【精品课件】自动控制原理及其应用[全稿]

自动控制原理及其应用第一章概述本章内容第一节自动控制与自动控制系统第二节自动控制系统的分类第三节对控制系统的性能要求第四节自动控制理论发展概述第一节自动控制与自动控制系统11控制是使某些物理量按指定的规律变化（包括保持恒定），以保证生产的安全性，经济性及产品质量等要求的技术手段。2自动控制就是应用自动化仪表或控制装置代替人，自动地对机器设备或生产过程进行控制，使之达到预期的状态或性能要求。例如锅炉设备的压力和温度自动保持恒定；数控机床按照预定的程序自动地切削工件；导弹发射与制导系统，自动地使导弹攻击敌方目标；无人驾驶飞机按照预定航迹自动升降和飞行；人造卫星准确地进入预定轨道运行并回收。扰动给定值和被控量都是物理量，一般情况下是相同的物理量外界作用包括给定值和扰动，扰动指外界影响给系统造成的不良影响。扰动水箱原来处于一个平衡状态，Q1TQ2T0。如果打开阀门，冲水，冲好后关上阀门，HT发生变化，水位下降，H变大，通过浮子反馈到执行机构。机械杠杆带动活塞打开，Q1T变大，使H变小，浮子上浮，活塞也上升，直至达到新的平衡。原理方框图这就是负反馈控制系统，检测偏差，然后进行调节，使偏差减小，最后直至消除偏差。按偏差控制。系统结构框图的画法（1）比较环节将给定值和检测值进行比较，给出一个偏差信号。（2）箭头线表信号流向。（3）元部件方框（4）引出点将一个信号分路引出。（5）输入量作用于控制对象或系统的输入端，并使系统具有预定功能或预定输出的物理量。（6）输出量表现于控制对象或系统的输出端，要求实现自动控制的物理量。（7）扰动破坏输入量和输出量之间预定规律的信号。二、自动控制系统的基本构成或控制方式1、开环控制控制装置和受控对象之间只有顺向作用而无反向联系。（1）按给定量控制没有自动修正偏差的能力，抗扰动性较差。结构简单、调整方便、成本低，在精度要求不高或扰动影响小的情况下还有一定实用价值。如自动售货机、自动洗衣机、数控机床、红绿灯等等。（2）按扰动控制利用可测量的扰动量，产生一种补偿作用，以减小或抵消扰动对输出量的影响，称为顺馈控制。抗扰动性好，控制精度高，但只适用于扰动可测量的场所。输出输入控制器被控对象输入控制器被控对象补偿环节扰动2、闭环控制控制装置和受控对象之间，不但有顺向作用，而且还有反向联系，即有被控量对控制过程的影响，这种控制称为闭环控制。闭环控制又称为反馈控制或按偏差控制。输出检测元件输入控制器被控对象3、复合控制反馈控制只有在外部作用输入信号或干扰对控制对象产生影响之后才能做出相应的控制。尤其当控制对象具有较大延迟时间时，反馈控制不能及时地影响输出的变化，会影响系统输出的平稳性。前馈控制能使系统及时感受输入信号，使系统在偏差即将产生之前就注意纠正偏差。将前馈控制和反馈控制结合起来，构成复合控制，它可以有效提高系统的控制精度。开环控制系统1结构简单经济2调试方便3抗干扰能力差，控制精度不高。闭环控制系统1系统具有纠正偏差的能力。2抗扰性好，控制精度高。3包含元件多，结构复杂，价格高。4参数应选择适当。开环闭环复合控制系统（兼有两者的优点，精度很高）开环与闭环系统的比较可逆电机减速器仓库大门自动控制系统例引入闭环控制后的直流电机转速控制系统电位器放大电机功率放大负载比较器测速电机控制器被控对象输入量UN输出量比较测量电路控制输出量N误差信号UDKUNUF反馈量UF电位器放大器线圈发电机负载原动机设定值VRU1U2IVG电位器放大器线圈发电机负载原动机设定值VRU1U2IVG电位器电压放大功放电动机减速器调压器加热器热电偶给定温度实际温度UGUOUF第二节自动控制系统的分类1、线性系统和非线性系统线性系统可用线性微分方程来描述，一般形式是非线性系统如2、定常系统和时变系统系数是常数，称为定常系统，系数随时间变化，称为时变系统。3、连续系统和离散系统从信号来看，系统各部分信号都是时间的连续函数，即模拟量，此系统为连续系统。一处或多处信号为时间的离散函数，则系统为离散系统。4、恒值系统、随动系统和程序控制系统（1）恒值系统给定量是一个常值，要求被控量也等于常值。如温度控制系统、压力控制系统、流量控制系统等。这类系统一般称为过程控制系统。（2）随动系统给定量是预先未知的随时间变化的函数，被控量以尽量小的误差随跟随给定量变化，重要的是快速性和准确性，如函数记录仪。如果被控量是机械位置或其导数，称为伺服系统。（3）程序控制系统参据量按预定规律随时间变化，如数字程控机床第三节对控制系统的性能要求实际物理系统一般都含有储能元件或惯性元件，因而系统的输出量和反馈量总是迟后于输入量的变化。因此，当输入量发生变化时，输出量从原平衡状态变化到新的平衡状态总是要经历一定时间。在输入量的作用下，系统的输出变量由初始状态达到最终稳态的中间变化过程称过渡过程，又称瞬态过程。过渡过程结束后的输出响应称为稳态过程。系统的输出响应由过渡过程和稳态过程组成。一、基本要求1、稳定性稳定性是系统重新恢复平衡状态的能力T01输入RTT01输出CT12理想的调节过程实际2、快速性快速性是对系统动态性能（过渡过程性能）的要求。描述系统动态性能可以用平稳性和快速性加以衡量。平稳指系统由初始状态运动到新的平衡状态时，具有较小的过调和振荡性；快速指系统运动到新的平衡状态所需要的调节时间较短。动态性能是衡量系统质量高低的重要指标。3、准确性准确性是对系统稳态（静态）性能的要求。对一个稳定的系统而言，过渡过程结束后，系统输出量的实际值与期望值之差称为稳态误差，它是衡量系统控制精度的重要指标。稳态误差越小，表示系统的准确性越好，控制精度越高。第四节自动控制理论发展简述1、典型控制理论4050年代形成适用于SISO（单输入单输出）系统基于二战军工技术目标反馈控制系统的稳定基本方法传递函数，频率法，PID调节器频域2、现代控制理论6070年代形成适用于MIMO（多输入多输出）系统基于冷战时期空间技术，计算机技术目标最优控制基本方法状态空间表达式比较繁琐（但由于计算机技术的的迅速发展，这一局限性已克服状态空间法线性代数、矩阵理论多输入多输出变系数，非线性等系统现代控制理论对复杂多变量系统、时变和非线性系统无能为力时域分析法，频域分析法,根轨迹分析法微分方程，传递函数单输入单输出线性定常系统经典控制理论局限性常用分析方法数学工具研究对象3、大系统理论20世纪70年代开始，现代控制理论继续向深度和广度发展，出现了一些新的控制方法和理论。如（1）现代频域方法以传递函数矩阵为数学模型，研究线性定常多变量系统；（2）自适应控制理论和方法以系统辨识和参数估计为基