演示文稿自动控制系统的基本概念讲解

演示文稿自动控制系统的基本概念ppt讲解当前第1页\共有89页\编于星期日\7点（优选）第一章自动控制系统的基本概念ppt讲解当前第2页\共有89页\编于星期日\7点一、课程简介

自动控制原理是电气类专业的一门重要的专业技术基础课。该课程主要讲授经典控制理论的三大分析方法（时域分析法，根轨迹分析法和频域分析法）、自动控制系统综合与校正的一般方法和非线性系统等内容。通过对本课程的学习，要求学生系统地掌握自动控制的基本原理和基本方法，并能对控制系统进行定性分析、定量计算和综合设计。当前第3页\共有89页\编于星期日\7点二、课程体系设置（一）结构体系：理清“三纵三横”。这里讲的“三纵”：指系统在三域（时域、复域、频域）中的数学模型；“三横”：指系统特性（稳定性、稳态特性、动态特性）的三分析。1、“三纵”：结合系统的数学模型，讲清工程上实际求解与数学上理论计算之间的内在联系与区别。具体地说，就是要搞清楚几种数学模型之间的相互关系。当前第4页\共有89页\编于星期日\7点2、“三横”：掌握系统分析的三要素：稳定性、静态特性和动态特性。性能指标是衡量一个系统好坏的重要标志，也是对系统进行校正的主要依据，抓住这条线，就是抓住了系统分析改造的关键，有利于学生建立一个“横向”的思路。

当前第5页\共有89页\编于星期日\7点（二）内容体系：

当前第6页\共有89页\编于星期日\7点三、课程内容（共48学时）第一章

自动控制系统的基本概念学时数:4第二章

线性连续系统的数学模型学时数：８第三章

控制系统的时域分析法学时数：10第四章

控制系统的根轨迹分析法学时数：６第五章

控制系统的频率特性分析法学时数：1０第六章频率校正方法学时数：3第七章

非线性系统分析学时数：3总复习及小测验学时数：４当前第7页\共有89页\编于星期日\7点★专业的培养目标★对高级工程技术人才的要求★如何学习才能成为人才★该课程的学习方法与要求四、课程的学习目的、方法与要求当前第8页\共有89页\编于星期日\7点（一）专业的培养目标

——明确学习目的电气工程及其自动化专业培养具有创新意识和创新能力、综合素质高、适应能力强的，能够从事与电气工程有关的系统运行、自动控制、电力电子技术、信息处理、试验分析、研制开发、经济管理以及电子与计算机技术应用等领域工作的宽口径“复合型”高级工程技术人才。当前第9页\共有89页\编于星期日\7点

工程技术人员（包括其他技术家）和科学家的职责不同。科学家的任务是如何认识，因而他可以选择自己感兴趣的研究课题；工程师的任务是如何实现，所以他必须解决面临的实际问题。工程问题受到多方面因素的制约，工程师必须在多种可能方案中做出选择，谋求最可靠、最经济、最实用的解决方法。

工程技术人员的任务

——将来我们做什么当前第10页\共有89页\编于星期日\7点（二）对工程技术人才的要求

——合格人才是什么样的一个工程师接受任务的时候总会问自己这样的问题：会不会做——是否在科学技术上掌握了必须的知识和技能，能够解决工程上的难题。可不可以做——是否在政策法规和社会公德允许的条件下的工程。该不该做——是否拥有了良好的生态可行性和工程持续性，并且能在人、才、物和时空约束条件下经济合理地完成任务。如何去做——拿出切实可行的解决方案。当前第11页\共有89页\编于星期日\7点（三）如何学习才能成为人才第一境界：总结知识的能力——自我学习的能力——综合知识的能力——第二境界：发现问题的能力——解决问题的能力——第三境界：创造思维的能力——当前第12页\共有89页\编于星期日\7点课程重要性☆《自动控制原理》是工科的技术基础课，该课程与其它课程的关系——承上启下的课程。（四）该课程的学习方法与要求

——了解课程特点明确学习方法与要求自动控制理论电路理论电机与拖动大学物理信号与系统复变函数拉氏变换模拟电子技术线性代数微积分各类专业课线性系统现代控制理论当前第13页\共有89页\编于星期日\7点实际系统物理模型数学模型方法（系统组成分析、设计）☆自动控制是一门技术学科，从方法论的角度来研究系统的建立、分析与设计。研究控制系统的共性问题。

——提供了研究思想与研究方法课程特点及性质☆自动控制技术是应用非常广泛的技术当前第14页\共有89页\编于星期日\7点本课程学习方法☆打好基础——复习学过的基础课☆认真听课——掌握基本理论和基本方法☆做好习题——锻炼解决实际问题的能力本课程学习要求学会分析、解决工程问题的基本思路和方法当前第15页\共有89页\编于星期日\7点五、教学方法★突出教学中的重点与难点问题，采用启发与讨论的方式，多列举实际工程中的应用示例，力求理论联系实际；★采用传统与现代教学手段相结合，将实际控制系统与控制原理相结合，把抽象的系统动态过程与系统结构、参数关系形象化，以便于学生理解；★加强实践教学环节，在加深对理论知识理解的基础上，提高学生动手解决问题的能力。当前第16页\共有89页\编于星期日\7点五、选用教材

自动控制原理（第二版）孙炳达主编机械工业出版社出版该书基本概念清楚，数学推导严谨，理论系统性强，例题具有代表性，图解说明性强，习题丰富，文字简洁。当前第17页\共有89页\编于星期日\7点几点要求：其它。。。关于出勤课堂纪律关于作业当前第18页\共有89页\编于星期日\7点

第一章自动控制系统的基本概念1-1引言1-2自动控制的基本方式1-3自动控制系统的组成1-4自动控制系统的分类1-5对控制系统的基本要求1-6自动控制系统的发展简史当前第19页\共有89页\编于星期日\7点一、自动控制的基本概念现代科学技术中的自动控制技术得到了广泛的应用航天器工业控制机器人家用电器自动控制的特征：

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。自动控制：

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信号变化规律去变化。自动控制示意图控制器给定值

检测元件

受控对象被控量自动控制系统控制装置:受控对象:机器、设备、生产过程等控制器、检测元件等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：

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1-1引言当前第20页\共有89页\编于星期日\7点例水温人工控制系统受控对象:水箱热传导器件系统的构成：被控制量:水温阀门显示仪表蒸汽排水冷水热水工作过程：

蒸汽通过热传导器件把热量传递给水,水的温度与蒸汽的流量成正比.

手动调节阀门的开度，从而调节蒸汽的流量,来控制水的温度.但人工难以实现稳定的高质量控制.当前第21页\共有89页\编于星期日\7点例水温自动控制系统系统中增加了：控制器电机加入给定信号工作原理：检测实际温度产生控制信号

通过电机调节阀门的开度

从而调节蒸汽流入，控制水的温度.实现没有人直接参入的自动水温控制.当前第22页\共有89页\编于星期日\7点

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,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。实际温度偏差反馈量预期温度_控制器执行机构阀门水箱当前第23页\共有89页\编于星期日\7点例：人工控制与自动控制：水箱水位控制问题人工控制人工控制过程归纳：▲用眼观察水位，目测出实际水位高度并反馈到大脑中（测量过程）▲在脑中与要求水位进行比较，得出偏差大小，决定手的操作动作（决策过程）▲手执行大脑决定的动作，打开或关闭阀门（执行过程）当前第24页\共有89页\编于星期日\7点▲传感器代替眼看测量出实际水位高度并反馈到控制器▲在控制器中将实际水位与设定水位进行比较得出偏差值，对偏差信号进行放大送到执行器▲执行器执行开关阀门动作自动控制共同特点：通过检测被控量，得到与给定值的偏差，并去纠正偏差，进而减小偏差。在人工控制中偏差是通过人眼观测后，由人脑判断、决策得出的；在自动控制系统中偏差则是通过反馈，由控制器进行比较、计算产生的。

自动控制过程归纳：当前第25页\共有89页\编于星期日\7点杆杠长度例液位自动控制系统h水箱杆杠浮球阀门进水系统组成：出水被控制量：水位高度工作原理：

调节杠杆长度L，通过杠杆机构调节阀门的开度，从而调节进水量以控制液位的高度。L当前第26页\共有89页\编于星期日\7点系统的结构框图如图所示:

杠杆浮球hr(s)h(t)阀门水箱机构当前第27页\共有89页\编于星期日\7点★分析控制系统的工作原理——分析人要做这个事情的思路★分析控制系统的结构——设计与组成系统★分析控制系统的性能指标——是否能够完成任务自动控制理论——研究和分析控制系统共性的理论

自动控制就是利用控制装置代替人去自动地完成人要完成的事情当前第28页\共有89页\编于星期日\7点1．开环控制有顺向作用而无反向联系.自动控制系统从控制的基本方式看，可分为开环控制、闭环控制和复合控制。开环控制控制装置与受控对象之间只1-2自动控制的基本方式当前第29页\共有89页\编于星期日\7点例转台速度开环控制系统

这种转台在CD机、计算机磁盘驱动器等现代装置中广泛应用.转台电机电源和放大装置速度设置系统组成：由图可见：

被控制量速度没有反馈到输入端与给定信号比较,为开环控制系统。当前第30页\共有89页\编于星期日\7点预期速度实际转速直流电动机转台放大器

系统结构和控制过程均很简单，但抗扰能力差，控制精度不高，故一般只能用于对控制性能要求较低的场合。转台速度开环控制系统结构图:开环控制的特点：

2．闭环控制

有顺向作用，而且还有反向联系.闭环控制:

闭环控制又称为反馈控制或偏差控制。

控制装置与受控对象之间，不但当前第31页\共有89页\编于星期日\7点例转台速度闭环控制系统实现对速度的闭环控制。

测速发电机是一种传感器

测出电动机的速度与给定信号比较产生偏差电压.当前第32页\共有89页\编于星期日\7点测速机偏差反馈量预期速度实际转速直流电动机转台放大器_

当实际速度受扰动的影响发生变化时，通过系统的调节，从而消除扰动对速度的影响。转台速度闭环控制系统结构图当前第33页\共有89页\编于星期日\7点放大装置例位置随动系统环型电位器电机电源齿轮系统组成：负载给定转角θr输出转角θc工作过程：θr=θcUd=0Udθr≠θcUd≠0电动机带动齿轮转动,系统闭环调节.电动机静止当前第34页\共有89页\编于星期日\7点θmθr△θ

_θcueud放大器电位器电动机减速器位置随动系统结构图当前第35页\共有89页\编于星期日\7点例转速负反馈直流电动机调速系统直流电机测速发电机电源和放大装置负载系统组成：UnUf给定电压反馈电压e=Un-Uf

转速取决于给定电压与反馈电压的差值。当前第36页\共有89页\编于星期日\7点

调速系统结构图unufeudn_直流电动机放大器测速机

由电网电压波动，负载变化以及其他部分的参数变化所引起的转速变化，都可以通过系统的自动调整加以抑制。n↓→Uf↓→e↑→Ud↑→n↑

减小或消除由于扰动所形成的偏差值，具有较高的控制精度和较强的抗扰能力。闭环控制系统具有的特点：当前第37页\共有89页\编于星期日\7点输入量控制器被控对象输出量干扰执行机构应用：多用于系统结构参数稳定和干扰较小的场合。如：自动化流水线、自动洗衣机当前第38页\共有89页\编于星期日\7点应用：对系统有精度要求时广泛采用反馈控制是最基本的闭环控制方式。输入量控制器被控对象输出量干扰执行机构检测装置ugufnno当前第39页\共有89页\编于星期日\7点uf三、复合控制1。按输入信号补偿的复合控制输入量控制器被控对象输出量干扰执行机构检测装置补偿装置补偿装置补偿装置补偿装置noug输入量补偿量补偿量输入量应用：提高系统跟踪输入信号的能力和精度输出量输出量输出量输出量当前第40页\共有89页\编于星期日\7点2。按干扰作用补偿的复合控制输出量输入量控制器被控对象干扰执行机构检测装置补偿装置检测出干扰量，通过补偿装置对输入信号进行补偿以抵消干扰对系统输出量的影响应用：增强系统的抗干扰能力当前第41页\共有89页\编于星期日\7点1-3自动控制系统的组成输出量给定环节被控对象干扰执行机构

反馈校正装置放大环节串联校正装置检测装置要求实现自动控制的设备或过程被控设备或过程中需要控制的参数即被控参数测量被控参数的传感器与测量电路，它将系统的实际输出反馈到输入端设定与系统输出希望值相对应的输入指令改善系统性能的环节，因为串联在系统的输入端，又称串联校正输入与输出之间进行比较，产生偏差信号，该偏差信号描述了系统期望值与实际值之间的误差将微小的偏差信号进行放大，使之达到控制执行机构的能量要求执行控制任务，驱动被控对象的动力设备改善局部环节性能的装置，用反馈的方法调整局部信号达到校正的目的，所以称反馈校正（或并联校正）顺着从输入到输出的信号传递方向走出的通道称为前向通道将输出（局部输出）送回到输入（局部输入）的通道被称为反馈通道连接输入与系统输出的反馈通道被称为主反馈通道将局部输出送回到局部输入的通道被称为局部反馈通道典型闭环系统结构框图典型闭环系统结构框图当前第42页\共有89页\编于星期日\7点1-4自动控制系统的分类●按系统结构分，开环/闭环控制系统●按输入量形式分，恒值/随动控制系统●按信号传递形式分，连续/离散控制系统●按系统是否满足叠加性分，线性/非线性控制系统●按系统执行装置分，机电/液压/气压控制系统等

可以从不同角度对控制系统进行分类：当前第43页\共有89页\编于星期日\7点▲系统输入量为常值，要求被控量也等于常值。

▲系统的基本任务是当出现扰动时，使系统的输出量保持为恒定的期望值

▲工业产生中的温度、压力、流量、液面等参数的控制电力系统的电网电压、频率控制等2.程序控制系统▲系统输入量按预定规律变化，系统的控制过程按预定的程序进行。▲数控机床按预定程序自动地切削工件。石油化学工业中的反应塔。

一.按输入量的特征

1.恒值控制系统当前第44页\共有89页\编于星期日\7点▲系统输入量随时间任意变化。系统输出量常是机械位移、速度、加速度、力、力矩等机械量。▲系统的基本任务是使系统输出量能快速、准确地跟随输入量变化。▲机械加工中的仿形机床。武器装备中的火炮自动瞄准系统、雷达跟踪系统、导弹目标自动跟踪系统3.伺服系统又称随动系统当前第45页\共有89页\编于星期日\7点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。例如：电机速度控制、恒温、恒压、水位控制系统等。1.恒值控制系统：当前第46页\共有89页\编于星期日\7点2.随动系统：

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。如：火炮自动跟踪系统、轮舵位置控制系统等。当前第47页\共有89页\编于星期日\7点3.程序控制系统：

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。

例如：数控伺服系统当前第48页\共有89页\编于星期日\7点自动化生产线：当前第49页\共有89页\编于星期日\7点二、连续控制系统和离散控制系统▲控制系统中各部分的信号若都是时间t

的连续函数，则称这类系统为连续控制系统。▲在控制系统各部分的信号中只要有一个是时间t

的离散信号，则称这种系统为离散控制系统。脉冲和数码都属于离散信号。计算机控制系统就是一种常见的离散控制系统。计算机只能接受和处理数字信号，计算机的输出经D/A转换加给放大器，然后再去驱动执行元件，或由计算机直接输出数字信号，经数字放大器后驱动数字式执行元件。当前第50页\共有89页\编于星期日\7点三、线性控制系统和非线性控制系统▲用非线性方程描述的系统，称为非线性系统。线性系统特性叠加性齐次性（均匀性）如果微分方程或差分方程的系数为常数，则称为线性定常数系统；否则，称为线性时变系统。▲可用线性微分方程或差分方程描述的系统，称为线性系统。当前第51页\共有89页\编于星期日\7点1-5对控制系统的基本要求

控制系统应用于不同场合，对它有不同的性能要求。但从控制工程的角度来看，却有一些共同的标准。常见的评价系统优劣的性能指标基本有三个方面：稳、快、准。二、快速性一、稳定性三、准确性当前第52页\共有89页\编于星期日\7点

系统受外作用力后,其动态过程的振荡倾向和系统恢复平衡的能力。一、稳定性稳定性：

如果系统受外作用力经过一段时间，其被控量达到某一稳定状态，则系统是稳定的。否则为不稳定的。稳定系统的动态过程r(t)t0c(t)1r(t)c(t)不稳定系统的动态过程(a)给定信号作用c(t)(b)扰动信号作用d(t)t0c(t)r(t)t0c(t)r(t)c(t)d(t)

不稳定的系统是无法正常工作的。当前第53页\共有89页\编于星期日\7点

一种过渡过程是收敛的，即过渡过程结束后，系统又趋于平衡状态，这类系统称为稳定的；另一种过渡过程是发散的，这类系统称为不稳定的；等幅振荡也被认为是不稳定的。显然，系统稳定是保证系统能正常工作的首要条件。当前第54页\共有89页\编于星期日\7点

通过动态过程时间长短表征。时间越短，表明快速性越好，反之亦然。二、快速性r(t)t0c(t)r(t)c1(t)c2(t)

快速性表明了系统输出对输入响应的快慢程度当前第55页\共有89页\编于星期日\7点

由输入给定值与输出响应的终值之间的差值ess大小表征。三、准确性r(t)t0c(t)r(t)c(t)ess当前第56页\共有89页\编于星期日\7点过渡过程结束后，输出量的期望值与实际值之差。数控机床的加工误差小于0.02mm。一般恒速、恒温控制系统的稳态误差都在给定值的1%以内。○同一个系统，稳、快、准是相互制约的。○提高快速性，可能会引起系统强烈振动。○改善了平稳性，控制过程又可能很迟缓，甚至精度也会变差。○分析和解决这些矛盾，将是本学科讨论的重要内容。当前第57页\共有89页\编于星期日\7点1-6自动控制系统的发展简史●经典控制理论（19世纪初）时域法；复域法（根轨迹）；频域法●现代控制理论（20世纪50年代）线性控制最优控制最佳估计系统识别自适应控制鲁棒控制容错控制集散控制大系统复杂系统●智能控制理论（20世纪70年代）专家控制模糊控制神经网络遗传算法当前第58页\共有89页\编于星期日\7点1400——1900工业机器时代亚历山大的希罗发明开闭庙门和分发圣水等自动装置(100年)。中国张衡发明水运浑象，研制出自动测量地震的候风地动仪

(132年)。自动控制的发展简史当前第59页\共有89页\编于星期日\7点中国马钧研制出用齿轮传动的自动指示方向的指南车

(235年)

中国明代宋应星所著《工开物》记载有程序控制思想的提花织机结构图

(1637年)当前第60页\共有89页\编于星期日\7点

英国

J.Watt用离心式调速器控制蒸汽机的速度

(1788年)当前第61页\共有89页\编于星期日\7点钱学森的《工程控制论》(

EngineeringCybernetics)

(1954)当前第62页\共有89页\编于星期日\7点当前第63页\共有89页\编于星期日\7点美国

MIT研制出第一台数控机床

(1952)当前第64页\共有89页\编于星期日\7点美国研制出第一台工业机器人样机

(1954)当前第65页\共有89页\编于星期日\7点计算机集成制造的概念(1969)当前第66页\共有89页\编于星期日\7点由加工中心和工业机器人组成的柔性制造单元

(1976)当前第67页\共有89页\编于星期日\7点中国批准

863高技术计划，包括自动化领域的计算机集成制造系统和智能机器人两个主题

(1986)当前第68页\共有89页\编于星期日\7点世界第一颗人造地球卫星由苏联发射成功(1957)当前第69页\共有89页\编于星期日\7点苏联东方-１号飞船载着加加林进入人造地球卫星轨道,人类宇航时代开始了(1961)。当前第70页\共有89页\编于星期日\7点苏联发射“月球”9号探测器，成功(1966)。三年后

(1969)，美国“阿波罗”

11号把宇航员送上月球。当前第71页\共有89页\编于星期日\7点火箭部分---2077个传感器阿波罗10（1969年5月18日）飞船部分---1218个传感器，对3295个测量参数进行检测。

阿波罗11(1969.7.16--24)阿波罗10阿波罗11当前第72页\共有89页\编于星期日\7点“勇气号”火星车留下的轮辙的照片“勇气号”拍