【教学课件】第1章自动控制原理.ppt

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1、自动控制原理,上课周期：,（共80学时）,学习本门课程的主线,所需已知条件,1.自动控制原理（宋丽蓉）机械工业出版社 2004,2.自动控制原理（李友善）国防工业出版社 2001,3.自动控制原理（顾树生）冶金工业出版社 2004,参考文献,基本要求：,上课认真听讲，做好课堂纪录;做到当堂知识当堂消化，课后少量时间复习，并做好下次课的预习;不要不懂装懂，不明白的要尽早解决;尽量每次课参加，有事情要提前写好请假条;每次上课带好作业本和练习纸，随机考试;学习自控原理课程的特殊性（定向）;,主要掌握的九大专题,高等数学的基础知识、MATLAB系统仿真及拉氏变换等自控原理的基本概念控制系统的框图、信号

2、流图变换及梅逊公式控制系统的稳定性、稳态误差的分析绘制根轨迹的方法绘制频率特性曲线、及分析系统的稳定性非线性系统稳定性分析方法采样控制系统的脉冲传递函数求解、稳定性分析线性系统的状态空间分析与综合,考试注意事项,1、考试时间：十四周一结课，考试初定15周,2、考试成绩构成：总成绩100%=期末考试（60%）+平时（20%）+实验成绩（20%）,3、答疑时间：每周三下午E306,4、课程性质：必修考试课学分：5分,说明：*平时成绩20%分配：1、点名及作业完成情况（5分）：根据学生手册要求，点名3次不到者取消考试资格。全勤及作业完成良好生：5分 事假及病假：提前请假不扣分；事后请假扣3分/次；病

3、假要有医院诊断书及相关证明。辅导员假条无效。2、课堂提问（2分）：包括思考题、课后复习等内容。3、随堂测试（3分）：计入平时成绩。4、要求每位学生要准备课堂记录本，每次课做好记录，随机 抽查，结果记录平时成绩。（10分）,说明：实验安排时间初定7-10周周三下午5-8节实验成绩20%分配：1、课前提问（6分）：对实验的预习内容及理论知识方面的 掌握。2、实验表现（10分）：包括实验能力，实验态度，实验完成 的快慢，实验接线等情况评分。3、实验结果（4分）：实验报告的书写，实验结果的正确程 度等评分。注意：实验不参加或者缺席者取消考试资格。,教师联系方式：,姓名：满 红办公室：E306Email

4、:Tel:,网址：课件邮箱：,第1章 自动控制的一般概念,1.1 自动控制的基本概念与方式1.2 自动控制系统的分类1.3 对控制系统性能的基本要求及评价,1.1 自动控制的基本概念与方式,1.1.1 自动控制的基本概念,自动控制：在没有人直接参与的情况下，通过控制器，使被控对象或过程自动地按预定的规律运行。,应用：工业、农业、交通、国防、宇航、社会。,自动控制已成为现代社会活动中不可缺少的重要组成部分。,自动控制的优点：节省人力；,提高系统的精度；,可以完成人工控制系统无法完成的工作。,例1-1 恒压人工控制系统如图1-1所示。,图1-1 恒压人工控制装置,已知：在发电机转速n不变。系统要求

5、：保持发电机输出电压U不变。分析：当负载变化时，U变化。若采用人工控制：调节R,使if变化,保持U恒定。,自动控制：图中虚线框内所示。SD执行电机,例1-2 恒压自动控制系统如图1-2所示。,图1-2 恒压自动控制系统,采用自动控制方式能使系统具有较高精度和达到实时性等要求。,由上例可知，一个控制系统包括以下几个部分：被控对象；被控量；控制器；执行机构；给定量；检测装置。,图1-3 恒压自动控制系统结构框图,为方便分析恒压系统，用结构框图表示各部件之间的关系如下：,1.1.2 自动控制系统的基本控制方式,开环控制方式,控制装置与受控对象之间只有顺向作用而无反向联系时，称为开环控制。,图1-4

6、直流电动机转速开环控制系统,图1-5 直流电动机转速开环控制系统结构图,结构比较简单；,误差不能靠系统本身来克服；,开环系统的特点：,不存在稳定性问题。,闭环控制方式,系统的控制精度取决于各元件的精度及参数的稳定性；,控制装置与受控对象之间，不但有顺向作用，还有反向联系，即有被控量对控制过程的影响，这种控制称为闭环控制，相应的控制系统称为闭环控制系统。闭环控制又常称为反馈控制。,例1-4 图1-6是直流电动机转速闭环控制系统,图1-8 直流电动机转速闭环控制系统,图1-9 直流电动机转速闭环控制系统结构图,系统结构复杂，增加调试难度：稳定性是个重要问题。,抑制扰动能力强：能抑制内部或外部扰动对

7、系统的影响，可用低成本元件构成高精度系统；,闭环系统的特点：,利用偏差消除偏差；,闭环控制系统的反馈原理就是将系统的被控量以负反馈的形式与给定量进行比较,并利用偏差来不断消除偏差的控制过程。,复合控制方式,把按偏差控制和按扰动控制结合起来,是一种比较合理的控制方式.这种按偏差控制和按扰动控制相结合的控制方式称为复合控制方式.下图表示的是电动机速度的复合控制系统的方块图.,图1-10 电动机速度复合控制系统,1.2 自动控制系统的分类,自动控制系统有多种分类方法：,1.按照描述系统性能的动态方程来分，可分为线性系统和非线性系统。,2.按照系统中信号在传递过程中的特点分，可分为连续系统和离散系统。

8、,3.按照系统输入信号的变化规律分，可分为恒值系统、随动系统和程序控制系统。,一、线性系统和非线性系统,1)线性系统可用线性微分方程（或差分方程）来描述，即其各项系数均与变量无关.,(1)线性定常连续系统微分方程式的一般形式为：,(1-1),系数a0,a1,an,b0,b1,bm是常数时,称为线性定常系统；,系数a0,a1,an,b0,b1,bm随时间变化时,称为线性时变系统。,2)非线性系统可用非线性微分方程（或差分方程）描述,非线性方程的特点是系数与变量有关,或者 方程中含有变量及其导数的高次幂或乘积项。例如：,(1-3),(2)线性定常离散系统差分方程式的一般形式为：,(1-2),二、连

9、续系统和离散系统,从系统中的信号来看，若系统各部分的信号都是时间的连续函数即模拟量，则称此系统为连续系统。若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，则称之为离散系统。若离散系统中既有离散信号又有模拟量，亦称之为采样系统。,图1-11 计算机控制系统,三、恒值系统、随动系统和程序控制系统 1、若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，此类系统称为恒值系统。例如：电动机速度控制、恒温、恒压、水位控制等。2、若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，则此类系统称为随动系统。例如：火炮自动跟踪系统、轮舵位置控制系统等。3、若系统

10、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，则此类系统称为程序控制系统。例如：数控伺服系统以及一些自动化生产线等。,四、其他类型系统,根据系统元件的类型，还可分为：机电控制系统、液压控制系统、气动系统以及生物系统等；根据系统的功能作用，可分为 温度控制系统、压力控制系统、位置控制系统等。,1.3 对自动控制系统的基本要求,在已知系统的结构和参数时,在某种典型输入信号下,其被控量变化的全过程,且对全过程提出的共同基本要求都是一样的.,1.3.1 控制系统基本要求的提法,1、稳定性2、快速性3、准确性,稳定性,稳定性是保证控制系统正常工作的先决条件.,线性自动控制系统的稳定性是由系统的

11、结构和参数所决定,与外界因素和初始条件无关.,不稳定系统是无法正常工作的。,图1-11 稳定系统 图1-12 不稳定系统,快速性,控制系统不仅要稳定,还必须对其过渡过程的形式和快慢提出要求,一般称为动态性能,其中包括过渡过程时间(即快速性)和最大振荡幅度(即超调量).,图1-13 控制系统的快速性及稳态精度示意图,准确性,理想情况下,当过渡过程结束后,被控量达到的稳态值(即平衡状态)应与期望值一致.但实际上,由于系统结构、外作用形式以及摩擦、间隙等非线性因素的影响,被控量的稳态值与期望值之间会有误差存在,称为稳态误差.,图1-14 无差系统 图1-15 有差系统,衡量控制系统的稳、快、准等性能

12、指标有一定的参考标准，即控制系统性能的评价指标是否达到设计要求。,控制系统性能的评价指标分为动态性能指标和稳态性能指标，它们是用来衡量控制系统输出量随着时间变化的基本标准。,1.3.2 对控制系统性能的评价,表1-1 典型输入信号,1.典型外作用,在控制工程设计中常用的典型输入信号有：阶跃函数、斜坡函数(又称速度函数)、加速度函数（又称抛物线函数）、单位脉冲函数和正弦函数。,阶跃函数,(1-4),斜坡函数,(1-5),正弦函数,(1-6),图1-16 典型外作用(a)阶跃函数；(b)斜坡函数；(c)正弦函数,2.线性控制系统阶跃响应的性能指标,图1-17 稳定系统的阶跃响应,最大超调量%,(1

13、-7),评价系统输出响应的稳定性、快速性和准确性。,本 章 小 结,1、自动控制就是在没有人直接参与的情况下，利用控制装置操纵受控 对象，使被控量等于给定值。2、自动控制的基本方式有开环控制和闭环控制两种。开环控制实行起 来简单，但抗扰动能力较差，控制精度也不高。自动控制原理中主 要讨论闭环控制方式，其主要特点是抗扰动能力强，控制精度高，但存在能否正常工作，即稳定与否的问题。3、对自控系统的基本要求：控制系统首先必须是稳定的；稳定后才能 分析准确性，系统的稳态控制精度要高，即稳态误差要小；系统的 动态性能要好，即系统的单位阶跃响应过程要平稳，响应速度要 快。4、系统的输入信号主要介绍阶跃函数，斜坡函数和正弦函数三种。自动控制系统单位阶跃响应性能指标有上升时间tr、峰值时间tp、超 调量p、调节时间ts、振荡次数、稳态误差ess等，常用超调量 p、调节时间ts和稳态误差ess来评价控制系统的稳、快、准等性能 指标。,作业,P14,1-11-21-3,