第一章 自动控制的一般概念.ppt

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1、自自 动动 控控 制制1本课程的主要内容1 自动控制基本理论2 自控控制算法分析 神经元算法、遗传算法、混沌、小波3 自控控制应用 DDC、PLC、单片机。2第1讲 自动控制的一般概念3引言所所谓谓自自动动控控制制，就就是是指指在在没没有有人人直直接接参参与与的的情情况况下下，利利用用外外加加的的设设备备（称称为为控控制制器器）操操作作被被控控对对象象（如如机机器器、设设备备或或生生产产过过程程）的的某某个个状状态态或或参参数数（称称为为被被控控量量）使使其其按按预预先先设设定定的的规规律律自自动动运运行行。如化工生产中合成氨反应塔内的温度和压力能够自动维持恒定不变，雷达跟踪和指挥仪所组成的防

2、空系统能使火炮自动地瞄准目标，无人驾驶飞机能按预定轨道自动飞行，人造地球卫星能够发射到预定轨道并能准确回收等等，都是应用自动控制技术的结果。4控控 制制 论论自动控制理论就是研究自动控制共同规律的技术科学，它的发展初期是以反馈理论为基础的自动调节原理，随着工业生产和科学技术的发展，现已发展成为一门独立的学科控制论。控制论包括工程控制论、生物控制论和经济控制论。5应用领域在科学技术飞速发展的今天，自动控制技术所起的作用越来越重要，无论是在宇宙飞船、导弹制导、雷达定位等尖端技术领域中，还是在机械制造工业、石油、化工、医药工业等的过程控制中，都有自动控制技术的应用，并且它所取得的成功都是巨大的。因此

3、，自动控制技术已成为现代社会生活中不可缺少的重要组成部分。6术 语自动控制对象 过程 系统 扰动 反馈控制反馈控制系统 随动系统 自动调整系统 过程控制系统7对象对象对象对象 是一个设备，它是由一些机器零件有机地组合在一是一个设备，它是由一些机器零件有机地组合在一起的，其作用是完成一个特定的动作。在下面的讨起的，其作用是完成一个特定的动作。在下面的讨论中，称任何被控物体（如加热炉、化学反应器或论中，称任何被控物体（如加热炉、化学反应器或宇宙飞船）为对象。宇宙飞船）为对象。过程过程过程过程 称任何被控制的运行状态称任何被控制的运行状态为过程，其具体例子如化为过程，其具体例子如化学过程、经济学过程

4、、生学过程、经济学过程、生物学过程。物学过程。系统系统系统系统 完成一定任务的一些完成一定任务的一些元、部件的组合。元、部件的组合。85 扰动扰动 扰动是一种对系统的输出产生不利影响的信号。如果扰动产生在系统内部称为内扰；扰动产生在系统外部，则称为外扰。外扰是系统的输入量。96 反馈控制反馈控制 反馈控制是这样一种控制过程，它能够在存在扰动的情况下，力图减小系统的输出量与参考输入量（也称参据量）（或者任意变化的希望的状态）之间的偏差，而且其工作正是基于这一偏差基础之上的。10 反馈控制系统是一种能对输出量与参考输入量进行比较，并力图保持两者之间的既定关系的系统，它利用输出量与输入量的偏差来进行

5、控制。应当指出，反馈控制系统不限于工程范畴，在各种非工程范畴内，诸如经济学和生物学中，也存在着反馈控制系统。7 7 反馈控制系统反馈控制系统反馈控制系统反馈控制系统11闭环控制与开环控制反馈控制系统开环控制系统闭环与开环控制系统的比较12反馈控制系统的基本组成反馈控制系统的基本组成 被控对象被控对象控制装置控制装置(由具有一定职能的各种基本元件组成由具有一定职能的各种基本元件组成)测量元件：其职能是测量被控制的物理量;给定元件：其职能是给出与期望的被控量相对应的系统输入量（即参据量）。比较元件：比较元件：把测量元件检测的被控量实际值与给定元件给出的参据量进行比较，求出它们之间的偏差。放大元件：

6、放大元件：将比较元件给出的偏差进行放大，用来推动执行元件去控制被控对象。执行元件：执行元件：直接推动被控对象，使其被控量发生变化。校正元件：校正元件：亦称补偿元件，它是结构或参数便于调整的元件，用串联或反馈的方式连接在系统中，以改善系统性能。13开环控制系统开环控制系统定义定义 如果系统的输出量与输入量间不存在反馈的通道，这种控制方式称为开环控制系统。14闭环控制闭环控制 凡是系统输出信号对控制作用有直接影响的系统，都称为闭环系统。输入信号和反馈信号（反馈信号可以是输出信号本身，也可以是输出信号的函数或导数）之差，称为误差信号误差信号，误差信号加到控制器上，以减小系统的误差，并使系统的输出量趋

7、于所希望的值，换句话说，“闭环”这个术语的涵义，就是应用反馈作用来减小系统的误差。15闭环控制系统 16闭环与开环控制系统的比较闭环控制系统的特点 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。开环控制系统的特点 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。17现代化的工厂18热力系统的例子热力系统的人工反馈控制19热力系统的自动反馈控制热力系统的自动反馈控制 20自动控制系统的分类自动控制系统的分类开环控制闭环控制(反馈控制)复合控制 按控制方式分21机械系统恒张力系统电气系统机电系统全自动照相机，光机 电结合液

8、压系统伺服液压缸，汽车发动机，大型的仿真模拟台气动系统 生物系统按元件类型分22按系统功用分温度控制系统压力控制系统位置控制系统23线性系统非线性系统连续系统定常系统时变系统确定性系统不确定性系统 按系统性能分离散系统24最优控制系统随动系统程序控制系统按参据量变化规律分25 有一发电机-电动机调速系统如图所示。其工作原理是操纵者转动操纵电位计的手柄，可使电位计的输出电压Ur改变大小和方向。经前置放大器和直流发电机两极放大，使加在伺服电机上的端电压也随之改变大小和方向。从而使负载具有所要求的转速。试说明该系统的被控量，并画出方块图。例题1-22627自动控制学科发展过程 随着生产的发展，控制技

9、术也在不断地发展，尤其是计算机的更新换代，更加推动了控制理论不断地向前发展。控制理论的发展过程一般可分为三个阶段：281.胚胎萌芽期（1945年以前）十八世纪以后，蒸汽机的使用提出了调速稳定等问题 1765年俄国人波尔祖诺夫发明了锅炉水位调节器 1784年英国人瓦特发明了调速器，蒸汽机离心式调速器 1877年产生了古氏判据和劳斯稳定判据十九世纪前半叶，动力使用了发电机、电动机 促进了水利、水电站的遥控和程控的发展以及电压、电流的自动调节技术的发展29十九世纪末，二十世纪初，使用内燃机 促进了飞机、汽车、船舶、机器制造业和石油工业的发展，产生了伺服控制和过程控制二十世纪初第二次世界大战，军事工业

10、发展很快 飞机、雷达、火炮上的伺服机构，总结了自动调节技术及反馈放大器技术，搭起了经典控制理论的架子，但还没有形成学科。302.经典控制理论时期（1940-1960）1945年美国人Bode“网络分析与放大器的设计”，奠定了控制理论的基础。50年代趋于成熟主要内容 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313.现代控制理论时期（50年代末-60年代初）空间技术的发展提出了许多复杂控制问题，用于导弹、人造卫星和宇宙飞船上天Kalman“控制系统的一般理论”奠定了现代控制理论的基础 解决多输入、多输出、时变参数、高精度复

11、杂系统的控制问题324 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。331.2自动调节系统的调节品质 1 调节过渡 P82 调节品质指标34典型PID控制曲线35调节品质指标36调节品质指标37调节品质指标38调节品质指标3940对控制系统的性能要求 工程上常从稳、快、准三个方面来评价控制系统。稳：指动态过程的平稳性快：指动态过程的快速性准：指动态过程的最终精度41稳定性一个控制系统能正常工作的首要条件是系统必须是稳定的，由于控制系统是具有反馈作用的闭环系统，因此，系统有可能趋向振荡或不稳定，不稳定的系统是无法工作的

12、。稳定的控制系统在阶跃信号或扰动信号的作用下，其响应的暂态过程应该是收敛的。如果系统设计不当，则在阶跃信号下或扰动信号的作用下，相应的幅值振荡可能成为等幅振荡，甚至成为振幅逐渐增大的发散振荡，发生这种情况的系统称为不稳定系统。42快速性在实际控制过程中，不仅要求系统稳定，而且要求被控量能迅速按照输入信号所规定的形式变化，即要求系统具有一定的响应速度。由于系统中总包含一些惯性元件，因此在输入信号作用下，系统的响应总要经过暂态过程之后才能达到稳态。在控制系统的输出响应中，调整时间是直接反映系统响应快慢的一个指标，这将在后面第三章介绍。43准确性对于控制系统的准确性要求是控制系统设计中需要考虑的指标

13、之一，要求系统准确性（稳态精度）高，一般采用稳态误差来表示。系统在输入信号的作用下，其响应经过暂态过程进入稳态后，系统的输出量与希望值之间的误差，称为稳态误差。44自动控制理论的发展简史被控对象、被控量、控制装置和自动控制系统的基本概念三种控制方式，特别是闭环控制由系统工作原理图绘制方框图的方法，并能正确判别系统的控制方式系统常用的分类方法及分类，各类系统的含义和信息特征自动控制系统的基本要求知 识 点45 自动控制器通过比较实际液位与希望液位，并通过调整气动阀门的开度，对误差进行修正，从而保持液位不变。根据控制系统的方框图，试画出相应的人工操纵液位控制系统方块图。例题1-1 液位控制系统原理图464748