自动控制原理概述

1、2021/6/161第一章 概述第二节第二节 自动控制系统的分类自动控制系统的分类第一节第一节 自动控制与自动控制系统自动控制与自动控制系统第四节第四节 自动控制理论发展简述自动控制理论发展简述第三节第三节 对控制系统性能的要求对控制系统性能的要求第一章第一章 概述概述2021/6/162第一节第一节 自动控制与自动控制系统自动控制与自动控制系统一、自动控制的基本概念一、自动控制的基本概念二、控制系统的基本构成二、控制系统的基本构成 及控制方式及控制方式第一章第一章 概述概述2021/6/163一、自动控制的基本概念一、自动控制的基本概念现代科学技术中的现代科学技术中的自动控制技术得到自动控制

2、技术得到 了广泛的应用了广泛的应用 航天器航天器 工业控制工业控制 机器人机器人 家用电器家用电器 自动控制的特征：自动控制的特征： 通过对各类机器、各种物理参量、工通过对各类机器、各种物理参量、工业生产过程等的控制直接造福于社会。业生产过程等的控制直接造福于社会。 自动控制：自动控制： 在无人直接参与下，利用控制装置操在无人直接参与下，利用控制装置操纵受控对象，使受控对象的被控量按给定纵受控对象，使受控对象的被控量按给定信号变化规律去变化。信号变化规律去变化。 自动自动控制控制示意示意 图图控制器控制器给定值给定值 检测元件检测元件 受控对象受控对象被控量被控量自动控制系统自动控制系统控制装

3、置控制装置: :受控对象受控对象: : 机器、设备、机器、设备、生产过程等生产过程等控制器、检控制器、检测元件等测元件等分析和设计自动控制系统的性能。分析和设计自动控制系统的性能。自动控制原理的主要任务：自动控制原理的主要任务： 下面通过一些实例来说明自动控制和下面通过一些实例来说明自动控制和自动控制系统的基本概念自动控制系统的基本概念2021/6/164例例 水温人工控制系统水温人工控制系统 受控对象受控对象:水箱水箱热传导器件热传导器件系统的构成：系统的构成：被控制量被控制量:水温水温阀门阀门显示仪表显示仪表蒸汽蒸汽排水排水冷水冷水热水热水工作过程：工作过程： 蒸汽通蒸汽通过热传导器过热传

4、导器件把热量传件把热量传递给水递给水,水的水的温度与蒸汽温度与蒸汽的流量成正的流量成正比比. 手动调手动调节阀门的开节阀门的开度，从而调度，从而调节蒸汽的流节蒸汽的流量量,来控制水来控制水的温度的温度.但人工难以实现稳定的高质量控制但人工难以实现稳定的高质量控制. 2021/6/165例例 水温自动控制系统水温自动控制系统系统中增加了：系统中增加了：控制器控制器电机电机加入给定信号加入给定信号工作原理：工作原理：检测实际温度检测实际温度产生控制信号产生控制信号 通过电机调通过电机调节阀门的开度节阀门的开度 从而调节蒸从而调节蒸汽流入，控制汽流入，控制水的温度水的温度. 实实现没有人直接现没有人

5、直接参入的自动水参入的自动水温控制温控制.控制器控制器2021/6/166温度检测温度检测 为了方便地分析系统性能，一般用为了方便地分析系统性能，一般用框图来表示系统的结构，水温自动控制系框图来表示系统的结构，水温自动控制系统可用框图表示为：统可用框图表示为： 要使自动控制系统满足工程实际的需要使自动控制系统满足工程实际的需要要 , 必须研究自动控制系统的结构参数与必须研究自动控制系统的结构参数与系统性能之间的关系。系统性能之间的关系。实际实际温度温度偏差偏差反馈量反馈量预期预期温度温度_控制器控制器执行机构执行机构阀门阀门水箱水箱控制器控制器2021/6/167杆杠长度杆杠长度例例 液位自动

6、控制系统液位自动控制系统h水箱水箱杆杠杆杠浮球浮球 阀门阀门进水进水系统组成：系统组成：出水出水被控制量：被控制量：水位高度水位高度工作原理：工作原理： 调节杠杆调节杠杆长度长度 L ，通过，通过杠杆机构调节杠杆机构调节阀门的开度，阀门的开度，从而调节进水从而调节进水量以控制液位量以控制液位的高度。的高度。L2021/6/168系统系统结构结构框图框图浮球浮球hr(s)h(t)阀门阀门水箱水箱 杠杠 杆杆机机 构构Lh2021/6/169二、自动控制系统的基本构成二、自动控制系统的基本构成及控制方式及控制方式1开环控制开环控制有顺向作用而无反向联系有顺向作用而无反向联系. 不同的被控对象和不同

7、的控制装不同的被控对象和不同的控制装置构成了不同的控制系统，所以自动置构成了不同的控制系统，所以自动控制系统的种类是很多的。自动控制控制系统的种类是很多的。自动控制系统一般有两种基本控制方式系统一般有两种基本控制方式.开环控制开环控制 控制装置与受控对象之间只控制装置与受控对象之间只2021/6/1610例例 转台速度开环控制系统转台速度开环控制系统转台转台 电机电机电源和放电源和放 大装置大装置速度设置速度设置系统组成：系统组成：由图可见：由图可见： 速度设置信号速度设置信号通过功率放大以通过功率放大以后，提供给电动后，提供给电动机驱动电源，电机驱动电源，电动机带动转台旋动机带动转台旋转。转

8、。 由于被控制量由于被控制量速度没有反馈到速度没有反馈到输入端与给定信输入端与给定信号比较号比较,为开环控为开环控制系统。制系统。系统结构图系统结构图:给定给定速度速度实际实际转速转速放大放大器器直流电动机直流电动机转台转台 这种转台在这种转台在C D 机、计算机机、计算机磁盘驱动器等许磁盘驱动器等许多现代装置中广多现代装置中广泛应用泛应用.开环控制的特点：开环控制的特点： 结构和控制简单，抗扰能力差，控制精度结构和控制简单，抗扰能力差，控制精度低，一般用于对控制性能要求不高的场合。低，一般用于对控制性能要求不高的场合。2021/6/16112闭环控制闭环控制闭环控制闭环控制: 闭环控制又称为

9、闭环控制又称为反馈控制反馈控制或或按偏差按偏差控制控制。 控制装置与受控控制装置与受控对象之间，不但有对象之间，不但有顺向作用，还有反顺向作用，还有反向联系。向联系。 例例 转台速度闭环控制系统转台速度闭环控制系统 系统中增加了系统中增加了测速发电机作为测速发电机作为反馈装置反馈装置 测出电动机的测出电动机的速度反馈给控制速度反馈给控制器。器。 与给定信号比较产生偏差电压，经过与给定信号比较产生偏差电压，经过功率放大后对电动机的速度进行闭环控制功率放大后对电动机的速度进行闭环控制. 当速度受扰动当速度受扰动发生变化时，偏发生变化时，偏差电压也随之变差电压也随之变化，通过闭环调化，通过闭环调节能

10、消除干扰。节能消除干扰。系统结构图系统结构图测速机测速机偏差偏差预 期预 期速度速度实 际实 际转速转速放大器放大器_直流电动机直流电动机转台转台2021/6/1612放大装置放大装置例例 位置随动系统位置随动系统环型电位器环型电位器电机电机电源电源齿轮齿轮系统组成：系统组成：负载负载输入输入r输出输出c工作过程：工作过程：r=cUd= 0UdrcUd0电动机带动齿轮转动电动机带动齿轮转动,调节调节c,使使 r= c电动机静止电动机静止系统结构图系统结构图r r_电位器电位器m m c cu ue eu ud d放大器放大器电动机电动机减速器减速器2021/6/1613例例 直流调速系统直流调

11、速系统直流电机直流电机测速发电机测速发电机电源和控制装置电源和控制装置负载负载系统组成：系统组成：UnUf输入输入反馈电压反馈电压e=Un-Uf转速取决于：转速取决于：n输出输出电枢电压电枢电压UdUd=Ke当干扰引起转速变化时，系统自动调整：当干扰引起转速变化时，系统自动调整：nUf eUd n 系统结构图系统结构图测速机测速机unufeudn_放大器放大器直流电动机直流电动机2021/6/1614 （3）能减小或消除由扰动形成的偏差，）能减小或消除由扰动形成的偏差，具有较高的控制精度和较强的抗扰能力。具有较高的控制精度和较强的抗扰能力。 通过以上的实例分析可得出闭环控通过以上的实例分析可得

12、出闭环控制系统具有的特点：制系统具有的特点： （1）系统的控制信号是给定值与反馈量）系统的控制信号是给定值与反馈量的差值，故称为按偏差控制或反馈控制。的差值，故称为按偏差控制或反馈控制。 （2）闭环系统有两种传输通道：前向通）闭环系统有两种传输通道：前向通道和反馈通道。道和反馈通道。自动控制原理中主要讨论闭环控制系统。自动控制原理中主要讨论闭环控制系统。2021/6/16153复合控制复合控制 测量出外部作用，形成与测量出外部作用，形成与外部作用相反的控制量与外部作用共同使外部作用相反的控制量与外部作用共同使被控量基本不受影响。被控量基本不受影响。前馈补偿控制前馈补偿控制复合控制具有两种基本形

13、式复合控制具有两种基本形式.前馈补偿控制：前馈补偿控制：复合控制：复合控制：反馈控制反馈控制+ 在外部作用下，由系统被控在外部作用下，由系统被控制量的变化产生调节和控制作用。制量的变化产生调节和控制作用。反馈控制：反馈控制：2021/6/1616(a) 按输入前馈补偿的复合控制按输入前馈补偿的复合控制给定值给定值被控被控制量制量_检测元件检测元件控制器控制器前馈通道前馈通道受控对象受控对象前馈补偿控制前馈补偿控制反馈控制反馈控制主通道主通道2021/6/1617(b) 按扰动前馈补偿的复合控制按扰动前馈补偿的复合控制给定值给定值被控被控制量制量_检测元件检测元件控制器控制器受控对象受控对象前馈

14、补偿控制前馈补偿控制反馈控制反馈控制主通道主通道前馈通道前馈通道扰动扰动2021/6/1618第二节自动控制系统的分类第二节自动控制系统的分类一、线性系统和非线性系统一、线性系统和非线性系统 自动控制系统的分类方法较多，常自动控制系统的分类方法较多，常见的有以下几种见的有以下几种 由线性微分方程或线性差分方程由线性微分方程或线性差分方程所描述的系统。所描述的系统。由非线性方程描述的系统。由非线性方程描述的系统。第一章第一章 概概 述述线性系统：线性系统：非线性系统：非线性系统：2021/6/1619二、定常系统和时变系统二、定常系统和时变系统定常系统定常系统: 若系统微分方程的系数为常数，则若

15、系统微分方程的系数为常数，则称之为线性定常系统。此类系统为本书称之为线性定常系统。此类系统为本书主要讨论对象。主要讨论对象。 系统数学模型微分方程的系数不是系统数学模型微分方程的系数不是时间变量的函数。时间变量的函数。否则称为时变系统。否则称为时变系统。第二节自动控制系统的分类第二节自动控制系统的分类2021/6/1620三、连续系统和离散系统三、连续系统和离散系统连续系统：连续系统： 系统中各部分的信号都是时间的连续系统中各部分的信号都是时间的连续函数即模拟量。函数即模拟量。离散系统：离散系统： 系统中有一处或多处信号为时间的系统中有一处或多处信号为时间的离散函数，如脉冲或数码信号。离散函数

16、，如脉冲或数码信号。 若系统中既有模拟量也有离散信号，若系统中既有模拟量也有离散信号，则又可称之为采样系统。则又可称之为采样系统。第二节自动控制系统的分类第二节自动控制系统的分类2021/6/1621四、恒值系统、随动系统和四、恒值系统、随动系统和 程序控制系统程序控制系统 系统的给定值为一定值，而控制任系统的给定值为一定值，而控制任务就是克服扰动，使被控量保持恒值。务就是克服扰动，使被控量保持恒值。 例如：电机速度例如：电机速度控制、恒温、恒控制、恒温、恒压、水位控制系压、水位控制系统等。统等。 恒值系统：恒值系统： 第二节自动控制系统的分类第二节自动控制系统的分类2021/6/1622随动

17、系统：随动系统： 系统给定值按照事先不知道的时间函系统给定值按照事先不知道的时间函数变化，并要求被控量跟随给定值变化。数变化，并要求被控量跟随给定值变化。如：火炮自动如：火炮自动跟踪系统、轮跟踪系统、轮舵位置控制系舵位置控制系统等。统等。第二节自动控制系统的分类第二节自动控制系统的分类2021/6/1623程序控制系统：程序控制系统： 系统的给定值按照一定的时间函数系统的给定值按照一定的时间函数变化，并要求被控量随之变化。变化，并要求被控量随之变化。 例如：例如：机械手机械手第二节自动控制系统的分类第二节自动控制系统的分类2021/6/1624自动化生产线：自动化生产线：第二节自动控制系统的分

18、类第二节自动控制系统的分类2021/6/1625第三节第三节 对控制系统性能的要求对控制系统性能的要求 常见的评价系统优劣的性能指标是常见的评价系统优劣的性能指标是从动态过程中定义出来的。对系统性能从动态过程中定义出来的。对系统性能的基本要求有三个方面。的基本要求有三个方面。 二、快速性二、快速性一、稳定性一、稳定性三、准确性三、准确性第一章第一章 概概 述述2021/6/1626 系统受外作用力后系统受外作用力后,其动态过程其动态过程的振荡倾向和系统恢复平衡的能力。的振荡倾向和系统恢复平衡的能力。一、稳定性一、稳定性第三节第三节 对控制系统性能的要求对控制系统性能的要求稳定性：稳定性： 系统

19、受外作用力系统受外作用力经过一段时间，其经过一段时间，其被控量达到某一稳被控量达到某一稳定状态，则系统是定状态，则系统是稳定的。稳定的。否则为不稳定的。否则为不稳定的。r(t)t0c(t)r(t)c(t)不稳定的系统是不稳定的系统是无法正常工作的。无法正常工作的。 扰动信号作用下扰动信号作用下 的不稳定系统的不稳定系统:d(t)t0c(t)c(t)d(t) 一个能在生产一个能在生产实际中应用的系统实际中应用的系统,不仅应具有稳定性不仅应具有稳定性,而且在动态过程中而且在动态过程中的震荡也不能过于的震荡也不能过于强烈强烈.2021/6/1627通过动态过程时间长短表征快速性。通过动态过程时间长短

20、表征快速性。二、快速性二、快速性第三节第三节 对控制系统性能的要求对控制系统性能的要求r(t)t0c(t)r(t)c1(t)c2(t) 快速性表明了快速性表明了系统输出对输入系统输出对输入响应的快慢程度响应的快慢程度 过渡过程时过渡过程时间越短，表明间越短，表明快速性越好。快速性越好。反之亦然。反之亦然。t1t22021/6/1628 由输入给定值与输出响应的终值之由输入给定值与输出响应的终值之间的差值间的差值ess大小表征。大小表征。三、准确性三、准确性第三节第三节 对控制系统性能的要求对控制系统性能的要求r(t)t0c(t)ess 它反映了系统它反映了系统的稳态精度。若的稳态精度。若系统最

21、终的误差系统最终的误差为零，则称为无为零，则称为无差系统，否则为差系统，否则为有差系统。有差系统。c(t)r(t)2021/6/1629 稳定性、快速性和准确性往往是互稳定性、快速性和准确性往往是互相制约的。在设计与调试的过程中相制约的。在设计与调试的过程中,若过若过分强调某方面的性能分强调某方面的性能,则可能会使其他方则可能会使其他方面的性能受到影响面的性能受到影响. 怎样根据工作任务的不同怎样根据工作任务的不同,分析和设分析和设计自动控制系统，使其对三方面的性能有计自动控制系统，使其对三方面的性能有所侧重所侧重 ，并兼顾其它正是自控原理课程，并兼顾其它正是自控原理课程要解决的问题。要解决的

22、问题。第三节第三节 对控制系统性能的要求对控制系统性能的要求2021/6/1630 自动控制理论是研究自动控制共同规自动控制理论是研究自动控制共同规律的技术科学。律的技术科学。第四节第四节 自动控制理论发展简述自动控制理论发展简述第一章第一章 概概 述述 具有具有“自动自动”功能的装置自古有之功能的装置自古有之，瓦特发明的蒸汽机上的离心调速器是比，瓦特发明的蒸汽机上的离心调速器是比较自觉地运用反馈原理进行设计并取得成较自觉地运用反馈原理进行设计并取得成功的首例。功的首例。 麦克斯韦对它的稳定性进行分析，于麦克斯韦对它的稳定性进行分析，于1868年发表的论文当属最早的理论工作。年发表的论文当属最早的理论工作。2021/6/1631 从从20世纪世纪20年代到年代到40年代形成