自动控制原理课件黄坚第一章.ppt

第一章 概述,第二节 自动控制系统的分类,第一节 自动控制与自动控制系统,第四节 自动控制理论发展简述,第三节 对控制系统性能的要求,第一章 概述,本章重点,自动控制的任务；自动控制的基本方式；控制过程及性能要求；,第一节 自动控制与自动控制系统,一、自动控制的基本概念,二、控制系统的基本构成 及控制方式,第一章 概述,第一节 自动控制与自动控制系统,一、自动控制的基本概念,自动控制：,自动控制系统,控制装置,受控对象,在无人直接参与下，利用控制装制操纵受控对象，使受控对象的被控量按给定信号变化。,自动控制示意图,分析和设计自动控制系统的性能。,自动控制原理的主要任务：,在自动控制技术中，把被控的设备或过程称为被控对象，把被控制的物理量称为被控量，决定被控量的物理量称为给定值或控制量（或参考输入）。控制的任务可概括为：克服扰动量的影响，使被控对象的被控量等于给定值。,下面通过具体例子来说明自动控制和自动控制系统的概念,水位自动控制系统,控制任务：,维持水箱内水位恒定；,控制装置：,气动阀门、控制器；,受控对象：,水箱、供水系统；,被控量：,水箱内水位的高度；,给定值：,控制器刻度盘指针标定的预定水位高度；,测量装置：,浮子；,比较装置：,控制器刻度盘；,干扰：,水的流出量和流入量的变化都将破坏水位保持恒定；,例 水温自动控制系统,系统组成：,控制器,电机,加入给定信号,工作原理：,检测实际温度,产生控制信号,通过电机调节阀门的开度,从而调节蒸汽流入，控制水的温度.实现没有人直接参与的自动水温控制.,第一节 自动控制与自动控制系统,由此可见：自动控制即没有人直接参与的控制，其基本任务是：在无人直接参与情况下，只利用控制装置操纵被控对象，使被控制量等于给定值。,为了方便地分析系统性能，一般用框图来表示系统的结构，如图所示:,要使自动控制系统满足工程实际的需要,必须研究自动控制系统的结构参数与系统性能之间的关系。,第一节 自动控制与自动控制系统,二、自动控制系统的基本构成及控制方式,1开环控制,有顺向作用而无反向联系.,自动控制系统一般有两种基本控制方式.,开环控制,控制装置与受控对象之间只,第一节 自动控制与自动控制系统,按给定值操纵的开环控制；按干扰补偿的开环控制。,计算,执行,受控对象,给定值,干扰,被控量,按给定值操纵的系统原理方块图,一、按给定值操纵的开环控制,炉温控制系统,炉温控制系统原理方框图,例 转台速度开环控制系统,这种转台在CD机、计算机磁盘驱动器等现代装置中广泛应用.,转台,电机,电源和放 大装置,速度设置,系统组成：,由图可见：,被控制量速度没有反馈到输入端与给定信号比较,为开环控制系统。,第一节 自动控制与自动控制系统,预期速度,实际转速,转台速度开环控制系统结构图:,按给定值操纵的开环控制,特点：控制装置只接受给定值来控制受控对象的被控量。,优点：控制系统结构简单，相对来说成本低。,缺点：对可能出现的被控量偏离给定值的偏差没有任何修正能力，抗干扰能力差，控制精度不高。,二、按干扰补偿的开环控制,定义：利用干扰信号产生控制作用，以及时补偿干扰对被控量的直接影响。,计算,测量,受控对象,执行,干扰,被控量,特点：只能对可测干扰进行补偿，不可测干扰以及受控对象、各功能部件内部参数变化对被控量的影响，系统自身无法控制。适用于：存在强干扰且变化比较剧烈的场合。,水位高度控制系统原理图,水位高度控制系统原理方框图,系统结构和控制过程均很简单，但抗扰能力差，控制精度不高，故一般只能用于对控制性能要求较低的场合。,开环控制的特点：,第一节 自动控制与自动控制系统,2闭环控制,有顺向作用，而且还有反向联系.,闭环控制:,控制装置与受控对象之间，不但,闭环控制又称为反馈控制或按偏差控制。,当实际速度受扰动的影响发生变化时，通过系统的调节，从而消除扰动对速度的影响。,转台速度闭环控制系统结构图,第一节 自动控制与自动控制系统,例 转速负反馈直流电动机调速系统,直流电机,测速发电机,电源和放 大装置,负载,系统组成：,Un,Uf,给定电压,反馈电压,e=Un-Uf,转速取决于给定电压与反馈电压的差值。,第一节 自动控制与自动控制系统,调速系统结构图,由电网电压波动，负载变化以及其他部分的参数变化所引起的转速变化，都可以通过系统的自动调整加以抑制。,n,Uf,e,Ud,n,减小或消除由于扰动所形成的偏差值，具有较高的控制精度和较强的抗扰能力。,闭环控制系统具有的特点：,第一节 自动控制与自动控制系统,3复合控制,测量出外部作用，形成与外部作用相反的控制量与外部作用共同使被控量基本不受影响。,前馈补偿控制,复合控制具有两种基本形式.,前馈补偿控制：,复合控制：,反馈控制,+,第一节 自动控制与自动控制系统,(a)按输入前馈补偿的复合控制,第一节 自动控制与自动控制系统,(b)按扰动前馈补偿的复合控制,第一节 自动控制与自动控制系统,第二节自动控制系统的分类,一、线性系统和非线性系统,自动控制系统的分类方法较多，常见的有以下几种,由线性微分方程或线性差分方程所,描述的系统称为线性系统；由非线性方,程所描述的系统称为非线性系统。,第一章 概 述,二、定常系统和时变系统,定常系统:,若系统线性微分方程的系数为常数，则称之为线性定常系统。此类系统为本书主要讨论对象。,系统数学模型微分方程的系数不是时间变量的函数。,否则称为时变系统。,第二节自动控制系统的分类,三、连续系统和离散系统,连续系统：,系统中各部分的信号都是时间的连续函数即模拟量。,离散系统：,系统中有一处或多处信号为时间的离散函数，如脉冲或数码信号。,若系统中既有模拟量也有离散信号，则又可称之为采样系统。,第二节自动控制系统的分类,四、恒值系统、随动系统和 程序控制系统,系统的给定值为一定值，而控制任务就是克服扰动，使被控量保持恒值。,例如：电机速度控制、恒温、恒压、水位控制系统等。,恒值系统：,第二节自动控制系统的分类,随动系统：,系统给定值按照事先不知道的时间函数变化，并要求被控量跟随给定值变化。,第二节自动控制系统的分类,程序控制系统：,系统的给定值按照一定的时间函数变化，并要求被控量随之变化。,第三节 对控制系统性能的要求,常见的评价系统优劣的性能指标是从动态过程中定义出来的。对系统性能的基本要求有三个方面。,二、快速性,一、稳定性,三、准确性,第一章 概 述,系统受外作用力后,其动态过程的振荡倾向和系统恢复平衡的能力。,一、稳定性,第三节 对控制系统性能的要求,稳定性：,如果系统受外作用力经过一段时间，其被控量达到某一稳定状态，则系统是稳定的。,否则为不稳定的。,稳定系统的动态过程,1,r(t),c(t),不稳定系统的动态过程,(a)给定信号作用,c(t),(b)扰动信号作用,r(t),c(t),d(t),不稳定的系统是无法正常工作的。,通过动态过程时间长短表征。时间越短，表明快速性越好，反之亦然。,二、快速性,第三节 对控制系统性能的要求,r(t),c1(t),c2(t),快速性表明了系统输出对输入响应的快慢程度,由输入给定值与输出响应的终值之间的差值ess大小表征。,三、准确性,第三节 对控制系统性能的要求,r(t),c(t),ess,稳定性、快速性和准确性往往是互相制约的。在设计与调试的过程中,若过分强调某方面的性能,则可能会使其他方面的性能受到影响.,怎样根据工作任务的不同,分析和设计自动控制系统，使其对三方面的性能有所侧重，并兼顾其它正是自控原理课程要解决的问题。,第三节 对控制系统性能的要求,自动控制理论研究的是如何按受控对象和环境特征，通过能动地采集和运用信息，施加控制作用使系统在不确定的条件下正常运行并具有预定功能。它是研究自动控制共同规律的技术科学，其主要内容涉及受控对象、环境特征、控制目标和控制手段以及它们之间的相互作用。,第四节自动控制理论发展简述,第一章 概 述,具有“自动”功能的装置自古有之，瓦特发明的蒸汽机上的离心调速器是比较自觉地运用反馈原理进行设计并取得成功的首例。麦克斯韦对它的稳定性进行分析，于1868年发表的论文当属最早的理论工作。从20世纪20年代到40年代形成了以时域法，频率法和根轨迹法为支柱的“古典”控制理论。,第四节自动控制理论发展简述,60年代以来，随着计算机技术的发展和航天等高科技的推动，又产生了基于状态空间模型的所谓“现代”控制理论。,随着自动化技术的发展，人们力求使设计的控制系统达到最优的性能指标，为了使系统在一定的约束条件下，其某项性能指标达到最优而实行的控制称为最优控制。,第四节自动控制理论发展简述,第四节自动控制理论发展简述,当对象或环境特性变化时，为了使系统能自行调节，以跟踪这种变化并保持良好的品质，又出现了自适应控制。,各种理论中仍是古典频率法最为适用。真正优良的设计必须允许模型的结构和参数不精确并可能在一定范围内变化，即具有鲁棒性。这是当前的重要前沿课题之一。,第四节自动控制理论发展简述,另外，使理论实用化的一个重要途径就是数学模拟（仿真）和计算机辅助设计（CAD）。,近年来，在非线性系统理论、离散事件系统、大系统和复杂系统理论等方面均有不同程度的发展。智能控制也得到了很快的发展，它主要包括专家系统、模糊控制和人工神经元网络等内容。,总之，自动控制理论正随着技术和生产的发展而不断发展，而它反过来又成为高新技术发展的重要理论根据。本书所介绍的内容是该理论中最基本的也是最重要的内容，即古典控制理论部分。它在工程实践中用得最多，也是进一步学习自动控制理论的基础。,第四节自动控制理论发展简述,