自动控制基本概念.pptx

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1、引引 言言什么是自动控制?无须人的直接参与，通过控制装置，使无须人的直接参与，通过控制装置，使机器、设备、生产过程等按照预定的规律运机器、设备、生产过程等按照预定的规律运行，完成要求的任务，就叫自动控制。行，完成要求的任务，就叫自动控制。近几十年来，自动控制技术正在迅猛的近几十年来，自动控制技术正在迅猛的发展，工农业生产、交通运输、国防。发展，工农业生产、交通运输、国防。自动控制举例？自动控制举例？第1页/共53页航空航天事业等领域航空航天事业等领域比如：人造地球卫星的比如：人造地球卫星的发射成功与安全返回。发射成功与安全返回。第2页/共53页导弹的准确击中目标，导弹的准确击中目标，雷达系统的

2、准确跟踪目标；雷达系统的准确跟踪目标；第3页/共53页交通系统：安全、快捷、舒适、准点第4页/共53页制造系统：数控机床加工生产线自动码垛机器人自动包装机器人第5页/共53页家用电器：电冰箱、空调、电饭煲：电冰箱、空调、电饭煲：控制温度洗衣机：洗衣机：控制水位、强弱、时间等第6页/共53页拉提琴灵巧手排 爆步行吹笛足球比赛机器人：第7页/共53页机器人：哈尔滨工业大学 第8页/共53页 自动控制的应用领域军事工业航空航天制造业机器人流程工业电子工业家用电器交通系统，楼宇系统，经济系统，社会系统 钢铁、石化、钢铁、石化、钢铁、石化、钢铁、石化、造纸、制药等造纸、制药等造纸、制药等造纸、制药等第9

3、页/共53页10 自动控制理论的发展 1.经典控制理论4050年代形成 适用于SISO（单输入单输出）系统 基于：二战军工技术第10页/共53页2.现代控制理论60607070年代形成 适用于MIMO MIMO（多输入多输出）系统 基于：冷战时期空间技术，计算机技术目标：最优控制第11页/共53页 1、人工控制：控制系统可以由人工控制，也可以采用自动控制。图11水位人工控制原理图 如图11 所示，水 位保持系统。1 自动控制的基本原理第12页/共53页根据系统原理图可画出其方框图如图12所示。图12水位人工控制系统方框图人工控制（续）第13页/共53页人工控制（续）第14页/共53页2、自动控

4、制：水池若改为由自动控制装置代替操作人员：由 浮子测出实际水位，与要求的水位比较。然后得出偏 差再由调节元件根据偏差的大小和正负产生控制信号。最后由执行元件根据信号产生控制作用。如图1-3所示。图13水位自动控制系统原理图第15页/共53页图14水位自动控制系统方框图自动控制（方框图）图12水位人工控制系统方框图第16页/共53页自动控制（续）干簧接点液位传感器第17页/共53页防盗报警器防盗报警器报警器里面用了一个干簧管，干簧管报警器里面用了一个干簧管，干簧管可以感知磁场而接通或断开电路。可以感知磁场而接通或断开电路。原理：当磁铁靠近干簧管时，两个簧片被磁化而接通，所以干簧管能起到开关的作用

5、！第18页/共53页什么是传感器?传感器是指这样一些元件：它能够感受传感器是指这样一些元件：它能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等诸如力、温度、光、声、化学成分等非电学非电学量量，并能把它们按照一定规律转换为电压、，并能把它们按照一定规律转换为电压、电流等电流等电学量电学量，或转换为电路的通断。，或转换为电路的通断。第19页/共53页非电学量 电学量传传感感器器角度角度位移位移速度速度加速度加速度压力压力温度温度湿度湿度声强声强光照强度光照强度电压电压电流电流电阻电阻电容电容第20页/共53页2、工作原理：非电学量敏感元件转换器件转换电路（或电路的通断）电学量第21页/共53页传感器传感器

6、使用方法投入式安装特 点激光调阻补偿零点合满度温度性能量 程01200mH2O供电电压1.5mADC输出信号70mVDC精度等级0.1%FS|0.25%FS|0.5%FS第22页/共53页直线位移传感器 导电塑料直线电位器：其线性度好，体积小，安装方便，价格低廉。磁致伸缩传感器：非接触，可靠性高在近年来开发的微机调速器中使用较多。第23页/共53页 这种传感器属于非接触式的，可动部分与电路没有直接接触，它体积小，使用方便差动变压器式直线位移传感器第24页/共53页传感器传感器电磁流量计电磁流量计第25页/共53页3、控制系统中的常用术语(1)自动控制在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装

7、置使整个生产过程或工作机械自动的按预定规律运行、或使其某个参数按要求变化。自动控制系统：是指能够对被控对象的工作状态进行自动控制的系统。它是控制对象以及参与实现其被控制量自动控制的装置或元部件的组合，一般由控制装置和被控对象组成。一般包括三种机构：测量机构、比较机构、执行机构。第26页/共53页3、控制系统中的常用术语(2)控制装置外加的设备或装置，亦叫控制器。(3)受控对象被控制的机器或物体。(4)被控量指被控对象中要求保持给定值、要按给定规律变化的物理量。被控量又称输出量、输出信号。(5)给定量要求被控量所应保持的数值。也叫输入量或叫参考输入。(6)干扰量系统不希望的外作用，也叫扰动输入。

8、是一种对自动控制系统输出量起反作用的信号，如电源电压的波动、环境温度的变化。第27页/共53页(7)(7)反馈量：由系统输出端取出并反向送回系统输 入端的信号。反馈有主反馈和局部反馈之分。(8)(8)偏差量：给定量与主反馈信号之差。第28页/共53页给定元件：其职能是给出与期望的被控量相对 应的系统输入量。一般为电位器。比较元件：其职能是把测量到的被控量实际值 与给定元件给出的输入量进行比较，求出他们 之间的偏差。常用的有差动放大器、机械差动 装置、电桥电路、计算机等。测量元件：其职能是检测被控制量的物理量。如测速机、热电偶、电位器、浮子等。基本组成（续）第29页/共53页放大元件：其职能是将

9、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受 控对象。如：晶体管、集成电路、晶闸管等 组成的电压、功率放大器。执行元件：其职能是直接推动受控对象，使 其被控量发生变化。如：阀门、电机、液压 马达等。基本组成（续）第30页/共53页自控系统的特点：从信号传送看：输出量经测量后回到输入端，构成闭环，具有反馈形式，且为负反馈。从控制作用的产生看：由偏差产生的控制作用使系统沿减小或消除偏差的方向运动偏差控制。校正元件：也叫补偿元件，它是结构或参数便于 调整的元件。用串联或并联（反馈）的方式连接 于系统中，以改善系统的性能。如：电阻、电容 组成的无源或有源网络，还有计算机。基本组成（续）第

10、31页/共53页1.2.3 自动控制的基本方式一、开环控制系统：1.定义：开环控制控制器与被控对象之间只 有顺向作用而没有反向联系的控制过程。2.特点：被控量对系统的控制作用不产生影响，需要控制的是c(t)，而测量的只是r(t).第32页/共53页1.2.3 自动控制的基本方式 开环控制是指系统的开环控制是指系统的被控制量（输出量）只受被控制量（输出量）只受控于控制作用，而对控制控于控制作用，而对控制作用不能反施任何影响的作用不能反施任何影响的控制方式。采用开环控制控制方式。采用开环控制的系统称为开环控制系统。的系统称为开环控制系统。优点：结构简单，成本低优点：结构简单，成本低廉，易于实现廉，

11、易于实现缺点：对扰动没有抑制能缺点：对扰动没有抑制能力，控制精度低力，控制精度低v控制方式开环控制开环控制第33页/共53页二、闭环控制系统：1.定义：闭环控制被控量与给定值比较后用其偏差对系统进行控制。亦称反馈控制。2.特点：不论什么原因使被控量偏离期望值而出现偏差时，必定会产生一个相应的控制作用去减小或消除这个偏差，使被控量与期望值趋于一致。需要控制的是c(t)、而测量的是c(t)对r(t)的偏差。只要c(t)出现偏差，系统就自行纠正。3.例如：电炉加热自动控制。第34页/共53页闭环控制系统（续）闭环控制闭环控制闭闭环环控控制制是是指指系系统统的的被被控控制制量量（输输出出量量）与与控控

12、制制作作用用之之间间存存在在着着负负反反馈馈的的控控制制方方式式。采采用用闭闭环环控控制制的的系系统统称称为为闭闭环环控控制制系系统统或或反反馈馈控控制制系系统统。闭闭环环控控制制是是一一切切生生物物控控制制自自身身运运动动的的基基本本规规律律。人人本本身身就就是是一一个个具具有有高高度度复复杂杂控控制制能能力的闭环系统。力的闭环系统。优优点点：具具有有自自动动补补偿偿由由于于系系统统内内部部和和外外部部干干扰扰所所引引起起的的系系统统误误差差（偏偏差差）的的能力，因而有效地提高了系统的精度。能力，因而有效地提高了系统的精度。缺缺点点：系系统统参参数数应应适适当当选选择择，否否则则可可能能不能

13、正常工作。不能正常工作。第35页/共53页闭环控制系统（续）反馈的概念反馈的概念反馈：是将输出信号的一部分或全部通过一定的规则送回到输入端，并对输入信号产生影响的过程。若若反反馈馈信信号号是是与与输输入入信信号号相相减减而而使使偏偏差差值值越越来来越越小小，则则称称为为负负反反馈馈；反反之之，则则称称为为正正反反馈馈。显显然然，负负反反馈馈控控制制是是一一个个利利用用偏偏差差进进行行控控制制并并最最后后消消除除偏偏差差的的过过程程，又又称称偏偏差差控控制制。同同时时，由由于于有有反反馈馈的的存存在在，整整个个控控制制过过程程是闭合的，故也称为是闭合的，故也称为闭环控制闭环控制。第36页/共53

14、页比较以上两种控制方式比较以上两种控制方式由由于于开开环环控控制制的的特特点点是是控控制制装装置置只只按按照照给给定定的的输输入入信信号号对对被被控控制制量量进进行行单单向向控控制制，而而不不对对控控制制量量进进行行测测量量并并反反向向影影响响控控制制作作用用。这这样样，当当炉炉温温偏偏离离希希望望值值时时，开开关关K K的的接接通通或或断断开开时时间间不不会会相相应应改改变变。因因此此，开开环环控控制制不不具具有有修修正正由由于于扰扰动动（使使被被控控制制量量偏偏离离希希望望值值的的因因素素）而而出出现现的的被被控控制制量量与希望值之间偏差的能力，即抗干扰能力差。与希望值之间偏差的能力，即抗

15、干扰能力差。在在闭闭环环控控制制中中，被被控控量量一一般般是是由由测测量量装装置置检检测测并并反反馈馈到到输输入入端端，然然后后由由比比较较装装置置将将它它与与输输入入信信号号综综合合得得到到偏偏差差（误误差差），有有时时，测测量量与与综综合合作作用用是是由由一一个个装装置置完完成成的的，如如离离心心摆摆。由由于于离离心心摆摆的的转转速速与与水水轮轮机机的的频频率率成成比比例例关关系系，可可以以不不断断对对机机组组转转速速进进行行测测量量和和比比较较，根根据据频频率率的的实实际际偏偏差差进行控制，提高了控制精度和抗干扰能力。进行控制，提高了控制精度和抗干扰能力。第37页/共53页按系统输入信号

16、的变化规律不同来分 1、恒值控制系统（或称自动调节系统）这类系统的特点是输入信号是一个恒定的数值。恒值控制系统主要研究各种干扰对系统输出的影响以及如何克服这些干扰，把输入、输出量尽量保持在希望数值上。2、过程控制系统（或称程序控制系统）这类系统的特点是输入信号是一个已知的时间函数，系统的控制过程按预定的程序进行，要求被控量能迅速准确地复现。恒值控制系统也认为是过程控制系统的特例。第38页/共53页3、随动控制系统（或称伺服系统）这类系统的特点是输入信号是一个未知函数，要求输出量跟随给定量变化。如火炮自动跟踪系统。工业自动化仪表中的显示记录仪，跟踪卫星的雷达天线控制系统等均属于随动控制系统。第3

17、9页/共53页40 理想的调节过程是：出现偏差后，执行机构突然动作，使输出量立即达到新的平衡状态，调节过程瞬时完成，实际上这是不可能的，因为什么呢？惯性！t01输入r(t)t01输入c(t)12理想的调节过程实际当一个控制系统的输入信号突然发生跳变时，这时输出量还处在原有的平衡状态，这样就出现了偏差，这个偏差控制输出量达到新的平衡，这就是一个调节过程。调节的基本要求第40页/共53页41整个调节过程分为两个阶段:a.过渡过程 反映系统的动态特性。（输出量处于激烈变化之中）b.稳态过程 反映系统的稳态特性。（输出量稳定在新的平衡状态，并保持不变。）第41页/共53页图1-9 自动控制系统被控量变

18、化的动态特性 自动控制系统还应满足动态过程的性能要求，自动控制系统被控量变化的动态特性有以下几种。第42页/共53页 (a)单调过程 被控量y(t)单调变化（即没有“正，”，“负”的变化），缓慢地到达新的平衡状态（新的稳态值）。如图1-9(a)所示，一般这种动态过程具有较长的动态过程时间（即到达新的平衡状态所需的时间）。(b)衰减振荡过程:被控量y(t)的动态过程是一个振荡过程，振荡的幅度不断地衰减，到过渡过程结束时，被控量会达到新的稳态值。这种过程的最大幅度称为超调量，如图1-9（b）所示。第43页/共53页 (c)等幅振荡过程:被控量y(t)的动态过程是一个持续等幅振荡过程，始终不能到达新

19、的稳态值，如图1-9（c）所示。这种过程如果振荡的幅度较大，生产过程不允许，则认为是一种不稳定的系统，如果振荡的幅度较小，生产过程可以允许，则认为是一种稳定的系统。(d)渐扩振荡过程:被控量y(t)的动态过程不但是一个振荡过程，而且振荡的幅值越来越大，以致会大大超过被控量允许的误差范围，如图1-9（d）所示，这是一种典型的不稳定过程，设计自动控制系统要绝对避免产生这种情况。第44页/共53页 实际中，由于机械部分质量、惯量的存在以及电路中L.C的存在，输出不会是理想状态。要有一个过渡过程，最后趋于新的稳态值。因此，从稳、快、准三方面来评价系统的总体精度。图117图118基本要求（续）第45页/

20、共53页46稳定性（基本要求）：就是指系统重新恢复平稳状态的能力，即过渡过程的收敛情况。快速性：指过渡过程进行的时间长短。准确性：指过渡过程结束后稳态误差越小越好。稳态误差：指过渡过程结束后，也就是进入稳态过程后，希望的输出量与实际输出量之间的误差，是衡量系统稳态精度的重要指标。第46页/共53页v方框图的概念方框图的概念 方方框框 控控制制装装置置和和被被控控对对象象分分别别用用方方框框表表示示信信号号线线 方方框框的的输输入入和和输输出出以以及及它它们们之之间间的的联接用带箭头的信号线表示联接用带箭头的信号线表示输入信号输入信号 进入方框的信号进入方框的信号输出信号输出信号 离开方框的信号

21、离开方框的信号信号线方框信 号线输入信号输出信号第47页/共53页开环控制系统方框图开环控制系统方框图控制装置被控对象输入量输出量输输入入量量：加加在在电电阻阻丝丝两两端端的的电电压压被控制对象：炉子被控制对象：炉子被控制量（输出量）：炉温被控制量（输出量）：炉温控制装置：开关控制装置：开关K K和电热丝，对和电热丝，对被控制量起控制作用。被控制量起控制作用。第48页/共53页温度计继电器电阻丝炉温 输入量（炉温希望值）输出量（炉温实际值）扰动闭环控制的电加热炉方框图闭环控制的电加热炉方框图闭环控制的电加热炉方框图闭环控制的电加热炉方框图第49页/共53页闭环控制系统方框图第50页/共53页反馈控制系统方框图反馈控制系统方框图反馈控制系统的组成、名词术语和定义反馈控制系统的组成、名词术语和定义第51页/共53页自动调速器方框图 作用信号加法器环节放大环节执行环节硬反馈环节软反馈环节测量（速）环节XpXtY123456X第52页/共53页感谢您的观看！第53页/共53页