模块一认识自动控制系统课件

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,模块一 认识自动控制系统,任务名称:自动控制系统的认识,自动控制技术的基本知识,模块一 认识自动控制系统任务名称:自动控制系统的认,教学目标,知识目标：熟练掌握开、闭环控制的特点,掌握自控系统的分类,了解自控系统性能指标和研究方法,能力目标：能掌握开、闭环控制的特点,能了解自控系统的分类、性能指标和,研究方法,素质目标:培养自学能力,培养文献检索、资料查找与阅读能力,教学目标,教学内容,开、闭环控制的特点,初识自动控制系统,自控系统的分类,自控系统性能指标,自控系统的研究方法,教学内容开、闭环控制的特点,课题一 初识自动控制系统,课题一 初识自动控制系统,开环控制和闭环控制,1.开环控制系统(OpenLoop Control System),若系统的输出量不被引回来对系统的控制部分产生影响，则这样的系统称为开环控制系统。,开环控制和闭环控制 1.开环控制系统(OpenLoop,图 1-1 数控加工机床示意图,图 1-1 数控加工机床示意图,图 1-2 为数控加工机床开环控制框图。此系统的输入量为加工程序指令，输出量为机床工作台的位移，系统的控制对象为工作台，执行机构为步进电动机和传动机构。由图可见，系统无反馈环节，输出量并不返回来影响控制部分，因此是开环控制。,图 1-2 为数控加工机床开环控制,图 1-2 数控加工机床开环控制框图,图 1-2 数控加工机床开环控制框图,2.闭环控制系统(ClosedLoop Control System)若系统输出量通过反馈环节返回来作用于控制部分，形成闭合环路，则这样的系统称为闭环控制系统，又称为反馈控制系统(Feedback Control System)。,图 1-3 为电炉箱恒温自动控制系统。,2.闭环控制系统(ClosedLoop Control,图 1-3 电炉箱恒温自动控制系统,图 1-3 电炉箱恒温自动控制系统,图 1-4 电炉箱自动控制系统的组成框图,图 1-4 电炉箱自动控制系统的组成框图,图 1 5 炉温自动调节过程,图 1 5 炉温自动调节过程,自动控制系统的组成,现以图 1-3和图 1-4 所示的恒温控制系统来说明自动控制系统的组成和有关术语。,自动控制系统的组成 现以图 1,图 1-6 自动控制系统的组成框图,图 1-6 自动控制系统的组成框图,由图 1-6 可以看出，一般自动控制系统包括：,(1)给定元件（Command Element）：由它调节给定信号（,U,sT,），以调节输出量的大小。,(2)检测元件（Detecting Element）：由它检测输出量（如炉温T）的大小，并反馈到输入端。,(3)比较环节（Comparing Element）：在此处，反馈信号与给定信号进行叠加，信号的极性以“+”或“-”表示。,(4)放大元件（Amplifying Element）：由于偏差信号一般很小，因此要经过电压放大及功率放大，以驱动执行元件。,由图 1-6 可以看出，一般自,(5)执行元件（Executive Element）：驱动被控制对象的环节。,(6)控制对象（Controlled Plant）：亦称被调对象。,(7)反馈环节（Feedback Element）：由它将输出量引出，再回送到控制部分。,由图 1-6 可见，系统中的各种作用量和被控制量包括,(1)输入量（Input Variable）：又称控制量或调节量（Reference Input Variable），所以输入量的角标常用i(或 r)表示。它通常由给定信号电压构成,或通过检测元件将非电输入量转换成信号电压。,(2)输出量（Output Variable）：又称被控制量（Controlled Variable）,所以输出量角标常用o(或 c)表示。它是被控制对象的输出，是自动控制的目标。,由图 1-6 可见，系统中的各种作用量和,(3)反馈量（Feedback Variable）：通过检测元件将输出量转变成与给定信号性质相同且数量级相同、数值相近的信号电压。,(4)扰动量（Disturbance Variable）:又称干扰或“噪声”（Noise），所以扰动量的角标常以d（或n）表示。它通常指引起输出量发生变化的各种因素。,(5)中间变量(Semifinisbed Variable)：系统中各环节之间的作用量。,(3)反馈量（Feedback,课题二 自动控制系统的分类,自动控制系统可以从不同的角度来进行分类，常见的有以下几种。,1.按输入量变化的规律分类,自动控制系统按输入量变化的规律可分为以下三类。,1)恒值控制系统(Fixed Set-Point Control System),恒值控制系统的特点是：系统的输入量是恒量，并且要求系统的输出量相应地保持恒定。,课题二 自动控制系统的分类 自动控制系,2)随动系统（Follow-Up Control System）,随动控制系统又称伺服系统（Serve-System），其特点是：输入量是随机变化着的，并且要求系统的输出量，能跟随输入量的变化而作出相应的变化。,3)过程控制系统(,Programme,Control System),过程控制系统的特点是：输入量按照一定的时间函数变化，并且要求输出量随之变化。例如数控伺服系统以及一些自动化生产线等。,2)随动系统（Follow-Up,2.按系统传输信号对时间的关系分类,自动控制系统按系统传输信号对时间的关系可分为两类。,1)连续控制系统（Continuous Control System）,连续控制系统的特点是：控制作用的信号都是连续量或模拟量，因此它又称为模拟控制系统（Analogue Control System）。图 1-3 所示的恒温控制系统就是连续控制系统。连续控制系统的运动规律通常可用微分方程来描述。,2.按系统传输信号对时间的关系,2)离散控制系统(Discrete Control System),离散控制系统又称采样数据控制系统（Sampted-Date Control System）。它的特点是：系统中有的信号是断续量，或采样数据量、数字量。,2)离散控制系统(Discret,3.按系统的输出量和输入量间的关系分类,自动控制系统按系统的输出量和输入量间的关系可分为两类。,1)线性控制系统(Liner Control System),线性控制系统的特点是：系统由线性元件构成，它的各个环节或系统都可以用关系用线性微分方程来描述。,3.按系统的输出量和输入量间的关系,2)非线性控制系统(Non Liner Control System),非线性控制系统的特点是：系统中存在有非线性元件，如具有死区、出现饱和、含有摩擦等非线性特性的元件，它的输出量与输入量间的关系要用非线性微分方程来描述。,2)非线性控制系统(Non Lin,4.按系统中的参数对时间的变化情况分类,自动控制系统按系统中的参数对时间的变化情况可分为两类。,1)定常系统（Time-Invariant System）,定常系统(又称时不变系统),其特点是：系统的全部参数不随时间变化，它的输出量与输入量间的关系用定常微分方程来描述。,4.按系统中的参数对时间的变化情,2)时变系统(Time-Varying System),时变系统的特点是：系统中有的参数是时间t的函数，它随时间变化而改变。,2)时变系统(Time-Varyi,课题三 对自动控制系统性能的要求,1.系统的稳定性,稳定性是保证控制系统正常工作的先决条件。一个稳定的控制系统，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。,课题三 对自动控制系统性能的要求 1.,图1-7 稳定系统和不稳定系统 a)稳定系统 b)不稳定系统,图1-7 稳定系统和不稳定系统 a)稳定系统,2、系统的稳态性能指标,(Steaty-State Performance Specification),当系统从一个稳态过渡到新的稳态，或系统受扰动作用又重新平衡后，系统会出现偏差，这种偏差称为稳态误差e,ss(,Steady-State Error)。系统稳态误差的大小反映了系统的稳态精度(或静态精度)(Static Accuracy)，它表明了系统的准确程度。稳态误差越小，则系统的稳态精度越高。,.有静差系统:e,ss,0，如图1-8a所示。,.无静差系统:e,ss,=0，如图1-8b所示。,2、系统的稳态性能指标,图1-8 自动控制系统的稳态性能a)有静差系统 b)无静差系统,图1-8 自动控制系统的稳态性能a)有静差系统,3、系统的动态性能指标(Dynamic Performance Specification),系统从一个稳态过渡到新的稳态都需要经历一段时间，亦即需要经历一个过渡过程。表征这个过渡过程性能的指标叫做动态指标。,图1-9为系统对突加给定信号的动态响应曲线,3、系统的动态性能指标(Dynamic Performanc,（1）.最大超调量()(Maximum Overshoot),最大超调量是输出量c(t)与稳态值 的最大偏差,与稳态值 之比。即 =/100%最大超调量反映了系统的动态精度，最大超调量越小，则说明系统过渡过程进行得越平稳。,（1）.最大超调量()(Maximum Overshoo,（2）.调整时间()(Settling Time),调整时间()是给定量作用于系统开始，到输出量进入并一直保持在离稳态值的允许误差带内所需要的时间。,（3）.振荡次数()(Order Number),振荡次数是指在调整时间内，输出量在稳态值上下摆动的次数。,（2）.调整时间()(Settling Time)调,结论,在上述指标中，最大超调量和振荡次数反映了系统的稳定性能。调整时间反映了系统的快速性。稳态误差反映了系统的准确度。一般说来，我们总是希望最大超调量小一点，振荡次数少一点，调整时间短一些，稳态误差小一点。总之，希望系统能达到稳、快、准。,以后的分析将表明，这些指标要求，在同一个系统中往往是相互矛盾的。这就需要根据具体对象所提出的要求，对其中的某些指标有所侧重，同时又要注意统筹兼顾。,性能指标是衡量自动控制系统技术品质的客观标准，它是订货、验收的基本依据，也是技术合同的基本内容。,结论 在上述指标中，最大超调量和振荡,研究自动控制系统的方法,对自动控制系统进行分析研究，,首先是对系统进行定性分析,。,所谓定性分析，主要是搞清各个单元及各个元件在系统中的地位和作用，以及它们之间的相互联系，并在此基础上搞清系统的工作原理。然后，在定性分析的基础上，可以,建立系统的数学模型,；,再应用自动控制理论对系统的,稳定性、稳态性能和动态性能进行定量分析,。在系统分析的基础上就可以找到改善系统性能，提高系统技术指标的有效途径，这也就是系统的校正和设计。,研究自动控制系统的方法,自动控制理论又分为经典控制理论(Classical Control Theory)和现代控制理论(Modern Control Theory)。,经典控制理论是建立在传递函数(Transfer Function)概念基础之上的，它对单输入单输出系统是十分有效的。,现代控制理论是建立在状态变量(State Variable)概念基础之上的，它适用于复杂的多输入多输出控制系统及变参数非线性系统，实现自适应控制(Adaptive Control)、最佳控制(Optimal Control)等。,在经典控制理论中，又有时域分析法(TimeDomain Analysis Method)、频率响应法(Freguency Response ethod)和根轨迹法(The Root Locus Method)等几种分析方法。,自动控制理论又分为经典控制理论(Classica,课题四 自动控制技术的发展历史,在工业、农业、交通运输和国防各个方面都离不开自动控制。所谓,自动控制,，就是在没有人直接参与的情况下，利用控制装置对生产