自动控制工程

关于自动控制工程第一章自动控制的一般概念1-1自动控制的基本原理与方式1-2自动控制系统示例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第2页,共34页，2024年2月25日，星期天1-1自动控制的基本原理与方式1、自动控制技术自动控制是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备和装置（称控制装置或控制器），使机器、设备或生产过程（统称被控对象）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＝被控对象＋控制装置被控量：即被控对象的输出量，是要求严格加以控制的物理量；控制装置：对被控对象施加控制作用的机构的总体。第3页,共34页，2024年2月25日，星期天2、自动控制科学自动控制科学是研究自动控制共同规律的技术科学。自动控制理论是关于自动控制系统组成、分析和设计的理论，其任务是研究自动控制系统中变量的运动规律和改变这种运动规律的可能性与途径，为建立高性能的自动控制系统提供必要的理论依据。发展初期是以反馈理论为基础的自动调节原理；二战之后形成以传递函数为基础的经典控制理论，主要研究单输入-单输出、线性定常系统的分析和设计问题；20世纪60年代之后发展了现代控制理论，主要研究具有高性能、高精度的多变量变参数系统的最优控制问题，主要采用的方法是以状态为基础的状态空间法。第4页,共34页，2024年2月25日，星期天3、反馈(feedback)控制原理在反馈控制系统中，控制装置对被控对象施加的控制作用，是取自被控量的反馈信息，用来不断修正被控量与输入量之间的偏差，从而实现对被控对象进行控制的任务。反馈控制的实质是一个按偏差进行的控制过程。关键：利用手和书之间的差距，来缩小两者之间的差距。第5页,共34页，2024年2月25日，星期天3、反馈控制原理电炉温度人工控制系统方块图人工控制调节过程：观测电炉内温度；与要求的温度进行比较，得到温度偏差的大小和方向；根据偏差大小和方向调节调压器，控制加热电阻丝的电流以调节温度回复到要求值。第6页,共34页，2024年2月25日，星期天3、反馈控制原理电炉温度自动控制系统方块图第7页,共34页，2024年2月25日，星期天3、反馈控制原理用测量元件检测被控制的物理量（输出量）的实际值；将输出量的实际值与给定值（输入量）进行比较得出偏差；用偏差值产生控制调节作用去消除偏差，使得输出量维持在期望输出。反馈控制系统必须具备测量、比较和执行三个基本功能。第8页,共34页，2024年2月25日，星期天控制系统方块图(blockdiagram)方块：被控对象和控制装置的各元部件（硬件）；信号线：系统中感兴趣的物理量（信号），用箭头表示其流向；用进入方块的箭头表示各元部件的输入量，用离开方块的箭头表示其输出量；被控对象的输出量便是系统的输出量，即被控量，一般置于方块图的最右端，系统的输入量一般置于系统方块图的左端。

：代表比较元件，“–”表示负反馈，“+”表示正反馈。第9页,共34页，2024年2月25日，星期天4、反馈控制系统的基本组成控制装置第10页,共34页，2024年2月25日，星期天4、反馈控制系统的基本组成被控对象：要求实现自动控制的机器、设备或生产过程；测量元件：检测被控制的物理量；给定元件：给出与期望的被控量相对应的系统输入量；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输入量进行比较，求出它们之间的偏差；放大元件：将比较元件给出的偏差信号进行放大，用来推动执行元件去控制被控对象；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：也叫补偿元件，它是结构或参数便于调整的元部件，用串联或反馈连接在系统中，以改善系统的性能。第11页,共34页，2024年2月25日，星期天5、自动控制系统基本控制方式开环控制方式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，其特点是系统的输出量不会对系统的控制作用发生影响。反馈控制方式将输出量的测量值与期望的输出值相比较，产生偏差信号并将偏差信号作用于执行机构的控制过程，其特点是不论什么原因使被控量偏离期望值而出现偏差时，必定会产生一个相应的控制作用去减小或消除这个偏差，使被控量与期望值趋于一致。第12页,共34页，2024年2月25日，星期天开环控制方式1、按给定值控制的开环控制系统2、按干扰控制的开环控制系统干扰信号：不需要的输入信号，它影响系统输出。只适用于扰动是可测量的场合，且一个补偿装置只能补偿一种扰动因素。第13页,共34页，2024年2月25日，星期天开环控制方式开环控制方式特点：结构简单,调整方便，成本低；精度不高（控制精度完全取决于所用元件及校准的精度）；抗干扰能力差。开环控制的应用：交通灯、洗衣机、自动售货机等第14页,共34页，2024年2月25日，星期天反馈控制方式反馈原理——按偏差进行的控制过程反馈控制方式特点：结构复杂；精度高，抗干扰能力强；有反馈通道，要有测量元件。第15页,共34页，2024年2月25日，星期天复合控制方式1、按输入补偿的复合控制2、按扰动（可测）补偿的复合控制

——按偏差的反馈控制和按扰动的补偿控制相结合的控制方式第16页,共34页，2024年2月25日，星期天1-2自动控制系统示例分析控制系统的基本步骤：应了解生产工艺过程的特点及其对控制提出的要求；根据控制的目的和任务，确定控制系统的被控对象和被控量；根据信号的传递、加工处理和控制的关系，逐步地确定出控制系统的其余部分，并绘制系统的方块图。第17页,共34页，2024年2月25日，星期天函数记录仪函数记录仪方块图第18页,共34页，2024年2月25日，星期天电阻炉微型计算机温度控制系统方块图电阻炉微型计算机温度控制系统第19页,共34页，2024年2月25日，星期天锅炉液位控制系统方块图锅炉液位控制系统第20页,共34页，2024年2月25日，星期天1-3自动控制系统的分类按数学模型分线性系统与非线性系统线性系统由线性微分方程、线性差分方程或线性代数方程描述（满足叠加性和齐次性）；系统中只要有一个元部件的输入-输出特性是非线性的，就为非线性系统；实际物理系统中都含有程度不同的非线性元部件，可采用在一定范围内线性化的方法，将非线性控制系统近似为线性化控制系统。第21页,共34页，2024年2月25日，星期天1-3自动控制系统的分类

按信号的性质分连续系统与离散（数字）系统连续系统中各部分传递的信号都是随时间连续变化的信号；连续系统通常采用微分方程描述。离散系统中某一处或多处的信号为脉冲序列或数码形式，即信号在时间上是离散的；离散系统通常采用差分方程描述。连续信号经过采样开关的采样就可转换为离散信号。一般离散系统中既有连续的模拟信号，也有离散的数字信号。第22页,共34页，2024年2月25日，星期天线性定常连续系统

式中：c(t)是被控量，r(t)是输入量。定常系统又称为时不变系统，其特点是：描述系统运动的微分或差分方程的系数均为常数。线性系统的叠加原理表明：两个外作用同时加于系统所产生的总输出，等于各个外作用单独作用时分别产生的输出之和，且外作用的数值增大若干倍时，其输出亦增大同样的倍数。第23页,共34页，2024年2月25日，星期天1-3自动控制系统的分类按输入量的变化规律分

1、恒值控制系统系统输入量为恒定值；控制的基本任务是保证在任何扰动作用下系统的输出量保持为恒定的期望值；系统分析、设计的重点是研究各种扰动对被控对象的影响以及抗扰动的措施。如：电阻炉温度控制系统、锅炉液位控制系统等第24页,共34页，2024年2月25日，星期天1-3自动控制系统的分类按输入量的变化规律分

2、随动系统系统输入量随时间任意变化，不能预先确知；控制的基本任务是使系统的输出量以要求的精度迅速、平稳地跟随输入量变化，并能排除各种干扰因素的影响。系统分析、设计的重点是研究被控量跟随的快速性和准确性。如：函数记录仪、雷达跟踪系统等第25页,共34页，2024年2月25日，星期天1-3自动控制系统的分类按输入量的变化规律分

3、程序控制系统系统输入量按预定规律随时间变化；控制的基本任务是要求被控量迅速、准确地复现输入量；如：数控加工系统等第26页,共34页，2024年2月25日，星期天1-3自动控制系统的分类按时间概念分：定常系统、时变系统

按输入输出信号的数量分：单输入单输出系统、多输入多输出系统按控制方式分：开环控制系统、闭环控制系统、复合控制系统按系统功用分类：温度控制系统、压力控制系统、位置控制系统……

按元件类型分类：机械系统、电气系统、机电系统、气动系统、液压系统、生物系统……第27页,共34页，2024年2月25日，星期天1-4自动控制系统的基本要求基本要求：稳定性、快速性、准确性

1）稳定性稳定性是指动态过程的振荡倾向和系统的重新恢复平衡状态的能力。稳定性是保证控制系统正常工作的先决条件。稳定的控制系统，其被控量偏离期望值的初始偏差应随时间的增长逐渐减小或趋于零。线性自动控制系统的稳定性是由系统结构所决定的，与外界因素无关。第28页,共34页，2024年2月25日，星期天1-4自动控制系统的基本要求2）快速性控制系统中一般含有储能元件或惯性元件，由于储能元件的能量不可能突变，而惯性元件使控制动作不能及时准确地产生，因此当系统受到扰动或有输入时，控制过程不会立即完成，而是有一定的延缓和调节过程，这使得被控量恢复期望值或跟踪输入量有一个时间过程，称为过渡过程。过渡过程性能（动态性能）包括快速性和平稳性，即对控制系统过渡过程的时间（即快速性）和最大振荡幅度（即超调量）一般都有具体要求。第29页,共34页，2024年2月25日，星期天1-4自动控制系统的基本要求3）准确性稳态误差是在系统过渡过程结束后，期望的稳态输出量与实际的稳态输出量（即平衡状态）之差。稳态误差是衡量控制系统控制精度的重要标志。第30页,共34页，2024年2月25日，星期天典型外作用可选为典型外作用的函数应具备以下条件：这种函数在现场或实验室中容易得到；控制系统在这种函数作用下的性能代表在实际工作条件下的性能；这种函数的数学表达式简单、便于理论计算。第31页,共34页，2024年2月25日，星期天典型外作用1）阶跃函