自動控制及其原理 第一章ppt

自動控制及其原理第一章ppt第一頁，共三十八頁，2022年，8月28日第一節(jié)自動控制與自動控制系統(tǒng)一、自動控制的基本概念二、控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成及控制方式第一章概述第二頁，共三十八頁，2022年，8月28日第一節(jié)自動控制與自動控制系統(tǒng)一、自動控制的基本概念自動控制：

自動控制系統(tǒng)控制裝置受控對象在無人直接參與下，利用控制裝操縱受控對象，使受控對象的被控量按給定信號變化。控制器給定值檢測元件受控對象被控量自動控制示意圖分析和設(shè)計自動控制系統(tǒng)的性能。自動控制原理的主要任務(wù)：第三頁，共三十八頁，2022年，8月28日例水溫控制系統(tǒng)系統(tǒng)的構(gòu)成：水箱熱傳導器件控制器電機閥門給定信號顯示儀表蒸汽冷水排水熱水工作原理：控制器將給定值和檢測值比較之后，發(fā)出控制信號調(diào)節(jié)閥門的開度，檢測信號控制信號從而調(diào)節(jié)蒸汽流入，控制水的溫度.第四頁，共三十八頁，2022年，8月28日實際溫度偏差反饋量預期溫度_控制器為了方便地分析系統(tǒng)性能，一般用框圖來表示系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，如圖所示:第一節(jié)自動控制與自動控制系統(tǒng)受控對象：水箱被控制量：水的溫度控制裝置：熱敏元件、控制器、閥門。執(zhí)行機構(gòu)閥門水箱第五頁，共三十八頁，2022年，8月28日桿杠長度例液位自動控制系統(tǒng)h水箱桿杠浮球閥門進水系統(tǒng)組成：出水被控制量：水位高度工作原理：調(diào)節(jié)杠桿長度L，通過杠桿機構(gòu)調(diào)節(jié)閥門的開度，從而調(diào)節(jié)進水量以控制液位的高度。L第六頁，共三十八頁，2022年，8月28日系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖所示。杠桿浮球hr(s)h(t)閥門水箱機構(gòu)第一節(jié)自動控制與自動控制系統(tǒng)第七頁，共三十八頁，2022年，8月28日二、自動控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成及控制方式1．開環(huán)控制有順向作用而無反向聯(lián)系.第一節(jié)自動控制與自動控制系統(tǒng)自動控制系統(tǒng)一般有兩種基本控制方式.開環(huán)控制控制裝置與受控對象之間只第八頁，共三十八頁，2022年，8月28日第一節(jié)自動控制與自動控制系統(tǒng)例驅(qū)動盤片勻速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)臺這種轉(zhuǎn)臺在CD機、計算機磁盤驅(qū)動器等現(xiàn)代裝置中廣泛應(yīng)用.轉(zhuǎn)臺電機電源和放大裝置速度設(shè)置系統(tǒng)組成：由圖可見：被控制量速度沒有反饋到輸入端與給定信號比較,為開環(huán)控制系統(tǒng)。第九頁，共三十八頁，2022年，8月28日預期速度實際轉(zhuǎn)速直流電動機轉(zhuǎn)臺放大器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制過程均很簡單，但抗擾能力差，控制精度不高，故一般只能用于對控制性能要求較低的場合。轉(zhuǎn)臺速度開環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖:第一節(jié)自動控制與自動控制系統(tǒng)開環(huán)控制的特點：

2．閉環(huán)控制有順向作用，而且還有反向聯(lián)系.閉環(huán)控制:閉環(huán)控制又稱為反饋控制或按偏差控制?？刂蒲b置與受控對象之間，不但第十頁，共三十八頁，2022年，8月28日第一節(jié)自動控制與自動控制系統(tǒng)例轉(zhuǎn)臺速度閉環(huán)控制系統(tǒng)。實現(xiàn)對速度的閉環(huán)控制。測速發(fā)電機是一種傳感器測出電動機的速度與給定信號比較產(chǎn)生偏差電壓.第十一頁，共三十八頁，2022年，8月28日測速機偏差反饋量預期速度實際轉(zhuǎn)速直流電動機轉(zhuǎn)臺放大器_

當實際速度受擾動的影響發(fā)生變化時，通過系統(tǒng)的調(diào)節(jié)，從而消除擾動對速度的影響。轉(zhuǎn)臺速度閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖第一節(jié)自動控制與自動控制系統(tǒng)第十二頁，共三十八頁，2022年，8月28日放大裝置例位置隨動系統(tǒng)環(huán)型電位器電機電源齒輪系統(tǒng)組成：負載給定轉(zhuǎn)角θr輸出轉(zhuǎn)角θc工作過程：θr=θcUd=0Udθr≠θcUd≠0電動機帶動齒輪轉(zhuǎn)動,系統(tǒng)閉環(huán)調(diào)節(jié).第一節(jié)自動控制與自動控制系統(tǒng)電動機靜止第十三頁，共三十八頁，2022年，8月28日θmθr△θ

_θcueud放大器電位器電動機減速器位置隨動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖第一節(jié)自動控制與自動控制系統(tǒng)第十四頁，共三十八頁，2022年，8月28日第一節(jié)自動控制與自動控制系統(tǒng)例轉(zhuǎn)速負反饋直流電動機調(diào)速系統(tǒng)直流電機測速發(fā)電機電源和放大裝置負載系統(tǒng)組成：UnUf給定電壓反饋電壓e=Un-Uf轉(zhuǎn)速取決于給定電壓與反饋電壓的差值。第十五頁，共三十八頁，2022年，8月28日調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖第一節(jié)自動控制與自動控制系統(tǒng)unufeudn_直流電動機放大器測速機由電網(wǎng)電壓波動，負載變化以及其他部分的參數(shù)變化所引起的轉(zhuǎn)速變化，都可以通過系統(tǒng)的自動調(diào)整加以抑制。n↓→Uf↓→e↑→Ud↑→n↑減小或消除由于擾動所形成的偏差值，具有較高的控制精度和較強的抗擾能力。閉環(huán)控制系統(tǒng)具有的特點：第十六頁，共三十八頁，2022年，8月28日3．復合控制測量出外部作用，形成與外部作用相反的控制量與外部作用共同使被控量基本不受影響。前饋補償控制復合控制具有兩種基本形式.第一節(jié)自動控制與自動控制系統(tǒng)前饋補償控制：復合控制：反饋控制+第十七頁，共三十八頁，2022年，8月28日(a)按輸入前饋補償?shù)膹秃峡刂平o定值被控制量_受控對象檢測元件控制器前饋控制第一節(jié)自動控制與自動控制系統(tǒng)第十八頁，共三十八頁，2022年，8月28日(b)按擾動前饋補償?shù)膹秃峡刂茩z測元件_前饋控制擾動被控制量給定值受控對象控制器_第一節(jié)自動控制與自動控制系統(tǒng)第十九頁，共三十八頁，2022年，8月28日第二節(jié)自動控制系統(tǒng)的分類一、線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)自動控制系統(tǒng)的分類方法較多，常見的有以下幾種由線性微分方程或線性差分方程所描述的系統(tǒng)稱為線性系統(tǒng)；由非線性方程所描述的系統(tǒng)稱為非線性系統(tǒng)。第一章概述第二十頁，共三十八頁，2022年，8月28日二、定常系統(tǒng)和時變系統(tǒng)定常系統(tǒng):若系統(tǒng)微分方程的系數(shù)為常數(shù)，則稱之為線性定常系統(tǒng)。此類系統(tǒng)為本書主要討論對象。系統(tǒng)數(shù)學模型微分方程的系數(shù)不是時間變量的函數(shù)。否則稱為時變系統(tǒng)。第二節(jié)自動控制系統(tǒng)的分類第二十一頁，共三十八頁，2022年，8月28日三、連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)連續(xù)系統(tǒng)：系統(tǒng)中各部分的信號都是時間的連續(xù)函數(shù)即模擬量。離散系統(tǒng)：系統(tǒng)中有一處或多處信號為時間的離散函數(shù)，如脈沖或數(shù)碼信號。若系統(tǒng)中既有模擬量也有離散信號，則又可稱之為采樣系統(tǒng)。第二節(jié)自動控制系統(tǒng)的分類第二十二頁，共三十八頁，2022年，8月28日四、恒值系統(tǒng)、隨動系統(tǒng)和程序控制系統(tǒng)系統(tǒng)的給定值為一定值，而控制任務(wù)就是克服擾動，使被控量保持恒值。例如：電機速度控制、恒溫、恒壓、水位控制系統(tǒng)等。恒值系統(tǒng)：第二節(jié)自動控制系統(tǒng)的分類第二十三頁，共三十八頁，2022年，8月28日隨動系統(tǒng)：系統(tǒng)給定值按照事先不知道的時間函數(shù)變化，并要求被控量跟隨給定值變化。如：火炮自動跟蹤系統(tǒng)、輪舵位置控制系統(tǒng)等。第二節(jié)自動控制系統(tǒng)的分類第二十四頁，共三十八頁，2022年，8月28日程序控制系統(tǒng)：系統(tǒng)的給定值按照一定的時間函數(shù)變化，并要求被控量隨之變化。例如：數(shù)控伺服系統(tǒng)第二節(jié)自動控制系統(tǒng)的分類第二十五頁，共三十八頁，2022年，8月28日自動化生產(chǎn)線：第二節(jié)自動控制系統(tǒng)的分類第二十六頁，共三十八頁，2022年，8月28日第三節(jié)對控制系統(tǒng)性能的要求常見的評價系統(tǒng)優(yōu)劣的性能指標是從動態(tài)過程中定義出來的。對系統(tǒng)性能的基本要求有三個方面。二、快速性一、穩(wěn)定性三、準確性第一章概述第二十七頁，共三十八頁，2022年，8月28日

系統(tǒng)受外作用力后,其動態(tài)過程的振蕩傾向和系統(tǒng)恢復平衡的能力。一、穩(wěn)定性第三節(jié)對控制系統(tǒng)性能的要求穩(wěn)定性：如果系統(tǒng)受外作用力經(jīng)過一段時間，其被控量達到某一穩(wěn)定狀態(tài)，則系統(tǒng)是穩(wěn)定的。否則為不穩(wěn)定的。穩(wěn)定系統(tǒng)的動態(tài)過程第二十八頁，共三十八頁，2022年，8月28日不穩(wěn)定的系統(tǒng)是無法正常工作的。不穩(wěn)定系統(tǒng)的動態(tài)過程第三節(jié)對控制系統(tǒng)性能的要求(a)給定信號作用下(b)擾動信號作用下第二十九頁，共三十八頁，2022年，8月28日是通過動態(tài)過程時間長短來表征的。時間越短，表明快速性越好，反之亦然?？焖傩员砻髁讼到y(tǒng)輸出對輸入響應(yīng)的快慢程度二、快速性第三節(jié)對控制系統(tǒng)性能的要求

快速性第三十頁，共三十八頁，2022年，8月28日由輸入給定值與輸出響應(yīng)的終值之間的差值ess大小表征。三、準確性控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度第三節(jié)對控制系統(tǒng)性能的要求準確性

第三十一頁，共三十八頁，2022年，8月28日穩(wěn)定性、快速性和準確性往往是互相制約的。在設(shè)計與調(diào)試的過程中,若過分強調(diào)某方面的性能,則可能會使其他方面的性能受到影響.怎樣根據(jù)工作任務(wù)的不同,分析和設(shè)計自動控制系統(tǒng)，使其對三方面的性能有所側(cè)重，并兼顧其它正是自控原理課程要解決的問題。第三節(jié)對控制系統(tǒng)性能的要求第三十二頁，共三十八頁，2022年，8月28日

自動控制理論研究的是如何按受控對象和環(huán)境特征，通過能動地采集和運用信息，施加控制作用使系統(tǒng)在不確定的條件下正常運行并具有預定功能。它是研究自動控制共同規(guī)律的技術(shù)科學，其主要內(nèi)容涉及受控對象、環(huán)境特征、控制目標和控制手段以及它們之間的相互作用。第四節(jié)

自動控制理論發(fā)展簡述第一章概述第三十三頁，共三十八頁，2022年，8月28日具有“自動”功能的裝置自古有之，瓦特發(fā)明的蒸汽機上的離心調(diào)速器是比較自覺地運用反饋原理進行設(shè)計并取得成功的首例。麥克斯韋對它的穩(wěn)定性進行分析，于1868年發(fā)表的論文當屬最早的理論工作。從20世紀20年代到40年代形成了以時域法，頻率法和根軌跡法為支柱的“古典”控制理論。第四節(jié)

自動控制理論發(fā)展簡述第三十四頁，共三十八頁，2022年，8月28日60年代以來，隨著計算機技術(shù)的發(fā)展和航天等高科技的推動，又產(chǎn)生了基于狀態(tài)空間模型的所謂“現(xiàn)代”控制理論。隨著自動化技術(shù)的發(fā)展，人們力求使設(shè)計的控制系統(tǒng)達到最優(yōu)的性能指標，為了使系統(tǒng)在一定的約束條件下，其某項性能指標達到最優(yōu)而實行的控制稱為最優(yōu)控制。第四節(jié)

自動控制理論發(fā)展簡述第三十五頁，共三十八頁，2022年，8月28日第四節(jié)

自動控制理論發(fā)展簡述當對象或環(huán)境特性變化時，為了使系統(tǒng)能自行調(diào)節(jié)，以跟蹤這種變化并保持良好的品質(zhì)，又出現(xiàn)了自適應(yīng)控制。各種理論中仍是古典頻率法最為適用。真正優(yōu)良的設(shè)計必須允許模型的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不精確并可能在一定范圍內(nèi)變化，即具有魯棒性。這是當前的重要前沿課題之一。第三十六頁，共三十八頁，2022年，8月28日第四節(jié)

自動控制理論發(fā)展簡述另外，使理論實用化的一個重要途徑就是數(shù)學模擬（仿真）和計算機輔助設(shè)計（CAD）。近年來，在非線性系統(tǒng)