第1章-自动控制系统概述课件

第1章自动控制系统概述1.1自动控制理论的发展史及内容1.2开环控制和闭环控制1.3自动控制系统的组成1.4自动控制系统的分类1.5对自动控制系统的基本要求1.6自动控制系统实例习题10/16/2023第1章自动控制系统概述1.1自动控制理论的发展史及内容1.1自动控制理论的发展史及内容

自动控制——就是在没有人直接参与的情况下，利用控制装置对生产过程、工艺参数、目标要求等进行自动的调节与控制，使之按照预定的方案达到要求的指标。自动控制系统性能的优劣，将直接影响到产品的产量、质量、成本、劳动条件和预期目标的完成。10/16/20231.1自动控制理论的发展史及内容

自动控制——10/1788年,瓦特(Watt),蒸汽机1868年,麦克斯韦（Maxwell）,轮船摆动（稳定性）20世纪，自动控制技术的真正发展10/16/20231788年,瓦特(Watt),蒸汽机10/8/2023正在研究蒸汽机的瓦特

这是正在研究蒸汽机的瓦特。瓦特经过不断地努力改进，终于使蒸汽机变成适用于一切工业部门的动力机械。蒸汽机成了机器的动力之源。这幅图现由伦敦私人收藏。10/16/2023正在研究蒸汽机的瓦特10/8/2023世界上第一台蒸汽机这是陈列在英国伦敦科学博物馆内的瓦特制成的世界上第一台蒸汽机，其许多主体部件都是用木头制造的。10/16/2023世界上第一台蒸汽机10/8/2023瓦特画像瓦特出身于苏格兰，从小便酷爱学习，勤于思考。正是由于他敏锐的观察力和顽强的毅力，最终完成了第一台改良蒸汽机的制作。使蒸汽机变成适用于一切工业部门的动力机械。今天我们仍然用“瓦特”作为计算功率的一种单位。10/16/2023瓦特画像10/8/2023瓦特铜像1819年8月25日，英国著名科学家詹姆斯·瓦特逝世，终年85岁。这是坐落于英国苏格兰格拉斯哥市乔治广场的詹姆斯·瓦特铜像。它于1832年修建。10/16/2023瓦特铜像10/8/2023自动控制理论——1)经典控制理论：20世纪40～60年代2)现代控制理论：20世纪60年代中期3)智能控制理论：20世纪70年代以后P2：基础、核心、对象、数学模型、分析方法、主要内容、控制装置、技术工具类型、用途。10/16/2023自动控制理论——10/8/2023图1-1对自动控制理论的具体描述10/16/2023图1-1对自动控制理论的具体描述10/8/20231.2开环控制和闭环控制

1.开环控制系统(OpenloopControlSystem)

若系统的输出量不被引回来对系统的控制部分产生影响，则这样的系统称为开环控制系统。10/16/20231.2开环控制和闭环控制1.开环控制系统10/8图1–2数控加工机床示意图10/16/2023图1–2数控加工机床示意图10/8/2023图1-3数控加工机床开环控制方框图10/16/2023图1-3数控加工机床开环控制方框图10/8/开环系统的特点——优点：无反馈环节，一般结构简单、系统稳定性好、成本低。缺点：抗干扰能力差，系统不能自动进行补偿。10/16/2023开环系统的特点——10/8/20232.闭环控制系统(ClosedloopControlSystem)

若系统输出量通过反馈环节返回来作用于控制部分，形成闭合环路，则这样的系统称为闭环控制系统，又称为反馈控制系统(FeedbackControlSystem)。10/16/20232.闭环控制系统10/8/2023图1-4电炉箱恒温自动控制系统10/16/2023图1-4电炉箱恒温自动控制系统10/8/202图1-5电炉箱自动控制方框图10/16/2023图1-5电炉箱自动控制方框图10/8/2023图1-6炉温自动调节过程10/16/2023图1-6炉温自动调节过程10/8/2023闭环系统的特点——优点：有反馈环节，可对系统自动进行补偿，抗干扰能力强，精度高。缺点：结构复杂、成本高，系统稳定性有可能变差。10/16/2023闭环系统的特点——10/8/2023图1-7自动控制系统的方框图1.3自动控制系统的组成10/16/2023图1-7自动控制系统的方框图1.3自动控制一般自动控制系统包括：(1)给定元件(CommandElement)(2)检测元件(DetectingElement)(3)比较环节(ComparingElement)(4)放大元件(AmplifyingElement)(5)执行元件(ExecutiveElement)(6)控制对象(ControlledPlant)(7)反馈环节(FeedbackElement)10/16/2023一般自动控制系统包括：10/8/2023顺馈通道(FeedforwordPath)或前向通道(ForwordPath)

反馈通道或反馈回路(FeedbackPath)10/16/2023顺馈通道(FeedforwordPath)10/8自动控制系统中的作用量和被控制量包括：(1)输入量：又称控制量或参考输入量，角标常用i(或r)表示。(2)输出量：又称被控制量，角标常用o(或c)表示。(3)反馈量：通过检测元件将输出量转变成与给定信号性质相同且数量级相同的信号。10/16/2023自动控制系统中的作用量和被控制量包括：10/8/2023(4)扰动量:又称干扰或“噪声”，角标常以d(或n)表示。(5)中间变量:系统中各环节之间的作用量。10/16/2023(4)扰动量:又称干扰或“噪声”，角标常以d(或n)1.4自动控制系统的分类1.按输入量变化的规律分类1)恒值控制系统(FixedSet-PointControlSystem)特点：输入量是恒量，要求系统的输出量相应地保持恒定。10/16/20231.4自动控制系统的分类1.按输入量变化的规律分类2)随动控制系统(Follow-UpControlSystem)特点：输入量是随机变化着的，要求系统的输出量能跟随输入量的变化而作出相应的变化。10/16/20232)随动控制系统10/8/20233)程序控制系统(ProgrammeControlSystem)特点：输入量按照一定的时间函数变化,要求输出量随之变化。例如数控伺服系统以及一些自动化生产线等。10/16/20233)程序控制系统10/8/2023

2.按系统传输信号对时间的关系分类1)连续控制系统(ContinuousControlSystem)特点：各元件的输入量与输出量都是连续量(模拟量)，又称为模拟控制系统(AnalogueControlSystem)。10/16/20232.按系统传输信号对时间的关系分类10/8/20232)离散控制系统(DiscreteControlSystem)又称采样数据控制系统（Sampted-DateControlSystem）特点：系统中有的信号是脉冲序列，或采样数据量、数字量。10/16/20232)离散控制系统10/8/2023

3.按系统的输出量和输入量间的关系分类1)线性系统(LinerSystem)特点：系统全部由线性元件组成，它的输出量与输入量间的关系用线性微分方程来描述。

2)非线性系统(NonLinerSystem)特点：系统中存在有非线性元件，如具有死区、出现饱和、含有库仑摩擦等非线性特性的元件，它的输出量与输入量间的关系要用非线性微分方程来描述。10/16/20233.按系统的输出量和输入量间的关系分类10/8/20234.按系统参数对时间的变化情况分类1)定常系统（Time-InvariantSystem）特点：系统的全部参数不随时间变化，它的输出量与输入量间的关系用定常微分方程来描述。2)时变系统(Time-VaryingSystem)特点：系统中有的参数是时间t的函数，它随时间变化而改变。

10/16/20234.按系统参数对时间的变化情况分类10/8/20231.5对自动控制系统的基本要求1.稳定性(Stability)稳定性是保证控制系统正常工作的先决条件。2.快速性(Rapidity)系统仅仅满足稳定性要求是不够的，还必须对其过渡过程的形式和快慢提出要求，即动态性能。3.准确性(Accuracy)理想情况下，当过渡过程结束后，被控量达到稳态值（即平衡状态）应与期望值一致。10/16/20231.5对自动控制系统的基本要求1.稳定性(Stabi1.6自动控制系统实例先明确以下问题：(1)哪个是控制对象？被控量是什么？影响被控量的主扰动量是什么？(2)哪个是执行元件？(3)测量被控量的元件有哪些？有哪些反馈环节？(4)输入量由哪个元件给定？反馈量与给定量如何进行比较？(5)此外还有哪些元件（环节）?它们在系统中处于什么地位？起什么作用？10/16/20231.6自动控制系统实例先明确以下问题：10/8/201.轧钢计算机控制系统系统的工作原理图如图1-8所示。系统的原理方框图如图1-9所示。10/16/20231.轧钢计算机控制系统10/8/2023图1–8轧钢计算机控制系统的原理图10/16/2023图1–8轧钢计算机控制系统的原理图10/8/2被控对象：轧辊。被控量：轧辊的输出量——厚度和张力。干扰量：主要是元件参数的变化而引起的干扰力矩。测量元件：厚度传感器和张力传感器。给定量：厚度给定、张力给定，是人们设计的希望值。计算装置：数字计算机。执行元件：电动机。10/16/2023被控对象：轧辊。10/8/2023图1–9轧钢计算机控制系统的原理方框图10/16/2023图1–9轧钢计算机控制系统的原理方框图10/82.机床台控制系统控制系统的工作原理图如图1-10所示。系统的原理方框图如图1-11所示。10/16/20232.机床台控制系统10/8/2023图1–10机床台控制系统的原理图10/16/2023图1–10机床台控制系统的原理图10/8/20被控对象：工作台。被控量：工作台的输出量——位移xo。干扰量：主要是元件参数的变化而引起的干扰力矩。测量元件：角位移测量装置和测速机。给定量：xi，设计者要把零件的毛胚加工成理想的那个模线。计算装置：控制器用来把三个输入信号比较后得到的差值输出给放大变换器，进而控制电动机的转动。执行元件：电动机，用来拖动工作台按理想的模线运动。10/16/2023被控对象：工作台。10/8/2023图1–11机床台控制系统的原理方框图10/16/2023图1–11机床台控制系统的原理方框图10/8/23.液位控制系统控制系统的工作原理图如图1-12所示。控制系统的原理方框图如图1-13所示。10/16/20233.液位控制系统10/8/2023图1-12液位控制系统的原理图10/16/2023图1-12液位控制系统的原理图10/8/202被控对象：液体储罐。被控量：液体储罐的输出量——液位xo。扰动量：主要是Q2的变化。给定量：液体储罐中液位的希望高度xi。测量元件：液位变送器。计算装置：调节器。执行元件：调节阀。10/16/2023被控对象：液体储罐。10/8/2023图1-13液位控制系统的原理方框图10/16/2023图1-13液位控制系统的原理方框图10/8/24.转速、电流双闭环直流调速系统调速系统的原理图图如图1-14所示。调速系统的方框图如图1-15所示。10/16/20234.转速、电流双闭环直流调速系统10/8/2023图1-14转速、电流双闭环直流调速系统原理图10/16/2023图1-14转速、电流双闭环直流调速系统原理图1图1-15转速、电流双闭环直流调速系统方框图10/16/2023图1-15转速、电流双闭环直流调速系统方框图由图1-14可见——该系统有双闭环：电流环、速度环。ASR（速度调节器）和ACR（电流调节器）实行串级连接，即由ASR去“驱动”ACR，再由ACR去“控制”触发电路。ASR和ACR均为比例—积分（PI）调节器。10/16/2023由图1-14可见——10/8/2023习题1-1分析比较开环控制与闭环控制的特征、优缺点和应用场合的不同。10/16/2023习题1-1分析比较开环控制与闭环控制的特征、优1-2指出下列系统中哪些属开环控制，哪些属闭环控制:(1)家用电冰箱(2)家用空调(3)家用洗衣机(4)抽水马桶(5)普通车床(6)电饭煲(7)多速电风扇(8)高楼水箱(9)调光台灯(10)自动报时电子钟10/16/20231-2指出下列系统中哪些属开环控制，哪些属闭环控制1-3衡量一个自动控制系统的性能指标通常有哪些？图1-16为某自动控制系统启动时的动态曲线，其中x(t)为被控量，xo为期望稳态值。曲线Ⅰ、Ⅱ对应不同的调节参数。试分析比较Ⅰ、Ⅱ两种情况技术性能的优劣。图1-16某自动控制系统的启动曲线10/16/20231-3衡量一个自动控制系统的性能指标通常有哪些？图1-4组成自动控制系统的主要环节有哪些？它们各有什么特点?起什么作用？1-5恒值控制系统和随动控制系统的主要区别是什么？判断下列系统属于哪一类系统：