自控原理课件

自控原理课件第1页，共30页，2023年，2月20日，星期六

自控系统的基本概念第1章1.1自动控制及自动控制理论的发展简述1.2自动控制的基本原理与方式1.3自动控制系统的分类1.4对自动控制系统的基本要求本章小结自动控制原理高职高专ppt课件第2页，共30页，2023年，2月20日，星期六自动控制技术在工业、农业、国防（尤其是在航天、制导、核能等方面）乃至日常生活和社会科学领域中都起着极其重的作用。如炉温控制、机械手的控制、人造卫星的轨道控制、造纸机卷取系统的张力恒定控制等等。1.1自动控制理论的发展简述自动控制原理高职高专ppt课件第3页，共30页，2023年，2月20日，星期六自动控制，是指在无人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置，使机器、设备或生产过程的某个工作状态或参数自动地按照预定的规律运行控制装置或控制器被控对象被控量自动控制系统，是由控制器、被控对象等部件为了一定的目的有机的地联接成的一个进行自动控制的整体。例如：在燃油炉温度的控制系统中，调节炉子温度的如电动机、阀门等就是控制器；燃油炉就是被控对象；而炉子的温度就是被控量；炉子正常工作所设定的温度就是给定量。给定量例如：在燃油炉温度的控制系统中，调节炉子温度的如电动机、阀门等就是控制器；燃油炉就是被控对象；而炉子的温度就是被控量；炉子正常工作所设定的温度就是给定量。1.1自动控制理论的发展简述自动控制原理高职高专ppt课件第4页，共30页，2023年，2月20日，星期六经典控制理论主要用于工业控制1788年瓦特发明蒸汽机的同时，发明了离心式调速器，使蒸汽机转速保持恒定，这是最早的被用于工业的自动控制装置第二次世界大战期间，对于军用装备的设计与制造的强烈需求，进一步促进并完善了自动控制理论的发展（如飞机及船用自动驾驶仪、火炮定位系统、雷达跟踪系统等）现代控制理论，主要研究多输入和多输出、时变和非线性等控制系统的分析与设计问题，有线性系统理论、最优控制理论、最佳滤波、自适应控制、系统辩识、随机控制等。主要代表有：Kalman的滤波器，Pontryagin的极大值原理，Bellman的动态规划和Lyapunov的稳定性理论。大系统理论和智能控制理论，称为第三代控制理论。发展初期20世纪60年代目前研究方向现代控制理论广泛应用于工农业、国防及日常生活经典控制理论，主要以传递函数为数学工具，采用频率方法，研究单输入—单输出的线性定常系统的分析和设计问题，并在工程上比较成功地解决了如恒值控制系统与随动控制系统的设计与实践问题。著名的控制科学家有：Black,Nyquist,Bode.1.1自动控制理论的发展简述自动控制原理高职高专ppt课件第5页，共30页，2023年，2月20日，星期六

现代控制理论与运筹学相结合的产物，采用数学模型，通过分解－协调或分解－集结方法，将控制理论中的稳定性理论，最优化控制理论，多变量控制理论和运筹学中的线性规划、非线性规划等加以推广，应用于大系统的分析和综合大系统理论1.1自动控制理论的发展简述自动控制原理高职高专ppt课件第6页，共30页，2023年，2月20日，星期六智能控制

智能控制是将认知科学、多种数学编程和控制技术结合起来的，形成感知—交互式、以目标导向的控制系统。系统可以进行规划、决策，产生有效的、有目的的行为，在不确定环境中，达到既定的目标。1.1自动控制理论的发展简述自动控制原理高职高专ppt课件第7页，共30页，2023年，2月20日，星期六自动控制电位器放大器电动机给定电压Ur负载力矩n测速发动机整流器UaUcUdUf人工控制分析比较执行电动机转速表干扰实际转速希望值眼观测1.2.1人工控制与自动控制1.2自动控制的基本原理与方式转速表触发器整流器负载三相交流＋UaUfUrM给定电位器—触发器整流器三相交流给定电位器＋UaUfUr放大器TGM负载自动控制原理高职高专ppt课件第8页，共30页，2023年，2月20日，星期六1.2.2开环控制和闭环控制计算／放大执行器被控对象给定量被控量干扰比较／计算执行器被控对象测量干扰被控量给定量开环控制系统是指无被控量反馈的系统，即在系统中控制信息的流动未形成闭合回路闭环控制就是有被控量反馈的控制，即系统的输出信号沿反馈通道又回到系统的输入端，构成闭合通道，也叫做反馈控制。1.2自动控制的基本原理与方式自动控制原理高职高专ppt课件第9页，共30页，2023年，2月20日，星期六1.2.3自动控制系统的组成给定装置比较装置串联校正装置比较、放大装置执行装置被控对象反馈校正装置测量与变送局部反馈系统主反馈干扰输入值

被控量检测被控量，将检测值转换为便于处理的信号，再将该信号输入比较装置。控制系统中所要控制的对象直接对被控对象作用，以改变被控量的值将给定量与测量值进行运算得到偏差量

设定与被控量相对应的给定量在系统中添加的用以改善系统的控制性能的装置开始1.2自动控制的基本原理与方式自动控制原理高职高专ppt课件第10页，共30页，2023年，2月20日，星期六1.2.4自动控制系统实例

炉温控制系统液位控制系统舵轮随动系统1.2自动控制的基本原理与方式第11页，共30页，2023年，2月20日，星期六给定电位器电动机UrUaUtT工件燃油炉混合器阀门空气燃油Q热电偶炉温控制系统电位器电动机燃油炉与T对应的给定阻值工件温度等t热电偶阀门ΔUUa混合器nQ放大器放大器UUt被控对象T:给定温度

t:被控量控制器比较放大装置测量变送装置开始原理方框图1.2自动控制的基本原理与方式第12页，共30页，2023年，2月20日，星期六液位控制系统

电动机

阀门L2阀门L1

减速器电位器浮子及连杆进水量Q1

出水量Q2给定液位H电位器电动机水箱给定阻值Q2h浮子\连杆阀门L1Uan1减速器n2Q1开始原理方框图被控对象H:给定高度h:实际高度控制器比较装置测量变送装置干扰1.2自动控制的基本原理与方式第13页，共30页，2023年，2月20日，星期六舵轮随动系统电位器舵轮UrUcUaU舵减速器θcABθr电位器A比较放大干扰力矩n电位器B电动机减速装置UcUr舵Uθrθc开始原理方框图被控对象输入设定装置控制器比较放大装置测量变送装置1.2自动控制的基本原理与方式第14页，共30页，2023年，2月20日，星期六给定量按事先设定的规律而变化1.3自动控制系统的分类常常称作伺服系统，它的特征是给定量是变化的，而且其变化规律是未知的按给定量特征分类按系统中元件特性分类按系统中信号形式分类恒值给定控制系统的特征是给定量一经设定就维持不变恒值给定系统随动系统程序给定系统系统中所有元件都是线性元件系统中含有一个或多个非线性元件线性系统非线性系统连续控制系统数字控制系统系统中所有的信号都是连续时间变量的函数系统中各种参数及信号在是以在时间上是离散的数码形式或脉冲序列传递的，所以可以采用数字计算机来参与生产过程的控制注意：每个标题按一下显示内容，再按一下结束显示第15页，共30页，2023年，2月20日，星期六1.4自动控制系统的基本要求自动控制系统的任务：被控量和给定值，在任何时候都相等或保持一个固定的比例关系，没有任何偏差，而且不受干扰的影响系统的动态过程，也称为过渡过程，是指系统受到外加信号(给定值或干扰)作用后，被控量随时间变化的全过程自动控制的性能指标：反映系统控制性能优劣的指标，工程上常常从稳定性、快速性、准确性三个方面来评价稳定性快速性准确性图示控制系统动态过程的振荡倾向和重新恢复平衡工作状态的能力，是评价系统能否正常工作的重要性能指标控制系统过渡过程的时间长短，是评价稳定系统暂态性能的指标控制系统过渡过程结束后，或系统受干扰重新恢复平衡状态时，最终保持的精度，是反映过渡过程后期性能的指标第16页，共30页，2023年，2月20日，星期六tc(t)r(t)0(a)tc(t)r(t)0(b)tc(t)r(t)0(c)tc(t)r(t)0(d)开始开始开始开始1.4自动控制系统的基本要求第17页，共30页，2023年，2月20日，星期六自动控制系统讨论的主要问题是系统动态过程的性能，主要性能归纳起来就是三个字：稳、快、准。自动控制原理是分析设计自动控制系统的理论基础，可分为经典控制理论和现代控制理论两大部分。自动控制系统最基本的控制方式是闭环控制，也称反馈控制，它的基本原理是利用偏差纠正偏差。自动控制系统的方框图是对系统物理特性的抽象表示，它描述系统的主要矛盾和内在联系，是研究自动控制系统的有效工具。第1章小结第18页，共30页，2023年，2月20日，星期六

自控系统的数学描述第2章2.1控制系统的微分方程2.2传递函数2.3动态结构图与梅森公式2.4控制系统的几种常用传递函数本章小结第19页，共30页，2023年，2月20日，星期六对实际系统或元件加入一定形式的输入信号，根据输入信号与输出信号间的关系来建立数学模型的方法根据系统及元件各变量之间所遵循的物理、化学定律，列写出各变量间的数学表达式，从而建立起数学模型的方法2.1控制系统的微分方程2.1.1系统微分方程的建立控制系统的数学模型是指描述系统或元件输入量、输出量以及内部各变量之间关系的数学表达式。而把描述各变量动态关系的数学表达式称为动态模型。常用的动态数学模型有微分方程、传递函数及动态结构图。建立数学模型，可以使用解析法和实验法

解析法实验法解析法建立微分方程的一般步骤是第20页，共30页，2023年，2月20日，星期六2.1控制系统的微分方程解析法建立微分方程的一般步骤是

根据实际工作情况，确定系统和各元件的输入、输出量；标准化工作:将与输入有关的各项放在等号的右侧，即将与输出有关的各项放在等号的左侧，并按照降幂排列。从输入端开始，按照信号的传递时序及方向，根据各变量所遵循的物理、化学定律，列写出变化（运动）过程中的微分方程组；消去中间变量，得到只包含输入、输出量的微分方程；最后将系数归化为具有一定物理意义的形式。12345一个微分方程建立的例子第21页，共30页，2023年，2月20日，星期六2.1控制系统的微分方程一个微分方程建立的例子UrUciRC

试列写图示的RC无源网络的微分方程根据电路理论的克希霍夫定律，列写方程

其中i为中间变量，Ur为输入量，Uc为输出量，消去中间变量得：令RC=T（时间常数），则有：RC无源网络的动态数学模型为一阶常系数线性微分方程。第22页，共30页，2023年，2月20日，星期六2.1控制系统的微分方程2.1.2线性微分方程的求解为复变量，其线性积分如果存在，就称其为函数f(t)的拉普拉斯变换（简称拉氏变换），记作并称F(s)为f(t)的象函数或变换函数，f(t)称为F(s)的原函数。有函数f(t)，t为实变量拉氏变换定义拉氏变换的几个基本定理几种典型函数的拉氏变换线性定理2.微分定理F(t)及其各阶导数在t-0

时的值都为零则有3.积分定理F(t)及其各重积分在t-0时的值都为零则有4.位移定理实域位移定理复域位移定理5.终值定理函数名称时间曲线数学表达式拉氏变换阶跃函数F(s)=1/s斜坡函数F(s)=1/s2加速函数F(s)=1/s3指数函数F(s)=1/(s-a)正、余弦函数F(s)=ω/(s2-ω2)F(s)=s/(s2-ω2)0f(t)t10f(t)t0f(t)t0f(t)t0f(t)t1正弦余弦几个实例第23页，共30页，2023年，2月20日，星期六已知，求F(s)。这里A是常数。解：因为A是常数，所以，根据线性定理则有已知，求F(s)。求的拉氏变换。解：根据实域位移定理则有解：根据复域位移定理则有例一例三例二2.1控制系统的微分方程第24页，共30页，2023年，2月20日，星期六拉氏反变换拉氏变换的逆运算称为拉氏反变换，该式是拉氏反变换的数学定义，而在实际应用中常常采用的方法是：先将F(s)分解为一些简单的有理分式函数之和，这些函数基本上都是前面介绍过的典型函数形式；然后由拉氏变换求出其反变换函数，即原函数f(t)。设F(s)的一般表达式为(通常都是s的有理分式函数)式中的a1、a2...an以及b1、b2...bm为实数，m、n为正数，且m<n。根据上式分母的根，分为以下两种情况来讨论2.1控制系统的微分方程第25页，共30页，2023年，2月20日，星期六ssississiA(s)=0无重根ni=1ssini=1若

F(s)=B(s)/A(s)=C1/(s-s1)+C2/(s-s2)+…+Cn/(s-sn)=ΣCi/(s-si)则

f(t)=L-1[F(s)]=L-1[ΣCi/(s-si)]对各项Ci/(s-si)进行拉氏反变换即可其中系数

Ci=lim(s-si)F(s)A(s)=0有重根若

F(s)=Cm/(s-s1)m+Cm-1/(s-s2)m-1+…+C1/(s-s1)+…+Cn/(s-sn)其中重根系数Cm=lim(s-si)mF(s)，

Cm-1=limd[(s-si)mF(s)]/ds，……，

Cm-j=(1/j!)limdj[(s-si)mF(s)]/ds