自动控制原理课件全

《自动控制原理课件全》由会员分享，可在线阅读，更多相关《自动控制原理课件全（35页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、Date1自动控制原理第一章 引言 自动控制是一个非常有吸引力的研究领域，在过 去的几十年中发展起来的理论和实践解决了大量的自 动化问题，使这个领域具有了通用的特点。正因如此 ，各工程专业都对大学生和研究生开设了相关的课程 。 在我们周围，确实存在着能实现自动控制的自然和 人造系统：人体的许多功能可以在不需要我们有意识 地干涉的情况下完成，从而维持我们的生命；在日常 生活中，我们每天都可以碰到自动运行的人造系统， 如电子的、机械的、化学的、水力的、金融的和经济 的。但大多数情况下，只有发生了故障，我们才意识 到它们是自动运行的。 Date2自动控制原理第一章 简单的水位自动控制系统简单的水位自

2、动控制系统 出水 浮子 连杆 进水阀 水池 简单的水位自动控制系统简单的水位自动控制系统 Date3自动控制原理第一章 历史回顾 18世纪，James Watt 为控制蒸汽机速度设计的离心调节器。是自 动控制领域的第一项重大成果。在控制理论发展初期，做出过 重大贡献的众多学者中有迈纳斯基、黑曾和奈魁斯特。 1922年，Minorsky研制船舶操纵自动控制器，并证明了从系统的 微分方程确定系统的稳定性。 1932年，Nyquist提出了一种相当简便的方法，根据对稳态正弦 输入的开环响应，确定闭环的稳定性。 1934年，Hezen提出了用于位置控制系统的伺服机构的概念。讨 论了可以精确跟踪变化的输

3、入信号的继电式伺服机构。 19世纪40年代，频率响应法为闭环控制系统提供了一种可行方 法，从20世纪40年代末到50年代初，伊凡思Evans提出并完善了 根轨迹法。 Date4自动控制原理第一章 一、蒸汽机转速自动控制系统一、蒸汽机转速自动控制系统 蒸汽 nn n1 图1-9 蒸汽机转速自动控制系统 负载圆锥形齿轮 飞锤 套筒 杠杆 阀门 弹簧 蒸汽机 自动控制系统的应用实例自动控制系统的应用实例 Date5自动控制原理第一章 自动控制学科自动控制学科 自动控制技术 自动控制理论 自动控制理论自动控制理论 经典控制理论： 20世纪4050年代 现代控制理论： 20世纪60年代 Date6自动控

4、制原理第一章 术语 对象 过程 系统 扰动 反馈控制 反馈控制 系统 随动系统 自动调整系统 过程控制系统 Date7自动控制原理第一章 术语 对象 是一个设备，它是由一些机器零件有机 地组合在一起的，其作用是完成一个特定的动作 。在下面的讨论中，称任何被控物体（如加热炉 、化学反应器或宇宙飞船）为对象。 过程 称任何被控制的运行状态为过程，其具 体例子如化学过程、经济学过程、生物学过程。 系统 完成一定任务的一些元、部件的组合。 系统是一个广义的概念。系统不限于物理系 统，系统的概念可以应用于抽象的动态现象，如 在经济学中遇到的一些现象。因此，“系统”这个 词，应当理解为包含了物理学，生物学

5、和经济学 等现象的系统。 Date8自动控制原理第一章 术语 扰动 扰动是一种对系统的输出产生不利影响 的信号。如果扰动产生在系统内部称为内扰；扰 动产生在系统外部，则称为外扰。外扰是系统的 输入量。 反馈控制 反馈控制是这样一种控制过程，它 能够在存在扰动的情况下，力图减小系统的输出 量与参考输入量（也称参据量）（或者任意变化 的希望的状态）之间的偏差，而且其工作正是基 于这一偏差基础之上的。在这里，反馈控制仅仅 是对无法预计的扰动（既那些预先无法知道的扰 动）而设计的，因为对于可以预计的或是已知的 扰动来说，总是可以在系统加以校正的，因而对 于他们的测量是完全不必要的。 Date9自动控制

6、原理第一章 术语 反馈控制系统 反馈控制系统是一种能对输出 量与参考输入量进行比较，并力图保持两者之间 的既定关系的系统，它利用输出量与输入量的偏 差来进行控制。 应当指出，反馈控制系统不限于工程范畴， 在各种非工程范畴内，诸如经济学和生物学中， 也存在者反馈控制系统。 例如，人的机体在某种意义上说，就类似于一 个具有许多控制变量的化工设备。在这种运输和 化学反应网络的过程控制中，包含者许多控制回 路，事实上，人的机体是一个极其复杂的反馈控 制系统。 Date10自动控制原理第一章 术语 随动系统 随动系统是一种反馈控制系统，在 这种系统中，输出量是机械位移、速度或者加速 度。因此，随动系统这

7、个术语，与位置（或速度 或加速度）控制系统是同义语。在现代工业中， 广泛采用者随动系统。例如，采用程序指令的机 床的全自动化操作，就可以应用随动系统来完成 。 自动调整系统 自动调整系统是一种反馈控制系 统，在这种系统中，参考输入量或希望的输出量 ，或者保持常值，或者随时间而缓慢变化，而这 种系统的基本任务，正是要在存在扰动的情况下 ，将实际的输出量保持在希望的数值上。 Date11自动控制原理第一章 术语 过程控制系统 当自动调整系统的输出量是温度、压 力、流量、液面或PH值（氢离子浓度）等这样一些变 量时，就叫过程控制系统。过程控制在工业中获得广 泛应用。像在加热炉的温度控制中，炉温是根据

8、预先 制定的程序进行控制的，叫做程序控制。程序控制是 经常采用的一种过程控制系统。例如，预先制定的程 序可以是：炉温在一定的时间间隔内，先上生到某一 给定温度，然后在另一段时间间隔内再下降到另一给 定温度。在这类程序控制中，给定量是按照预先制定 的规律变化的。而控制器则保持炉温紧紧地跟随给定 量的变化。应当指出，大多数程序控制系统都包含随 动系统，作为系统的整体部件。 Date12自动控制原理第一章 第1章绪论 1.1自动控制的基本原理及控制系统的分类 1.2自动控制原理课程研究的内容 Date13自动控制原理第一章 1.1.1自动控制的基本原理 l所谓控制系统（Control System）

9、就是通过执行 规定的功能来实现某一给定目标的一些相互关联 单元的组合。由人直接或间接操作执行装置的控 制方式称为手动控制（Manual Control）；而无需 人去直接或间接操纵执行机构，利用控制装置控 制被控制量自动地按预定的规律变化的过程则称 为自动控制（Automatic Control）。 Date14自动控制原理第一章 示例恒温控制系统 l由温度计测出恒温箱的实际温度与恒温箱内要求达到的 温度进行比较，得出偏差，根据偏差的大小和正负进行 控制。当恒温箱温度高于所要求的温度时，移动调压器 可动触头减小外施电压，使箱温减小到要求的温度；若 箱温低于给定温度，则移动调压器触头增大外施电压

10、， 使箱温增大到给定温度。 l人工控制精度不高， 人的反应不够快，不少 恶劣的场合人无法参与 直接控制。自动控制系 统可以解决以上问题。 下图为一恒温自动控制 系统原理框图。 Date15自动控制原理第一章 恒温箱的理想温度由电压u1给出，热电偶检测箱温 ，输出电压u2并反馈回去与给定电压相比较得出偏差电 压u= u1- u2，经电压和功率放大后控制电机的速度和 转向，从而改变调压器滑动触头的位置，改变恒温箱的 外施电压达到恒定箱温的目的。即当恒温箱内温度偏高 时，使调压器降压，反之升压，直到温度达到给定值为 止。此时偏差电压u=0，电机停转。 Date16自动控制原理第一章 不论是人工控制还

11、是自动控制它们都需要检测偏差，这 一偏差是由被控量的反馈值与给定值相比较产生的，它们 都需要利用检测到的偏差去纠正偏差，使偏差减小或消除 。这种通过检测、比较得到偏差，由偏差产生控制作用， 由控制作用使偏差减少或消除的原理就是我们所研究的自 动控制原理也称反馈控制原理。（一般均为负反馈）。 为了便于了解系统的结构及作用原理，可将系统用功能 框图表示。 n n 自动控制系统的基本组成部分自动控制系统的基本组成部分 n被控对象（或过程）、给定元件、测量反馈元件、比较元件、放大 元件、校正元件、执行元件。 Date17自动控制原理第一章 1.1.2控制系统的分类 控制系统的类型很多，它们的结构类型

12、和所完成的任务也各不相同。控制系统从信 息传送的特点或系统的结构特点来看可分为 开环控制系统和闭环控制系统，以及同时具 有开环结构和闭环结构的复合控制系统。 Date18自动控制原理第一章 一、开环控制系统 示例直流电动机开环调速系 统 电 压 放大器 功 率 放大器 Mc 负载 n 电动机 + _ + _ + 电位器 给定电压ug经放大后得到电枢电压ua，改变ug可得不 同的转速n，该系统只有输入量ug对输出量n的单向控制作 用。输出端和输入端之间不存在反馈回路。 Date19自动控制原理第一章 开环系统的优点结构简单，系统稳定性好，调试 方便，成本低。因此，在输入量和输出量之间的关系固定

13、，且内部参数或外部负载等扰动因素不大，或这些扰动因 素可以预测并进行补偿的前提下，应尽量采用开环控制系 统。 开环控制的缺点当控制过程中受到来自系统外部 的各种扰动因素，如负载变化、电源电压波动等，以及来 自系统内部的扰动因素，如元件参数变化等，都将会直接 影响到输出量，而控制系统不能自动进行补偿，抗干扰性 能差。因此，开环系统对元器件的精度要求较高。 Date20自动控制原理第一章 二、闭环控制系统 电 压 放大器 功 率 放大器 Mc 负载 n 电动机 + _ + _ + _ uf 电位器 测速发电机 + _ ue= ug-uf Date21自动控制原理第一章 直流电动机转速闭环控制系统方

14、块图 n 电 压 放大器 ue 输 入 量 Mc 扰动 输 出 量 功 率 放大器 直 流 电动机 ugua 测 速 发电机 uf 设上述系统原已在某个给定电压ug相对于的转速n状 态下运行，若一旦受到某些干扰（如负载转矩突然增大） 而引起转速下降时，系统就会自动地产生相应的调整过程 。 偏差始终存在 正反馈不能进行控制，会使系统的偏差越来越大 。 Mcnufue（ ue = ug - uf ）uan Date22自动控制原理第一章 闭环控制的优点抑制扰动能力强，与开环控制 相比，对参数变化不敏感，并能获得满意的动态特性和 控制精度。 闭环控制的缺点引入反馈增加了系统的复杂性 ，如果闭环系统参

15、数的选取不适当，系统可能会产生振 荡，甚至系统失稳而无法正常工作，这是自动控制理论 和系统设计必须解决的重要问题。 自动控制理论主要研究闭环控制系统 Date23自动控制原理第一章 无论是人工控制还是自动控制，它们都需要检测偏差 ，这一偏差是给定值与由被控量的反馈值相比较产生的 ，它们都需要利用检测到的偏差去纠正偏差，使偏差减 小或消除。 这种通过检测、比较得到偏差，由偏差产生控制作用 ，由控制作用使偏差减少或消除的原理就是我们所研究 的自动控制原理自动控制原理也称反馈控制原理。（负反馈） 自动控制系统按一定的原则分成各种类型： Date24自动控制原理第一章 1.按输入信号的特征分 1）恒值

16、调节系统：该类系统的输入信号为一 常数，扰动使被控量偏离理想值而出现偏差， 利用偏差该系统可使被控量回复到理想值或接 近理想值。上述的转速闭环控制系统、恒温控 制系统均属于此类系统。 2）随动系统：这类系统的给定量是时间的未 知函数，系统能使被控量准确、快速地跟随给 定量变化。随动系统又称伺服系统。火炮自动 瞄准系统、船舶自动舵均属此类系统。 Date25自动控制原理第一章 模型 放大功放 电动机减速器 零件 r(t) c(t) E e(t) 仿型铣床随动系统 Date26自动控制原理第一章 防空武器半实物仿真 Date27自动控制原理第一章 船舶随动舵的控制船舶随动舵的控制 船舶随动舵的控制系统原理图 P1 E0 P2+ 放大器 直流 电动机 减速箱 +nu1 ueui uo 自动