自动控制工程课件.ppt

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1、第一章 自动控制的一般概念关于自动控制工程关于自动控制工程现在学习的是第1页，共34页第一章 自动控制的一般概念1-1 自动控制的基本原理与方式自动控制的基本原理与方式1-2 自动控制系统示例自动控制系统示例1-3 自动控制系统的分类自动控制系统的分类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现在学习的是第2页，共34页第一章 自动控制的一般概念1-1 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、自动控制技术自动控制技术自动控制自动控制是指在是指在没有人直接参与没有人直接参与的情况下，利用外加的情况下，利用外加的设备和装置（称的设备和装置（称控制装置控制装置或或控制器控制

2、器），使机器、设），使机器、设备或生产过程（统称备或生产过程（统称被控对象被控对象）的某个工作状态或参）的某个工作状态或参数（即数（即被控量被控量）自动地按照预定的规律运行。）自动地按照预定的规律运行。自动控制系统自动控制系统被控对象被控对象控制装置控制装置被控量：被控量：即被控对象的输出量，是要求严格加以控制即被控对象的输出量，是要求严格加以控制的物理量；的物理量；控制装置：控制装置：对被控对象施加控制作用的机构的总体。对被控对象施加控制作用的机构的总体。现在学习的是第3页，共34页第一章 自动控制的一般概念2、自动控制科学自动控制科学自动控制科学是研究自动控制共同规律的技术科学。自动控制科

3、学是研究自动控制共同规律的技术科学。自动控制理论是关于自动控制系统组成、分析和设计的理论，自动控制理论是关于自动控制系统组成、分析和设计的理论，其任务是研究自动控制系统中变量的运动规律和改变这种运其任务是研究自动控制系统中变量的运动规律和改变这种运动规律的可能性与途径，为建立高性能的自动控制系统提供动规律的可能性与途径，为建立高性能的自动控制系统提供必要的理论依据。必要的理论依据。发展初期是以发展初期是以反馈理论反馈理论为基础的自动调节原理；为基础的自动调节原理；二战之后形成以二战之后形成以传递函数传递函数为基础的经典控制理论，主要研为基础的经典控制理论，主要研究究单输入单输入-单输出、线性定

4、常系统单输出、线性定常系统的分析和设计问题；的分析和设计问题；20世纪世纪60年代之后发展了现代控制理论，主要研究具有高性年代之后发展了现代控制理论，主要研究具有高性能、高精度的能、高精度的多变量变参数多变量变参数系统的最优控制问题，主要采用的系统的最优控制问题，主要采用的方法是以状态为基础的方法是以状态为基础的状态空间法状态空间法。现在学习的是第4页，共34页第一章 自动控制的一般概念3、反馈反馈(feedback)控制原理控制原理在反馈控制系统中，控制装置对被控对象施加的控在反馈控制系统中，控制装置对被控对象施加的控制作用，是取自被控量的反馈信息，用来不断修正制作用，是取自被控量的反馈信息

5、，用来不断修正被控量与输入量之间的偏差，从而实现对被控对象被控量与输入量之间的偏差，从而实现对被控对象进行控制的任务。进行控制的任务。反馈控制的实质是一个按偏差进行的控制过程。反馈控制的实质是一个按偏差进行的控制过程。关键：利用手和书之间的差距，来缩小两者之间的差距。关键：利用手和书之间的差距，来缩小两者之间的差距。现在学习的是第5页，共34页第一章 自动控制的一般概念3、反馈控制原理反馈控制原理电炉温度人工控制系统方块图电炉温度人工控制系统方块图 人工控制调节过程：人工控制调节过程：观测电炉内温度；观测电炉内温度；与要求的温度进行比较，得与要求的温度进行比较，得到温度偏差的大小和方向；到温度

6、偏差的大小和方向；根据偏差大小和方向调节调根据偏差大小和方向调节调压器，控制加热电阻丝的电压器，控制加热电阻丝的电流以调节温度回复到要求值。流以调节温度回复到要求值。现在学习的是第6页，共34页第一章 自动控制的一般概念3、反馈控制原理反馈控制原理电炉温度自动控制系统方块图电炉温度自动控制系统方块图现在学习的是第7页，共34页第一章 自动控制的一般概念3、反馈控制原理反馈控制原理用测量元件用测量元件检测检测被控制的物理量（输出量）的实际被控制的物理量（输出量）的实际值；值；将输出量的实际值与给定值（输入量）进行将输出量的实际值与给定值（输入量）进行比较比较得出得出偏差；偏差；用偏差值产生用偏差

7、值产生控制调节控制调节作用去消除偏差，使得输出量作用去消除偏差，使得输出量维持在期望输出。维持在期望输出。反馈控制系统必须具备反馈控制系统必须具备测量测量、比较比较和和执行执行三个基本功三个基本功能。能。现在学习的是第8页，共34页第一章 自动控制的一般概念控制系统方块图控制系统方块图(block diagram)方块：方块：被控对象和控制装置的各元部件（硬件）；被控对象和控制装置的各元部件（硬件）；信号线：信号线：系统中感兴趣的物理量（信号），用箭头表示其流系统中感兴趣的物理量（信号），用箭头表示其流向；向；用用进入方块进入方块的箭头表示各元部件的的箭头表示各元部件的输入量输入量，用，用离开

8、方块离开方块的箭头表示其的箭头表示其输出量输出量；被控对象的输出量便是系统的输出量，即被控量，一般置被控对象的输出量便是系统的输出量，即被控量，一般置于方块图的最右端，系统的输入量一般置于系统方块图的于方块图的最右端，系统的输入量一般置于系统方块图的左端。左端。：代表比较元件，：代表比较元件，“”表示负反馈，表示负反馈，“+”表示正反馈。表示正反馈。现在学习的是第9页，共34页第一章 自动控制的一般概念4、反馈控制系统的基本组成反馈控制系统的基本组成控制装置控制装置现在学习的是第10页，共34页第一章 自动控制的一般概念4、反馈控制系统的基本组成反馈控制系统的基本组成被控对象：被控对象：要求实

9、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；测量元件：测量元件：检测被控制的物理量；检测被控制的物理量；给定元件：给定元件：给出与期望的被控量相对应的系统输入量；给出与期望的被控量相对应的系统输入量；比较元件：比较元件：把测量元件检测的被控量实际值与给定元件给把测量元件检测的被控量实际值与给定元件给出的输入量进行比较，求出它们之间的偏差；出的输入量进行比较，求出它们之间的偏差；放大元件：放大元件：将比较元件给出的偏差信号进行放大，用来推将比较元件给出的偏差信号进行放大，用来推动执行元件去控制被控对象；动执行元件去控制被控对象；执行元件：执行元件：直接推动被控对象，

10、使其被控量发生变化；直接推动被控对象，使其被控量发生变化；校正元件：校正元件：也叫补偿元件，它是结构或参数便于调整的元部也叫补偿元件，它是结构或参数便于调整的元部件，用串联或反馈连接在系统中，以改善系统的性能。件，用串联或反馈连接在系统中，以改善系统的性能。现在学习的是第11页，共34页第一章 自动控制的一般概念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开环控制方式开环控制方式控制装置与被控对象之间控制装置与被控对象之间只有顺向作用只有顺向作用而没有反向联系的而没有反向联系的控制过程，其控制过程，其特点特点是系统的输出量不会对系统的控制作是系统的输出量不会对系统的控制作用发生影响。用

11、发生影响。反馈控制方式反馈控制方式将输出量的测量值与期望的输出值相比较，将输出量的测量值与期望的输出值相比较，产生偏差产生偏差信号信号并将偏差信号作用于执行机构的控制过程，其并将偏差信号作用于执行机构的控制过程，其特点特点是不论什么原因使被控量偏离期望值而出现偏差时，是不论什么原因使被控量偏离期望值而出现偏差时，必定会产生一个相应的控制作用去减小或消除这个必定会产生一个相应的控制作用去减小或消除这个偏差，使被控量与期望值趋于一致。偏差，使被控量与期望值趋于一致。现在学习的是第12页，共34页第一章 自动控制的一般概念开环控制方式开环控制方式1、按按给定值控制给定值控制的开环控制系统的开环控制系

12、统2、按按干扰控制干扰控制的开环控制系统的开环控制系统干扰信号：不需要的输入信号，它影响系统输出。只适用于扰动是可测量的场合，且一个补偿装置只能补偿一只适用于扰动是可测量的场合，且一个补偿装置只能补偿一种扰动因素。种扰动因素。现在学习的是第13页，共34页第一章 自动控制的一般概念开环控制方式开环控制方式开环控制方式开环控制方式特点特点：结构简单结构简单,调整方便，成本低；调整方便，成本低；精度不高（控制精度完全取决于所用元件及校准的精度）精度不高（控制精度完全取决于所用元件及校准的精度）；抗干扰能力差。抗干扰能力差。开环控制的应用：交通灯、洗衣机、自动售货机等开环控制的应用：交通灯、洗衣机、

13、自动售货机等现在学习的是第14页，共34页第一章 自动控制的一般概念反馈控制方式反馈控制方式反反馈馈原理原理按偏差按偏差进进行的控制行的控制过过程程反馈控制方式反馈控制方式特点特点：结构复杂；结构复杂；精度高，抗干扰能力强；精度高，抗干扰能力强；有反馈通道，要有测量元件。有反馈通道，要有测量元件。现在学习的是第15页，共34页第一章 自动控制的一般概念复合控制方式复合控制方式1、按按输入输入补偿的复合控制补偿的复合控制2、按按扰动扰动（可测）补偿的复合控制（可测）补偿的复合控制 按偏差的反馈控制和按扰动的补偿按偏差的反馈控制和按扰动的补偿控制相结合的控制方式控制相结合的控制方式现在学习的是第1

14、6页，共34页第一章 自动控制的一般概念1-2 自动控制系统示例自动控制系统示例 分析控制系统的基本步骤：分析控制系统的基本步骤：应了解生产工艺过程的特点及其对控制提出的要求；应了解生产工艺过程的特点及其对控制提出的要求；根据控制的目的和任务，确定控制系统的被控对象和被控根据控制的目的和任务，确定控制系统的被控对象和被控量；量；根据信号的传递、加工处理和控制的关系，逐步地根据信号的传递、加工处理和控制的关系，逐步地确定出控制系统的其余部分，并绘制系统的方块图。确定出控制系统的其余部分，并绘制系统的方块图。现在学习的是第17页，共34页第一章 自动控制的一般概念函数记录仪函数记录仪函数记录仪方块

15、图函数记录仪方块图现在学习的是第18页，共34页第一章 自动控制的一般概念电阻炉微型计算机温度控制系统方块图电阻炉微型计算机温度控制系统方块图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现在学习的是第19页，共34页第一章 自动控制的一般概念锅炉液位控制系统方块图锅炉液位控制系统方块图锅炉液位控制系统锅炉液位控制系统现在学习的是第20页，共34页第一章 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按按数学模型数学模型分分线性系统线性系统与与非线性系统非线性系统线性系统由线性微分方程、线性差分方程或线性代数方线性系统由线性微分方程、线性差分方程或线性代数方程描述（满

16、足叠加性和齐次性）；程描述（满足叠加性和齐次性）；系统中只要有一个元部件的输入系统中只要有一个元部件的输入-输出特性是非线性的，输出特性是非线性的，就为非线性系统；就为非线性系统；实际物理系统中都含有程度不同的非线性元部件，可采实际物理系统中都含有程度不同的非线性元部件，可采用在一定范围内线性化的方法，将非线性控制系统近似用在一定范围内线性化的方法，将非线性控制系统近似为线性化控制系统。为线性化控制系统。现在学习的是第21页，共34页第一章 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 按按信号的性质信号的性质分分连续系统连续系统与与离散（数字）系统离散（数字）系统连续系统中

17、各部分传递的信号都是随时间连续变化的信号；连续系统中各部分传递的信号都是随时间连续变化的信号；连续系统通常采用微分方程描述。连续系统通常采用微分方程描述。离散系统中某一处或多处的信号为脉冲序列或数码形式，离散系统中某一处或多处的信号为脉冲序列或数码形式，即信号在时间上是离散的；即信号在时间上是离散的；离散系统通常采用差分方程离散系统通常采用差分方程描述。描述。连续信号经过采样开关的采样就可转换为离散信号。一般连续信号经过采样开关的采样就可转换为离散信号。一般离散系统中既有连续的模拟信号，也有离散的数字信号。离散系统中既有连续的模拟信号，也有离散的数字信号。现在学习的是第22页，共34页第一章

18、自动控制的一般概念线性定常连续系统线性定常连续系统 式中：式中：c(t)是被控量，是被控量，r(t)是输入量。是输入量。定常系统又称为定常系统又称为时不变系统时不变系统，其特点是：描述系，其特点是：描述系统运动的微分或差分方程的系数均为常数。统运动的微分或差分方程的系数均为常数。线性系统的线性系统的叠加原理叠加原理表明：两个外作用同时加于表明：两个外作用同时加于系统所产生的总输出，等于各个外作用单独作系统所产生的总输出，等于各个外作用单独作用时分别产生的输出之和，且外作用的数值增用时分别产生的输出之和，且外作用的数值增大若干倍时，其输出亦增大同样的倍数。大若干倍时，其输出亦增大同样的倍数。现在

19、学习的是第23页，共34页第一章 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按按输入量的变化规律输入量的变化规律分分 1、恒值控制恒值控制系统系统系统输入量为系统输入量为恒定值恒定值；控制的控制的基本任务基本任务是保证在任何扰动作用下系统的输出量是保证在任何扰动作用下系统的输出量保持为恒定的期望值；保持为恒定的期望值；系统分析、设计的重点是研究各种扰动对被控对象系统分析、设计的重点是研究各种扰动对被控对象的影响以及抗扰动的措施。的影响以及抗扰动的措施。如：电阻炉温度控制系统、锅炉液位控制系统等如：电阻炉温度控制系统、锅炉液位控制系统等现在学习的是第24页，共34页第一章 自

20、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按按输入量的变化规律输入量的变化规律分分 2、随动随动系统系统系统输入量系统输入量随时间任意变化，不能预先确知随时间任意变化，不能预先确知；控制的控制的基本任务基本任务是使系统的输出量以要求的精度迅速、是使系统的输出量以要求的精度迅速、平稳地跟随输入量变化，并能排除各种干扰因素的影平稳地跟随输入量变化，并能排除各种干扰因素的影响。响。系统分析、设计的重点是研究被控量跟随的快速性系统分析、设计的重点是研究被控量跟随的快速性和准确性。和准确性。如：函数记录仪、雷达跟踪系统等如：函数记录仪、雷达跟踪系统等现在学习的是第25页，共34页第一章

21、 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按按输入量的变化规律输入量的变化规律分分 3、程序控制程序控制系统系统系统输入量系统输入量按预定规律随时间变化按预定规律随时间变化；控制的控制的基本任务基本任务是要求被控量迅速、准确地复现输入量；是要求被控量迅速、准确地复现输入量；如：数控加工系统等如：数控加工系统等现在学习的是第26页，共34页第一章 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按按时间时间概念分：概念分：定常系统、时变系统定常系统、时变系统 按按输入输出信号的数量输入输出信号的数量分：分：单输入单输出系统、多输入单输入单输出系统、多输入多输出

22、系统多输出系统按按控制方式控制方式分：分：开环控制系统、闭环控制系统、复合开环控制系统、闭环控制系统、复合控制系统控制系统按按系统功用系统功用分类：分类：温度控制系统、压力控制系统、位温度控制系统、压力控制系统、位置控制系统置控制系统 按按元件类型元件类型分类：分类：机械系统、电气系统、机电系统、机械系统、电气系统、机电系统、气动系统、液压系统、生物系统气动系统、液压系统、生物系统现在学习的是第27页，共34页第一章 自动控制的一般概念1-4 自动控制系统的基本要求自动控制系统的基本要求基本要求：基本要求：稳定性稳定性、快速性快速性、准确性准确性 1）稳定性稳定性稳定性是指动态过程的振荡倾向和

23、系统的重新恢复稳定性是指动态过程的振荡倾向和系统的重新恢复平衡状态的能力。平衡状态的能力。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。稳定的控制系统，其被控量偏离期望值的初始偏稳定的控制系统，其被控量偏离期望值的初始偏差应随时间的增长逐渐减小或趋于零。差应随时间的增长逐渐减小或趋于零。线性自动控制系统的稳定性是由系统结构所决定线性自动控制系统的稳定性是由系统结构所决定的，与外界因素无关。的，与外界因素无关。现在学习的是第28页，共34页第一章 自动控制的一般概念1-4 自动控制系统的基本要求自动控制系统的基本要求2）快速性快速性控制系统中一般含有控制系统中一

24、般含有储能元件或惯性元件储能元件或惯性元件，由于储能，由于储能元件的能量不可能突变，而惯性元件使控制动作不能元件的能量不可能突变，而惯性元件使控制动作不能及时准确地产生，因此当系统受到扰动或有输入时，及时准确地产生，因此当系统受到扰动或有输入时，控制过程不会立即完成，而是有一定的控制过程不会立即完成，而是有一定的延缓和调节过延缓和调节过程程，这使得被控量恢复期望值或跟踪输入量有一个时，这使得被控量恢复期望值或跟踪输入量有一个时间过程，称为过渡过程。间过程，称为过渡过程。过渡过程性能（动态性能）包括过渡过程性能（动态性能）包括快速性快速性和和平稳性平稳性，即，即对控制系统过渡过程的时间（即快速性

25、）和最大振对控制系统过渡过程的时间（即快速性）和最大振荡幅度（即超调量）一般都有具体要求。荡幅度（即超调量）一般都有具体要求。现在学习的是第29页，共34页第一章 自动控制的一般概念1-4 自动控制系统的基本要求自动控制系统的基本要求3）准确性准确性稳态误差是在系统过渡过程结束后，期望的稳态输稳态误差是在系统过渡过程结束后，期望的稳态输出量与实际的稳态输出量（即平衡状态）之差。出量与实际的稳态输出量（即平衡状态）之差。稳态误差是衡量控制系统控制精度的重要标志。稳态误差是衡量控制系统控制精度的重要标志。现在学习的是第30页，共34页第一章 自动控制的一般概念典型外作用典型外作用可选为典型外作用的

26、函数应具备以下条件：可选为典型外作用的函数应具备以下条件：这种函数在现场或实验室中容易得到；这种函数在现场或实验室中容易得到；控制系统在这种函数作用下的性能代表在实际工作条件控制系统在这种函数作用下的性能代表在实际工作条件下的性能；下的性能；这种函数的数学表达式简单、便于理论计算。这种函数的数学表达式简单、便于理论计算。现在学习的是第31页，共34页第一章 自动控制的一般概念典型外作用典型外作用1）阶跃函数阶跃函数 幅值幅值R=1的阶跃函数称为的阶跃函数称为单位阶跃函数单位阶跃函数。在控制系统的分析设计工作中，一般将阶跃函数作在控制系统的分析设计工作中，一般将阶跃函数作用下系统的响应特性作为评价系统动态性能指标的用下系统的响应特性作为评价系统动态性能指标的依据。依据。2）斜坡函数（速度信号）斜坡函数（速度信号）或或现在学习的是第32页，共34页第一章 自动控制的一般概念典型外作用典型外作用3）脉冲函数脉冲函数A=1为为单位脉冲函数单位脉冲函数或或 函数函数。4）正弦函数正弦函数或或现在学习的是第33页，共34页第一章 自动控制的一般概念感谢大家观看现在学习的是第34页，共34页