第一章 自动控制绪论.ppt

1、自动控制理论,电气信息学院 舒欣梅,第一章 绪论,第一节 基本概念 第二节 开环控制与闭环控制 第三节 自动控制系统的分类 第四节 基本性能要求,一、自动控制理论的发展史,1.经典控制理论时期（1940-1960） 对单输入单输出系统进行分析，采用频率法、根轨迹法、相平面法、描述函数法；讨论系统稳定性的代数和几何判据以及校正网络等 2.现代控制理论时期（50年代末-60年代初） 解决多输入、多输出、时变参数、高精度复杂系统的控制问题 3.大系统和智能控制时期 （70年代） 各学科相互渗透，要分析的系统越来越大，越来越复杂。例人工智能、模拟人的人脑功能、机器人等。,二、自动控制技术的作用,1.

2、自动控制技术的应用仅使生产过程实现了自动化，极大地提高了劳动生产率，减轻了人的劳动强度。,2. 自动控制使工作具有高度的准确性，大大地提高了武器的命中率和战斗力，例如火炮自动跟踪系统必须采用计算机控制才能打下高速高空飞行的飞机。,3. 某些人们不能直接参与工作的场合就更离不开自动控制技术了，例如原子能的生产、火炮或导弹的制导等等。,自动控制是指在无人直接参与的情况下，利用自动控制装置（简称控制器）使整个生产过程或工作机械（称为被控对象）自动地按预先规定的规律运行，或使它的某些参数（称为被控量）按预定要求变化。,三、自动控制基本概念,无人驾驶飞机,地空导弹,哈勃望远镜,现代工厂,飞机导航,工业自

3、动生产线,恒温箱自动控制原理图,举例：,给定量(输入量)：系统输出量的要求值 被控量(输出量)：被控系统所控制的物理量 反馈量：与输出成正比或成某种函数关系,与给定 量有相同量纲和数量级的信号 偏差量：给定量与主反馈量之差 控制量：作用于被控对象的信号 扰动量：对系统输出量有不利影响的输入量 被控对象：被控制的机器、设备或生产过程,控制系统中的常用术语,1、定义：如果系统的输出量不参与对系统的控制，则称为开环控制。 2、开环控制系统的特点： 优点：线路简单、成本低、工作稳定 缺点：控制精度低 3、例子：直流电动机转速开环控制系统,一、开环控制,第二节 开环控制与闭环控制,直流电动机转速开环控制

4、系统,1、定义：如果系统的输出量参与对系统的控制，则称为闭环控制。 2、闭环控制系统的特点 负反馈控制原理：将系统输出量引回输入端，与输入量相比较，利用所得偏差进行控制，使偏差减小或消除。 优点：具有较强的抗干扰能力，控制精度高 缺点：线路复杂、成本高，系统参数配合不当时，容易产生振荡甚至不稳定，使系统无法工作,二、闭环控制,直流电动机转速闭环控制系统,开环控制系统与闭环控制系统区别,(1)在开环系统中，只有从输入端到输出端从左向右的信号传递通道（前向通道）。闭环控制系统中除前向通道外，还必须有从输出端到输入端的信号传递通道（反馈通道），使输出信号也参与控制作用反馈通道。 (2) 闭环系统必须

5、有检测环节，给定环节和比较环节，才能得到偏差信号。 (3)闭环控制系统是利用偏差量作为控制信号来纠正偏差的，因此系统中必须具有执行纠正偏差这一任务的执行结构。,例 水位控制系统,开环控制系统,负反馈闭环控制系统,正反馈闭环控制系统,被控量是水池的水位高度h,出水量Q2为干扰量,闭环控制系统的框图组成,（1）测量元件：对系统输出进行测量并反馈到输入端，也称敏感元件。 （2）比较元件：对系统输出量与输入量进行比较后得到偏差（误差）信号，起信号的综合作用。 （3）放大元件：对微弱的偏差信号进行放大和变换，输出有足够功率和要求的物理量。 （4）执行机构：根据放大后的偏差信号，对被控对象执行控制任务，使

6、被控对象与希望值趋于一致。 （5）被控对象：指自动控制系统根据需要进行控制的机器、设备或生产过程 （6）校正装置：对系统的参数或结构进行调整，用于改善系统框图。,反馈控制系统方框图,练习,写出电位器位置随动系统的结构框图,一、按是否形成闭合回路分类: 1、开环控制系统 顺向作用，没有反向的联系，没有修正偏差能力，抗扰动性较差。结构简单、调整方便、成本低。在精度要求不高或扰动影响较小的情况下，这种控制方式还有一定的实用价值。 2、闭环控制系统 偏差控制，可以抑制内、外扰动对被控制量产生的影响。精度高、结构复杂，设计、分析麻烦。,第三节 自动控制系统的分类,二、按给定信号分类:,1、恒值控制系统：

7、 输入为常数，系统能排除扰动影响，使输出保持恒定不变。 2、随动控制系统： 输入是时间的未知函数，要求输出跟随输入信号变化。 3、程序控制系统： 输入量是时间的已知函数，要求输出以一定精度跟随输入信号变化。,三、按数学描述分类:,1、线性控制系统：用线性方程描述的系统 性质：1）组成系统的所有元件都是线性元件 2）具有齐次性和叠加性 2、非线性控制系统：用非线性方程描述的系统 性质：1）系统中只要有一个非线性元件就是非线性系统 2）不满足叠加原理,四、按时间信号的性质分类,1、连续时间系统：系统中所有信号都是连续函数形成的模拟量。 2、离散时间系统：系统中的信号至少有一处是以脉冲序列或数码形式

8、传递。,五、按系统输入输出信号的数量分类,1、单输入单输出系统： 只有一个输入量一个输出量的系统。 2、多输入多数出系统：有两个或两个以上的输入量或输出量的系统。,第四节 基本性能要求,性能：稳定性（长期稳定性）、准确性（精度）和快速性（相对稳定性）。 l稳定性：当系统受到扰动后，经过一定时间后，系统能够回到原来的平衡状态。 对系统的基本要求，不稳定的系统不能实现预定任务。 通常由系统的结构决定，与外界因素无关。,l 快速性：对过渡过程的形式和快慢提出要求，一般称为动态性能。 动态过程的类型：,(a)单调过程；,(b)衰减振荡过程；,(c)等幅振荡过程,(d)发散振荡过程,l为了满足生产过程的要求，我们希望控制系统的动态过程不仅是稳定的，并且希望过渡过程时间(又称调整时间)越短越好，振荡幅度越小越好，衰减得越快越好。但是有矛盾，如果要求过渡过程时间很短，可能使动态误差(偏差)过大。合理的设计应该兼顾这两方面的要求。 l 准确性：又称稳态精度，用稳态误差来表示。如果在给定信号作用下，当系统达到稳态后，其稳态输出与参考输入所要求的期望输出之差叫做给定稳态误差。显然，这种误差越小，表示系统的输出跟随参考输入的精度越高。,1、系统的绝对稳定性 2、系统具有好的动态性能和稳态性能 动态性能：稳动态过程平稳 快响应动作快 稳态性能：准 跟踪值准确,对控