自动控制系统的的基本原理与结构课件

1、自动控制系统的的基本原理与结构自动控制系统的的基本原理与结构1.1.引言1.2.自动控制系统的的基本原理与结构 主要内容1.3. 自动控制系统分类1.4. 对自动控制系统的基本要求1.1.引言1.2.自动控制系统的的基本原理与结构 主要内 自动控制理论是研究自动控制共同规律的技术科学。它是采用数学的方法对自动控制系统进行分析与综合的一般理论。 所谓分析指在给出系统数学模型的基础上确定系统的性能。 所谓综合指在对系统性能提出要求的基础上，确定一个满足要求的系统模型。 1.1引言自动控制理论 自动控制理论是研究自动控制共同规律的技术科古典控制理论 （20世纪40年代） 以传递函数为工具和基础，以频

2、域法和根轨迹法为核心，研究单输入-单输出线性定常控制系统的分析与设计问题。现代控制理论 （20世纪60年代） 以状态空间法为标志和基础，以矩阵论和近代数学方法作为工具，研究多输入-多输出、变参数（时变）、非线性、高精度等各种复杂系统的分析与设计问题。 自动控制理论 古典控制理论现代控制理论1.2自动控制系统的基本原理与结构 1.2自动控制系统的基本原理与结构 自动控制(Automatic control): 所谓自动控制是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置(称为控制器)，使机器、设备或生产过程(称为被控对象)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。 自动控制系统

3、的的基本原理与结构 自动控制系统 自动控制系统是为实现某一控制目标，将被控对象和控制装置按照一定的方式连接起来组成的一个有机总体。 自动控制系统 金属切削机床的速度在电网电压或负载变化时，能自动保持近似地不变,按照预定的程序自动地切削工件金属切削机床的速度在电网电压或负载变化时，能自动保持近似地不机 器 人按照预定的程序进行工作机 器 人按照预定的程序进行工作宇宙飞船能准确地在月球着陆，并进行成功回收 宇宙飞船能准确地在月球着陆，并进行成功回收 一. 开环控制定义1.2.1 开环控制 (Open-loop control) 开环控制是指控制装置与被控对象之间只有顺向作用而没有反向联系的控制过程

4、，按这种控制方式组成的系统称为开环控制系统。 一. 开环控制定义1.2.1 开环控制 分类：1.按给定量控制方式组成的开环控制系统2.按扰动控制方式组成的开环控制系统图1-1 按给定量控制方式组成的开环控制系统框图 1.按给定量控制方式组成的开环控制系统分类：图1-1 按给定量控制方式组成的开环控制系统框图 图1-2 直流电动机转速开环控制系统原理图 例图1-3 直流电动机转速开环控制方框图图1-2 直流电动机转速开环控制系统原理图 例图1-3 直流图1-2 直流电动机转速开环控制系统原理图 例工作原理分析： Rw向上 Ug 晶闸管整流装置的触发电路便产生一串与电压Ug相对应的、具有一定相位的

5、触发脉冲去控制晶闸管的导通角晶闸管放大器的输出电压Ud n 图1-2 直流电动机转速开环控制系统原理图 例工作原理分析：图1-3 直流电动机转速开环控制方框图各组成元件功能分析： 输入量（控制量）:用以控制电动机M转速的给定电压Ug被控对象:电动机输出量（被控制量）:负载的转速n图1-3 直流电动机转速开环控制方框图各组成元件功能分析： 输入量与输出量一一对应。 二. 开环控制特点：信号单方向传递 即只有输入量对输出量产生控制作用。 系统反映速度快,但没有抗干扰能力, 控制精度不高。控制器被控对象输入量输出量控制信号扰动量输入量与输出量一一对应。 二. 开环控制特点：信 一. 闭环控制定义：

6、闭环控制是指控制装置与被控对象之间既有顺向作用，又有反向联系的控制过程。 这种控制系统由于存在输出对输入的反馈，因此对系统的输出形成了一个闭合的回路，故称为闭环控制系统，又称反馈控制系统。1.2.2 闭环控制 (closed-loop control) 一. 闭环控制定义：1.2.2 闭环控制二. 闭环控制系统的组成 给定元件Command input控制器Controller测量元件Measuring Device放大元件Amplifier执行元件Actuator比较元件Comparator被控对象Controlled systemDisturbance input二. 闭环控制系统的组成

7、给定元件控制器测量元件放大元件三. 闭环控制系统的结构原理图 图1-6 闭环控制系统组成框图图中，用“ ”代表多路信号汇合点，“+”表示信号相加，“-” 表示信号相减。三. 闭环控制系统的结构原理图 图1-6 闭环控制系统组测量元件：其职能是测量被控制的物理量;测量元件：其职能是测量被控制的物理量;给定元件：其职能是给出与期望的被控量 相对应的系统输入量（即参据量）。给定元件：其职能是给出与期望的被控量 比较元件：把测量元件检测的被控量实际值与给定元件给出的参据量进行比较，求出它们之间的偏差。比较元件：把测量元件检测的被控量实际值与给定元件给出的参据量放大元件：将比较元件给出的偏差进行放大，用

8、来推动执行元件去控制被控对象。放大元件：将比较元件给出的偏差进行放大，用来推动执行元件去控执行元件：直接推动被控对象，使其被控量发生变化。执行元件：直接推动被控对象，使其被控量发生变化。校正元件：亦称补偿元件，它是结构或参数便于调整的元件，用串联或反馈的方式连接在系统中，以改善系统性能。校正元件：亦称补偿元件，它是结构或参数便于调整的元件，用串联图1-7直流电动机转速闭环控制系统 图1-8直流电动机转速闭环控制方框图图1-7直流电动机转速闭环控制系统 图1-8直流电动机转速闭工作原理分析： 当系统受到扰动影响，如电动机的负载转矩 TL 流经电动机电枢中的电流Id电枢电阻上的 压降 n Uf U

9、= (Ug- Uf) Uk Ud n图1-8直流电动机转速闭环控制方框图工作原理分析：图1-8直流电动机转速闭环控制方框图例 图1-17是一个控制导弹发射架方位的角位置随动系统原理图。图中，电位器P1,P2并联后跨接到同一电源E0的两端，其滑臂分别与输入轴和输出轴相连接，以组成方位角的给定装置和反馈装置。输入轴由手轮操纵，输出轴则由电动机经减速器后带动，电动机采用电枢控制方式工作。它的原理框图如图1-18所示。图1-17 角位置随动系统的原理图例 图1-17是一个控制导弹发射架方位的角位置随动系统原理图1-17 角位置随动系统的原理图图1-17 角位置随动系统的原理图图1-18 角位置随动系统

10、的方框图图1-17 角位置随动系统的原理图图1-17 角位置随动系统2工作原理分析： 当发送电位器P1与接收电位器P2的转角相等，即导弹发射架的方位角与输入轴方位角一致时 ，Ue= Ui-Uo =Ua=0，此时，两环形电位器组成的桥式电路处于平衡状态，无电压输出，表示此时跟踪无偏差，电动机不动，系统处于静止状态。 2工作原理分析：2工作原理分析： 当摇动手轮使电位器P1的滑臂转过一个输入角 的瞬间，由于输出轴的转角 ,于是出现了一个误差角 ，该误差角通过电桥P1，P2转换成偏差电压 ， 经放大后驱动电动机转动，在通过减速器带动导弹发射架转动的同时，通过输出轴带动电位器P2的滑臂向 要求的方向偏

11、转，直到 为止。此时， ，偏差电压 ，系统达到新的平衡状态，电动机停止转动，这时，导弹发射架停留在相应的发射角上。只要 ，偏差就会产生调节作用，控制的结果是消除偏差 ，使输出量 严格地跟随输入量 而变化，从而达到角位置跟踪的目的。2工作原理分析：1各组成元件功能分析：给定量：手轮的角位移被控对象：导弹发射架被控量：导弹发射架的角位移控制装置： 给定元件发送电位器 测量与比较元件 电位器P1，P2,把系统的输入与输出的位置信号转换成与之成比例的电压信号，并进行比较执行元件 电动机与减速器1各组成元件功能分析：按偏差控制原则四. 闭环控制的特点：信号传递是双方向的：既有输入量对输出量的作用， 又有

12、输出量对输入量的作用。控制信号 控制器被控对象 测量元件扰动量输入量反馈量偏差量输出量按偏差控制原则四. 闭环控制的特点：信号传递是双方向的：系统具有服从给定,抵抗扰动的能力。提高了控制精度。控制信号 控制器被控对象 测量元件扰动量输入量反馈量偏差量输出量系统具有服从给定,抵抗扰动的能力。提高了控制精度。控制信 一. 复合控制定义： 将开环和闭环控制结合在一起构成开环闭环控制方式，称为复合控制。 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号或扰动信号的前馈通路，对该信号实行加强或补偿以提高系统的控制精度。 1.2.4 复合控制系统 一. 复合控制定义：1.2.4 复合控制系统图1-9

13、 按输入信号补偿的复合控制系统方框图 按输入信号补偿的复合控制是一种对控制能力的加强作用。通常，补偿装置可提供一个输入信号的微分作用，并作为前馈控制信号，与原输入信号一起对被控对象进行控制，以提高系统的跟踪精度。 1. 按输入信号补偿的复合控制系统图1-9 按输入信号补偿的复合控制系统方框图 控制器被控对象扰动量输入量反馈量偏差输出量2.按扰动信号补偿的复合控制系统 补偿器图1-10 按扰动信号补偿的复合控制系统方框图 按扰动作用补偿的补偿装置，能够在可测扰动对系统的不利影响产生前，提供一个控制作用以抵消 扰动对系统输出的影响。 控制器被控对象扰动量输入量反馈量偏差输出量2.按扰动信号控制精度

14、高。3. 复合控制特点：可抑制几乎所有的可测扰动量。控制精度高。3. 复合控制特点：可抑制几乎所有的可测扰动例 图1-23是一个谷物湿度自动控制系统示意图。它的原理框图如图1-24所示。在谷物磨粉的生产过程中，有一个出粉最多的湿度，因此，磨粉之前要给谷物加水以得到给定的湿度。图中，谷物用传送装置按一定流量通过加水点，加水量由自动阀门控制。加水过程中，谷物流量、加水前谷物湿度以及水压都是对谷物湿度控制的扰动作用。为了提高控制精度，系统中采用了谷物湿度的前馈控制。例 图1-23是一个谷物湿度自动控制系统示意图。它的原理框2工作原理分析：设在出口处的湿度测量装置测量输出谷物的实际湿度并将信号反馈到调

15、节器，构成系统的主反馈通道。若输出谷物湿度与调节器中设定的湿度值不一致，就会产生偏差信号，通过调节器控制阀门调节水量，使谷物湿度向设定值调节。入口处的湿度测量装置测量入口处的谷物湿度，并将信号直接传到调节器，构成系统的前馈通道。若从入口处进入的谷物的湿度与设定值不一致，调节器可以及时调节阀门，对谷物湿度进行预先调节，使系统输出湿度的调节过程更加平稳、准确。2工作原理分析： 调节器传送装置输入量反馈量输出量扰动量 湿度传感器 阀门 湿度传感器 调节器传送装置输入量反馈量输出量扰动量 湿度传感器 阀输入量 期望的谷物湿度输出量 输出的谷物湿度扰动量 输入的谷物湿度被控对象 传送装置上的谷物控制装置

16、：测量元件 湿度传感器 执行元件 调节器、阀门 输入量 期望的谷物湿度输出量 输出的谷物湿度扰动量 补偿器扰动量 控制器被控对象输入量反馈量输出量 测量元件偏差量 测量元件反馈量 控制器被控对象输入量输出量偏差量扰动量控制器被控对象输入量输出量控制信号扰动量开环闭环复合 补偿器扰动量 控制器被控对象输入量反馈量输出量 测1.3 自动控制系统分类按控制方式分闭环控制(反馈控制)开环控制复合控制 1.3 自动控制系统分类闭环控制(反馈控制)开环控制复合控制按系统功用分温度控制系统压力控制系统位置控制系统 温度控制系统压力控制系统位置控制系统 按输入量变化规律分恒值自动调节系统随动系统程序自动控制系

17、统恒值自动调节系统随动系统程序自动控制系统恒值自动调节系统（Constant Automatic Regulating System） 特点： 输入量是恒定值 功能：克服各种对被调节量的扰动而保持被 调节量为恒值随动系统（Servo-mechanism）特点：输入量是未知时间函数，要求输出以最小 误差跟随输入功能：按预先未知的规律来控制被控量恒值自动调节系统随动系统程序自动控制系统特点：输入量是已知时间函数，要求输出以最快速度跟随输入变化(Programmed Automatic Control System)功能: 自动控制系统给定环节给出的给定作用是 一个预定的程序,系统按该预定程序来控制

18、被控量程序自动控制系统特点：输入量是已知时间函数，要求输出以最快速按系统性能分非线性系统连续系统定常系统时变系统确定性系统不确定性系统离散系统线性系统非线性系统连续系统定常系统时变系统确定性系统不确定性系统离散从描述系统微分方程分线性控制系统式中：c（t）是被控量 r（t）是系统输入量 从描述系统微分方程分线性控制系统 只要有一个以上随时间变化，就叫线性时变系统（9章） 2.非线性系统 描述系统r(t)与y(t)之间关系用非线性方程（8章） 此方程的特点是系数与变量有关，或者方程中含有变量及其导数的高次幂或乘积项。 只要有一个以上随时间变化，就叫线性时变系统 按系统内部信号性质分1. 系统内部

19、每个信号均是时间的连续函数叫连续控制系统2. 系统内部有一个或两个信号是时间的离散函数叫离散控制系统（7章） 按系统内部信号性质分1. 系统内部每个信号均是时间的连续函按系统变量个数分1.单变量控制系统 在一个控制系统中，如果只有一个输入量和一个输出量则这类系统称为单变量控制系统，又叫单输入单输出系统。 图1-12 单变量多回路系统按系统变量个数分1.单变量控制系统图1-12 单变量多回路系按系统变量个数分2.多变量控制系统 在一个控制系统中，如果有多个输入量和多个输出量，且各控制回路相互之间有耦合关系，则称这种系统为多变量控制系统，也叫多输入多输出控制系统， 图1-13 多变量控制系统按系统

20、变量个数分2.多变量控制系统图1-13 多变量控制系统稳定性： 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，是保证系统正常工作的先决条件。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。1.4 对自动控制系统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 准快稳定性：1.4 对自动控制系统的基本要求可以归结为稳定性（长 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目标，但如果目标变动迅速，而炮身行动迟缓，仍然抓不住