自控原理的基本概念

第1章自動控制原理的基本概念 第1章自動控制原理的基本概念 主要內(nèi)容開環(huán)控制系統(tǒng)與閉環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成和基本環(huán)節(jié)自動控制系統(tǒng)的類型自動控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)小結(jié) 第1章自動控制原理的基本概念 學(xué)習(xí)重點了解自動控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和特點及其工作原理 了解閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成和基本環(huán)節(jié) 掌握反饋控制系統(tǒng)的基本要求 學(xué)會分析自動控制系統(tǒng)的類型及本質(zhì)特征 第1章自動控制原理的基本概念 課程的性質(zhì)和特點自動控制是一門技術(shù)學(xué)科 從方法論的角度來研究系統(tǒng)的建立 分析與設(shè)計 自動控制原理 是本學(xué)科的技術(shù)基礎(chǔ)課 第1章自動控制原理的基本概念 本課程與其它課程的關(guān)系 1 1開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng) 自動控制自動控制是在沒有人的直接干預(yù)下 利用物理裝置對生產(chǎn)設(shè)備和工藝過程進(jìn)行合理的控制 使被控制的物理量保持恒定 或者按照一定的規(guī)律變化 例如礦井提升機的速度控制 軋鋼廠加熱爐溫度的控制等等 自動控制系統(tǒng)自動控制系統(tǒng)是為實現(xiàn)某一控制目標(biāo)所需要的所有物理部件的有機組合體 1 1開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng) 1 開環(huán)控制系統(tǒng)例1 1溫度控制系統(tǒng) 性能指標(biāo)工作過程 1 1開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng) 圖中 1 1開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng) 1 開環(huán)控制只有輸入量對輸出量產(chǎn)生控制作用 輸出量不參與對系統(tǒng)的控制 2 開環(huán)控制特點輸入控制輸出輸出不參與控制系統(tǒng)沒有抗干擾能力 1 1開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng) 2 閉環(huán)控制系統(tǒng)例1 2溫度閉環(huán)控制系統(tǒng) 1 人工閉環(huán)控制 1 1開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng) 2 自動閉環(huán)控制 1 1開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng) 給定量 閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)圖1 控制器2 控制對象3 檢測裝置 1 1開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng) 反饋控制把輸出量的一部分檢測出來 反饋到輸入端 與給定信號進(jìn)行比較 產(chǎn)生偏差 此偏差經(jīng)過控制器產(chǎn)生控制作用 使輸出量按照要求的規(guī)律變化反饋信號與給定信號極性相反為負(fù)反饋 反之為正反饋 反饋控制特點輸入控制輸出輸出參與控制檢測偏差糾正偏差具有抗干擾能力 1 2閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成和基本環(huán)節(jié) 1 閉環(huán)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖 1 給定環(huán)節(jié) 2 比較環(huán)節(jié) 3 校正環(huán)節(jié) 4 放大環(huán)節(jié) 5 執(zhí)行機構(gòu) 6 被控對象 7 檢測裝置 1 2閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成和基本環(huán)節(jié) 2 閉環(huán)控制系統(tǒng)的基本環(huán)節(jié) 1 控制對象或調(diào)節(jié)對象要進(jìn)行控制的設(shè)備或過程 2 執(zhí)行機構(gòu)一般由傳動裝置和調(diào)節(jié)機構(gòu)組成 執(zhí)行機構(gòu)直接作用于控制對象 使被控制量達(dá)到所要求的數(shù)值 3 檢測裝置或傳感器該裝置用來檢測被控制量 并將其轉(zhuǎn)換為與給定量相同的物理量 1 2閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成和基本環(huán)節(jié) 4 給定環(huán)節(jié)設(shè)定被控制量的給定值的裝置 5 比較環(huán)節(jié)將所檢測的被控制量與給定量進(jìn)行比較 確定兩者之間的偏差量 6 中間環(huán)節(jié)一般包括比較環(huán)節(jié)和校正環(huán)節(jié) 1 2閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成和基本環(huán)節(jié) 1 被控對象 2 被控量或輸出量 3 控制量 4 設(shè)定量或輸入量 5 擾動量 6 反饋量 7 偏差量 3 閉環(huán)控制系統(tǒng)中的基本術(shù)語 8 前向通道或正向通道 9 反饋通道或反向通道 10 理想輸出 11 實際輸出 1 3自動控制系統(tǒng)類型 1 按照主要元件的特性方程的輸入輸出特征劃分1 線性系統(tǒng)由線性元件組成的系統(tǒng) 其微分方程中輸出量及其各階導(dǎo)數(shù)都是一次的 并且各系數(shù)與輸入量 自變量 無關(guān) 2 非線性系統(tǒng)由非線性元件組成的系統(tǒng) 其微分方程式的系數(shù)與自變量有關(guān) 1 3自動控制系統(tǒng)類型 2 按照信號傳遞方式劃分1 連續(xù)數(shù)據(jù)系統(tǒng)系統(tǒng)各部分的信號都是模擬的連續(xù)函數(shù) 2 離散數(shù)據(jù)系統(tǒng)系統(tǒng)的一處或幾處 信號是以脈沖系列或數(shù)碼的形式傳遞 1 3自動控制系統(tǒng)類型 3 按照輸入量的變化規(guī)律劃分1 恒值系統(tǒng)給定量是恒定不變的 2 隨動系統(tǒng)給定量是按照一定的時間函數(shù)變化的 3 程序控制系統(tǒng)給定量按照事先未知的時間函數(shù)變化 1 4自動控制系統(tǒng)的性能指標(biāo) 穩(wěn)定性 穩(wěn) 快速性 快 準(zhǔn)確性 準(zhǔn) 穩(wěn) 與 快 是說明系統(tǒng)動態(tài) 過渡過程 品質(zhì) 系統(tǒng)的過渡過程產(chǎn)生的原因 系統(tǒng)中儲能元件的能量不可能突變 準(zhǔn) 是說明系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài) 靜態(tài) 品質(zhì) 穩(wěn)定性是保證控制系統(tǒng)正常工作的先決條件 線性控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性由系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)與參數(shù)所決定的 與外部條件和初始狀態(tài)無關(guān) 1 對自動控制系統(tǒng)基本要求 1 4自動控制系統(tǒng)的性能指標(biāo) 2 穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)穩(wěn)態(tài)誤差當(dāng)系統(tǒng)從一個穩(wěn)態(tài)過渡到新的穩(wěn)態(tài) 或系統(tǒng)受擾動作用又重新平衡后 系統(tǒng)可能會出現(xiàn)偏差 這種偏差稱為穩(wěn)態(tài)誤差 系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差的大小反映了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度 它表明了系統(tǒng)控制的準(zhǔn)確程度 穩(wěn)態(tài)誤差越小 則系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度越高 1 4自動控制系統(tǒng)的性能指標(biāo) 無差系統(tǒng) 圖a 若穩(wěn)態(tài)誤差不為零 則系統(tǒng)稱為有差系統(tǒng) 有差系統(tǒng) 圖b 若穩(wěn)態(tài)誤差為零 則系統(tǒng)稱為無差系統(tǒng) 1 4自動控制系統(tǒng)的性能指標(biāo) 3 暫態(tài)性能指標(biāo) 1 最大超調(diào)量輸出最大值與輸出穩(wěn)態(tài)值的相對誤差 反映了系統(tǒng)的平穩(wěn)性 最大超調(diào)量越小 則說明系統(tǒng)過渡過程越平穩(wěn) 2 上升時間指系統(tǒng)的輸出量第一次到達(dá)輸出穩(wěn)態(tài)值所對應(yīng)的時刻 1 4自動控制系統(tǒng)的性能指標(biāo) 3 過渡過程時間 調(diào)節(jié)時間 系統(tǒng)的輸出量進(jìn)入并一直保持在穩(wěn)態(tài)輸出值附近的允許誤差帶內(nèi)所需的時間 允許誤差帶寬度一般取穩(wěn)態(tài)輸出值的2 或5 調(diào)節(jié)時間的長短反映了系統(tǒng)的快速性 調(diào)節(jié)時間越小 系統(tǒng)的快速性越好 4 振蕩次數(shù)在調(diào)節(jié)時間內(nèi) 輸出量在穩(wěn)態(tài)值附近上下波動的次數(shù) 它也反映系統(tǒng)的平穩(wěn)性 振蕩次數(shù)越少 說明系統(tǒng)的平穩(wěn)性越好 1 4自動控制系統(tǒng)的性能指標(biāo) 小結(jié) 1 開環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單 穩(wěn)定性好 但不能自動補償擾動對輸出量的影響 當(dāng)系統(tǒng)擾動量產(chǎn)生的偏差可以預(yù)先進(jìn)行補償或影響不大時 采用開環(huán)控制是有利的 當(dāng)擾動量無法預(yù)計或控制系統(tǒng)的精度達(dá)不到預(yù)期要求時 則應(yīng)采用閉環(huán)控制 2 閉環(huán)控制系統(tǒng)具有反饋環(huán)節(jié) 它能依靠反饋環(huán)節(jié)進(jìn)行自動調(diào)節(jié) 以克服擾動對系統(tǒng)的影響 閉環(huán)控制極大地提高了系統(tǒng)的精度 但是閉環(huán)使系統(tǒng)的穩(wěn)定性變差 需要重視并加以解決 3 自動控制系統(tǒng)通常由給定環(huán)節(jié) 檢測環(huán)節(jié) 比較環(huán)節(jié) 放大元件 被控對象 和反饋環(huán)節(jié)等部件組成 系統(tǒng)的作用量和被控量有 給定量 反饋量 擾動量 輸出量和各中間變量 4 結(jié)構(gòu)圖 又簡稱框圖 可直觀地表達(dá)系統(tǒng)各環(huán)節(jié) 或各部件 間因果關(guān)系 可以表達(dá)各種作用量和中間變量的作用點和信號傳遞情況以及它們對輸