自控控制原理第1章課件

1、非線性系統(tǒng)分析基 本 概 念時域分析法數(shù)學模 型 根軌跡分析法采樣系統(tǒng)分析課程主要內容經(jīng)典控制原理頻率特性校正控制理論頻率特性分析法* *MATLAB仿真1第一章 自動控制系統(tǒng)的基本概念第一節(jié) 自動控制的基本方式第二節(jié) 閉環(huán)系統(tǒng)的基本組成第三節(jié) 自動控制系統(tǒng)的分類第四節(jié) 對控制系統(tǒng)的基本要求2第一節(jié) 自動控制的基本方式一、兩個定義：（1）自動控制： 在沒有人直接參與的情況下，利用控制裝置使某種設備、 裝置或生產過程中的某些物理量或工作狀態(tài)能自動地按照預定 規(guī)律變化或數(shù)值運行的方法，稱為自動控制。（2）自動控制系統(tǒng)： 由控制器(含測量元件)和被控對象組成的有機整體。 或稱為，由相互關聯(lián)、相互制約

2、、相互影響的一些元部件組成的具有自動控制功能的有機整體。稱為自動控制系統(tǒng)。 3熱蒸氣水1、水溫的手動控制示意圖 操作員要用手（通過感覺）來測試水的溫度，并將此溫度與 他要求的值（給定值）相 比較（通過大腦）。同時 他 要 決 定（通過大腦）： 他的手應該朝哪個方向旋轉加溫用的蒸汽 閥 門和旋轉多大的角度。自動控制的基本方式水溫控制-麻煩、費力、辛苦、不準確！例：42、水溫的自動控制的示意圖 采用自動控制時，上述功能都用相應的元件和儀表來代替。 例如，用溫度測量元件、控制記錄儀表和調節(jié)閥等。自動控制的基本方式5 如果從系統(tǒng)的結構角度看，開環(huán)控制方式也可表達為，沒有系統(tǒng)輸出量反饋的控制方式。1、開

3、環(huán)控制方式 二、3種基本控制方式(1)定義： 控制系統(tǒng)的輸出量對系統(tǒng)不產生作用的控制方式，稱為開環(huán)控制方式。具有這種控制方式的有機整體，稱為開環(huán)控制系統(tǒng)。 開環(huán)調速系統(tǒng)舉例自動控制的基本方式6 改變電位器滑動端的位置，相應地改變了電壓Ug值的大小， 其值經(jīng)功率放大器放大后施加在直流電動機的電樞兩端， 由于直流電動機具有恒定的勵磁電流，因此，隨著電樞電壓值的不同，電動機便以不同的轉速帶動生產機械運轉。于是，改變 Ug的大小，便控制了電動機轉速的高低。 系統(tǒng)中，Ug 是給定輸入量；電動機的轉速n是系統(tǒng)的輸出量，即被控量；電源電壓波動、放大系數(shù)漂移、拖動負載的變化等，是擾動輸入量。 可見，系統(tǒng)的輸出

4、量，即電動機的轉速并沒有參予系統(tǒng)的控制。工作原理：自動控制的基本方式7 任何開環(huán)控制系統(tǒng)，從組成系統(tǒng)元部件的職能角度看，均可用下面的方 框圖表示。 (2) 職能方框圖2、閉環(huán)控制方式：(1) 定義 系統(tǒng)輸出量直接或間接地反饋到系統(tǒng)的輸入端，參予了系統(tǒng)控制的方式，稱為閉環(huán)控制方式。如果從系統(tǒng)的結構看，閉環(huán)控制方式也可表達為，有系統(tǒng)輸出量反饋的控制方式。自動控制的基本方式8舉例：速度控制系統(tǒng)自動控制的基本方式9工作原理 開環(huán)調速結構基礎上引入一臺測速發(fā)電機，作為檢測系統(tǒng)輸出量即電動機轉速并轉換為電壓。 反饋電壓與給定電壓比較 (相減)后，產生一偏差電壓，經(jīng)電壓和功率放大器放大后去控制電動機的轉速。

5、 當系統(tǒng)處于穩(wěn)定運行狀態(tài)時，電動機就以電位器滑動端給出的電壓值所對應的希望轉速運行。 當系統(tǒng)受到某種干擾時(例如負載變大)，電動機的轉速會發(fā)生變化(下降)，測速反饋電壓跟著變化(變小)，由于給定電壓值未變，偏差電壓值發(fā)生變化(變大)，經(jīng)放大后使電動機電樞電壓變化(提高)，從而電動機轉速也變化(上升)，去減小或消除由于干擾引起的轉速偏差。(參閱教材)！自動控制的基本方式10舉例，發(fā)電機勵磁控制系統(tǒng)(工作原理，參閱教材)自動控制的基本方式11(2)閉環(huán)控制系統(tǒng)職能框圖 任何閉環(huán)控制系統(tǒng)，從組成系統(tǒng)元部件的職能角度看，均可用下面的結構框圖表示。自動控制的基本方式123、復合控制方式 開環(huán)控制方式+閉

6、環(huán)控制方式。兩種結構：按輸入信號補償； 按擾動信號補償 自動控制的基本方式134、控制方式比較 (1) 從系統(tǒng)組成結構看，開環(huán)控制方式簡單，復合控制 方式復雜，閉環(huán)控制方式介于兩者間； (2) 從性能看，開環(huán)控制方式較差，閉環(huán)控制方式較好； 復合控制方式最好； (3) 現(xiàn)代工程應用系統(tǒng)中，閉環(huán)控制方式應用最廣泛。自動控制的基本方式14第二節(jié) 閉環(huán)系統(tǒng)的基本組成基本組成的 結構方塊圖15 (1）被控對象：要進行控制的設備或生產過程。（例，工作機械） (2）執(zhí)行機構：作用于被控制對象的裝置或設備。(例，電動機)（3）測量裝置：用來檢測被控量，并將其轉換成與給定量相 同 物理 量的裝置（例，測速發(fā)電

7、機）（4）放大環(huán)節(jié)：對信號進行放大或能量形式的轉換，使之適合 執(zhí)行機構工作。（例，電壓放大器，可控硅整流功放）（5）給定環(huán)節(jié)：產生系統(tǒng)的給定輸入信號。（電位器）（6）比較環(huán)節(jié)：將所測的被控量與給定量進行比較。（7）校正環(huán)節(jié)：用于改善系統(tǒng)性能的電路。 校正環(huán)節(jié)可加于偏差信號與輸出信號之間的通道內，也可加于某一局部反饋通道內。前者稱為串聯(lián)校正環(huán)節(jié)，后者稱為并聯(lián)校正或(局部)反饋校正環(huán)節(jié)。閉環(huán)系統(tǒng)的基本組成16 前向通道：信號從輸入端沿箭頭方向到達系統(tǒng)輸出端的傳輸通道， 又稱正向通道。 反饋通道：又可分為主反饋通道和局部反饋通道。系統(tǒng)輸出量經(jīng)由 測量裝置反饋到系統(tǒng)輸入端的傳輸通道，或簡稱系統(tǒng)輸出量與

8、輸入量間的反饋通道，稱為主反饋通道。局部部件間反饋通道，稱為局部反饋通道。 單回路系統(tǒng)：只有一個(主)反饋通道的系統(tǒng)。 多回路系統(tǒng)：有二個以上反饋通道的系統(tǒng)。注意： 反饋有正、負之分。反饋信號的極性與輸入信號的極性相反，從而產生一偏差信號的反饋方式，稱負反饋；反饋信號的極性與輸入信號的極性相同，稱正反饋，正反饋方式只可能在局部反饋中采用；所有閉環(huán)系統(tǒng)，都是負反饋控制系統(tǒng)。閉環(huán)系統(tǒng)的基本組成17電動機速度控制系統(tǒng)工作原理圖(2) 畫出系統(tǒng)方框圖。例：電動機速度控制系統(tǒng)根據(jù)圖所示的電動機速度控制系統(tǒng)工作原理圖，完成：(1) 將a，b，c，d用線連接成負反饋方式；閉環(huán)系統(tǒng)的基本組成18（1）負反饋連

9、接方式應為： 因為，放大器輸入端的電壓應為給定電壓與反饋電壓兩者之差， 才產生偏差電壓。根據(jù)基爾霍夫回路電壓定律，應 接 ， 接 。相接。，（2）首先，系統(tǒng)中的每個部件各用一方框表示，各方框內寫入該部件的名稱；然后，根據(jù)系統(tǒng)信號的流向，方塊間用帶箭頭的信號線連接，如圖所示。 解閉環(huán)系統(tǒng)的基本組成19分析系統(tǒng)的工作原理，指出被控對象、被控量和給定量；(2) 畫出系統(tǒng)方框圖。例、工業(yè)爐溫自動控制系統(tǒng)爐溫自動控制系統(tǒng)閉環(huán)系統(tǒng)的基本組成20 加熱爐采用的是電加熱的方式。由可知，電熱器產生的熱量與調壓器輸出電壓的平方成正比，而調壓器輸出電壓的高低與調壓器滑動觸點的位置有關，而該滑動觸點由可逆轉的直流電動

10、機驅動。 爐子的實際溫度用熱電偶測量，經(jīng)放大后輸出電壓為 ，并作為系統(tǒng)的反饋電壓與給定電壓 進行比較，得出偏差電壓 ，經(jīng)電壓放大器、功率放大器放大后，作為電動機的電樞電壓驅動電機轉動。 解 當加熱爐達熱平衡時，反饋電壓與給定電壓相等，偏差電壓為零，可逆電動機不轉動， 調壓器的滑動觸點停留在某個合適的位置上，加熱電壓不變，溫度保持恒定的期望值。 閉環(huán)系統(tǒng)的基本組成 當爐膛溫度由于某種原因變化時， 偏差電壓不 為0， 電動機的電樞電壓也不為0，電動機的轉動帶動滑動觸點上移或下移，使加熱電壓變化，使爐膛溫度變化，直至爐膛溫度的實際值等于期望值為止。21 系統(tǒng)中，加熱爐是被控對象，爐溫是被控量，給定量

11、是由給定電位器設定的電壓。 閉環(huán)系統(tǒng)的基本組成(2) 系統(tǒng)方框圖 系統(tǒng)中的每個元部件各用一方框表示，各方框內寫入該部件 的名稱，根據(jù)系統(tǒng)信號的流向，方塊間用帶箭頭的信號線連接， 如圖所示?？刂蒲b置被控對象檢測裝置22第三節(jié) 自動控制系統(tǒng)的分類一、按數(shù)學描述形式分類：1線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)（1）線性系統(tǒng)：用線性微分方程或線性差分方程描述的系統(tǒng)。 重要性質：滿足疊加性和齊次性 *當輸入分別為、時，對應輸出為疊加性*當輸入為齊次性當輸入相加時，輸出也相加（2）非線性系統(tǒng)：用非線性微分方程或差分方程描述的系統(tǒng)。注意：不滿足疊加性和齊次性！、時，對應輸出為232連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)（1）連續(xù)系統(tǒng)：系統(tǒng)中各

12、元件的輸入量和輸出量均為時間t的連續(xù)函數(shù)。連續(xù)系統(tǒng)的運動規(guī)律可用微分方程描述，系統(tǒng)中各部分信號都是模擬量。（2）離散系統(tǒng)：系統(tǒng)中某一處或幾處的信號是以脈沖系列或數(shù)碼的形式傳遞的系統(tǒng)。離散系統(tǒng)的運動規(guī)律可以用差分方程來描述。計算機控制系統(tǒng)就是典型的離散系統(tǒng)。二、按給定信號分類（1）恒值控制系統(tǒng)： 給定值不變，要求系統(tǒng)輸出量以一定的精度接近給定希望值的系統(tǒng)。如生產過程中的溫度、壓力、流量、液位高度、電動機轉速等自動控制系統(tǒng)屬于恒值系統(tǒng)。（2）隨動控制系統(tǒng)： 給定值按未知時間函數(shù)變化，要求輸出跟隨給定值的變化。如跟隨衛(wèi)星的雷達天線系統(tǒng)。（3）程序控制系統(tǒng)： 給定值按一定時間函數(shù)變化。如程控機床。 自

13、動控制系統(tǒng)的分類24第四節(jié) 對控制系統(tǒng)的基本要求 總體上來說，對任何控制系統(tǒng)的基本要求，集中體現(xiàn)在系統(tǒng)性能的“穩(wěn)定性”、 “動態(tài)特性”和 “穩(wěn)態(tài)特性”三個方面，或簡稱為“穩(wěn)” 、“快”和 “準”。一、穩(wěn)定性控制系統(tǒng) “穩(wěn)定性” 的定義，有多種表達。一種較通常的表達是，一個處于靜止或某一平衡工作狀態(tài)的系統(tǒng)，在受到任何輸入（給定信號或擾動）作用時， 系統(tǒng)的輸出會離開靜止狀態(tài) 或偏離原來的平衡位置；當作用消除后， 若系統(tǒng)能回到原來的靜止狀態(tài)或平衡位置，則稱系統(tǒng)是穩(wěn)定的。否則稱系統(tǒng)是不穩(wěn)定的。25輸出會有一個確定值相對應，則稱系統(tǒng)是穩(wěn)定的；若系統(tǒng)輸出對于線性定常系統(tǒng)，也可表達為，在階躍信號作用下，若系統(tǒng)越來越大，稱系統(tǒng)是不穩(wěn)定的。如圖所示a）穩(wěn)定系統(tǒng) b)不穩(wěn)定系統(tǒng)穩(wěn)定性，是系統(tǒng)能否工作的前題條件，是對系統(tǒng)最起碼的要求！ 對控制系統(tǒng)的基本要求26二、動態(tài)特性穩(wěn)定的控制系統(tǒng)，當受到階躍輸入信號作用后， 系統(tǒng)的輸出要經(jīng)歷一過程才能達到某一穩(wěn)定值。系統(tǒng)輸出隨時間t變化的這一過程稱為系統(tǒng)的響應過程。 響應過程，又分為動態(tài)過程和穩(wěn)態(tài)過程，如圖所示。 對控制系統(tǒng)的基本要求27動態(tài)