【教学课件】第1章自动控制的一般概念.ppt

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1、第1章 自动控制的一般概念,本章主要内容及重点自动控制的基本原理自动控制系统示例自动控制系统分类对自动控制系统的基本要求,本章主要内容,本章介绍了自动控制理论的应用领域、发展过程和分类。通过一些控制系统实例讨论了手动控制、自动控制、自动控制系统的工作原理、方框图、系统分类等相关基本概念。最后介绍了本课程将要介绍的主要内容，以利于读者从总体上把握本课程的相关知识。,本章重点,要求深入理解手动控制与自动控制、自动控制系统及其工作原理与组成、方框图、开环控制与闭环控制、系统输入量与输出量的相关基本概念。掌握系统定性分析的方法。,(1-2),结束,1 自动控制的一般概念,1-1自动控制的基本原理与方式

2、,1、人工控制与自动控制：例1、水箱水位控制问题（T1-1）,一、自动控制和自动控制系统的概念,(1-3),结束,水位控制工作原理,人工控制：眼、脑、手、水箱+阀门,自动控制：传感器、控制器、执行器、水箱+阀门,被控对象,(1-4),结束,1.1 自动控制的一般原理和方式,控制过程的描述：流程图,假设Hc 浮子（测量出Hc，和整定的位置Hg作比较）阀门Q1Hc 一直进行到Hc Hg，偏差为零时控制结束，系统进入稳定状态为止。,假设Hc与整定的位置Hg 相等：H Hc Hg 0阀门开度不变Q1Q2HcHg，系统处于稳定状态,(1-5),结束,1.1 自动控制的一般原理和方式,例2、温控系统人工控

3、制,(1-6),结束,1.1 自动控制的一般原理和方式,例2、温控系统自动控制（P16T15）,(1-7),结束,1.1 自动控制的一般原理和方式,一、自动控制和自动控制系统的概念,2.自动控制理论 是研究自动控制系统组成，进行系统分析与设计的一般性理论，是研究自动控制过程共同规律的技术学科。,（1）自动控制 就是指在脱离人的直接干预，利用控制装置（简称控制器）使被控对象（或生产过程等）的某个物理量（如温度、压力、PH值等）准确地按照预期的规律运行。,（2）自动控制系统 是指实现上述控制目的，由相互制约的各部分按一定规律组成的具有特定功能的整体。控制系统控制器被控对象,(1-8),结束,1.1

4、 自动控制的一般原理和方式,二、自动控制理论的发展,1、经典控制理论(19世纪初始)研究的主要对象是单输入、单输出单变量系统。如：调节电压改变电机的速度；调整方向盘改变汽车的运动轨迹等。2、现代控制理论(20世纪60年代始)研究的主要对象是多输入、多输出多变量系统。如，汽车看成是一个具有两个输入（驾驶盘和加速踏板）和两个输出（方向和速度）的控制系统。计算机科学的发展，极大地促进了控制科学的发展,(1-9),结束,1.1 自动控制的一般原理和方式,经典控制理论与现代控制理论比较,(1-10),结束,1.1 自动控制的一般原理和方式,二、自动控制理论的发展,3、大系统控制理论(20世纪70年代 始

5、）大系统控制理论是一种过程控制与信息处理相结合的动态系统工程理论，研究的对象具有规模庞大、结构复杂、功能综合、目标多样、因素众多等特点。它是一个多输入、多输出、多干扰、多变量的系统。如：人体，我们就可以看作为一个大系统，其中有体温的控制、情感的控制、人体血液中各种成分的控制等等。大系统控制理论目前仍处于发展阶段。,(1-11),结束,4、智能控制(20世纪70年代 始)这是近年来新发展起来的一种控制技术，是人工智能在控制上的应用。它的指导思想是依据人的思维方式和处理问题的技巧，解决那些目前需要人的智能才能解决的复杂的控制问题。学派：结构派和功能派 它是一门新兴的控制学科，有些问题尚存有争议，然

6、而由于它实用性强，能运用人们的经验与技巧解决许多以往控制中难以解决的棘手问题（如建模等），因此得到了人们极大的重视。,(1-12),结束,二、自动控制理论的发展,自动控制理论已经发展为理论严密、系统完整、逻辑性很强的一门学科。从基本反馈控制原理发展到：自适应控制、优化控制、鲁棒控制、大系统控制、智能控制,讨论的对象：因果系统、工程系统系统的广义性：经济、社会、工程、生物、环 境、医学 课程特点：研究系统的共性问题,(1-13),结束,二、自动控制理论的发展,反馈：将输出量通过一定的方式送回到输入端，并对系统产生控制作用的过程称为反馈。负反馈：输入信号反馈信号（输出信号）输出偏差减小正反馈：输入

7、信号+反馈信号反馈控制闭环控制按偏差控制（负反馈）,三、反馈控制原理最基本的控制原理,(1-14),结束,1.1 自动控制的一般原理和方式,例3、龙门刨床速度控制系统,要求：工件加工过程中不允许刨床速度波动过大措施：利用速度反馈对刨床速度进行自动控制龙门刨床速度控制系统原理图：（详见P3图1-2）,(1-15),结束,1.1 自动控制的一般原理和方式,主（拖动）电动机SM 输入：电枢端电压 ua 输出：电动机速度 n测速发电机 TG+电位器 输入：n 输出：ut触发器CF+晶闸管整流器 KZ 输入：uk 输出：ua给定电位器 输出：uo放大器 FD 输入：U 输出：Uk,龙门刨床速度控制系统基

8、本部件及功能：,设 直流电动机SM的励磁恒定、外部负载 M t（调压调速）,(1-16),结束,1.1 自动控制的一般原理和方式,工作原理：系统方框图：用规定符号描述控制系统组成和 控制原理的 示意图。,(1-17),结束,1.1 自动控制的一般原理和方式,方框图中各符号的意义,(1-18),结束,1.1 自动控制的一般原理和方式,控制过程的描述：流程图,动态：假设扰动 n n(n0 n)Uk Ud n 一直进行到 n n0，偏差为零时控制结束，系统进入稳速运行状态为止。,稳态:假设n与给定转速n0 相等：n n0 n 0Uk=0Ud=Ud0nn0，系统处于稳速运行状态,(1-19),结束,1

9、.1 自动控制的一般原理和方式,四、反馈控制系统的基本组成,反馈控制系统：被控对象、控制装置（控制器）控制器：具有一定功能的各种基本元件（环节）的集合。,(1-20),结束,1.1 自动控制的一般原理和方式,四、控制系统的基本组成（1）,被控对象控制系统 测量元件 比较元件 控制装置 放大元件 执行机构 校正装置 给定元件,反馈系统一些基本概念,前向通路：从输入端沿箭头方向到输出端的传输通路主反馈通路：输出经过测量元件到达输入端的通路主回路：前向通路+主反馈通路内回路：局部前向通路+局部反馈通路单回路系统、多回路系统反馈控制系统受到的外部作用信号（输入量）参考（有用）输入（给定量、控制量）：决

10、定系统被控量 的变化规律扰动量：系统外扰动、系统内扰动,(1-22),结束,1.1 自动控制的一般原理和方式,闭环(反馈)控制系统的特点：,(1)系统内部存在反馈，信号流动构成闭回路(2)利用偏差实现控制作用,(1-23),结束,1.1 自动控制的一般原理和方式,开环系统举例：切削机床刀具进给控制P18T19,(1-24),结束,1.1 自动控制的一般原理和方式,五、自动控制系统的基本控制方式,1、闭环（反馈）控制方式：按偏差进行控制，较高的动静态控制性能；结构、线路复杂，系统分析与设计较复杂。2、开环控制（顺序控制）：系统输出量对系统的输入量不产生影响，结构简单、调整方便、成本低；抗扰性能较

11、差。3、顺馈（前馈）控制：预先控制(可测)按给定量控制（前馈）：针对给定量的变化预先进行补偿按扰动量控制（顺馈）：利用对扰动量的预处理实现对输出变化的抵消。,(1-25),结束,1.1 自动控制的一般原理和方式,小 结：,结构简单，不能“自动”调整内外扰动影响。可以采用对可测扰动的补偿提高控制质量,通过反馈进行自动控制，复杂，可能存在稳定问题。,开环系统,系统,有静差,无静差,闭环系统,有积分环节的存在,复合控制方式：（1）按偏差控制+按扰动补偿控制（2）按偏差控制+按给定补偿控制,(1-27),结束,1.1 自动控制的一般原理和方式,其它新控制方式：最优控制、预测控制、自适应控制、模糊控制、

12、神经网络控制等。,(1-28),结束,1.1 自动控制的一般原理和方式,控制系统的组成(2),(1-29),结束,1.1 自动控制的一般原理和方式,给定输入系统控制目标的反映，是人的意志的具体体现。控制系统主要完成对有关信号的变换、处理，发出控制 量，驱动执行机构完成控制功能。输出信号系统的控制结果，反映了被控对象的运行状态。,对系统组成的理解,从物理角度上看，自动控制研究的是特定激励作用下的系 统响应变化情况；从数学角度上看，研究的是输入与输出之间的映射关系。,(1-30),结束,1.1 自动控制的一般原理和方式,1-2自动控制系统示例,函数记录仪飞机-自动驾驶仪系统电阻炉微机温度控制系统锅

13、炉液位控制系统,(1-31),结束,函数记录仪,(1-32),结束,1.2 自动控制系统示例,函数记录仪方框图,火炮自动跟踪系统“火炮打飞机”,(1-34),结束,1.2 自动控制系统示例,飞机自动驾驶仪,(1-35),结束,1.2 自动控制系统示例,俯仰角控制系统方块图,(1-36),结束,1.2 自动控制系统示例,1-3 自动控制系统分类,5、按输入信号变化规律分：恒值控制系统随动控制系统程序控制系统,1、按数学分析方法分：线性、非线性系统,2、按系统信号形式分：连续、离散系统,3、按输入信号数量分：单输入/多输入,4、按控制方式分：开环控制、闭环控制、复合控制,6、按元件类型分：机械系统

14、、电气系统、机电系统、液压系统、气动系统、生物系统等。,一、线性连续控制系统：系统由线性元件构成，描述运动规律的数学模型为线性微分方程。,由系数判定时变系统：系数随时间而变定常系统：系数是实常数,式中：r(t)系统输入量；c(t)系统输出量,(1-38),结束,1.3 自控系统分类,线性系统主要特点,线性非线性判定线性系统：无变量或导数项的乘积或乘方项非线性系统：有变量乘积或变量乘方项,叠加性齐次性叠加原理,(1-39),结束,1.3 自控系统分类,线性时不变系统主要类型：,（1）恒值控制系统 参考输入是个常值，要求被控量也等于常值。扰动引起被控量偏离参考量而出现偏差。利用偏差产生控制作用，使

15、被控量恢复到给定常值，克服扰动的影响。（2）随动系统（或称伺服系统）参考输入预先未知，随时间任意变化，要求被控量以尽可能小的误差跟随参考输入量变化。,(1-40),结束,1.3 自控系统分类,目标跟踪雷达跟随目标,导弹导引雷达跟随目标 跟踪雷达（提前量）,导弹跟随导引雷达,例：防空导弹制导,(1-41),结束,1.3 自控系统分类,（3）程序控制系统参考输入是按预定规律随时间变化的函数，要求被控量迅速、准确地复现。,例1：龙门刨床工作台控制,(1-42),结束,1.3 自控系统分类,线性定常离散系统,二、非线性控制系统：在构成系统的环节中有一个或一个以上的非线性环节。,非线性系统的线性化：,(

16、1-43),结束,1.3 自控系统分类,(1-44),结束,1.3 自控系统分类,1-4 对自动控制系统的基本要求,一.对自动控制系统基本要求稳定性（稳）、准确性（准）、快速性（快）。“稳”与“快”是说明系统动态（过渡过程）品质。稳定性 是保证控制系统正常工作的先决条件线性系统的稳定性由系统本身的结构与参数所决定的，与外部条件无关。快速性 是系统在稳定的条件下，衡量系统过渡过程的形式和快慢，通常称为“系统动态性能”。调整时间、超调量,(1-45),结束,“准”是说明系统的稳态性能（静态品质）准确性 是在系统过渡过程结束后，衡量系统输出（被控量）达到的稳态值与系统输出期望值之间的接近程度。稳态误

17、差,(1-46),结束,1.4 自控系统基本要求,1 为什么要使用典型的输入信号？,2 典型的输入信号有哪几种？它们为什么是典型的？,3 典型的输入信号的数学模型、图象？,4 典型的输入信号相互关系如何？,系统的输入信号通常不会都是确定的，更不是典型的，使用典型的输入信号只是为了分析和设计的方便。采用典型的输入信号，可以使问题的数学处理系统化、简便化，,二.典型输入信号,1.4 自控系统基本要求,2.典型外部输入信号,（1）脉冲函数（-函数）（冲击信号、抽样信号）,极限,(1-48),结束,1.4 自控系统基本要求,（2）阶跃函数（信号）,（3）斜坡函数（信号）,(1-49),结束,1.4 自

18、控系统基本要求,（5）正弦函数（信号）,（4）抛物线信号（等加速度信号）,（6）指数信号,正弦函数输入下系统的稳态响应称系统的频率响应，由此形成了一整套控制系统的频率响应分析和设计方法,(1-50),结束,1.4 自控系统基本要求,典型信号之间的关系,(1-51),结束,1.4 自控系统基本要求,课 程 小 结,1.自动控制的一般概念 基本控制方式 控制系统的基本组成 控制系统的分类 对控制系统的要求 课程研究的内容2.要求掌握的知识点 负反馈控制系统的特点及原理 由系统工作原理图绘制方框图,本章习题,P1611，12，14（选）15，18，110,(1-53),结束,1 自动控制一般概念,谢谢！,