自动控制原理讲稿课件

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,自动控制原理,第一章,导论,本讲主要内容,:,1.1,1.2.,1.3.,1.4.,1.5.,控制,的定义,控制,系统的工作原理和组成,控制,理论的中心问题,自动控制,理论的学习内容,控制,理论的历史发展,第一章 导论本讲主要内容:控制的定义,控制,的本意,:,为了达到某种目的对事物进行支配、,管束、管制、管理、监督、镇压。,自动控制,:,在没有人直接参与的情况下，利用,控制装置或控制器,使机器、设备或生产过程（,被控对象,）的某个工作状态或参数（即,被控量,）自动地按照预定的规律运行。,Part,：,1.1,控制,的定义,例,1.,钢铁轧制,:,轧出厚度一致的高精度铁板,温度控制,生铁成分控制,厚度控制,张力控制,等等。,例,2.,程控机床,:,自动进刀切削，加工出预期的几何形,状,直线、圆弧等各种差补控制，进给量控制,等等。,控制的本意:为了达到某种目的对事物进行支配、自动控,Part 1.2,控制,系统的工作原理和组成,恒温箱温度控制,人工控温,自动控温,液位控制系统,人工,/,自动控制,!Some Examples,Part 1.2 控制系统的工作原理和组成恒温箱温度控制人工,动态过程,观测恒温箱内的温度（,被控制量,）,与要求的温度（,给定值,）进行比较得到温度偏差的大小和方向,根据偏差大小和方向调节调压器，控制加热电阻丝的电流以调节温度回复到要求值。,实质,检测偏差再纠正偏差,。,1.,人工控制恒温箱,1,2,3,Part 1.2.1,控制系统的工作原理,动态过程实质检测偏差再纠正偏差。1.人工控制恒温箱1,温度偏差信号经电压、功率放大后，用以驱动执行电动机，并通过传动机构拖动调压器动触头。当温度偏高时，动触头向减小电流的方向运动，反之加大电流，直到温度达到给定值为止，此时，偏差,u=0,电机停止转动。,动态过程,2.,恒温箱自动控制系统,恒温箱实际温度由热电偶转换为对应的电压,u,2,恒温箱期望温度由电压,u,1,给定，并与实际温度,u,2,比较得到温度偏差信号,u=u,1,-u,2,温度偏差信号经电压、功率放大后，用以驱动执行电动机，并通过传,系统原理方块图,实质,检测偏差,纠正偏差,系统方框图符号组成,系统原理方块图实质系统方框图符号组成,1.2.1,控制系统的工作原理,从恒温箱控制系统功能框图可见：,给定量位于系统的输入端，称为,系统输入量,，也称为,参考输入量,（信号）。,被控制量位于系统的输出端，为,系统输出量,。,输出量（全部或一部分）通过测量装置返回系统的输入端（,反馈信号,），使之与输入量进行比较，产生,偏差,（给定信号与返回的输出信号之差）信号。输出量的返回过程称为,反馈,。,1.2.1控制系统的工作原理从恒温箱控制系统功能框图可见：,综上所述,控制系统的工作原理,：,检测,输出量（被控制量）的实际值；,将输出量的实际值与给定值（输入量）进行比较得出,偏差,；,利用偏差值产生控制调节作用去消除偏差，使得输出量维持期望的输出。,综上所述控制系统的工作原理：,由于输出量的反馈，系统能在,扰动,的情况下，,自动减少,系统的输出量与参考输入量（希望的状态）之间的,偏差,，称之为,反馈控制,。,显然：,反馈控制,建立在,偏差基础,上，其控制方式是,“,检测偏差,再,纠正偏差,”,。,由于输出量的反馈，系统能在扰动的情况下，自动减,1.2.3,开环控制与闭环控制,开环控制与闭环控制实际的控制系统根据有无反馈作用可分为三类：,开环控制系统,闭环控制系统,复合控制系统,1.2.3 开环控制与闭环控制 开环控制与闭环控制实,1.,开环控制,控制器与被控对象间只有顺序作用而无反向联系,且控制单方向进行。,数控机床的开环控制系统方块图,优点,：简单、稳定、可靠。若组成系统的元件特性和参数值比较稳定，且外界干扰较小，开环控制能够保持一定的精度。,缺点,：精度通常较低、无自动纠偏能力。,1.开环控制控制器与被控对象间只有顺序作用而无反向联系且控制,自动控制原理讲稿课件,2.,闭环控制,闭环控制系统特点：输出端和输入端之间存在,反馈,，,输出量对控制过程有直接影响,。闭环的作用：,利用反馈，减少偏差,。,优点,：精度较高，对外部扰动和系统参数变化不敏感,缺点,：,存在稳定、振荡、超调等问题，系统性能分析,和设计麻烦。,2.闭环控制 闭环控制系统特点：输出端和输入端之间存,复合控制,特点：,按,偏差控制,和按,扰动补偿相结合,的控制方式,称为,复合控制方式,复合控制特点：按偏差控制和按扰动补偿相结合的控制方式,优点,：,精度较高，对外部扰动和系统参数变化,不敏感。,缺点,：存在稳定、振荡、超调等问题，,系统性能分析和设计麻烦。,闭环控制,优点,：,简单、稳定、可靠。若组成系统的元件特性,和参数值比较稳定，且外界干扰较小，开环控制能,够保持一定的精度。,缺点,：,精度通常较低、无自动纠偏能力。,开环控制,复合控制,优点：精度较高，对外部扰动和系统参数变化缺点：存在稳定、振荡,E.g.,液位控制,原,型,：,古,代,水,钟,“,铜,壶,滴,漏,”,Q,2,H,1,H,2,Q,1,E.g.液位控制原Q2H1H2Q1,系统原理方块图,实质,检测偏差,纠正偏差。,控制器,系统原理方块图实质控制器,正,/,负反馈液位控制系统,负反馈,正反馈,l,1,Q,1,H,Q,2,l,2,Q,1,Q,2,l,2,H,l,1,正/负反馈液位控制系统负反馈 正反馈 l1Q1HQ2l2Q1,Part 1.2.4,闭环控制系统的组成,闭环控制系统的组成,Part 1.2.4 闭环控制系统的组成闭环控制系统的组成,1,给定元件：,产生给定信号或输入信号。,2,反馈元件：,测量被控制量（输出量），产生反馈信号。为便于传输，反馈信号通常为电信号。,3,比较元件：,对给定信号和反馈信号进行比较，产生偏差信号。,4,放大元件：,对偏差信号进行放大，使之有足够的能量驱动执行元件实现控制功能。,5,执行元件：,直接对受控对象进行操纵的元件，如电动机、液压马达等。,1给定元件：2反馈元件：3比较元件：,6,校正元件：,用以改善系统控制质,量的装置。,校正元件,分为,串联,和,并联,两种。,控制系统中,比较元件、放大元件、执行元件和反馈元件,等共同起控制作用，统称为,控制器,。,实际的控制系统中，,扰动,总是不可避免的，,扰动分为,内部扰动,和,外部扰动。,6校正元件：,Part 1.3,控制,理论的中心问题,稳定性：,系统动态过程,的振荡倾向及其,恢复平衡状态的能力。稳定的系统,当输出量偏离平衡状态时，其输出能随时间的增长收敛并回到初始平衡状态。,稳定性是控制系统正常工作的,先决条件,。,线性控制系统稳定性由系统结构所决定,，,与外界因素无关,。,图,3-19,小范围稳定系统,d,f,c,A,A,f,图,3-18,不稳定系统,Part 1.3 控制理论的中心问题稳定性：稳定性是控制系统,精确性：,控制精度，以稳态误差来衡量。,快速性：,输出量和输入量产生偏差时，系统消除这种偏差的快慢程度。快速性表征系统的动态性能。,稳态误差,:,系统的调整（过渡）过程结束而趋于稳定状态时，系统输出的实际值与给定量之间的差值。,超调量,C(t),上升时间,峰值时间,调节时间,误差带,稳态误差,o,1.0,t,精确性：快速性：稳态误差:超调量C(t)上升时间峰值时间调节,Part 1.4,控制系统的分类,按输入量的特征分类,按系统中传递信号的性质分类,线性系统和非线性系统,定常系统和时变系统*,Part 1.4 控制系统的分类按输入量的特征分类,1.,按输入量的特征分类,恒值控制系统：,系统输入量为恒定值。控制任务是保证在任何扰动作用下系统的输出量为恒值。,如：恒温箱控制、电网电压、频率控制等。,程序控制系统,：,输入量的变化规律预先确知，输入装置根据输入的变化规律，发出控制指令，使被控对象按照指令程序的要求而运动。,如：数控加工系统,随动系统（伺服系统）：,输入量的变化规律不能预先确知，其控制要求是输出量迅速、平稳地跟随输入量的变化，并能排除各种干扰因素的影响，准确地复现输入信号的变化规律。,如：仿形加工系统、火炮自动瞄准系统等。,1.按输入量的特征分类恒值控制系统：系统输入量为恒定值。控制,连续控制系统：,系统中各部分传递的信号为随时间连续变化的信号。连续控制系统通常采用,微分方程,描述。,2.,按系统中传递信号的性质分类,离散（数字）控制系统,：,系统中某一处或多处的信号为,脉冲序列或数字量,传递的系统。离散控制系统通常采用,差分方程,描述。,连续控制系统：2.按系统中传递信号的性质分类离散（数字）控制,方程系数与时间的关系,-,定常、时变*,3.,按系统性质分类,线性控制系统：,由线性元件组成，输入输出问具有叠加性和均匀性性质。,以,线性微分方程,来表述。,非线性控制系统：,系统中有非线性元件，输入输出间不具有叠加性和均匀性性质。,用,非线性微分方程,来表述。,方程系数与时间的关系-定常、时变*3.按系统性质分类线性控,控制,系统的基本类型,按输入量特征分类,按传递信号分类,按系统构成分类,按信号传递方向,恒值控制,连续控制,开环控制,前馈控制,程序控制,离散（数字）控制,闭环控制,反馈控制,随动控制,复合控制,控制系统的基本类型按输入量特征分类按传递信号分类按系统构成分,Part 1.5,自动,控制,原理学习内容,经典自动控制理论,研究单输入，单输出的单变量系统线性定常系统,现代控制理论,研究多输入，多输出的多变量,非线性系统和时变系统,复杂系统。,复杂系统时域分析，利用状态变量、基于时域分析,的现代控制理论,。确定性系统、随机系统的最佳控制，乃至复杂系统的自适应和学习控制。鲁棒控制、,H,控制及其相关的课题。,控制系统的数学模型,时域分析法,系统分 析,频率法分析法,根轨迹法,综合校正,线性离散控制系统,非线性控制系统分析,Part 1.5自动控制原理学习内容经典自动控制理论 现代控,Part 1.5.1,自动控制系统的研究方法,综合：,在已知被控对象和合定性能指标的前提下，寻求控制规律，建立一个能使被控对象满足性能要求的系统。,分析：,在给定系统的条件下，将物理系统抽象成数学模型，然后用已经成熟的数学方法和先进的计算工具来定性或定量地对系统进行动、静态的性能分析。,自动控制研究的三个基本问题：,建立数学模型,系统性能分析,控制器设计,Part 1.5.1 自动控制系统的研究方法综合：分析：自动,Part 1.6,控制,理论的历史和发展,前期控制,(1400BC-1900),经典控制,(1935-1950),现代控制,(1950-Now),工业机器,空间技术,控制理论,Part 1.6 控制理论的历史和发展前期控制(1400B,中国，埃及和巴比伦出现,自动计时漏壶,(1400BC-1100BC),。,亚历山大的,希罗,发明开闭庙门和分发圣水等自动装置,(100,年,),。,中国,张衡,发明水运浑象，研制出自动测量地震的,候风地动仪,(132,年,),。,希腊,Philon,发明了采用,浮球调节器,来保持燃油液面高度的油灯。,(BC250,年,),。,前期控制（,1400BC-1900,）,中国，埃及和巴比伦出现自动计时漏壶(1400BC-1100B,中国,马钧,研制出用齿轮传动的自动指示方向的,指南车,(235,年,),中国明代,宋应星,所著,天工开物,记载有程序控制思想,(CNC),的,提花织机,结构图,(1637,年,),中国马钧研制出用齿轮传动的自动指示方向的指南车(235年)中,英国,J.Watt,用离心式调速器控制蒸汽机的速度,(1788,年,),英国,J.C.Maxwell,发表“论调速器”,(On Governors),论文,(1868,年,),英国,E.J.Routh,建立,Routh,判据,(Routh-Hurwitz Stability Criteria),(