自动控制原理第一章自动控制的一般概念.ppt

《自动控制原理第一章自动控制的一般概念.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《自动控制原理第一章自动控制的一般概念.ppt（31页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、自动控制理论 A 主讲：谭思云(Tel:62271604)2/22/20231第一章 自动控制的一般概念教材教材与与主要参考书主要参考书教材教材:胡寿松自动控制原理第四版胡寿松自动控制原理第四版.北京：北京：科学出版社，科学出版社，2001.21.高国燊，余文烋自动控制原理广州：华高国燊，余文烋自动控制原理广州：华南理工大学出版社，南理工大学出版社，2001.22.刘慧英刘慧英,卢京潮卢京潮 自动控制原理自动控制原理(第四版第四版)导导教教.导学导学.导考导考西安：西北工业大学出版社，西安：西北工业大学出版社，2003.113.Richardc.Dorf RobertH.Bishop,Mode

2、rn Control Systems,Ninth Edition,20022/22/20232第一章 自动控制的一般概念第一章自动控制的一般概念第一章自动控制的一般概念 1-1 引引 言言 1-2 自动控制系统的基本概念自动控制系统的基本概念1-3 自动控制系统的分类自动控制系统的分类1-4 对控制系统的基本要求对控制系统的基本要求2/22/20233第一章 自动控制的一般概念1-1 引言引言一一.自动控制的概念及应用自动控制的概念及应用1.控制：控制：是使某些物理量按指定的规律变化是使某些物理量按指定的规律变化（包括保持恒定），以保证生产的安全性，（包括保持恒定），以保证生产的安全性，经济性

3、及产品质量等要求的技术手段。经济性及产品质量等要求的技术手段。2.自动控制：自动控制：就是应用自动化仪表或控制装置就是应用自动化仪表或控制装置代替人，自动地对机器设备或生产过程进行代替人，自动地对机器设备或生产过程进行控制，使之达到预期的状态或性能控制，使之达到预期的状态或性能要求求。2/22/20234第一章 自动控制的一般概念 锅炉设备的压力和温度自动保持恒定锅炉设备的压力和温度自动保持恒定 数控机床按照预定的程序自动地切削工件数控机床按照预定的程序自动地切削工件 导弹发射与制导系统，自动地使导弹攻击敌方目标导弹发射与制导系统，自动地使导弹攻击敌方目标 无人驾驶飞机按照预定航迹自动升降和飞

4、行无人驾驶飞机按照预定航迹自动升降和飞行 人造卫星准确地进入预定轨道运行并回收人造卫星准确地进入预定轨道运行并回收 自动控制技术的应用范围已扩展到生物、医学、环境、自动控制技术的应用范围已扩展到生物、医学、环境、经济管理和其它许多社会生活领域。经济管理和其它许多社会生活领域。3.自动控制的应用自动控制的应用2/22/20235第一章 自动控制的一般概念40405050年代形成年代形成 适用于适用于SISOSISO（单输入单输出）系统（单输入单输出）系统 基于：二战军工技术基于：二战军工技术目标：反馈控制系统的稳定目标：反馈控制系统的稳定 基本方法：传递函数，频率法，基本方法：传递函数，频率法，

5、PIDPID调节器调节器(频域频域)2.现代控制理论现代控制理论60607070年代形成年代形成 适用于适用于MIMO MIMO（多输入多输出）系统（多输入多输出）系统 基于：基于：冷战时期空间技术，计算机技术冷战时期空间技术，计算机技术目标：最优控制目标：最优控制基本方法：状态空间表达式基本方法：状态空间表达式二二.自动控制理论的发展自动控制理论的发展 1.经典控制理论经典控制理论2/22/20236第一章 自动控制的一般概念1-2 自动控制系统的基本概念自动控制系统的基本概念一一.自动控制系统自动控制系统由控制装置与被控对象结合起来的，能够对被控对象的一由控制装置与被控对象结合起来的，能够

6、对被控对象的一些物理量进行自动控制的一个有机整体。些物理量进行自动控制的一个有机整体。1.被控对象：被控对象：要求实现自动控制的机器设备或生产过程。要求实现自动控制的机器设备或生产过程。2.被控制量：被控制量：指被控制系统所要控制的物理量，一般指系指被控制系统所要控制的物理量，一般指系统的输出量。统的输出量。-2/22/20237第一章 自动控制的一般概念3.给定值：给定值：根据生产要求，被控制量需要达到的数值。根据生产要求，被控制量需要达到的数值。4.扰动：扰动：破坏控制量与被控制量之间正常函数关系的因破坏控制量与被控制量之间正常函数关系的因素。（外部扰动、内部扰动）素。（外部扰动、内部扰动

7、）5.控制装置：控制装置：能够对被控对象起控制作用的设备总称。能够对被控对象起控制作用的设备总称。-2/22/20238第一章 自动控制的一般概念二二.控制系统的两种基本形式控制系统的两种基本形式 两种基本形式：开环控制系统两种基本形式：开环控制系统两种基本形式：开环控制系统两种基本形式：开环控制系统 ，闭环控制系统闭环控制系统闭环控制系统闭环控制系统三三.开环控制系统开环控制系统n n定义：只有正向作用，没有反馈控制作用的控制定义：只有正向作用，没有反馈控制作用的控制定义：只有正向作用，没有反馈控制作用的控制定义：只有正向作用，没有反馈控制作用的控制系统。（输出量不会对系统的控制作用产生影响

8、）系统。（输出量不会对系统的控制作用产生影响）系统。（输出量不会对系统的控制作用产生影响）系统。（输出量不会对系统的控制作用产生影响）2/22/20239第一章 自动控制的一般概念例例1.直流电机转速控制系统直流电机转速控制系统电位器（产生给定电电位器（产生给定电压压ur）如果）如果010V转速转速01000转转方框图为：方框图为：电位器电位器电压电压放大器放大器直流直流电动机电动机Purukn扰动扰动ua可控硅可控硅功放功放2/22/202310第一章 自动控制的一般概念按扰动控制的开环控制系统(顺馈控制)+_ _ _ _功功功功率率率率放放放放大大大大电电电电压压压压放放放放大大大大负载负

9、载负载负载SMSMSMSM-+_ _ _ _+_ _ _ _R R R R按扰动控制的开环控制系统ubuauc2/22/202311第一章 自动控制的一般概念四四.闭环控制系统闭环控制系统定义：定义：输出量与输入量之间有反向联系，由输入量输出量与输入量之间有反向联系，由输入量与主反馈信号之间的偏差对输出量进行控制的系与主反馈信号之间的偏差对输出量进行控制的系统叫闭环控制系统。统叫闭环控制系统。反馈：反馈：是把系统输出量全部或一部分回送到输入端，是把系统输出量全部或一部分回送到输入端，以增强或减弱输入信号的效应。以增强或减弱输入信号的效应。-2/22/202312第一章 自动控制的一般概念例例2

10、 引入反馈后的直流电机转速控制系统引入反馈后的直流电机转速控制系统2/22/202313第一章 自动控制的一般概念方框图方框图电位器电压放大器可控硅放大器直流电动机测速机Purubuk-n扰动ua2/22/202314第一章 自动控制的一般概念正反馈用于控制系统的内回路正反馈用于控制系统的内回路负反馈负反馈正反馈正反馈减弱输入信号作用减弱输入信号作用检测偏差，纠正偏差检测偏差，纠正偏差 按偏差控制按偏差控制增强输入信号作用增强输入信号作用使系统的偏差越来越大使系统的偏差越来越大(振荡振荡)2/22/202315第一章 自动控制的一般概念例例3 锅炉汽包水位控制系统锅炉汽包水位控制系统工业过程中

11、的反馈控制系统例子工业过程中的反馈控制系统例子-控制器控制器汽包汽包传感器传感器主蒸汽主蒸汽过热器过热器省煤器省煤器执行器执行器给水调节阀给水调节阀给水泵给水泵给水给水水位给定值水位给定值2/22/202316第一章 自动控制的一般概念五五.重要概念重要概念主反馈：主反馈：前向通道：前向通道：主反馈通道：主反馈通道：系统输出端至系统输入端的信号叫主反馈系统输出端至系统输入端的信号叫主反馈信号，相应的反馈叫主反馈。信号，相应的反馈叫主反馈。系统输入端到输出量之间的通道。系统输入端到输出量之间的通道。输出量到主反馈信号之间的通道。输出量到主反馈信号之间的通道。-局部反馈：局部反馈：对应内回路。对应

12、内回路。2/22/202317第一章 自动控制的一般概念单位反馈系统：单位反馈系统：非单位反馈系统：非单位反馈系统：主反馈信号等于输出量的系统。主反馈信号等于输出量的系统。主反馈信号不等于输出量的系统。主反馈信号不等于输出量的系统。-主回路：主回路：给定元件：给定元件：前向通道与主反馈通道构成的回路。前向通道与主反馈通道构成的回路。给出与系统输出量希望值相对应的系统给出与系统输出量希望值相对应的系统输入量。输入量。2/22/202318第一章 自动控制的一般概念测量元件：测量元件：比较元件：比较元件：放大元件：放大元件：执行元件：执行元件：比较系统的输入量和反馈信号，并给出比较系统的输入量和反

13、馈信号，并给出两者间的偏差。两者间的偏差。测量输出量并转换成标准信号。测量输出量并转换成标准信号。放大偏差信号以适应执行元件动作的要求。放大偏差信号以适应执行元件动作的要求。操作被控对象，使被控量变化。操作被控对象，使被控量变化。-2/22/202319第一章 自动控制的一般概念开环控制系统：开环控制系统：1.结构简单经济结构简单经济 2.调试方便调试方便 3.抗干扰能力差，控制精度不高。抗干扰能力差，控制精度不高。闭环控制系统：闭环控制系统：1.系统具有纠正偏差的能力。系统具有纠正偏差的能力。2.抗扰性好，控制精度高。抗扰性好，控制精度高。3.包含元件多，结构复杂，价格高。包含元件多，结构复

14、杂，价格高。4.参数应选择适当参数应选择适当。开环闭环复合控制系统开环闭环复合控制系统（兼有两者的优点，（兼有两者的优点，精度很高）精度很高）六六.开环与闭环控制系统的比开环与闭环控制系统的比较较2/22/202320第一章 自动控制的一般概念1-3 自动控制系统的分类自动控制系统的分类 1.根据结构划分根据结构划分 a.负反馈系统负反馈系统 b.前馈控制系统前馈控制系统 c.复合控制系统复合控制系统2.按给定值的形式划分按给定值的形式划分 a.定值控制系统定值控制系统输入量恒定输入量恒定任务：保持输出量恒定任务：保持输出量恒定2/22/202321第一章 自动控制的一般概念b.随动系统（伺服

15、系统，跟踪系统）随动系统（伺服系统，跟踪系统）输入量是事先不知道的任意时间函数。输入量是事先不知道的任意时间函数。任务：使输出量迅速而准确地跟随输入量的变化。任务：使输出量迅速而准确地跟随输入量的变化。c.程序控制系统程序控制系统输入量按照给定的程序变化。输入量按照给定的程序变化。任务：使输出量按预先给定的程序指令而动作。任务：使输出量按预先给定的程序指令而动作。2/22/202322第一章 自动控制的一般概念 a.连续控制系统连续控制系统 b.离散控制系统离散控制系统3.按系统的特性分类按系统的特性分类a.线性系统线性系统b.非线性系统非线性系统具有叠加性和齐次性具有叠加性和齐次性可以用线性

16、微分方程来描述可以用线性微分方程来描述不适用叠加原理不适用叠加原理用非线性方程来描述用非线性方程来描述4.按信号的形式分类按信号的形式分类2/22/202323第一章 自动控制的一般概念1-4 对控制系统的基本要求对控制系统的基本要求稳稳准准快快稳定性是控制系统正常工作的先决条件。控制精度是控制系统重要的性能指标（稳态误差、稳态性能）。过渡过程时间和最大超调量是控制系统的动态性能指标。2/22/202324第一章 自动控制的一般概念 为了能对不同的控制系统的性能用统一的标准为了能对不同的控制系统的性能用统一的标准来恒量，通常需要选择几种典型的外作用。来恒量，通常需要选择几种典型的外作用。典型外

17、作用典型外作用1.选取原则选取原则 （1）在现场及实验中容易产生）在现场及实验中容易产生 （2）系统在工程中经常遇到，并且是最不利的外）系统在工程中经常遇到，并且是最不利的外 作用。作用。（3）数学表达式简单，便于理论分析。）数学表达式简单，便于理论分析。2/22/202325第一章 自动控制的一般概念（1）数学表达式）数学表达式 2.阶跃函数阶跃函数（2）图形：）图形：R=1时的阶跃函数称为单位阶跃函数，常用时的阶跃函数称为单位阶跃函数，常用1(t)表示。表示。常用阶跃函数作为评价系统动态性能的典型外作用。常用阶跃函数作为评价系统动态性能的典型外作用。2/22/202326第一章 自动控制的

18、一般概念（1）.数学表达式数学表达式（2）图形：）图形：3.斜坡函数斜坡函数(速度函数速度函数)R=1,称为单位速度函数。称为单位速度函数。2/22/202327第一章 自动控制的一般概念 4.加速度函数加速度函数（1）数学表达式）数学表达式(2)图形图形R=1时称为单位加速度函数。时称为单位加速度函数。2/22/202328第一章 自动控制的一般概念5.脉冲函数脉冲函数（1）数学表达式）数学表达式(2)图形：图形：A=1时，称为单位脉冲函数，记作时，称为单位脉冲函数，记作(t)。2/22/202329第一章 自动控制的一般概念 6.正弦函数正弦函数(1).数学表达式数学表达式(2).图形图形典型的周期性外作用函数。（频率特性）典型的周期性外作用函数。（频率特性）2/22/202330第一章 自动控制的一般概念控制理论三大任务1、建立数学模型ch22、系统分析ch35、ch783、系统综合ch6数学模型是系统分析与综合的基础分析系统性能指标与系统结构及参数的关系，为确定控制方法提供依据设计控制器、加入校正装置，改变系统结构或参数，使系统性能满足要求2/22/202331第一章 自动控制的一般概念