自动控制与自动控制系统.ppt

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1、自动控制与自动控制自动控制与自动控制系统系统例例1-1 水箱的水位控制系统 控制要求：水箱的水位保持一定的高度 控制原理：若水位比要求的水位高，则操纵控制阀，使其开度减小；若水位比要求的水位低，则使控制阀开度增大 水箱是被控对象 要求的水位高度是给定量或称系统输入量 实际高度是被控制量或称输出量 出水量、进水压力等为扰动量 控制阀是执行元件 实际水位下降，浮子下移，通过杠杆机构使控制阀开度增大 实际水位上升，浮子上移，推动杠杆机构使控制阀开度减小 控制要求：水箱的水位保持一定的高度 工作原理：浮子及杠杆机构起测量比较作用 将系统输出量与输入量进行比较的控制方式称为反馈控制方式 例例1-2 位置

2、控制系统 控制要求：输出量跟随输入量 工作原理：电动机负载齿轮机构 负载是被控对象 输入量 输出量 负载及电网电压变化等为扰动量 电动机和传动机构是执行元件 电桥、电压放大器、功率放大器 等 为控制装置系统中包含局部反馈-速度负反馈例例1-3 热压炉温度控制系统 控制要求：保持炉内温度为设定值 例例1-4 机器人机械手的计算机控制 1.2 自动控制系统的组成自动控制系统的组成自动控制系统的组成 自动控制系统是由各种结构不同的元部件组成的。从完成自动控制这一职能来看，一个系统必然包含被控对象和控制器两大部分，而控制器是由具有一定职能的各种基本元件组成的。在不同系统中，结构完全不同的元部件却可以具

3、有相同的职能。因此，将组成系统的元部件按职能分类主要由以下几种。1.被控对象 被控制的机器、设备或生产过程。被控制的物理量称为输出量或被控量。2.测量元件 其职能是检测被控制的物理量，如果这个物理量是非电量，一般再转换为电量。3.比较元件 其职能是把测量元件检测的被控量实际值与给定元件给出的输入值进行比较，求出它们之间的偏差。常用的比较元件有差动放大器、机械差动装置、电桥电路等。4.放大元件 其职能是将比较元件给出的偏差信号进行放大，用来推动执行元件去控制被控对象。5.执行元件 其职能是直接推动被控对象，使其被控量发生变化。用来作为执行元件的有阀、电动机、液压马达等。6.校正元件 也叫补偿元件

4、，它是结构或参数便于调整的元件，用串联或反馈方式连接在系统中，以改善系统的性能。测量元件、比较元件、放大元件、执行元件和校正元件的组合构成系统的控制器。因而，一般认为自动控制系统是由控制器和被控对象两部分组成。自动控制系统原理方框图的绘制自动控制系统原理方框图的绘制 由自动控制系统的原理图绘制原理方框图时，首先需要分析自动控制系统的工作原理，明确：1.系统的被控对象是什么？被控制量是什么？2.系统的参考输入信号是什么？3.哪个元件是控制元件？控制信号是什么？4.哪个元件是执行元件？5.哪个元件是测量元件？主反馈信号是什么？局部反馈信号是什么？6.系统中有哪些扰动信号？主扰动信号是什么？自动控制

5、的基本方式自动控制的基本方式 开环控制和闭环控制1.3自动控制的基本方式开环控制系统如图为了改善开环控制系统性能，有时采用基于补偿的控制方法：基于扰动补偿的开环控制如图基于输入补偿的开环控制如图 闭环控制 系统中有测量元件测量输出量，并将其反馈到系统输入端与输入量相减，形成误差信号，用以控制输出量，使其达到希望值，这样的系统称为闭环控制系统或负反馈控制系统.优点：(1)减小前向通道元件参数变化对系统性能的影响。（2）负反馈可以减小扰动信号对系统性能的影响。（3）可以改善系统动态和稳态性能。1.4 自动控制系统的分类 自动控制系统有多种分类方法。例如，按控制方式可分为开环控制、闭环控制、复合控制

6、等；按元件类型可分为机械系统、电气系统、机电系统、液压系统、气动系统生物系统等；按系统功用可分为温度控制系统、压力控制系统、位置控制系统；按系统性能可分为线性系统和非线性系统、连续系统和离散系统、定常系统和时变系统、集总参数系统和分布参数系统、确定系统和不确定系统等；按输入量变化规律可分为定值控制系统（镇定系统）、随动系统和程序控制系统等。线性连续控制系统：线性连续控制系统：这类系统可用线性微分方程描述，其一般形式为：式中，c(t)是被控量，r(t)是输入量。系数a0、a1、，b0、b1、为常数时，系统称为线性定常系统，系数a0、a1、，b0、b1、随时间而变时，系统称为线性时变系统。线性定常

7、离散系统：线性定常离散系统：离散系统是指系统的某处或多处的信号为脉冲序列或数码形式，因而信号在时间上是离散的。这类系统可用差分方程描述，其一般形式为：非线性控制系统非线性控制系统 系统中只要有一个元部件的输入-输出特性是非线性的，这类系统就称为非线性系统，这时要用非线性微分（或差分）方程来描述其特性。非线性方程的特点是方程的系数与变量有关，或者方程中含有变量及其导数的高次幂或乘积项，例如：1.5 对自动控制系统的基本要求 基本要求的提法基本要求的提法 自动控制理论是研究自动控制共同规律的一门学科。尽管自动控制系统有不同的类型，对每个系统也都有不同的特殊要求，但对于各类系统来说，在已知系统的结构

8、和参数时，我们感兴趣的都是系统在某种典型输入信号下，其被控量变化的全过程。例如，对恒值控制系统是研究扰动作用引起被控量变化的全过程；对随动系统是研究被控量如何克服扰动影响并跟随输入量的变化过程。但是，对每一类系统被控量变化全过程提出的共同基本要求都是一样的，且可以归结为稳定性、快速性和准确性，即稳、快、准的要求。稳定性稳定性 稳定性是保证系统正常工作的先决条件。一个稳定的控制系统，其被控量偏离期望值的初始偏差应随时间的增长逐渐减小或趋于零。也就是说，控制器的控制作用应使误差逐渐减小。若控制不当，使误差逐渐变大，就形成了不稳定的控制系统，不稳定的控制系统是不能正常工作的。快速性快速性 为了很好完

9、成控制任务，控制系统仅仅满足稳定性要求是不够的，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。准确性准确性 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。稳态误差是衡量控制系统控制精度的重要标志，在技术指标中一般都有具体要求。鲁棒性鲁棒性1.6 自动控制系统与控制理论自动控制系统与控制理论 自动控制理论是一门论述自动控制系统共同规律的技术科学，它基于被控对象的模型，研究构建完成一定任务的人造系统的普遍性原理和方法。控制理论的内容，

10、通常包括如下三个方面：1.建立系统数学模型的方法 2.自动控制系统的分析方法 3.自动控制系统的设计方法 1.7 自动控制理论发展概况发展初期，是以反馈理论为基础的自动调节原理，并主要用于工业控制。第二次世界大战期间，为了设计和制造飞机及船用自动驾驶仪、火炮定位系统、雷达跟踪系统以及其他基于反馈原理的军用装备，进一步促进并完善了自动控制理论的发展。到战后，以形成完整的自动控制理论体系，这就是以传递函数为基础的经典控制理论，它主要研究单输入-单输出、线性定常系统的分析和设计。60年代初期，随着现代应用数学新成果的推出和电子计算机技术的应用，为适应宇航技术的发展，自动控制理论跨入了一个新阶段现代控制理论。它主要研究具有高性能、高精度的多变量变参数系统的最优控制问题，采用的方法是以状态为基础的时域法。目前，自动控制理论还在继续发展，并且已跨越学科界限，正向已控制论、信息论、仿生学为基础的智能控制理论发展。1765年，英国J.瓦特发明了蒸汽机离心式调速器 1868年，物理学家马克斯韦尔发表论文“论调速器”1892年，俄国A.M.李亚甫洛夫出版了论运动稳定性的一般问题专著 1922年，美国N.米诺尔斯基研制出船舶驾驶的伺服机构，提出比例、积分、微分（PID）控制规律。1954年我国杰出科学家钱学森的工程控制论一书出版