第一章自动控制系统的基本概念课件

内容提要：自动控制系统的基本概念(2)线性系统的数学模型(8)控制系统的时域分析法(8+2)控制系统的根轨迹分析法(8+2)控制系统的频率特性分析法(8+2)线性离散控制系统的分析(6)第一章自动控制系统的基本概念 概述 自动控制的基本方式 闭环控制系统的基本组成 自动控制系统的分类 对控制系统的基本要求 本章小结本章主要内容：概述：自动控制技术在工业、农业、国防和科学技术现代化中起着十分重要的作用，它反映了一个国家科学技术先进与否的重要标志之一。自动控制原理是自动控制技术的基础理论，是研究自动控制共同规律的理论性较强的一门技术科学。自动控制装置可追溯到公元三世纪，古希腊特西比奥斯（Ktesibios)发明的滴水时钟。1770年瓦特（Watt)发明的蒸汽发动机离心式调速机构，也是一个反馈系统。但是控制理论的产生和发展还是在近代。1868年麦克斯韦威尔(Maxwell)才发表了“论调节器”一文，之后霍尔维茨、劳斯等提出了几个重要的稳定性判据 1934年赫茨（Hazen)发表了具有历史意义的著作伺服机构理论，第一次提出了控制系统的精确理论。其后，Nyquist、Bode等也作出了重要贡献，从而形成了经典控制理论，即第一代控制理论。它主要以传递函数为基础，研究单输入、单输出线性定常系统的控制问题。为了突破经典控制理论的局限性，从60年代开始，提出了现代控制理论。它以状态方程为基础，研究多输入、多输出、变参数系统的控制问题。本课程主要介绍经典控制理论的基本概念、基本原理、基本方法等。1、控制系统的工作原理：自动控制是相对于人工控制而言的。让我们以人工控制系统为例，分析人工控制系统工作过程。人工控制无论是在速度还是在精度上都是有限的，为了提高精度，减轻工人的劳动强度，可以采用自动控制系统。第一节 自动控制的基本方式（1）用眼观察温度计的指示值；人工控制过程：（2）将观察值与要求值进行比较，得出偏差的大小和方向，并传递给大脑；（3）大脑根据偏差的大小和方向，依据经验决定开关阀门开度的大小和方向，并指令手去执行；（4）手根据大脑的指令去执行控制阀门的动作。自动控制过程：（1）由测温度元件热电阻测的出口物料的温度，并转换成电信号，再由温度变送器将电信号转换成标准信号；（2）将变送器得出的信号与要求值进行比较，得出偏差的大小和方向；（3）根据偏差的大小和方向，按照一定的控制规律输送出一个对应的信号去控制阀的动作；（4）控制阀接受信号，改变控制阀的开度大小，从而改变了进入换热器的蒸汽量，达到调整温度的目的系统的输入量系统的输入量 被控对象被控对象 被控量（输出量）被控量（输出量）自动控制系统自动控制系统 被控制的设备或工作机械被控制对象内要求实现自动控制的物理量控制器与被控对象的总称在控制系统中影响系统输出量的外界输入量给定输入量扰动输入量2、控制系统的基本概念：在没有人的直接参与下，利用控制装置 使设备、生产过程的某些物理量、工作状态自动地按照预定的规律运行、变化。自动控制自动控制指出下列系统的被控量、输入量QiQOH系统HHiQi3、基本方式：10 开环、闭环、复杂系统特点：输入输出之间无反馈回路；当外部出现扰动作用时，在没有人干预下无法复位，即得不到希望的值。结构简单、成本低廉、调试容易、控制精度差、抗干扰能力不强，只适用于性能要求不高的控制系统。控制器被控对象扰动输入量输入量输量开环控制系统结构图开环控制是指系统输出端与输入端之间不存在反馈回路，系统的输出量不对系统的控制量产生任何作用的控制过程。开环控制开环控制：闭环控制闭环控制：闭环控制是指系统输出端与输入端之间存在反馈回路，系统的输出量直接或间接参与了对系统的控制作用。特点：结构复杂、成本相对较高，调试较困难，但具有 自动修正系统输出量偏差的能力，克服系统内部 元件参数变化或外界扰动所引起的误差，控制精 度较高，被广泛应用。控制器被控对象扰动输入量输入量输量检测装置误差-闭环控制系统结构图 复杂控制复杂控制：复杂控制是开环与闭环控制系统相结合的一种控制方式。控制器被控对象补偿装置输入信号输出信号扰动输入-复杂控制系统结构图特点：结构复杂、控制精度高，用于要求更高的任务。4、控制系统的方框图表示法：控制原理图（系统流程图）表示控制系统的工作原理图系统方框图 利用方框的形式定量地描述各信号之间的数学关系。被控变量C（S）给定信号R（S）+控制器Gc（s）执行器Gy（s）换热器Gp（s）测量变送 Gp（s）偏差E（S）-B（S）测量值扰动量N（S）操纵变量系统方框图 第二节 闭环控制系统的基本组成控制系统一般由以下基本组成：（1）被控对象（2）测量装置（3）给定环节（4）比较环节（5）放大环节（6）执行机构（7）校正装置指要进行控制的设备或对象对系统输出量进行测量的装置产生系统给定输入信号（控制要求）对系统输出量与输入量进行比较，产生偏差信号对偏差信号进行放大，并进行能量形式的转换对被控对象进行控制的装置或元件用于改善系统的性能第三节自动控制系统的分类按数学模型分类按输入信号特征分类线性与非线性连续与离散系统线性系统非线性系统（在一定条件下可以转化为线性系统）定常时变连续系统 f（t）离散系统 是脉冲信号恒值系统 给定输入为恒定值随动系统 给定输入是未知的时间函数程序控制系统 给定输入是按照已知的时间函数变化的系统第四节 控制系统的基本要求稳、准、快稳、准、快稳稳定在预定的平衡位置准准确 误差小快动态响应要快本章作业：习题1-1、1-3、1-5另外补充习题如下补 1、试说明开环控制系统与闭环系统各自的优缺点？补 2、试说明下列控制系统过程，画出控制系统的方框图，并指出被控变量、操纵变量、扰动变量。LCLTL给定值物料B物料A出口混合槽液位控制系统TTTC冷却水热物料给定值出口冷却器温度控制系统本章小结：了解开环、闭环、方框图、被控变量、扰动量等基本概念建立初步的自动控制系统的概念习题解：习题1-1、qv2qv1水槽浮子-H1H2习题1-3控制系统炉子热电偶-TT0散热习题1-5经验洗衣机测量系统-希望清洁度实际清洁度计时器补充习题1补充习题2LC水槽LT-LL0A、泵TC换热器TT-TT0热物料、散热