自动控制原理(培训)

1、工控机培训工控机培训自动控制原理自动控制原理2011年3月工控机培训工控机培训工控机培训工控机培训v引言v术语v闭环控制和开环控制v自动控制系统的分类v对自动控制系统的基本要求v线性控制系统的校正工控机培训工控机培训18世纪，James Watt 为控制蒸汽机速度设计的离心调节器，是自动控制领域的第一项重大成果。1922年，Minorsky研制出船舶操纵自动控制器，并证明了从系统的微分方程确定系统的稳定性的方法。1932年，Nyquist提出了一种根据系统的开环频率响应(对稳态正弦输入)，确定闭环系统稳定性的方法。1934年，Hezen提出了用于位置控制系统的伺服机构的概念，讨论了可以精确跟踪

2、变化的输入信号的机电伺服机构。引言引言工控机培训工控机培训19世纪40年代，频率响应法为闭环控制系统提供了一种可行方法，Evans提出并完善了根轨迹法。19世纪50年代末，控制系统设计问题的重点从设计许多可行系统中的一种系统，转到设计在某种意义上的最佳系统。19世纪60年代，数字计算机的出现为复杂系统的基于时域分析的现代控制理论提供了可能。从1960年到1980，确定性系统、随机系统的最佳控制，及复杂系统的自适应和学习控制，都得到充分的研究。从1980年到现在，现代控制理论进展集中于鲁棒控制、H控制及其相关课题。工控机培训工控机培训v古典控制理论 以传递函数为基础研究单输入-单输出一类定常控制

3、系统的分析与设计问题。这些理论由于其发展较早，现已臻成熟。 v现代控制 以状态空间法为基础，研究多输入-多输出、时变、非线性一类控制系统的分析与设计问题。系统具有高精度和高效能的特点。工控机培训工控机培训工控机培训工控机培训工控机培训工控机培训术语术语自动控制对象 过程 系统 扰动 反馈控制反馈控制系统 随动系统 过程控制系统1 自动控制 在无人直接参与的情况下，通过控制器使被控对象或过程自动地按照预定要求进行。工控机培训工控机培训2 对象对象 是一个设备，它是由一些机器零件有机地组合在一起的，其作用是完成一个特定的动作。工控机培训工控机培训3 过程过程 称任何被控制的运行状态为过程，其具体例

4、子如化学过程、经济学过程、生物学过程。4 系统系统 完成一定任务的一些元、部件的组合。5 扰动扰动扰动是一种对系统的输出产生不利影响的信号。如果扰动产生在系统内部称为内扰；扰动产生在系统外部，则称为外扰。外扰是系统的输入量。工控机培训工控机培训6 反馈控制反馈控制反馈控制是这样一种控制过程，它能够在存在扰动的情况下，力图减小系统的输出量与参考输入量（也称参据量）（或者任意变化的希望的状态）之间的偏差，而且其工作正是基于这一偏差基础之上的。7 反馈控制系统反馈控制系统 反馈控制系统是一种能对输出量与参考输入量进行比较，并力图保持两者之间的既定关系的系统，它利用输出量与输入量的偏差来进行控制。 工

5、控机培训工控机培训8 8 随动系统随动系统 随动系统是一种反馈控制系统，在这种系统中，输出量是机械位移、速度或者加速度。因此，随动系统这个术语，与位置（或速度或加速度）控制系统是同义语。在现代工业中，广泛采用着随动系统。9 过程控制过程控制 在工业生产过程中，诸如对压力、温度、湿度、流量、频率以及原料、燃料成分比例等方面的控制，称为过程控制。工控机培训工控机培训闭环控制与开环控制闭环控制与开环控制开环控制系统例：烤面包机输入定时器设定的时间输出面包的颜色控制对象烤箱的加热系统控制器与被控对象之间只有正向的控制作用。输出量对控制量没有影响。输入输出间没有反馈回路。工控机培训工控机培训工控机培训工

6、控机培训开环控制系统的特点开环控制系统的特点： 结构简单、造价低。 系统的控制精度取决于给定信号的标定精度及控制器及被控对象参数的稳定性。 开环系统没有抗干扰的能力。因此精度较低。 应用场合：应用场合： 控制量的变化规律可以预知。 可能出现的干扰可以抑制。 被控量很难测量。应用较为广泛，如家电、加热炉、车床等等。液位控制示意图 调节容器内液面位置的人工闭环控制系统工控机培训工控机培训闭环控制系统将输出量引入到输入端，使输出量对控制作用产生直接的影响。形成闭环控制系统。工控机培训工控机培训前向通道：系统输入量到输出量之间的通道。反馈通道：从输出量到反馈信号之间的通道。比较环节：输出量为各输入量的

7、代数和。输入量：ur 输出量：n 反馈量：uf 控制量：ua偏差量(ue)给定量 (ur )反馈量(uf ) 工控机培训工控机培训闭环控制系统：通过反馈回路使系统构成闭环并按偏差的性质产生控制作用，以求减小或消除偏差(从而减小或消除误差)的控制系统。闭环控制系统的特点：闭环控制系统的特点： 系统对外部或内部干扰(如内部件参数变动)的影响不甚敏感。 出于采用反馈装置，导致设备增多，线路复杂。 闭环系统存在稳定性问题。由于反馈通道的存在，对于那些惯性较大的系统，若参数配合不当，控制性能可能变得很差甚至出现发散或等幅振荡等不稳定的情况。注意：对于主反馈必须采用负反馈。若采用正反馈将使偏差越来越大。工

8、控机培训工控机培训自动控制系统的特征自动控制系统的特征 ：1. 结构上必须有反馈装置并按负反馈的原则构成系统。2. 由偏差产生控制作用。3. 控制的目的是尽量的减小或消除偏差，使输出量接近于期望值。自动控制系统定义：自动控制系统定义： 是一个带有反馈装置的动力学系统。系统能自动而连续地测量被控制量，并求出偏差，进而根据偏差的大小和正负极性进行控制，而控制的目的是力图减小或消除所存在的偏差。工控机培训工控机培训控制系统的组成工控机培训工控机培训测量反馈元件测量反馈元件用以测量被控量并将其转换成与输入量同一物理量后，再反馈到输入端以作比较。比较元件比较元件用来比较输人信号与反馈信号。放大元件放大元

9、件将微弱的信号作线性放大。校正元件校正元件按某种函数规律变换控制信号，并产生反映两者差值的偏差信号。以利于改善系统的动态品质或静态性能。执行元件执行元件根据偏差信号的性质执行相应的控制作用，以便使被控量按期望值变化。控制对象控制对象又称被控对象或受控对象，通常是指生产过程中需要进行控制的工作机械或生产过程。出现于被控对象中需要控制的物理量称为被控量被控量。工控机培训工控机培训工控机培训工控机培训工控机培训工控机培训闭环与开环控制系统的比较 闭环系统的优点是采用了反馈，因而使系统的响应对外部闭环系统的优点是采用了反馈，因而使系统的响应对外部干扰和内部系统的参数变化均相当不敏感。这样，对于给定的干

10、扰和内部系统的参数变化均相当不敏感。这样，对于给定的控制对象，有可能采用不太精密且成本较低的元件构成精密的控制对象，有可能采用不太精密且成本较低的元件构成精密的控制系统。在开环情况下，就不可能做到这一点。控制系统。在开环情况下，就不可能做到这一点。 从稳定性的观点出发，开环控制系统比较容易建造，因为从稳定性的观点出发，开环控制系统比较容易建造，因为对开环系统来说，不存在稳定性的问题。但是在闭环系统中，对开环系统来说，不存在稳定性的问题。但是在闭环系统中，稳定性则始终是一个重要问题。因为闭环系统可能引起过调误稳定性则始终是一个重要问题。因为闭环系统可能引起过调误差，从而导致系统做等幅振荡或变幅振

11、荡。差，从而导致系统做等幅振荡或变幅振荡。 工程上常采用的复合控制方法，就是把两者结合起来使用。工程上常采用的复合控制方法，就是把两者结合起来使用。复合控制实质上是在闭环控制回路的基础复合控制实质上是在闭环控制回路的基础上，附加一个输入信上，附加一个输入信号（给定或扰动）的顺馈通路，对该信号实行加强或补偿，以号（给定或扰动）的顺馈通路，对该信号实行加强或补偿，以达到精确的控制效果。达到精确的控制效果。 工控机培训工控机培训常见的方式有以下两种：常见的方式有以下两种：1.附加给定输入补偿附加给定输入补偿控制器控制器被控对象被控对象补偿装置补偿装置输入输入输出输出+- 通常，附加的补偿装置可提供一

12、个顺馈控制信号，与原输通常，附加的补偿装置可提供一个顺馈控制信号，与原输入信号一起对被控对象进行控制，以提高系统的跟踪能力。入信号一起对被控对象进行控制，以提高系统的跟踪能力。工控机培训工控机培训2.附加扰动输入补偿附加扰动输入补偿 该种复合控制方框图。附加的补偿装置所提供的控制作用，该种复合控制方框图。附加的补偿装置所提供的控制作用，主要起到对扰动影响主要起到对扰动影响“防患未然防患未然”的效果。的效果。控制器控制器被控对象被控对象补偿装置补偿装置输入输入输出输出+-+扰动扰动工控机培训工控机培训自动控制系统的分类自动控制系统的分类按控制方式分开环控制闭环控制(反馈控制)复合控制 工控机培训

13、工控机培训按系统性能分工控机培训工控机培训按参据量变化规律分恒值控制系统随动系统程序控制系统工控机培训工控机培训对自动控制系统性能的基本要求对自动控制系统性能的基本要求可以归结为稳定性（长期稳定性）、准确性（精度）和快速性（相对稳定性）。稳定性： 1 对恒值系统，要求当系统受到扰动后，经过一定时间的调整能够回到原来的期望值。 2 对随动系统，被控制量始终跟踪参据量的变化。 稳定性是对系统的基本要求，不稳定的系统不能实现预定任务。稳定性，通常由系统的结构决定与外界因素无关。工控机培训工控机培训快速性： 对过渡过程的形式和快慢提出要求，一般称为动态性能。 稳定高射炮射角随动系统，虽然炮身最终能跟踪

14、目标，但如果目标变动迅速，而炮身行动迟缓，仍然抓不住目标。准确性： 用稳态误差来表示。在参考输入信号作用下，当系统达到稳态后，其稳态输出与参考输入所要求的期望输出之差叫做给定稳态误差。显然，这种误差越小，表示系统的输出跟随参考输入的精度越高。稳、准、快是相互制约的！ 工控机培训工控机培训1. 开环控制系统结构简单、稳定性好，但不能自动补偿扰动对输出量的影响。当系统扰动量产生的偏差可以预先进行补偿或影响不大时，采用开环控制是有利的。当扰动量无法预计或控制系统的精度达不到预期要求时，则应采用闭环控制。2. 闭环控制系统具有反馈环节，它能依靠反馈环节进行自动调节，以克服扰动对系统的影响。闭环控制极大

15、地提高了系统的精度。但是闭环使系统的稳定性变差，需要重视并加以解决。结论 值得自豪的是，1954年，中国科学家钱学森全面地归纳总结了经典控制理论，在美国出版了国际上第一本经典控制理论的著作工程控制论。 工控机培训工控机培训工控机培训工控机培训线性控制系统的校正方法线性控制系统的校正方法 在工程实践中，由于控制系统的性能指标不在工程实践中，由于控制系统的性能指标不能满足要求，需要在系统中加入一些适当的元件能满足要求，需要在系统中加入一些适当的元件或装置去补偿和提高系统的性能，以满足性能指或装置去补偿和提高系统的性能，以满足性能指标的要求。这一过程我们称为校正。标的要求。这一过程我们称为校正。 目

16、前工程实践中常用的校正方式有串联校正、目前工程实践中常用的校正方式有串联校正、反馈校正、前馈校正和复合校正四种。反馈校正、前馈校正和复合校正四种。工控机培训工控机培训 串联校正装置一般接在系统误差测量点之后和串联校正装置一般接在系统误差测量点之后和放大器之前，串接于系统前向通道之中；反馈校正放大器之前，串接于系统前向通道之中；反馈校正装置接在系统局部反馈通路之中。串联校正与反馈装置接在系统局部反馈通路之中。串联校正与反馈校正连接方式如图所示。校正连接方式如图所示。 串联校正控制器对象RENC反馈校正工控机培训工控机培训 前馈校正又称顺馈校正，是在系统主反馈回前馈校正又称顺馈校正，是在系统主反馈

17、回路之外采用的校正方式。如图所示。路之外采用的校正方式。如图所示。 工控机培训工控机培训 复合校正方复合校正方式是在反馈控制式是在反馈控制回路中，加入前回路中，加入前馈校正通路，组馈校正通路，组成一个有机整体，成一个有机整体，如图所示。如图所示。 )(1sG)(sGn)(sR)(sE)(sN)(2sG)(sC(a)(b)(1sG)(sGr)(sR)(sE)(2sG)(sC工控机培训工控机培训基本控制规律基本控制规律 1 比例控制规律比例控制规律 具有比例控制规律的控制器，称为具有比例控制规律的控制器，称为P控制器，如图所示。控制器，如图所示。其中其中 称为称为P控制器增益。控制器增益。P控制器

18、实质上是一个具有控制器实质上是一个具有可调增益的放大器。在串可调增益的放大器。在串联校正中，加大控制器增联校正中，加大控制器增益，可以提高系统的开环益，可以提高系统的开环增益，减小系统稳态误差，增益，减小系统稳态误差，提高系统的控制精度，但会降提高系统的控制精度，但会降低系统的相对稳定性，甚至造成闭环系统不稳定。因此，低系统的相对稳定性，甚至造成闭环系统不稳定。因此，在系统校正设计中，很少单独使用比例控制规律。在系统校正设计中，很少单独使用比例控制规律。 工控机培训工控机培训 2 比例比例-微分控制规律微分控制规律 具有比例微分控制规律的控制器，称为具有比例微分控制规律的控制器，称为PD控制控

19、制器，器，PD控制器中的微分控制规律，能反应输入信号的控制器中的微分控制规律，能反应输入信号的变化趋势，产生有效的早期修正信号，以增加系统的阻变化趋势，产生有效的早期修正信号，以增加系统的阻尼程度，从而改善系统的稳定性。在串联校正时，使系尼程度，从而改善系统的稳定性。在串联校正时，使系统的相角裕度提高，因而有助于系统动态性能的改善。统的相角裕度提高，因而有助于系统动态性能的改善。 工控机培训工控机培训 3 积分（积分（）控制规律）控制规律 具有积分控制规律的控制器，称为具有积分控制规律的控制器，称为控制器。在串联校正时，控制器。在串联校正时，采用采用控制器可以提高系统的型别（无差度），有利于系统稳态控制器可以提高系统的型别（无差度），有利于系统稳态性能的提高，但积分控制使系统使信号产生的相角滞后，对系统性能的提高，但积分控制使系统使信号产生的相角滞后，对系统不利。因此，在控制系统的校正设计中，通常不宜采用单一的不利。因此，在控制系统的校正设计中，通常不宜采用单一的控制器。控制器。 工控机培训工控机培训