没没有有人人直直接接参参与与的的情情况况下下，利利用用控控制制装装置置对对生生产产过过程程、工工艺艺参参数数、目目标标要要求求等等进进行行自自动动的的调调节节与

2、与控控制制，使使之之按按照照预预定定的的方方案案达达到到要要求求的的指指标。标。v自自动动控控制制系系统统性性能能的的优优劣劣，将将直直接接影影响响到到产产品品的的产量、质量、成本、劳动条件和预期目标的完成。产量、质量、成本、劳动条件和预期目标的完成。2023/2/9第3页，本讲稿共56页v1788年年,瓦特瓦特(Watt),蒸汽机蒸汽机v1868年年,麦克斯韦（麦克斯韦（Maxwell）,轮船摆动轮船摆动（稳定性）（稳定性）v 20世纪，自动控制技术的真正发展世纪，自动控制技术的真正发展2023/2/9第4页，本讲稿共56页正在研究蒸汽机的瓦特正在研究蒸汽机的瓦特 这这是正在研究蒸汽机的瓦特

3、。瓦是正在研究蒸汽机的瓦特。瓦特特经过经过不断地努力改不断地努力改进进，终终于使蒸汽于使蒸汽机机变变成适用于一切工成适用于一切工业业部部门门的的动动力机力机械。蒸汽机成了机器的械。蒸汽机成了机器的动动力之源。力之源。这这幅幅图现图现由由伦伦敦私人收藏。敦私人收藏。2023/2/9第5页，本讲稿共56页世界上第一台蒸汽机世界上第一台蒸汽机 这这是是陈陈列在英国列在英国伦伦敦科学博敦科学博物物馆馆内的瓦特制成的世界上第一内的瓦特制成的世界上第一台蒸汽机，其台蒸汽机，其许许多主体部件都是多主体部件都是用木用木头头制造的。制造的。2023/2/9第6页，本讲稿共56页 瓦特画像瓦特画像瓦特出身于瓦特出

4、身于苏苏格格兰兰，从小便酷，从小便酷爱爱学学习习，勤于思考。正是由于他敏，勤于思考。正是由于他敏锐锐的的观观察力和察力和顽顽强强的毅力，最的毅力，最终终完完成了第一台改良蒸汽机的制作。使成了第一台改良蒸汽机的制作。使蒸汽机蒸汽机变变成适用于一切工成适用于一切工业业部部门门的的动动力机械。力机械。今天我今天我们们仍然用仍然用“瓦特瓦特”作作为计为计算功率的一种算功率的一种单单位。位。2023/2/9第7页，本讲稿共56页瓦特铜像瓦特铜像 1819年年8月月25日，英国著名科学家日，英国著名科学家詹姆斯詹姆斯瓦特逝世，瓦特逝世，终终年年85岁岁。这这是是坐落于英国坐落于英国苏苏格格兰兰格拉斯哥市格

5、拉斯哥市乔乔治广治广场场的詹姆斯的詹姆斯瓦特瓦特铜铜像。它于像。它于1832年年修建。修建。2023/2/9第8页，本讲稿共56页v自动控制理论自动控制理论v 1)经典控制理论：经典控制理论：20世纪世纪4060年代年代v 2)现代控制理论：现代控制理论：20世纪世纪60年代中期年代中期v 3)智能控制理论：智能控制理论：20世纪世纪70年代以后年代以后vP2：基础、核心、对象、数学模型、分：基础、核心、对象、数学模型、分析方法、主要内容、控制装置、技术工具析方法、主要内容、控制装置、技术工具类型、用途。类型、用途。2023/2/9第9页，本讲稿共56页图1-1 对自动控制理论的具体描述 20

6、23/2/9第10页，本讲稿共56页1.2 开环控制和闭环控制开环控制和闭环控制 v 1.开环控制系统开环控制系统 (Open loop Control System)v 若若系系统统的的输输出出量量不不被被引引回回来来对对系系统统的的控控制制部部分产生影响，则这样的系统称为开环控制系统。分产生影响，则这样的系统称为开环控制系统。2023/2/9第11页，本讲稿共56页图 1 2 数控加工机床示意图 2023/2/9第12页，本讲稿共56页图 1-3 数控加工机床开环控制方框图 2023/2/9第13页，本讲稿共56页v开环系统的特点开环系统的特点v优优点点：无无反反馈馈环环节节，一一般般结结

7、构构简简单单、系系统统稳稳定定性好、成本低。性好、成本低。v缺点：抗干扰能力差，系统不能自动进行补偿。缺点：抗干扰能力差，系统不能自动进行补偿。2023/2/9第14页，本讲稿共56页v2.闭环控制系统闭环控制系统 (Closed loop Control System)v若若系系统统输输出出量量通通过过反反馈馈环环节节返返回回来来作作用用于于控控制制部部分分，形形成成闭闭合合环环路路，则则这这样样的的系系统统称称为为闭闭环环控控制制系系统统，又又称称为为反反馈馈控控制制系系统统(Feedback Control System)。2023/2/9第15页，本讲稿共56页图 1-4 电炉箱恒温自

8、动控制系统 2023/2/9第16页，本讲稿共56页图 1-5 电炉箱自动控制方框图 2023/2/9第17页，本讲稿共56页图 1-6 炉温自动调节过程 2023/2/9第18页，本讲稿共56页v闭环系统的特点闭环系统的特点v优优点点：有有反反馈馈环环节节，可可对对系系统统自自动动进进行行补补偿偿，抗干扰能力强，精度高。抗干扰能力强，精度高。v缺缺点点：结结构构复复杂杂、成成本本高高，系系统统稳稳定定性性有有可可能能变差变差。2023/2/9第19页，本讲稿共56页图 1-7 自动控制系统的方框图 1.3 自动控制系统的组成自动控制系统的组成2023/2/9第20页，本讲稿共56页v一般自动

9、控制系统包括：一般自动控制系统包括：v(1)给定元件给定元件(Command Element)v(2)检测元件检测元件(Detecting Element)v(3)比较环节比较环节(Comparing Element)v(4)放大元件放大元件(Amplifying Element)v(5)执行元件执行元件(Executive Element)v(6)控制对象控制对象(Controlled Plant)v(7)反馈环节反馈环节(Feedback Element)2023/2/9第21页，本讲稿共56页v 顺馈通道顺馈通道(Feedforword Path)或前向通道或前向通道(Forword P

10、ath)v 反馈通道或反馈回路反馈通道或反馈回路 (Feedback Path)2023/2/9第22页，本讲稿共56页v自动控制系统中的作用量和被控制量包括：自动控制系统中的作用量和被控制量包括：v(1)输输入入量量：又又称称控控制制量量或或参参考考输输入入量量，角角标标常常用用i(或或 r)表示。表示。v(2)输输出出量量：又又称称被被控控制制量量，角角标标常常用用o(或或 c)表示。表示。v(3)反反馈馈量量：通通过过检检测测元元件件将将输输出出量量转转变变成成与与给给定信号性质相同且数量级相同的信号。定信号性质相同且数量级相同的信号。2023/2/9第23页，本讲稿共56页v(4)扰扰

11、动动量量:又又称称干干扰扰或或“噪噪声声”，角角标标常常以以d(或或n)表示。表示。v(5)中间变量中间变量:系统中各环节之间的作用量。系统中各环节之间的作用量。2023/2/9第24页，本讲稿共56页 1.4 自动控制系统的分类自动控制系统的分类 v1.按输入量变化的规律分类按输入量变化的规律分类v1)恒值控制系统恒值控制系统 (Fixed Set-Point Control System)特特点点：输输入入量量是是恒恒量量，要要求求系系统统的的输输出出量量相相应应地保持恒定。地保持恒定。2023/2/9第25页，本讲稿共56页v2)随动控制系统随动控制系统 (Follow-Up Contr

12、ol System)特特点点：输输入入量量是是随随机机变变化化着着的的，要要求求系系统统的的输输出量能跟随输入量的变化而作出相应的变化。出量能跟随输入量的变化而作出相应的变化。2023/2/9第26页，本讲稿共56页v3)程序控制系统程序控制系统 (Programme Control System)特特点点：输输入入量量按按照照一一定定的的时时间间函函数数变变化化,要要求求输输出出量量随随之之变变化化。例例如如数数控控伺伺服服系系统统以以及及一一些些自动化生产线等。自动化生产线等。2023/2/9第27页，本讲稿共56页v 2.按系统传输信号对时间的关系分类按系统传输信号对时间的关系分类v 1

13、)连续控制系统连续控制系统 (Continuous Control System)特点：各元件的输入量与输出量都是连续量特点：各元件的输入量与输出量都是连续量 (模模 拟拟 量量)，又又 称称 为为 模模 拟拟 控控 制制 系系 统统(Analogue Control System)。2023/2/9第28页，本讲稿共56页v2)离散控制系统离散控制系统 (Discrete Control System)又又称称采采样样数数据据控控制制系系统统（Sampted-Date Control System）特特点点：系系统统中中有有的的信信号号是是脉脉冲冲序序列列，或或采采样样数据量、数字量。数据量

14、、数字量。2023/2/9第29页，本讲稿共56页v 3.按系统的输出量和输入量间的关系分类按系统的输出量和输入量间的关系分类v 1)线性系统线性系统(Liner System)特特点点：系系统统全全部部由由线线性性元元件件组组成成，它它的的输输出出量量与与输入量间的关系用线性微分方程来描述。输入量间的关系用线性微分方程来描述。v 2)非线性系统非线性系统(Non Liner System)特特点点：系系统统中中存存在在有有非非线线性性元元件件，如如具具有有死死区区、出出现现饱饱和和、含含有有库库仑仑摩摩擦擦等等非非线线性性特特性性的的元元件件，它它的的输输出出量量与与输输入入量量间间的的关关

15、系系要要用用非非线线性性微微分分方方程来描述。程来描述。2023/2/9第30页，本讲稿共56页v4.按系统参数对时间的变化情况分类按系统参数对时间的变化情况分类v1)定常系统（定常系统（Time-Invariant System）特特点点：系系统统的的全全部部参参数数不不随随时时间间变变化化，它它的的输输出出量量与与输输入入量量间间的的关关系系用用定定常常微微分分方方程程来来描描述。述。v2)时变系统时变系统 (Time-Varying System)特点：系统中有的参数是时间特点：系统中有的参数是时间t的函数，的函数，它随它随时间变化而改变。时间变化而改变。2023/2/9第31页，本讲稿

16、共56页1.5 对自动控制系统的基本要求对自动控制系统的基本要求v1.稳定性稳定性(Stability)稳定性是保证控制系统正常工作的先决条件。稳定性是保证控制系统正常工作的先决条件。v2.快速性快速性(Rapidity)系统仅仅满足稳定性要求是不够的，还必须对其系统仅仅满足稳定性要求是不够的，还必须对其 过渡过程的形式和快慢提出要求，即动态性能。过渡过程的形式和快慢提出要求，即动态性能。v3.准确性准确性(Accuracy)理想情况下，当过渡过程结束后，被控量达到稳理想情况下，当过渡过程结束后，被控量达到稳 态值（即平衡状态）应与期望值一致。态值（即平衡状态）应与期望值一致。2023/2/9

17、第32页，本讲稿共56页1.6 自动控制系统实例自动控制系统实例 v先明确以下问题：先明确以下问题：v(1)哪哪个个是是控控制制对对象象？被被控控量量是是什什么么？影影响响被被控量的主扰动量是什么？控量的主扰动量是什么？v(2)哪个是执行元件？哪个是执行元件？v(3)测测量量被被控控量量的的元元件件有有哪哪些些？有有哪哪些些反反馈馈环环节？节？v(4)输输入入量量由由哪哪个个元元件件给给定定？反反馈馈量量与与给给定定量量如何进行比较？如何进行比较？v(5)此此外外还还有有哪哪些些元元件件（环环节节）?它它们们在在系系统统中处于什么地位？中处于什么地位？起什么作用？起什么作用？2023/2/9第

18、33页，本讲稿共56页v1.轧钢计算机控制系统轧钢计算机控制系统v系统的工作原理图如图系统的工作原理图如图 1-8 所示。所示。v系统的原理方框图如图系统的原理方框图如图 1-9 所示。所示。2023/2/9第34页，本讲稿共56页图 1 8 轧钢计算机控制系统的原理图 2023/2/9第35页，本讲稿共56页v被控对象：被控对象：轧辊。轧辊。v被控量：轧辊的输出量被控量：轧辊的输出量厚度和张力。厚度和张力。v干干扰扰量量：主主要要是是元元件件参参数数的的变变化化而而引引起起的的干干扰扰力力矩。矩。v测量元件：厚度传感器和张力传感器。测量元件：厚度传感器和张力传感器。v给给定定量量：厚厚度度给

19、给定定、张张力力给给定定，是是人人们们设设计计的的希希望值。望值。v计算装置：数字计算机。计算装置：数字计算机。v执行元件：电动机。执行元件：电动机。2023/2/9第36页，本讲稿共56页图 1 9 轧钢计算机控制系统的原理方框图 2023/2/9第37页，本讲稿共56页v2.机床台控制系统机床台控制系统v控制系统的工作原理图如图控制系统的工作原理图如图1-10 所示。所示。v系统的原理方框图如图系统的原理方框图如图 1-11 所示。所示。2023/2/9第38页，本讲稿共56页图 1 10 机床台控制系统的原理图 2023/2/9第39页，本讲稿共56页v被控对象：工作台。被控对象：工作台

20、。v被控量：工作台的输出量被控量：工作台的输出量位移位移xo。v干扰量：主要是元件参数的变化而引起的干扰力矩。干扰量：主要是元件参数的变化而引起的干扰力矩。v测量元件：角位移测量装置和测速机。测量元件：角位移测量装置和测速机。v给定量：给定量：xi，设计者要把零件的毛胚加工成理想的那个模线。，设计者要把零件的毛胚加工成理想的那个模线。v计计算算装装置置：控控制制器器用用来来把把三三个个输输入入信信号号比比较较后后得得到到的的差差值值输输出出给给放放大大变换器，进而控制电动机的转动。变换器，进而控制电动机的转动。v执行元件：电动机，用来拖动工作台按理想的模线运动。执行元件：电动机，用来拖动工作台

21、按理想的模线运动。2023/2/9第40页，本讲稿共56页图 1 11 机床台控制系统的原理方框图2023/2/9第41页，本讲稿共56页v3.液位控制系统液位控制系统v控制系统的工作原理图如图控制系统的工作原理图如图1-12 所示。所示。v控制系统的原理方框图如图控制系统的原理方框图如图1-13 所示。所示。2023/2/9第42页，本讲稿共56页图 1-12 液位控制系统的原理图 2023/2/9第43页，本讲稿共56页v被控对象：被控对象：液体储罐。液体储罐。v被控量：被控量：液体储罐的输出量液体储罐的输出量液位液位xo。v扰动量：扰动量：主要是主要是Q2的变化。的变化。v给定量：给定量

22、：液体储罐中液位的希望高度液体储罐中液位的希望高度xi。v测量元件：测量元件：液位变送器。液位变送器。v计算装置：计算装置：调节器。调节器。v执行元件：执行元件：调节阀。调节阀。2023/2/9第44页，本讲稿共56页图 1-13 液位控制系统的原理方框图 2023/2/9第45页，本讲稿共56页v4.转速、转速、电流双闭环直流调速系统电流双闭环直流调速系统v调速系统的原理图图如图调速系统的原理图图如图 1-14 所示。所示。v调速系统的方框图如图调速系统的方框图如图 1-15 所示。所示。2023/2/9第46页，本讲稿共56页图 1-14 转速、电流双闭环直流调速系统原理图2023/2/9

23、第47页，本讲稿共56页图 1-15 转速、电流双闭环直流调速系统方框图 2023/2/9第48页，本讲稿共56页v 由图由图 1-14 可见可见v 该系统有双闭环：电流环、速度环。该系统有双闭环：电流环、速度环。v ASR（速度调节器）和（速度调节器）和ACR（电流调节器）实行串级（电流调节器）实行串级连接，即由连接，即由ASR去去“驱动驱动”ACR，再由，再由ACR去去“控制控制”触触发电路。发电路。v ASR和和ACR均为比例均为比例积分积分（PI）调节器。）调节器。2023/2/9第49页，本讲稿共56页习习 题题 v1-1 分分析析比比较较开开环环控控制制与与闭闭环环控控制制的的特特

24、征征、优优缺点和应用场合的不同。缺点和应用场合的不同。2023/2/9第50页，本讲稿共56页v 1-2 指出下列系统中哪些属开环控制，哪些属闭环控制指出下列系统中哪些属开环控制，哪些属闭环控制:v(1)家用电冰箱家用电冰箱 v(2)家用空调家用空调 v(3)家用洗衣机家用洗衣机v(4)抽水马桶抽水马桶 v(5)普通车床普通车床v(6)电饭煲电饭煲 v(7)多速电风扇多速电风扇v(8)高楼水箱高楼水箱 v(9)调光台灯调光台灯 v(10)自动报时电子钟自动报时电子钟2023/2/9第51页，本讲稿共56页v1-3 衡量一个自动控制系统的性能指标通常有哪些？衡量一个自动控制系统的性能指标通常有哪

25、些？图图 1-16 为某自动控制系统启动时的动态曲线，其中为某自动控制系统启动时的动态曲线，其中x(t)为被控量，为被控量，xo为期望稳态值。曲线为期望稳态值。曲线、对应不同的调节参数。试分析比对应不同的调节参数。试分析比较较、两种情况技术性能的优劣。两种情况技术性能的优劣。图 1-16 某自动控制系统的启动曲线2023/2/9第52页，本讲稿共56页v1-4 组组成成自自动动控控制制系系统统的的主主要要环环节节有有哪哪些些？它们各有什么特点它们各有什么特点?起什么作用？起什么作用？v1-5 恒恒值值控控制制系系统统和和随随动动控控制制系系统统的的主主要要区区别别是是什什么么？判判断断下下列列

26、系系统统属属于于哪哪一一类类系系统统：电电饭饭煲煲、空空调调、燃燃气气热热水水器器、自自动动跟跟踪踪雷雷达达、家家用交流稳压器。用交流稳压器。2023/2/9第53页，本讲稿共56页v1 6 画画出出电电冰冰箱箱温温度度自自动动控控制制系系统统的的方方框框图，并说明在该系统中可能存在哪些扰动量？图，并说明在该系统中可能存在哪些扰动量？v提示提示v 电电冰冰箱箱是是依依靠靠由由电电动动机机驱驱动动的的压压缩缩机机，将将氟氟里里昂昂气气体体压压缩缩成成液液体体，此此液液体体在在冰冰箱箱柜柜内内的的管管道道中中气气化化膨膨胀胀，产生致冷效应。产生致冷效应。v检检测测冰冰箱箱内内温温度度的的是是一一个

27、个内内有有液液体体的的温温包包，温温包包内内液液体体通通过过毛细管与波纹管内腔液体相通。毛细管与波纹管内腔液体相通。v当当温温度度升升高高时时，温温包包液液体体膨膨胀胀，使使波波纹纹管管伸伸长长，它它通通过过连连杆杆带带动动微微动动开开关关，使使微微动动开开关关合合上上，接接通通电电动动压压缩缩机机的电源，的电源，压缩机工作，压缩机工作，使温度降低。使温度降低。2023/2/9第54页，本讲稿共56页v 1-7 锅锅炉炉液液位位控控制制系系统统如如图图 1-17 所所示示，气气动动薄薄膜膜调调节节阀阀设设置置在在给给水水进进水水管管上上，液液位位检检测测变变送送器器、调调节节器器、定定值值器器（即即给给定定器器）全全部部采用气动单元组合（采用气动单元组合（QDZ）仪表。）仪表。v(1)试试画画出出该该液液位位控控制制系系统统的的原原理理方方框框图图，要要求标出各环节对应的信号。求标出各环节对应的信号。v(2)说说明明被被控控量量、给给定定值值及及可可能能的的干干扰扰量量各各是是什什么？么？v(3)从从系系统统的的结结构构、给给定定值值变变化化的的规规律律及及对对象象特特点点来来分分类类，该该自自动动控控制制系系统统应应分分别别属属于于哪哪类控制系统？类控制系统？2023/2/9第55页，本讲稿共56页图 1-17 锅炉液位控制系统示意图 2023/2/9第56页，本讲稿共56页