《自控课后题》PPT课件.ppt

第1章 自动控制的基本概念,自动控制原理Principles of Automatic Control,普通高等教育“十一五”国家级规划教材,机械工业出版社,Chapter 1 Fundamental Concepts of Automatic Control,本课程64学时【8学时实验】,16周学完必修考试课，成绩考核：期末试卷成绩占总成绩的80%，考勤及作业占10%，实验占10%。,参考教材：“自动控制原理”孟华主编 机械工业出版社,自动控制原理,3,第1章 自动控制的基本概念,本章介绍自动控制的基本概念、自动控制系统的构成和特点、自动控制系统的几种类型等。,1.1 概述1.2 自动控制的基本原理1.3 控制系统的分类1.4 对控制系统的性能要求习 题,自动控制原理,4,20世纪40年代“经典控制理论”(Classical Control Theory)正式诞生，代表作是维纳（Wiener）1948年发表的控制论（Cybernetics or Control and Communication in the Animal and Machine）。“经典控制理论”以传递函数(transfer function)为数学工具，研究对象主要是一类线性的单输入单输出自动控制系统(linear SISO automatic control systems)。60年代初，第一颗人造卫星上天，太空飞船成功登月，催生了“现代控制理论”(Modern Control Theory)。“现代控制理论”以状态空间法(state-space method)为基础，主要研究非线性、时变、多输入多输出自动控制系统(nonlinear time-variant MIMO automatic control systems)的分析analysis和设计design问题。,1.1 概述 Introduction to Automatic Controls,the regulator of Heron of Alexandria 调节器工作方式如下：火，作为系统的输入，加热祭坛底部的空气，热（膨胀的）空气将水从中容器（罐1）推到桶（罐2）中。罐1的位置是固定的，桶由缠绕在门轴上的绳索吊起来，W为配重，当桶为空时，在配重W作用下，门关闭。当桶中有适量的水时，向下移动，而配重W向上移动，门被自动打开。当火被熄灭时，水从桶中回流到罐1，配重W向下移动，大门自动关闭。,自动控制系统简要的历史回顾Historical Review,Watts centrifugal speed regulator,控制应用始于18世纪下半叶，1769年詹姆斯瓦特James Watt发明了第一台离心式调速器，广泛用于机车控制。特别是，用来控制蒸汽发动机的转速。实现如下：随着蒸汽机角速度的增大，离心力推动小球向上，蒸汽阀门关小。随着蒸汽阀门关小，从锅炉进入引擎的蒸汽减少，蒸汽机的角速度减小。反之，随着蒸汽机角速度的下降，小球向下，蒸汽阀门开大，进入发动机的蒸汽量增加，角速度增加。通过这种方式，调节发动机转速。,瓦特的离心调速器,Table Selected Historical Developments of Control Systems,自动控制系统是由各部分元件构成的有机整体，自动地按照预定规律完成某种任务。当今的机器和设备，或全部或部分为自动化产品。如冰箱、热水器、洗衣机、电梯、遥控电视，世界范围内的电话通讯系统，互联网等。工业生产也全部或部分自动化，如：食品、造纸、水泥、汽车等行业。控制应用的实例还包括其他领域：电厂、(核和化学)反应堆、运输系统(汽车、飞机、船舶、直升机、潜水艇、等等)，机器人(装配、焊接等)，武器系统(火控系统、导弹等)、电脑打印机、磁盘驱动器、磁带等)，农业(温室、灌溉等)，以及许多其他方面，如位置或速度、温度、电压、压力、液面、交通的控制、办公自动化、计算机集成制造、建筑物的能源管理、楼宇自动化等。结论：自动控制已用于人类技术活动的所有领域，对现代技术进步做出了贡献。,PRACTICAL CONTROL EXAMPLES,1 Position Control System or Position Servomechanism,2 Metal Sheet Thickness Control System,3 Liquid-Level Control,4 Aircraft Wing Control System,该系统设计成使飞机机翼边缘的倾角由飞行员手动控制操纵杆控制。系统工作如下：当操纵杆推到一个新位置时，电位器P的位置的变化，在A、B两点间产生电位差，这一电位差作用于电磁铁，液压伺服阀电机阀门的活塞移动。阀门的移动使压力油进入动力缸并推动其活塞左、右移动，使飞机的机翼向下或向上。这样，飞行员可以控制机翼的倾角。,5 Missile Direction Control System,6 Remote Robot Control,7 A three-axis control system for inspecting individual semiconductor wafers with a highly sensitive camera,采用高敏感度照相机检测半导体晶片的三轴控制系统,8 Boilergenerator control system,锅炉-发电机控制系统,9 Automobile steering control system,11 Laser Eye Surgery Control System,飞机示意图,给定电位器,反馈电位器,给定装置,放大器,舵机,飞机,0,c,扰动,俯仰角控制系统方块图,飞机方块图,垂直陀螺仪,反馈电位器,自动控制原理,22,1.2 自动控制的基本原理 Principles of Automatic Control,1.2.1 自动控制系统举例(1)温度控制系统,自动控制原理,23,1.2 自动控制的基本原理,自动控制原理,24,1.2 自动控制的基本原理,被控对象control plant：它接受控制量并输出被控量（加热炉）测量装置measuring：它把被控对象的被控量检测出来（热电偶）比较装置comparator：它把测量信号与给定信号比较，得到偏差（比较电路）计算装置calculating：可以进行复杂运算，决定系统性能的好坏 放大器装置amplifier：经过计算处理的信号通常是弱信号，不能驱动被控制对象，由它进行放大（放大器）执行装置implementing：它推动被控对象的被控量发生变化（电动机）,自动控制原理,25,1.3 控制系统的分类Classification of Control Systems,1.3.1 按信号传递路径signal transfer path分类(1)按给定值操作的开环控制系统(Open-loop system without the measurement of disturbances)(2)按干扰补偿的开环控制系统(Open-loop system with the measurement of disturbances)(3)按偏差调节的闭环控制系统(Closed-loop system),自动控制原理,26,1.3 控制系统的分类（续）,(4)复合控制系统(Mixed or combined system)1.3.2 按输入信号特征 input signals 分类(1)恒值Constant控制系统(2)程序Programming控制系统(3)随动Tracking控制系统（又称伺服Servo系统）,自动控制原理,27,1.3 控制系统的分类（续）,(1)线性linear系统 线性系统中各元件的静特性为直线。线性系统有两个重要特性叠加性和齐次性 1)叠加性superposition：如果用c1(t)表示由r1(t)产生的输出，用c2(t)表示由r2(t)产生的输出，则当r1(t)和r2(t)同时作用时，输出量为c1(t)+c2(t)。2)齐次性homogeneity：如果用c(t)表示由r(t)产生的输出量，则在Kr(t)作用下的输出量为Kc(t)。,1.3.3 按系统数学模型Mathematical Models分类,自动控制原理,28,1.3 控制系统的分类（续）,(2)非线性non-linear系统 系统中只要某一部件具有非线性特性就是非线性系统。非线性系统的特点是不满足叠加原理。图中分别为继电器、死区、饱和、间隙特性，还有大量的其它非线性特性。(a)(b)(c)(d),自动控制原理,29,1.3 控制系统的分类（续）,(1)连续时间time continuous系统：控制系统中各环节的输入量和输出量均为时间t的连续函数(2)离散时间time discrete系统：系统中只要一处信号是脉冲序列或数字编码 1.3.5 按系统参数parameters特性分类(1)定常constant(time invariant)系统 系统参数在系统运行过程中相对于时间是不变的(2)时变time variant系统 系统参数是时间t的函数,1.3.4 按时间变量variables of time特性分类,自动控制原理,30,1.4 对控制系统的性能要求,1.4.1 稳定性 当系统受到干扰后，系统的输出c(t)可能出现增幅振荡或单调增长现象，这种现象称为不稳定instability现象，这样的系统称为不稳定系统unstable systems。当系统受到干扰后，能够恢复到原来的工作状态，则这样的系统是稳定的，称为稳定系统stable systems。,(b),(a),自动控制原理,31,1.4 对控制系统的性能要求,1.4.2 动态性能指标 当系统输入信号input signal r(t)为阶跃函数step function 时，其输出output信号c(t)称为阶跃响应step response。图为某自动控制系统在阶跃输入r(t)作用下的输出响应曲线c(t)。在控制系统稳定的前提下，总是希望响应越快越好Respond as rapidly as possible，而且超调量overshoot越小越好。,自动控制原理,32,1.4 对控制系统的性能要求,1.4.3 稳态误差static state errors 控制系统在稳定的情况下，希望输出与实际输出之差称为误差，误差的稳态分量称为稳态误差（或称为静态误差），一般用ess表示。,自动控制系统的性能指标分别描述了系统在稳定性stability、动态性能dynamics、稳态性能static state characteristics三个方面的要求，根据这些性能指标，就可以判别系统性能的优劣。,液位控制系统,控制器,减速器,电动机,电位器,浮子,用水开关,Q2,Q1,c,if,SM,