第1章自动控制...ppt

1、自动控制原理（第3版）,青岛理工大学（临沂）,2,青岛理工大学（临沂） 电气自动化教研室 曲绍华 联系方式：办公室2#4楼 电话：5797014 手机Email：,3,学期安排,课堂 讲授、习题课、复习 60学时 作业 监督、发现解决问题 考核： 期末考试 70% 平时成绩 考勤、作业、课堂表现 30%,4,自动控制理论发展简史,经典控制理论 ( 20世纪初 ) 时域法 复域法 (根轨迹法) 频域法 现代控制理论 ( 20世纪60年代 ) 自适应控制 最优控制 鲁棒控制 最佳估计 容错控制 系统辨识 集散控制 智能控制理论 ( 20世纪70年代 ) 专家系统 模糊控制

2、 神经网络 遗传算法,5,自动控制原理课程的任务与体系结构,6,自动控制的几个实例,数控车床按照预定程序自动地切削工件 化学反应炉的温度或压力自动地维持恒定 雷达和计算机组成的导弹发射和制导系统，自动地将导弹引导到敌方目标 无人驾驶飞机按照预定航迹自动升降和飞行 人造卫星准确地进入预定轨道运行并回收等。,7,热蒸气,水,1、水温的手动控制示意图,操作员要用手（通过感觉）来测试水的温度，并将此温度与 他要求的值（给定值）相 比较（通过大脑）。同时 他 要 决 定 （通过大脑）： 他的手应该朝哪个方向旋转加温用的蒸汽 阀 门 和旋转多大的角度。,水温控制,-麻烦、费力、辛苦、不准确！,例：,8,2

3、、水温的自动控制的示意图,采用自动控制时，上述功能都用相应的元件和仪表来代替。 例如，用温度测量元件、控制记录仪表和调节阀等。,9,学习方法,掌握基本概念、基本方法、基本原理 要注意前后联系，融会贯通，保持知识的连贯性 要理论联系实际，培养自己分析和解决工程实际问题的能力 要养成综合分析，全面思考，认真负责的良好学习习惯,10,学习建议,勤观察，善思考 能抽象，会画图：建立数学模型，掌握常用的分析方法并能用简图来描述控制系统。 多做题，善总结：每一类题都有内在的规律性，多做题并总结解题技巧和方法，做到举一反三,第一章 自动控制系统的基本概念,本章要点： （1）掌握自动控制相关概念及基本方式，几

4、种控制方式的定义，系统框图 ，了解几个实例的运行过程。 （2）掌握闭环系统的基本组成，典型闭环系统的框图。 （3）熟悉自动控制系统的几种分类方法及分类结果。 （4） 掌握对控制系统的基本要求，“稳”，“准”，“快”。,1.1自动控制的基本方式 一、基本概念： （1）自动控制：在没人直接参与的情况下，利用控制装置使被控对象或过程自动地按预定规律或数值运行。 （2）自动控制系统：能够对被控对象的工作状态进行自动控制系统。一般由控制器(含测量元件)和控制对象组成。 （3）被控对象：要求实现自动控制的机器、设备或生产过程。 （4）控制装置：对被控对象起控制作用的控制装置总和。 （5）输出量：位于控制系

5、统输出端，并要求实现自动控制的物理量，也称为被控量。 （6）输入量：作用于控制系统输入端，并可使系统具有预定功能或预定输出的物理量。,二、三种基本控制方式 1、开环控制方式 控制系统的输出量对系统没有控制作用，系统输出端与输入端之间不存在反馈回路，这种系统是开环控制系统。 开环控制系统的特点： （1）系统输出量对控制作用无影响 （2）无反馈环节 （3）出现干扰靠人工消除 （4）无法实现高精度控制,举例： 开环调速系统（不考虑测速反馈） 工作原理： 改变电位器滑动端的位置，相应地改变了电压Ug值的大小， 其值经功率放大器放大后施加在直流电动机的电枢两端， 由于直流电动机具有恒定的励磁电流。因此，

6、随着电枢电压值的不同，电动机便以不同的转速带动生产机械运转。于是，改变 Ug的大小，便控制了电动机转速的高低。系统中，Ug 是给定输入量；电动机的转速n是系统的输出量即被控量，功率放大器的电源电压波动、放大系数漂移、拖动负载的变化等，是扰动输入量。 可见，系统的输出量，即电动机的转速并没有参与系统的控制。,开环控制系统职能框图 任何开环控制系统，从组成系统元部件的职能角度看，均可用下面的结构框图表示。 2、闭环控制方式： 把输出量直接或间接地反馈到系统的输入端，形成闭环，参与控制，这种系统叫闭环控制系统。 实际的闭环控制系统，都是以负反馈的形式出现。 （7）扰动：破坏系统输入量和输出量之间预定

7、规律的信号。 （8）反馈：将系统的输出量馈送到参考输入端，并与参考输入进行比较的 过程。 （9）反馈控制：将系统的输出量与参考输入进行比较，并力图保持两者之间既定关系的控制原理。 （10）前向通道：从给定信号到被控变量的通道。 （11）反馈通道：从被控变量到比较点的通道。 （12）误差：期望输出值与实际输出值之间的偏差。在反馈控制系统中，参考输入和反馈信号的偏差也称为误差。,举例：闭环调速系统 测速发电机检测输出量即转速n并把它转换成与给定电压 物理量相同的反馈电压 。反馈电压与给定电压相比较后产生一偏差电压 ，再经过放大器放大后去控制直流电动机的转速。 闭环控制的工作原理：将系统的输出量经测

8、量、变换反馈到输入端，与给定输入相比较得到偏差信号，由偏差信号经控制器产生控制作用，控制作用使偏差消除或减少，保证系统的输出量按给定输入要求变化。,闭环控制系统职能框图 任何闭环控制系统，从组成系统元部件的职能角度看，均可用下面的结构框图表示。 3、复合控制方式 开环控制+闭环控制 两种结构：按输入信号补偿 按扰动信号补偿,1.2 闭环系统的基本组成 一、基本组成 结构方块图如图所示 系统的基本元部件用框表示；信号的传输方向用箭头表示；信号的综合，用带“”的圆圈表示，+号表示两信号相加，即正反馈。-表示两信号相减，即负反馈。,19,(1）被控对象：要进行控制的设备或生产过程。（例，工作机械）

9、(2）执行机构：作用于被控制对象的装置或设备。(例，电动机) （3）测量装置：用来检测被控量，并将其转换成与给定量相 同 物理 量的装置（例，测速发电机） （4）放大环节：对信号进行放大或能量形式的转换，使之适合 执行机构工作。（例，电压放大器，可控硅整流功放） （5）给定环节：产生系统的给定输入信号。（电位器） （6）比较环节：将所测的被控量与给定量进行比较。 （7）校正环节：用于改善系统性能的电路。 校正环节可加于偏差信号与输出信号之间的通道内，也可加于某一局部反馈通道内。前者称为串联校正环节，后者称为并联校正或(局部)反馈校正环节。,闭环系统的基本组成,二、闭环控制系统的特点 （1）系统

10、输出量直接或间接地参与了对系统的控制作用 （2）有负反馈环节，并应用反馈减小或消除误差 （3）当出现干扰时，可以自动减弱其影响 （4）系统可能工作不稳定,21,电动机速度控制系统工作原理图,(2) 画出系统方框图。,例：电动机速度控制系统,根据图所示的电动机速度控制系统工作原理图，完成： (1) 将a，b，c，d用线连接成负反馈方式；,22,（1）负反馈连接方式应为：,因为，放大器输入端的电压应为给定电压与反馈电压两者之差， 才产生偏差电压。根据基尔霍夫回路电压定律，应 接 ， 接 。,相接。,，,（2）首先，系统中的每个部件各用一方框表示，各方框内写入 该部件的名称；然后，根据系统信号的流向

11、，方块间用带箭头 的信号线连接，如图所示。,解,23,分析系统的工作原理，指出被控对象、被控量和给定量； (2) 画出系统方框图。,例、工业炉温自动控制系统,炉温自动控制系统,24,加热炉采用的是电加热的方式。由可知，电热器产生的热量与调压器输出电压的平方成正比，而调压器输出电压的高低与调压器滑动触点的位置有关，而该滑动触点由可逆转的直流电动机驱动。 炉子的实际温度用热电偶测量，经放大后输出电压为 ，并作为系统的反馈电压与给定电压 进行比较，得出偏差电压 ，经电压放大器、功率放大器放大后，作为电动机的电枢电压驱动电机转动。,解,当加热炉达热平衡时，反馈电压与给定电压相等，偏差电压为零，可逆电

12、动机不转动， 调压器的滑动触点停留在某个合适的位置上，加热电压不变， 温度保持恒定的期望值。,当炉膛温度由于某种原因变化时， 偏差电压不 为0， 电动机的电枢电压也 不为0，电动机的转动带动滑动触点上移或下移，使加热电压变化，使炉膛温度 变化，直至炉膛温度的实际值等于期望值为止。,25,系统中，加热炉是被控对象，炉温是被控量，给定量是由给定电位器设定的电压。,(2) 系统方框图,系统中的每个元部件各用一方框表示，各方框内写入该部件 的名称，根据系统信号的流向，方块间用带箭头的信号线连接， 如图所示。,控制装置,被控对象,检测装置,1.3 自动控制系统的分类 一、按数学描述形式分类： 1线性系统

13、和非线性系统 （1）线性系统：用线性微分方程或线性差分方程描述的系统。 重要性质：满足叠加性和齐次性 当系统输入为 、 时，系统为 、 ， 则系统总的输出为 叠加性 当输入为 ， 则输出 齐次性 （2）非线性系统：用非线性微分方程或差分方程描述的系统。 重要性质：不满足叠加性和齐次性 注意：任何的物理系统都是非线性的，但是在一定条件下可以将某些非线性特性线性化，近似地用线性微分方程去描述，这样就可以按照线性系统来处理。,2连续系统和离散系统 （1）连续系统：系统中各元件的输入量和输出量均为时间t的连续函数。连续系统的运动规律可用微分方程描述，系统中各部分信号都是模拟量。 （2）离散系统：系统中

14、某一处或几处的信号是以脉冲系列或数码的形式传递的系统。离散系统的运动规律可以用差分方程来描述。计算机控制系统就是典型的离散系统。 二、按给定信号分类 （1）恒值控制系统： 给定值不变，要求系统输出量以一定的精度接近给定希望值的系统。如生产过程中的温度、压力、流量、液位高度、电动机转速等自动控制系统属于恒值系统。 （2）随动控制系统： 给定值按未知时间函数变化，要求输出跟随给定值的变化。如跟随卫星的雷达天线系统。 （3）程序控制系统： 给定值按一定时间函数变化。如程控机床。,28,控制系统的分类,按给定信号的形式 恒值系统 / 随动系统 / 程控系统 按是否满足叠加原理 线性系统 / 非线性系统 按参数是否随时间变化 定常系统 / 时变系统 按信号传递的形式 连续系统 / 离散系统 按输入输出变量的多少 单变量系统 / 多变量系统,1.4 对控制系统的基本要求 对控制系统的基本要求归纳为稳定性、动态特性和稳态特性三个方面。（稳、快、准） 一、稳定性 一个处于静止或平衡工作状态的系统，当受到任何输入（给定信号或干扰）作用后，就可能偏离原有的平衡状态。当作用消失后，系统中的状态和输出都能恢复到原来的平衡状态的系统称为稳定的系统。 若作用消失后，系统中的状态和输出发生增幅振荡或单调