自控控制原理課件第一章.ppt

1、自動控制原理,課程的性質(zhì)和特點,自動控制是一門技術(shù)學科，它是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科的專業(yè)基礎(chǔ)課，是自動控制理論的基礎(chǔ)課程，該課程與其他課程的關(guān)系如下:,微積分（含微分方程）,電機與拖動,模擬電子技術(shù),線性代數(shù),電路理論,信號與系統(tǒng),自動控制理論,復變函數(shù)、拉普拉斯變換,大學物理（力學、熱力學）,課程的性質(zhì)和特點,自動控制理論已經(jīng)發(fā)展為理論嚴密、系統(tǒng)完整、邏輯性很強的一門學科。從基本反饋控制原理發(fā)展到自適應控制、優(yōu)化控制、魯棒控制、大系統(tǒng)控制、智能控制。,課程的性質(zhì)和特點, 討論的對象： 因果系統(tǒng)、工程系統(tǒng) 系統(tǒng)的廣義性： 經(jīng)濟、社會、工程、生物、環(huán)境

2、、醫(yī)學 課程特點： 研究系統(tǒng)的共性問題,第1章 自動控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)知識,教學重點,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)的基本要求穩(wěn)定性、動態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能指標； 學會自動控制系統(tǒng)的類型及本質(zhì)特征。,教學難點,自動控制系統(tǒng)的基本工作原理，自動控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及特點、組成和基本環(huán)節(jié)，自動控制系統(tǒng)的性能指標，自動控制系統(tǒng)的類型。,概述：在人類社會走向信息化的今天，計算機、通信、信息處理技術(shù)的發(fā)展對社會經(jīng)濟以及人類生活產(chǎn)生了巨大影響。其中，自動控制作為一種技術(shù)手段已經(jīng)廣泛地應用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防以及日常生活和社會科學的各個領(lǐng)域。 自控理論：自動

3、控制理論就是研究自動控制共同規(guī)律的科學技術(shù)，自動控制原理僅是工程控制論中的一個分支，是研究控制系統(tǒng)分析和設(shè)計的一般理論。 本章內(nèi)容：本章是自動控制技術(shù)及應用的基礎(chǔ)，主要介紹自動控制的基本原理和概念，自動控制系統(tǒng)的組成和分類，以及自動控制系統(tǒng)的性能指標等。,本章內(nèi)容包括： 自動控制理論的發(fā)展 自動控制系統(tǒng)的基本原理 自動控制系統(tǒng)的分類 自動控制系統(tǒng)的基本要求,1.1 自動控制理論的發(fā)展 控制理論的發(fā)展過程一般可分為三個階段： “經(jīng)典控制理論”時期 “現(xiàn)代控制理論”時期 “大系統(tǒng)理論”和“智能控制”時期,1.經(jīng)典控制理論 研究對象：單輸入單輸出系統(tǒng)（線性定常系統(tǒng)） 研究方法：以傳遞函數(shù)、頻率特性、

4、根軌跡為基礎(chǔ)的頻域分析方法。 代表人物：維納（控制論）、伯德（伯德圖法）和伊文思（根軌跡法） 。,2.現(xiàn)代控制理論 研究對象：多輸入多輸出系統(tǒng)（線性定?；蚍蔷€性時變） 研究方法：狀態(tài)空間方法 代表人物：龐特里亞金（極大值原理）、貝爾曼（動態(tài)規(guī)劃原理）、卡爾曼（卡爾曼濾波）等,3.大系統(tǒng)理論和智能控制 關(guān)系：前者是控制理論在廣度上的開拓，后者是控制理論在深度上的挖掘。 研究內(nèi)容： “大系統(tǒng)理論” 通過采用控制和信息的觀點，研究各種大系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方案、總體設(shè)計中的分解方法和協(xié)調(diào)等問題。 “智能控制”通過模擬人類智能活動及其控制與信息傳遞過程的規(guī)律，研究具有某些仿人智能的工程控制與信息處理系統(tǒng)。,1.

5、2 自動控制系統(tǒng)的基本原理 1.自動控制系統(tǒng)的基本概念 自動控制：沒有人的直接干預，利用控制裝置使被控對象（如生產(chǎn)設(shè)備）的工作狀態(tài)或被控制量按照預定的規(guī)律運行。 自動控制系統(tǒng)：實現(xiàn)上述自動控制的目的，由相互聯(lián)系和制約的各部件組成的具有特定功能的整體稱為自動控制系統(tǒng)。,2.自動控制系統(tǒng)的組成 基本工作原理： 通過測量裝置隨時監(jiān)測被控量，并與給定值進行比較，產(chǎn)生偏差信號；根據(jù)控制要求對偏差進行計算和信號放大，并且產(chǎn)生控制量，驅(qū)動被控制量維持在期望值附近。,自動控制系統(tǒng)組成：由被控對象以及為完成控制任務(wù)而配置的控制裝置兩大部分構(gòu)成。,圖1-1 自動控制系統(tǒng)框圖, 被控對象： 是控制系統(tǒng)所控制和操縱的

6、對象，它接受控制量并輸出被控量?？梢允且惶籽b置或設(shè)備，也可以是一個動態(tài)過程（被控制的運行狀態(tài)）。如化工行業(yè)中從原料到產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝流程。 測量環(huán)節(jié)： 其作用是檢測被控對象的控制量（溫度、壓力、流量、位移等），并且一般需要轉(zhuǎn)換為標準的電信號（如05V直流電壓或010mA直流電流），以便于處理。為了保證控制精度，測量環(huán)節(jié)應當測量準確，并且牢固、可靠，受環(huán)境條件影響小。 比較環(huán)節(jié)： 其作用是將測量環(huán)節(jié)的實際輸出值與給定量進行比較，求出它們之間的偏差。通常采用的比較元件有差動放大器、電橋、機械的差動裝置等。, 計算環(huán)節(jié)： 它是控制裝置的核心，決定著控制系統(tǒng)性能的好壞。其作用是根據(jù)控制要求，對偏差信號進

7、行各種計算并形成適當?shù)目刂谱饔?。校正裝置就是可以實現(xiàn)某種“控制規(guī)律”的計算環(huán)節(jié)，從而改善系統(tǒng)的動態(tài)、穩(wěn)態(tài)性能。對于復雜的運算可以利用計算機完成。 放大環(huán)節(jié)： 由于經(jīng)過計算機處理的信號通常是標準化的弱信號，不能驅(qū)動被控對象，因此需要加以放大。放大環(huán)節(jié)的輸出必須有足夠的能量，一般需要幅值的放大和功率的放大，才能實現(xiàn)驅(qū)動能力。 執(zhí)行環(huán)節(jié)： 其作用是產(chǎn)生控制量，直接推動被控對象的控制量發(fā)生變化。如電動機、調(diào)節(jié)閥門等就是執(zhí)行元件。,常用的名詞術(shù)語 給定量： 又稱為參考輸入，是指人為給定的并且要求系統(tǒng)輸出量參照變化的外部指令信號。給定量與期望的輸出量之間一般存在著物理量綱轉(zhuǎn)換關(guān)系。給定量可以是常值，也可以

8、是隨時間變化的已知函數(shù)或未知函數(shù)。 被控量： 又稱為輸出量，是指被控對象中某個需要被控制的物理量。它與給定量之間存在一定函數(shù)關(guān)系。 干 擾： 又稱為擾動信號，是指由某些因素（外部和內(nèi)部）引起的、對系統(tǒng)被控量產(chǎn)生不利影響的信號。, 反饋： 是系統(tǒng)的輸出量從被控量端（輸出）經(jīng)變換、處理到達系統(tǒng)的給定量端（輸入）。若是從系統(tǒng)輸出端到系統(tǒng)輸入端，這種反饋稱為主反饋；而其他反饋稱為局部反饋。 前向通道： 是從系統(tǒng)的給定量端（輸入）到被控量端（輸出）所經(jīng)過的通路。 偏差： 是給定量與反饋量之差。 誤差： 是系統(tǒng)輸出量的實際值與期望值之差。系統(tǒng)期望值是理想化系統(tǒng)的輸出，實際中很難達到。在單位反饋情況下，期望

9、值就是系統(tǒng)的給定量，則誤差就等于偏差。 系統(tǒng)： 是一些部件的組合，能完成一定的任務(wù)。系統(tǒng)的概念可以應用于抽象的動態(tài)現(xiàn)象。,1.3 自動控制系統(tǒng)的分類 按系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分類 按系統(tǒng)輸入信號分類 按系統(tǒng)數(shù)學模型分類 按系統(tǒng)參數(shù)特性分類 按系統(tǒng)時間變量特性分類 其他分類方法,1.按系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分類 （1）開環(huán)控制系統(tǒng) 工作原理：在控制器和被控對象之間只有正向控制而沒有反饋控制，即系統(tǒng)的輸出量對控制量沒有影響。,圖1-2 開環(huán)控制系統(tǒng)原理框圖,(2)閉環(huán)控制系統(tǒng) 工作原理：根據(jù)被控量的反饋信息，即實際輸出量，來修正控制裝置對被控對象的控制作用，實現(xiàn)控制任務(wù)。,圖1-3 閉環(huán)控制系統(tǒng)原理框圖,(3)復合控制系統(tǒng)

10、工作原理：閉環(huán)控制與開環(huán)控制相結(jié)合的一種自動控制系統(tǒng)。在閉環(huán)控制的基礎(chǔ)上，附加一個正饋通道，對干擾信號進行補償，以達到精確的控制效果。,圖1-4 復合控制系統(tǒng)原理框圖,2.按系統(tǒng)輸入信號分類 （1）恒值控制系統(tǒng) 系統(tǒng)的輸入信號是某一恒定的常值，要求系統(tǒng)能夠克服干擾的影響，使輸出量在這一常值附近微小變化。 舉例：連續(xù)生產(chǎn)過程中的恒溫、恒壓、恒速等自動控制系統(tǒng)。 （2）程序控制系統(tǒng) 系統(tǒng)的輸入信號是某一已知的時間函數(shù)（不是常數(shù)），要求系統(tǒng)按照該時間函數(shù)進行順序操作。 舉例：數(shù)控機床按給定程序加工一個工件、家用洗衣機等。,（3）隨動控制系統(tǒng)（或稱伺服控制系統(tǒng)） 系統(tǒng)的輸入信號是一個未知的隨時間任意變

11、化的函數(shù)，要求輸出量能夠精確地跟隨輸入信號變化，稱為隨動控制系統(tǒng)。 隨動控制系統(tǒng)中的被控量是機械位置或其導數(shù)時，稱為伺服控制系統(tǒng)。 舉例：導彈自動跟蹤系統(tǒng)等。,3.按系統(tǒng)數(shù)學模型分類 （1）線性系統(tǒng) 系統(tǒng)的運動規(guī)律可以用一個或一組線性微分方程來描述。 線性系統(tǒng)的運動方程一般形式為 式中，為輸入量； 為輸出量。,線性系統(tǒng)的兩個重要特性 疊加性：當同時存在幾個輸入量時，線性系統(tǒng)的輸出量等于各輸入量單獨作用時所產(chǎn)生的輸出量之和。即若當系統(tǒng)的輸入分別為 和 時，對應的輸出分別為 和 ，則當 和 同時作用時，輸出量為 。 齊次性：當輸入量增大或縮小 ( 為實數(shù))倍時，線性系統(tǒng)的輸出量也增大或縮小相同倍數(shù)

12、。即若系統(tǒng)的輸入為 時，對應的輸出為 ，則當輸入量為 時，輸出量為 。,（2）非線性系統(tǒng) 特點：系統(tǒng)某一環(huán)節(jié)具有非線性特性，不滿足疊加原理。 典型的非線性特性：繼電器特性、死區(qū)特性、飽和特性、間隙特性等。,圖1-5 典型的非線性特性,4. 按系統(tǒng)參數(shù)特性分類 （1）定常系統(tǒng) 系統(tǒng)參數(shù)在系統(tǒng)運行過程中相對于時間是不變的。 舉例：許多物理系統(tǒng)在所觀察的時間范圍內(nèi)，可以認為參數(shù)是定常的，它的微小變化可以忽略不計。 （2）時變系統(tǒng) 系統(tǒng)中的參數(shù)是時間的函數(shù)。 舉例：在工程上的大部分系統(tǒng)屬于這類系統(tǒng)。,5.按系統(tǒng)時間變量特性分類 （1）連續(xù)時間系統(tǒng) 控制系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的輸入量和輸出量均為時間的連續(xù)函數(shù)。 舉

13、例：工業(yè)生產(chǎn)中普遍采用的常規(guī)儀表控制系統(tǒng)。 （2）離散時間系統(tǒng) 控制系統(tǒng)中有一處或一處以上的信號是脈沖序列或數(shù)字編碼 ，又稱為采樣控制系統(tǒng)。,圖1-6 采樣控制系統(tǒng)方框圖,隨著數(shù)字計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，計算機作為控制器已經(jīng)廣泛引入控制系統(tǒng)中。計算機控制系統(tǒng)就是通過A/D轉(zhuǎn)換器，將采樣信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號進行運算、處理，得到的結(jié)果再經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為模擬信號，用以驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)。,圖1-7 計算機控制系統(tǒng)方框圖,.其他分類方法 按控制系統(tǒng)的輸入、輸出數(shù)量分類，有單輸入單輸出系統(tǒng)和多輸入多輸出系統(tǒng)； 按控制系統(tǒng)的功能分類，有溫度控制系統(tǒng)、位置控制系統(tǒng)、速度控制系統(tǒng)等； 按組成系統(tǒng)的部件分類，有機械系統(tǒng)、電力系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)等； 按控制理論分類，有PID控制系統(tǒng)、最優(yōu)控制系統(tǒng)、預測控制系統(tǒng)、模糊控制系統(tǒng)等。,1. 4自動控制系統(tǒng)的基本要求 對于線性定常系統(tǒng)，性能指標主要包括三個方面內(nèi)容：穩(wěn)定性、動態(tài)性能指標和穩(wěn)態(tài)誤差。 1.穩(wěn)定性 一個控制系統(tǒng)能正常工作的首要條件。 穩(wěn)定系統(tǒng)：當系統(tǒng)受到外部干擾后，輸出會偏離正