第一章反饋控制系統(tǒng)的基本概念湯1ppt課件

1、1主講： 湯 旭 晶2第一章第一章 反響控制系統(tǒng)的根本概念反響控制系統(tǒng)的根本概念第五章第五章 頻率特性法頻率特性法第四章第四章 時域分析法時域分析法第三章第三章 控制對象的動態(tài)特性控制對象的動態(tài)特性第二章第二章 自動控制系統(tǒng)的數學模型自動控制系統(tǒng)的數學模型第六章第六章 控制器作用規(guī)律控制器作用規(guī)律輪機自動化根底輪機自動化根底本章的根本要求本章的根本要求 掌握自控系統(tǒng)的根本概念、系統(tǒng)組成和各組成環(huán)節(jié)掌握自控系統(tǒng)的根本概念、系統(tǒng)組成和各組成環(huán)節(jié) 的作用的作用, 正確畫出系統(tǒng)的原理方框圖正確畫出系統(tǒng)的原理方框圖;了解自控系統(tǒng)的分類和特點了解自控系統(tǒng)的分類和特點; ; 掌握負反響在自控系統(tǒng)中的作用掌握

2、負反響在自控系統(tǒng)中的作用; 明確開明確開 環(huán)控制與閉環(huán)控制的區(qū)別；環(huán)控制與閉環(huán)控制的區(qū)別；明確對控制系統(tǒng)的根本要求。明確對控制系統(tǒng)的根本要求。第一章第一章 反響控制系統(tǒng)的根本概念反響控制系統(tǒng)的根本概念1-1 1-1 引言引言1-2 1-2 自動控制系統(tǒng)的根本方式自動控制系統(tǒng)的根本方式1-3 1-3 反響控制系統(tǒng)的概念反響控制系統(tǒng)的概念1-4 1-4 自動控制系統(tǒng)的性能要求自動控制系統(tǒng)的性能要求 第一章第一章 反響控制系統(tǒng)的根本概念反響控制系統(tǒng)的根本概念自動控制：是指在沒有人參與的情況下利用控制器使被控對象自動控制：是指在沒有人參與的情況下利用控制器使被控對象 ( (指消費設備或消費過程自動地按

3、預定的規(guī)律運轉。指消費設備或消費過程自動地按預定的規(guī)律運轉。開展：機械化開展：機械化 電氣化時代電氣化時代自動化、信息化、智能化自動化、信息化、智能化控制實際的開展：控制實際的開展：( (工程控制論工程控制論1 1、經典控制實際、經典控制實際 40 405050年代構成年代構成 (Single-input &.Single-output (Single-input &.Single-output system) system) 基于：二戰(zhàn)軍工技術基于：二戰(zhàn)軍工技術 目的：反響控制系統(tǒng)的鎮(zhèn)定目的：反響控制系統(tǒng)的鎮(zhèn)定 根本方法：傳送函數，頻率法，根本方法：傳送函數，頻率法，PIDP

4、ID調理器調理器 ( (頻域頻域) ) 2 2、現代控制實際、現代控制實際 60 607070年代構成年代構成 (Multi-input &.Multi-output (Multi-input &.Multi-output system) system) 基于：基于： 冷戰(zhàn)時期空間技術，計算機技術冷戰(zhàn)時期空間技術，計算機技術 目的：最優(yōu)控制目的：最優(yōu)控制 根本方法：形狀方程根本方法：形狀方程 時域時域1-1 1-1 引言引言3 3、智能控制技術、智能控制技術 60 60年代中期開場開展年代中期開場開展 專家系統(tǒng)專家系統(tǒng) 模糊控制模糊控制 神經網絡神經網絡4 4、正在開展的各個領

5、域、正在開展的各個領域 自順應控制自順應控制 大系統(tǒng)實際大系統(tǒng)實際 H H魯棒控制魯棒控制 非線性控制微分幾何，混沌，變構造非線性控制微分幾何，混沌，變構造自動控制開展的歷程(王廣雄教授) 百家講壇錄像1-1 1-1 引言引言 人們普遍以為最人們普遍以為最早運用于工業(yè)過程的早運用于工業(yè)過程的自動反響控制器自動反響控制器, 是是James Watt于于1769年年發(fā)明的飛球調理器，發(fā)明的飛球調理器，它被用來控制蒸汽機它被用來控制蒸汽機的轉速。后來此機械的轉速。后來此機械安裝被廣泛運用。安裝被廣泛運用。 1-1 1-1 引言引言用于船舶推進器中用于船舶推進器中的離心式調速器的離心式調速器1-1 1

6、-1 引言引言用于船舶推進器的電子用于船舶推進器的電子式調速器式調速器1-1 1-1 引言引言1-2 自動控制的根本方式1.1.開環(huán)控制系統(tǒng)開環(huán)控制系統(tǒng)(open-loop)(open-loop) 控制系統(tǒng)的輸出量對系統(tǒng)的控制造用沒有任何影響。控制系統(tǒng)的輸出量對系統(tǒng)的控制造用沒有任何影響。 按給定值控制丈量給定值按給定值控制丈量給定值 按擾動補償丈量破壞系統(tǒng)正常運轉的擾動按擾動補償丈量破壞系統(tǒng)正常運轉的擾動 自動控制系統(tǒng)=控制器+控制對象Automatic Control Systems = Controller+plantFig.1-1Fig.1-1閉環(huán)系統(tǒng)本質：經過偏向消除偏向閉環(huán)系統(tǒng)本質

7、：經過偏向消除偏向轉換安裝轉換安裝電動機電動機進水閥進水閥水箱水箱HrHCH減速器減速器N主要特點為：主要特點為： 閉環(huán)負反響控制，即按偏向調理；閉環(huán)負反響控制，即按偏向調理； 抗擾性好，控制精度高；抗擾性好，控制精度高； 系統(tǒng)參數要適中選擇，否那么能夠不能正常任務。系統(tǒng)參數要適中選擇，否那么能夠不能正常任務。2.2.閉環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)(closed-loop)(closed-loop) 指控制器與控制對象之間既有順向作用又有反指控制器與控制對象之間既有順向作用又有反向聯絡的控制過程，既控制系統(tǒng)的輸出量對系統(tǒng)的向聯絡的控制過程，既控制系統(tǒng)的輸出量對系統(tǒng)的控制造用有影響，即反響控制造用有影

8、響，即反響(feedback)(feedback)。因此，又稱。因此，又稱為反響控制。為反響控制。Fig.1-2Fig.1-21-2 自動控制的根本方式3.3.復合復合(compound)(compound)控制系統(tǒng)控制系統(tǒng) 為了提高系統(tǒng)的快速性和精度，除了主反響回路以外前置濾波或擾動補償安裝，這種開環(huán)與閉環(huán)結合的系統(tǒng)稱為復合控制系統(tǒng)。 開環(huán)控制粗調 閉環(huán)控制細調Fig.1-3Fig.1-31-2 自動控制的根本方式1-3 1-3 反響控制系統(tǒng)的概念反響控制系統(tǒng)的概念 反響控制系統(tǒng)的組成反響控制系統(tǒng)的組成 反響控制系統(tǒng)的構造方框圖反響控制系統(tǒng)的構造方框圖 反響控制系統(tǒng)的分類反響控制系統(tǒng)的分類、

9、控制對象：被控制的設備或過程冷卻器。系統(tǒng)的輸出、控制對象：被控制的設備或過程冷卻器。系統(tǒng)的輸出就是指被控對象的輸出或稱被控量。就是指被控對象的輸出或稱被控量。、控制器或稱調理器：根據偏向按一定規(guī)律輸出控制量，、控制器或稱調理器：根據偏向按一定規(guī)律輸出控制量，送至執(zhí)行機構。它有兩個輸入，即設定值輸入和丈量值輸送至執(zhí)行機構。它有兩個輸入，即設定值輸入和丈量值輸入。入。 偏向偏向 = = 設定值設定值 丈量值丈量值、執(zhí)行器執(zhí)行機構：接受控制器送來的控制信號，驅動、執(zhí)行器執(zhí)行機構：接受控制器送來的控制信號，驅動調理機構，作用于被控對象。調理機構，作用于被控對象。、丈量變送器丈量單元：將被控對象的物理輸

10、出量，即、丈量變送器丈量單元：將被控對象的物理輸出量，即被控量轉換為規(guī)范信號輸出也稱丈量輸出，送到調理被控量轉換為規(guī)范信號輸出也稱丈量輸出，送到調理器，作為反響信號。器，作為反響信號。Fig.1-4Fig.1-41.1.反響控制系統(tǒng)的組成反響控制系統(tǒng)的組成1-3 1-3 反響控制系統(tǒng)的概念反響控制系統(tǒng)的概念2.2.反響控制系統(tǒng)的構造框圖反響控制系統(tǒng)的構造框圖特點特點: :信號傳送單向性信號傳送單向性 ；閉合回路閉環(huán)系統(tǒng)；閉合回路閉環(huán)系統(tǒng)； 負反響：反響通道的信號與前向通道的信號相減。負反響：反響通道的信號與前向通道的信號相減。 反之，那么為正反響。反之，那么為正反響?？刂茊卧鶕蜻M展控制，

11、因此又稱偏向驅動。控制單元根據偏向進展控制，因此又稱偏向驅動。 Fig.1-5Fig.1-5 假設控制單元、丈量單元和執(zhí)行單元合為一體，那么稱為基地式控制儀表；假設三者分開，那么稱為組合式控制儀表。1-3 1-3 反響控制系統(tǒng)的概念反響控制系統(tǒng)的概念3.3.反響控制系統(tǒng)的分類反響控制系統(tǒng)的分類1. 按給定值的方式：按給定值的方式： a定值控制；定值控制；b程序控制；程序控制；c隨動控制。隨動控制。2. 按動作方式：按動作方式： a延續(xù)控制；延續(xù)控制；b斷續(xù)控制雙位控制或多位控制斷續(xù)控制雙位控制或多位控制3. 按控制精度：按控制精度： a有差調理；有差調理；b無差調理無差調理4. 按變量數：按變

12、量數： a單變量控制；單變量控制；b多變量控制多變量控制5. 按系統(tǒng)性質：按系統(tǒng)性質： a線性控制系統(tǒng)；線性控制系統(tǒng)；b非線性控制系統(tǒng)非線性控制系統(tǒng)6. 按運用實際：按運用實際： a基于經典實際的控制；基于經典實際的控制； b基于現代控制實際的控制最優(yōu)控制、自順應控制；基于現代控制實際的控制最優(yōu)控制、自順應控制； c智能控制模糊、神經、專家、自學習控制智能控制模糊、神經、專家、自學習控制1-4 1-4 自動控制系統(tǒng)的性能要求自動控制系統(tǒng)的性能要求1.1.自動控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)與動態(tài)自動控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)與動態(tài)穩(wěn)態(tài)穩(wěn)態(tài)(Static)(Static)：被控量不隨時間變化的平衡形狀。：被控量不隨時間變化的

13、平衡形狀。靜態(tài)靜態(tài)動態(tài)動態(tài)(dynamic)(dynamic)：被控量隨時間變化的不平衡形狀。：被控量隨時間變化的不平衡形狀。瞬態(tài)瞬態(tài) 自動控制過程：自動控制過程：新的穩(wěn)態(tài)平衡新的穩(wěn)態(tài)平衡動態(tài)過程動態(tài)過程穩(wěn)態(tài)平衡穩(wěn)態(tài)平衡擾動變化擾動變化控制造用控制造用平衡破壞平衡破壞抑制擾動影響抑制擾動影響Fig.1-4bFig.1-4b2.2.自動控制系統(tǒng)的過渡過程自動控制系統(tǒng)的過渡過程根據過渡過程的特點，控制系統(tǒng)可分為：根據過渡過程的特點，控制系統(tǒng)可分為： 1發(fā)散過程發(fā)散過程 2等幅振蕩過程等幅振蕩過程 Fig.1-14 3衰減過程衰減過程 4非周期過程非周期過程 其中，其中， 1、2稱為不穩(wěn)定過程；稱為

14、不穩(wěn)定過程；3、4稱為稱為穩(wěn)定過程。穩(wěn)定過程。Fig.1-8過渡過程過渡過程(transient)(transient)：指自動控制系統(tǒng)在動態(tài)中被控量隨時間的：指自動控制系統(tǒng)在動態(tài)中被控量隨時間的變化過程?；蛘哒f是從一個平衡態(tài)過渡到另一個平衡態(tài)的過程。變化過程。或者說是從一個平衡態(tài)過渡到另一個平衡態(tài)的過程。1-4 1-4 自動控制系統(tǒng)的性能要求自動控制系統(tǒng)的性能要求 為便于系統(tǒng)分析，定義幾種常見的系統(tǒng)輸入信號：為便于系統(tǒng)分析，定義幾種常見的系統(tǒng)輸入信號： 1階躍輸入：階躍輸入： Fig.1-9 2速度輸入速度輸入 ： Fig.1-10 3加速度輸入：加速度輸入： Fig.1-11 4脈沖輸入：

15、脈沖輸入： Fig.1-12 5正弦輸入：正弦輸入： Fig.1-13 其中，階躍輸入對系統(tǒng)的任務最為不利。其中，階躍輸入對系統(tǒng)的任務最為不利。)0( 0)0( )(ttRtr)0( 0)0( )(ttRttr)0( 0)0( 21)(2ttRttr), 0( 0)0( 1)(htththtr( )sin r tAt1-4 1-4 自動控制系統(tǒng)的性能要求自動控制系統(tǒng)的性能要求3.3.自動控制系統(tǒng)的典型輸入信號自動控制系統(tǒng)的典型輸入信號4 4自動控制系統(tǒng)過渡過程的性能要求自動控制系統(tǒng)過渡過程的性能要求 方法：給系統(tǒng)施加階躍輸入，得到系統(tǒng)過渡過程方法：給系統(tǒng)施加階躍輸入，得到系統(tǒng)過渡過程曲線，分析

16、系統(tǒng)過渡過程的各項性能目的。曲線，分析系統(tǒng)過渡過程的各項性能目的。 采用階躍輸入的緣由：采用階躍輸入的緣由： 1 1信號的階躍變化在實踐中比較常見近似的階信號的階躍變化在實踐中比較常見近似的階躍變化；躍變化； 2 2階躍信號的數學處置比較簡單；階躍信號的數學處置比較簡單； 3 3階躍輸入對系統(tǒng)的任務最為不利。階躍輸入對系統(tǒng)的任務最為不利。 評定系統(tǒng)過渡過程性能目的的三個方面：評定系統(tǒng)過渡過程性能目的的三個方面： 1 1穩(wěn)定性；穩(wěn)定性；2 2準確性；準確性；3 3快速性?？焖傩浴?1-4 1-4 自動控制系統(tǒng)的性能要求自動控制系統(tǒng)的性能要求 fig.1-14 fig.1-144 4自動控制系統(tǒng)過

17、渡過程的性能要求自動控制系統(tǒng)過渡過程的性能要求 過渡過程評定目的過渡過程評定目的: :1 1穩(wěn)定性：系統(tǒng)遭到擾動之后可以恢復到穩(wěn)定形狀的穩(wěn)定性：系統(tǒng)遭到擾動之后可以恢復到穩(wěn)定形狀的才干。實踐控制系統(tǒng)，至少要求是衰減過程或非周期過才干。實踐控制系統(tǒng)，至少要求是衰減過程或非周期過程，以衰減為佳。程，以衰減為佳。 評定目的：衰減率評定目的：衰減率 ，衰減比，衰減比N Na a定值控制系統(tǒng)：給定值不變，外部擾動發(fā)生階躍變定值控制系統(tǒng)：給定值不變，外部擾動發(fā)生階躍變化；化； fig.1-15 fig.1-15b b隨動控制系統(tǒng)：假定外部擾動不變，給定值階躍變隨動控制系統(tǒng)：假定外部擾動不變，給定值階躍變化

18、?；?。 fig.1-16 fig.1-16 閉環(huán)系閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定統(tǒng)穩(wěn)定是前提是前提1-4 1-4 自動控制系統(tǒng)的性能要求自動控制系統(tǒng)的性能要求4 4自動控制系統(tǒng)過渡過程的性能要求自動控制系統(tǒng)過渡過程的性能要求 2 2準確性：被控量偏離給定值的程度準確性：被控量偏離給定值的程度 評定目的：評定目的： a a定值控制系統(tǒng)：最大動態(tài)偏向定值控制系統(tǒng)：最大動態(tài)偏向emaxemax；靜態(tài)偏；靜態(tài)偏向向ysys fig.1-15 fig.1-15 b b隨動控制系統(tǒng)：最大動態(tài)偏向隨動控制系統(tǒng)：最大動態(tài)偏向emaxemax；超調量；超調量；靜態(tài)偏；靜態(tài)偏 差差ys ys 。 fig.1-16 fig.1-16

19、 1-4 1-4 自動控制系統(tǒng)的性能要求自動控制系統(tǒng)的性能要求4 4自動控制系統(tǒng)過渡過程的性能要求自動控制系統(tǒng)過渡過程的性能要求 3 3快速性：快速性： 評定目的：過渡過程時間評定目的：過渡過程時間 ts ts從擾動發(fā)生從擾動發(fā)生到被控量又重新到被控量又重新 趨于穩(wěn)定到達新的平衡趨于穩(wěn)定到達新的平衡態(tài)所需的時間態(tài)所需的時間 此外還有振蕩頻率、振蕩次數等此外還有振蕩頻率、振蕩次數等 fig.1-15 fig.1-15 fig.1-16 fig.1-16 1-4 1-4 自動控制系統(tǒng)的性能要求自動控制系統(tǒng)的性能要求 過渡過程的性能目的的要求(總結： 1定值控制： a動態(tài)偏向和靜態(tài)偏向要??； b衰減

20、率最好在0.750.9之間； c過渡過程時間要短 2隨動控制： a超調量要?。?b過渡過程時間要短； c振蕩次數要少1-4 1-4 自動控制系統(tǒng)的性能要求自動控制系統(tǒng)的性能要求本章的根本要求本章的根本要求 掌握自控系統(tǒng)的根本概念、系統(tǒng)組成和各組成環(huán)節(jié)掌握自控系統(tǒng)的根本概念、系統(tǒng)組成和各組成環(huán)節(jié) 的作用的作用, 正確畫出系統(tǒng)的原理方框圖正確畫出系統(tǒng)的原理方框圖;了解自控系統(tǒng)的分類和特點了解自控系統(tǒng)的分類和特點; 掌握負反響在自控系統(tǒng)中的作用掌握負反響在自控系統(tǒng)中的作用; 明確開環(huán)明確開環(huán) 控制與閉環(huán)控制的區(qū)別；控制與閉環(huán)控制的區(qū)別；明確對控制系統(tǒng)的根本要求。明確對控制系統(tǒng)的根本要求。第一章第一章

21、 反響控制系統(tǒng)的根本概念反響控制系統(tǒng)的根本概念Q1V2Q2V1HFFig.1-1 液位控制系統(tǒng)表示圖液位控制系統(tǒng)表示圖fig.1-1 液位控制系統(tǒng)表示圖液位控制系統(tǒng)表示圖Q1V2Q2V1HF+E+E浮子浮子控制器控制器電動機電動機Fig.1-2 液位控制閉環(huán)系統(tǒng)表示圖液位控制閉環(huán)系統(tǒng)表示圖fig.1-2 液位控制閉環(huán)系統(tǒng)表示圖液位控制閉環(huán)系統(tǒng)表示圖 fig.1-3 復合控制系統(tǒng)構造方框圖復合控制系統(tǒng)構造方框圖控制安裝執(zhí)行機構控制對象反響安裝被控量給定信號+-前饋安裝擾動補償外部擾動 fig.1-4 電動儀表控制的主機冷卻水溫度控制系統(tǒng)電動儀表控制的主機冷卻水溫度控制系統(tǒng)溫度變送器控制器伺服放大器執(zhí)行器蝶閥機構溫度傳感器主機入口主機出口冷卻器海水 fig.1-4a 柴油機氣缸冷卻水溫度手動控制過程柴油機氣缸冷卻水溫度手動控制過程冷卻器冷卻器三通閥三通閥淡水泵淡水泵主機主機眼眼腦腦手手海水入口海水入口海水出口海水出口手動控制過程：手動控制過程：