自控原理12课件

闭环控制过程突出的特点:（被控量）（给定值）输入量输出量控制器被控对象控制量图1-7闭环控制系统反馈装置偏差+-定义凡是系统输出信号对控制作用能有直接影响的系统,都叫做闭环控制系统。①控制作用不是直接来自给定输入,而是系统的偏差信号,由偏差产生对系统被控量的控制:②系统被控量的反馈信息又反过来影响系统的偏差信号。13.开环与闭环控制系统的比较闭环控制系统的最大特点是检测偏差,纠正偏差.从系统结构上看,闭环系统具有反向通道,即反馈.

(1)系统的控制精度得到了提高;(2)可以较好地抑制系统各环节中可能存在的扰动和由于器件的老化而引起的结构和参数的不稳定性;(3)同时可较好地改善系统的动态性能.从功能上看,闭环控制具有如下特点:为了减小系统所需要的功率,在可能的情况下应当采用开环控制。2实质:在闭环控制回路的基础上,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,以达到精确的控制效果。1)附加给定输入补偿输入信号的微分作用,起到超前控制。 输入量输出量控制器被控对象控制量图1-9附加给定输入补偿偏差补偿装置+-常见的方式有：4.复合控制3输入量输出量控制器被控对象控制量图1-10附加扰动输入补偿补偿装置+-扰动+2.附加扰动输入补偿按照不变性原理来设计,即保证系统输出与作用在系统上的扰动完全无关。附加的顺馈通路相当于开环控制。对其本身补偿装置参数稳定性要求较高;顺馈通路对闭环回路性能影响不大,特别是对稳定性无影响,但能大大提高系统控制精度。4组成控制系统的元件可以是电气的、机械的或液压的.一般均采用负反馈的基本结构1.2.3反馈控制系统的组成和术语

系统误差比较输入图1-11典型的自动控制系统方框图偏差e(t)-+r(t)参考输入主反馈b(t)参考输入元件控制元件反馈元件被控量c(t)被控对象执行元件理想化系统-+(t)cr(t)由系统的参考输入元件所产生的输入信号

由被控量通过反馈元件所产生的信号,它是被控量的函数

是参考输入与主反馈之差

将参考输入与主反馈进行比较所产生的差值e(t)=r(t)-b(t),该差值是系统的作用信号,也称为作用误差.所以比较元件也称作用误差检测器。用符号表示。常用的电量比较元件有差动放大器、电桥电路等。反馈系统中被控制的物理量能从参考输入直接产生理想输出的系统

5系统误差比较输入图1-11典型的自动控制系统方框图偏差e(t)-+r(t)参考输入主反馈b(t)参考输入元件控制元件反馈元件被控量c(t)被控对象执行元件理想化系统-+(t)cr(t)将被控量转换成主反馈量的装置.它可以对被控量进行测量并转换成能用于与参考输入进行比较的量值,所以反馈元件也称测量元件.有时又称为传感器。

指系统中被控制的设备或过程,它能完成特定的动作或生产任务

是希望的响应值(理想输出)与被控量之差.也称希望的响应值,它是理想化系统所产生的理想响应控制元件的输出作用到执行元件,执行元件再直接作用于被控对象,使被控对象随参考输入而变化如阀门、伺服电动机等也称校正元件或控制器、调节器.由于作用误差往往十分微弱,一般需要进行幅值和功率的放大,并将它转换成适于执行机构工作的信号;另外由于对系统性能的要求,需对作用误差信号进行运算处理.在一般的控制系统中,控制器常采用PID控制器典型的自动控制系统一般都是由参考输入元件、比较元件、控制元件、执行元件、被控对象以及反馈元件六个基本单元组成.每个基本单元都用一个方块表示,信号传递方向用箭头表示,传递方向都是单向不可逆的,指向方块的箭头表示输入信号离开方块的箭头表示输出信号6研究的重点：信息的传递与转换。开环控制与闭环控制,是从控制信息的传递路径上来划分的。1.恒值控制系统

参考输入为常量,要求它的被控制量在任何扰动的作用下能尽快地恢复(或接近)到原有的稳态值.这类系统能自动地消除各种扰动对被控制量的影响,故它又名为镇定系统。1.3.1按给定信号的特征划分1.3自动控制系统分类及基本组成克服扰动的影响是系统设计中要解决的主要矛盾。72.随动控制系统

主要特点是给定信号的变化规律是事先不能确定的随机信号。系统的任务是使输出快速、准确地随给定值的变化而变化,故称作随动控制系统。3.程序控制系统它的给定输入不是随机不可知的,

而是按事先预定的规律变化.适用于特定的生产工艺或工业过程,有仿形控制系统、机床数控加工系统、加热炉温度自动变化控制等.自动测量仪器、自动驾驶系统等都属于典型随动系统的例子.跟随性是第一位，系统的抗干扰性在第二位。8按照元件特性方程式的不同,可将系统分成线性系统和非线性系统两大类。1.3.2按系统的数学描述划分叠加原理:当几个输入信号同时作用在系统上,产生的总输出等于各个输入单独作用时系统的输出之和,这称为叠加性。当系统输入增大或缩小多少倍时,系统的输出也增大或缩小相同的倍数,这称为齐次性。用公式表示为：当

（1-1）则有（1-2）

其中,系数a、b可以是常数,也可以是时变系数；r(t)表示输入;c(t)表示输出。1.线性系统

当系统各元件输入输出特性是线性特性,系统的状态和性能可以用线性微分(或差分)方程来描述时,则称这种系统为线性系统。9线性系统也可细分成两类：2）微分(或差分)方程的系数有时间的函数,则称为线性时变系统.至少有一个系统组成元件静特性是斜率随时间变化的直线。1）系统微分(或差分)方程的系数均为常数,称为线性定常系统。定常特性：系统的响应曲线形状,只取决于具体的输入,而与输入的时间起点无关。102.非线性系统系统中只要存在一个非线性特性的元件,系统就由非线性方程来描述,这种系统称为非线性系统。

非线性系统一般不具有齐次性,也不适用叠加原理,

它的输出响应和稳定性与输入信号和初始态有很大关系.如果系统在某一工作区域,可以视为线性系统,但在大范围工作区域则是非线性系统，这可称为非本质非线性。控制器的输入输出关系总是非线性的,不分区域,称为本质非线性。111.3.3按信号传递的连续性划分连续系统

特点是系统中各元件的输入信号和输出信号都是时间的连续函数。系统的运动状态是用微分方程来描述的。各元件传输的信息在工程上称为模拟量。2.离散系统控制系统中只要有一处的信号是脉冲序列或数码时,该系统即为离散系统。系统的状态和性能一般用差分方程来描述。A/D数字控制器图1-11计算机控制系统检测元件+-r(t)e(t)D/A对象c(t)放大器计算机e(t)121.3.4按系统输入与输出信号的数量划分1.单变量系统(SISO)只有一个输入量和一个输出量。所谓单变量是从系统外部变量的描述来分类的,不考虑系统内部的通路与结构。内部变量可称为中间变量,输入与输出变量称为外部变量。对系统的性能分析,只研究外部变量之间的关系。

输入输出量控制器对象图1-12多回环控制系统内部反馈元件偏差+-+-执行元件主反馈元件132.多变量系统(MIMO)

多变量系统有多个输入量和多个输出量。一般地说,当系统输入与输出信号高于一个时,就称为多变量系统。多变量系统的特点是变量多,回路也多,而且相互之间呈现多路耦合。讨论多变量、变参数,非线性、高精度、高效能等控制系统的分析和设计。控制器控制对象参考输入扰动输出图1-13多变量系统141.4控制系统的性能要求和分析设计1.4.1对控制系统性能的要求

(1)使系统的输出快速准确地按输入信号要求的期望输出值变化。(2)使系统的输出尽量不受任何扰动的影响。

通常把系统受到外加信号(给定值或干扰)作用后,被控量随时间t变化的全过程称为系统的动态过程(或过渡过程),以C(t)表示控制系统中的稳态响应指时间趋于无穷大时的确定的响应。(1-3)稳态响应所描述的运动规律属于强迫运动。若输入为恒定的,则输出的强制运动也应该是恒定的:若输入为周期性的,则输出的强制运动也应该是周期性的

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稳态是指一个确定的状态,而不一定是(随时间t)不变化的状态。有规律的变化状态就是一个完全确定的状态,自然就属于稳态的范围。闭环控制系统中各环节总存在惯性,系统从一个平衡点到另一个平衡点无法瞬间完成,该过渡过程称为动态过程或暂态过程.暂态响应指随时间增长而趋于零的那部分响应。(1-4)(1-5)16稳定性:控制系统被控量要实现输入期望的相应值,必须最终有一个稳定的工作状态,即定态.在有限范围内既不发散也不收敛的情况,称为临界稳定状态快速振荡收敛慢速平稳收敛误差t(a)0C(t)图1-14系统性能指标（a）稳定系统（b）不稳定系统发散C(t)临界t(a)0稳定系统中的强迫响应称为稳态,

自由响应称为暂态.不论初始条件如何,最终总能实现定态的系统称为稳定系统,反之为不稳定系统。17自动控制性能指标:(1)稳定性要求系统绝对稳定且有一定的稳定裕量。从工程的角度,临界状态与不稳定同等看待。(2)准确性稳态精度可用它的稳态误差来表示.

它指系统从暂态进入稳态后期望输出与实际输出之间的偏差.根据输入点的不同,一般可分为参考输入稳态误差和扰动输入稳态误差.对于随动系统或其他有控制轨迹要求的系统,还应考虑动态误差18(3)瞬态质量要求系统瞬态响应过程具有一定的快速性和变化的平稳性。快速性是指过渡过程时间长短,反映系统快速复现信号的能力。平稳性反映动态过程的振荡程度及偏离量大小,过大的波动可能会使系统运动部件受损.动态偏离量的大小是对动态精度的衡量。19

分析是从己知确定系统出发,分析计算系统所具有的性能指标。设计是根据要求的性能指标来确定系统应具备的结构模式。1.4.2控制系统的分析与设计1.系统分析(1)建立系统的数学模型。(2)分析系统的性能,计算三大性能指标是否满足要求(3)分析参数变化对上述性能指标的影响,决定如何合理地选取。202.系统的设计步骤如下:(1)根据要求的性能指标,综合出系统应有的数学模型。(2)根据已知的被控对象,求出对象的数学模型,

并画出系统结构图.(3)按结构图与数学模型关系,根据己知部分和系统应有的数学模型,求出控制器的数学模型和控制规律。(4)各部分结构确定后,按己定结构求出系统数学模型,进行性能分析,验证它在各种信号作用下是否满足要求,以便修正。(5)结构参数最终确定后,可进行实验仿真,若效果理想即可制作样机。211.4.3例题流入流出水箱h液面控制电动机M减速器浮子电位计-+流入流出水箱h液面控制气动阀门浮子控制器例1：上图为液位自动控制系统示意图，在任何情况下希望液面高度维持不变。试说明系统工作原理，并获出系统原理方框图。解：1）工作原理：闭环控制方式2）被控对象是水箱，被控量是水箱液位，给定量是电位器设定位置（代表液位的希望值），主扰动是流出水量。电位器电动机减速器阀门水箱浮子连杆出水量（扰动）设定位置实际液位图1-20液位自动控制系统方框图221.5小结1.基本要求明确什么是自动控制,正确理解被控对象、被控量、控制装置和自控系统等概念。正确理解三种控制方式,特别是闭环控制。(3)初步掌握由系统工作原理图画方框图的方法,并能正确判别系统的控制方式。(4)明确系统常用的分类方式,掌握各类别的含义和信息特征。(5)明确对自控系统的基本要求,正确理解三大性能指标的含义。232.内容提要及小结(1)几个重要概念自动控制是指在没有人直接参与的情况下,利用控制器使被控对象的被控量自动地按预先给定的规律去运行。自动控制系统指被控对象和控制装置的总体。这里控制装置是一个广义的名词,主要是指以控制器为核心的一系列附加装置的总和，共同构成控制系统,对被控对象的状态实行自动控制,有时又泛称为控制器或调节器。负反馈原理把被控量反送到系统的输入端与给定量进行比较,利用偏差引起控制器产生控制量,以减小或消除偏差自动控制系统被控对象控制器给定元件