自动控制系统的基本概念.ppt

自动控制原理,讲授 张曙光,河北农业大学 机电工程学院,专业的培养目标 对高级工程技术人才的要求 如何学习才能成为人才 该课程的学习方法与要求,课程的学习目的、方法与要求,专业的培养目标 明确学习目的,电气工程及其自动化专业 培养具有创新意识和创新能力、综合素质高、适应能力强的，能够从事与电气工程有关的系统运行、自动控制、电力电子技术、信息处理、试验分析、研制开发、经济管理以及电子与计算机技术应用等领域工作的宽口径“复合型”高级工程技术人才。,工程技术人员（包括其他技术家）和科学家的职责不同。 科学家的任务是如何认识，因而他可以选择自己感兴趣的研究课题； 工程师的任务是如何实现，所以他必须解决面临的实际问题。工程问题受到多方面因素的制约，工程师必须在多种可能方案中做出选择，谋求最可靠、最经济、最实用的解决方法。,工程技术人员的任务 将来我们做什么,对工程技术人才的要求 合格人才是什么样的,一个工程师接受任务的时候总会问自己这样的问题：,会不会做是否在科学技术上掌握了必须的知识和技能，能够解决工程上的难题。,可不可以做是否在政策法规和社会公德允许的条件下的工程。,该不该做是否拥有了良好的生态可行性和工程持续性，并且能在人、才、物和时空约束条件下经济合理地完成任务。,如何去做拿出切实可行的解决方案。,如何学习才能成为人才,第一境界： 总结知识的能力 自我学习的能力 综合知识的能力,第二境界： 发现问题的能力 解决问题的能力,第三境界： 创造思维的能力,课程重要性,自动控制原理是工科的技术基础课，该课程与其它课程的关系承上启下的课程,该课程的学习方法与要求 了解课程特点明确学习方法与要求,自动控制是一门技术学科，从方法论的角度来研究系统的建立、分析与设计。研究控制系统的共性问题 提供了研究思想与研究方法,课程特点,自动控制技术是应用非常广泛的技术,本课程学习方法,打好基础复习学过的基础课 认真听课掌握基本理论和基本方法 做好习题锻炼解决实际问题的能力,本课程学习要求 学会分析、解决工程问题的基本思路和方法,第一章 自动控制系统的基本概念,1-1 引言 1-2 自动控制的基本方式 1-3 自动控制系统的组成 1-4 自动控制系统的分类 1-5 对控制系统的基本要求 1-6 自动控制系统的发展简史,自动控制指在没有人直接参与的情况下，利用外加装置（控制装置或控制器）使机器、设备或生产过程（被控对象）的某状态或参数（被控量）按规定的程序或指令自动地进行操作或运行。 自动控制系统为实现某一控制目标所需要的所有物理部件的有机组合体。 自动控制理论研究自动控制系统的组成，进行系统分析、设计的一般性理论。,1-1 引言,自动控制理论是一个什么样的课程？,例：人工控制与自动控制：水箱水位控制问题,用眼观察水位，目测出实际水位高度并反馈到大脑中 在脑中与要求水位进行比较，得出偏差大小，决定手的操作动作 手执行大脑决定的动作，打开或关闭法门,人工控制,人工控制过程归纳：,传感器代替眼看测量出实际水位高度并反馈到控制器 在控制器中将实际水位与设定水位进行比较得出偏差值，对偏差信号进行放大送到执行器 执行器执行开关阀门动作,自动控制,共同特点：通过检测被控量，得到与给定值的偏差，并去纠正偏差，进而减小偏差。 在人工控制中偏差是通过人眼观测后，由人脑判断、决策得出的； 在自动控制系统中偏差则是通过反馈，由控制器进行比较、计算产生的。,自动控制过程归纳：,分析控制系统的工作原理分析人要做这个事情的思路 分析控制系统的结构设计与组成系统 分析控制系统的性能指标是否能够完成任务,自动控制理论 研究和分析控制系统共性的理论,自动控制就是利用控制装置代替人去自动地完成人要完成的事情,1-2 自动控制的基本方式,工作原理,控制装置 控制器+执行器+传感器,被控对象 水箱（水位是被控量）,控制装置,被控对象,一、开环控制,控制装置与受控对象之间只有顺向作用而无反向联系.,例 转台速度开环控制系统,这种转台在CD机、计算机磁盘驱动器等现代装置中广泛应用.,转台,电机,电源和放 大装置,速度设置,系统组成：,由图可见：,被控制量速度没有反馈到输入端与给定信号比较,为开环控制系统。,输入量：由电位器给定的电压ug,直流电机开环调速系统,控制器：电位器+功率放器组成，将弱小的输入量变成可执行的大功率信号,执行机构：直流调速电动机+机械传动机构,被控对象：需要的一定转速 n 的生产机械或其他机械部件,输出量：调速系统的输出，即被控对象的实际转速（注意：不一定等于电机转速n）,干扰（扰动）：在输入量不变的情况下，如负载扭矩变化、供电电压变化等将引起输出转速变化的影响因素,开环控制特点： 系统的输出与输入之间没有反馈通道，输出量没有与输入量相比较，即输出量不参与对系统的控制，只有输入量对输出量产生控制作用 系统没有抗干扰能力 结构简单，所用的元器件少、成本低,应用：多用于系统结构参数稳定和干扰较小的场合。 如：自动化流水线、自动洗衣机,例 转速负反馈直流电动机调速系统,直流电机,测速发电机,电源和放 大装置,负载,系统组成：,Un,Uf,给定电压,反馈电压,e=Un-Uf,转速取决于给定电压与反馈电压的差值。,二、闭环控制,控制装置与受控对象之间既有顺向作用也有无反向联系.,直流电机闭环调速系统,闭环控制特点： 通过检测装置构成的反馈通道将输出量送回输入端，与给定信号进行比较，产生偏差,此偏差经过控制器产生控制作用,使输出量按照要求的规律变化 系统具有抗干扰能力，能实现高精度控制 因系统按偏差调节，有时间延迟，输出量的偏离不能立即得到修正，有可能使输出量处于振荡状态，使系统无法工作。,应用：对系统有精度要求时广泛采用反馈控制是最基本的闭环控制方式。,uf,三、复合控制,1。按输入信号补偿的复合控制,no,ug,应用：提高系统跟踪输入信号的能力和精度,2。按干扰作用补偿的复合控制,输出量,检测出干扰量，通过补偿装置对输入信号进行补偿以抵消干扰对系统输出量的影响,应用：增强系统的抗干扰能力,1-3 自动控制系统的组成,要求实现自动控制的设备或过程,被控设备或过程中需要控制的参数即被控参数,测量被控参数的传感器与测量电路，它将系统的实际输出反馈到输入端,设定与系统输出希望值相对应的输入指令,改善系统性能的环节，因为串联在系统的输入端，又称串联校正,将微小的偏差信号进行放大，使之达到控制执行机构的能量要求,执行控制任务，驱动被控对象的动力设备,改善局部环节性能的装置，用反馈的方法调整局部信号达到校正的目的，所以称反馈校正（或并联校正）,典型闭环系统结构框图,典型闭环系统结构框图,1-4 自动控制系统的分类,按系统结构分，开环 / 闭环控制系统 按输入量形式分，恒值 / 随动控制系统 按信号传递形式分，连续 / 离散控制系统 按系统是否满足叠加性分，线性 / 非线性控制系统 按系统执行装置分，机电 / 液压 / 气压控制系统等,可以从不同角度对控制系统进行分类：,系统输入量为常值，要求被控量也等于常值。 系统的基本任务是当出现扰动时，使系统的输出量保持为恒定的希望值 工业产生中的温度、压力、流量、液面等参数的控制电力系统的电网电压、频率控制等,2.程序控制系统 系统输入量按预定规律变化，系统的控制过程按预定的程序进行。 数控机床按预定程序自动地切削工件。 石油化学工业中的反应塔。,一.按输入量的特征 1.恒值控制系统,系统输入量随时间任意变化。系统输出量常是机械位移、速度、加速度、力、力矩等机械量。 系统的基本任务是使系统输出量能快速、准确地跟随输入量变化。 机械加工中的仿形机床。 武器装备中的火炮自动瞄准系统、雷达跟踪系统、导弹目标自动跟踪系统,3.伺服系统又称随动系统,二、连续控制系统和离散控制系统,控制系统中各部分的信号若都是时间 t 的连续函数，则称这类系统为连续控制系统。 在控制系统各部分的信号中只要有一个是时间 t 的离散信号，则称这种系统为离散控制系统。 脉冲和数码都属于离散信号。 计算机控制系统就是一种常见的离散控制系统。 计算机只能接受和处理数字信号，计算机的输出经D/A转换加给放大器，然后再去驱动执行元件，或由计算机直接输出数字信号，经数字放大器后驱动数字式执行元件。,三、线性控制系统和非线性控制系统,用非线性方程描述的系统，称为非线性系统。,如果微分方程或差分方程的系数为常数，则称为线性定常数系统；否则，称为线性时变系统。,可用线性微分方程或差分方程描述的系统，称为线性系统。,1-5 对控制系统的基本要求,控制系统应用于不同场合，对它有不同的性能要求。但从控制工程的角度来看，却有一些共同的标准。常见的评价系统优劣的性能指标基本有三个方面：稳、快、准。,二、快速性,一、稳定性,三、准确性,系统受外作用力后,其动态过程的振荡倾向和系统恢复平衡的能力。,一、稳定性,稳定性：,如果系统受外作用力经过一段时间，其被控量达到某一稳定状态，则系统是稳定的。,否则为不稳定的。,稳定系统的动态过程,1,r(t),c(t),不稳定系统的动态过程,(a) 给定信号作用,c(t),(b) 扰动信号作用,r(t),c(t),d(t),不稳定的系统是无法正常工作的。,一种过渡过程是收敛的，即过渡过程结束后，系统又趋于平衡状态，这类系统称为稳定的； 另一种过渡过程是发散的，这类系统称为不稳定的； 等幅振荡也被认为是不稳定的。 显然，系统稳定是保证系统能正常工作的首要条件。,通过动态过程时间长短表征。时间越短，表明快速性越好，反之亦然。,二、快速性,r(t),c1(t),c2(t),快速性表明了系统输出对输入响应的快慢程度,由输入给定值与输出响应的终值之间的差值ess大小表征。,三、准确性,r(t),c(t),ess,过渡过程结束后，输出量的希望值与实际值之差。 数控机床的加工误差小于0.02mm。 一般恒速、恒温控制系统的稳态误差都在给定值的1%以内。,同一个系统，稳、快、准是相互制约的。 提高快速性，可能会引起系统强烈振动。 改善了平稳性，控制过程又可能很迟缓，甚至精度也会变差。 分析和解决这些矛盾，将是本学科讨论的重要内容。,1-5 自动控制系统的发展简史,经典控制理论（19世纪初）,时域法； 复域法（根轨迹）； 频域法,现代控制理论（20世纪50年代）,线性控制 最优控制 最佳估计 系统识别,自适应控制 鲁棒控制 容错控制 集散控制 大系统复杂系统,智能控制理论（20世纪70年代）,专家控制 模糊控制 神经网络 遗传算法,14001900 工业机器时代 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)。,自动控制的发展简史,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工开物记载有程序控制思想的提花织机结构图 (1637年),英国 J. Watt用离心式调速器控制蒸汽机的速度 (1788年),钱学森的工程控制论( Engineering Cybernetics) (1954),美国 MIT研制出第一台数控机床 (1952),美国研制出第一台工业机器人样机 (1954),计算机集成制造的概念(1969),由加工中心和工业机器人组成的柔性制造单元 (1976),中国批准 863高技术计划，包括自动化领域的计算机集成制造系统和智能机器人