自动控制整合PPT解读

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1、1,自动控制原理 Automatic Control Theory,2019年11月12日,2,参考书,自动控制原理简明教程胡寿松 科学出版社 自动控制原理 胡寿松 科学出版社 自动控制原理 吴麒 清华大学出版社 控制工程基础 姚伯威 国防工业出版社 控制工程基础 孙志毅 机械工业出版社,3,第一章 控制系统的一般概念,1. 引言,2. 开环系统与闭环系统,3. 控制系统的举例,4. 控制系统的组成与对控制系统的基本要求,4,1.1 引言,自动控制的定义 在无人直接参与的情况下，通过控制器使被控对象或过程自动地按照预定要求运行。,自动控制的应用,5,1.2 开环控制与闭环控制,一. 控制系统的

2、分类,按控制方式分,开环控制系统,闭环控制系统,复合控制系统,按系统功能分,温度控制系统,压力控制系统,位置控制系统,6,按元件类型分,机械系统,电气系统,机电系统,液压系统,气动系统,生物系统,7,按系统性能分,线性系统和非线性系统,连续系统和离散系统,定常系统和时变系统,确定系统和不确定系统,按参据量变化规律分,恒值控制系统,随动控制系统,程序控制系统,8,二. 开环控制,直流电动机调速系统,9,开环控制系统方框图,开环控制系统的定义 ： 被控制量只受控于控制量，而对控制量不能反施影响的一类系统称为开环控制系统。,10,开环控制系统的优点：结构简单,开环控制系统的缺点：本系统不具备自 动修

3、正能力。,提高开环控制系统精度的措施： 系统各元、部件的参数值在工作过程中，必须严格保持在事先校准的量值上。,11,三. 闭环系统,12,1. 闭环控制系统的定义： 利用通过负反馈产生的偏差所取得的控制作用去消除偏差的控制原理称为反馈控制原理。整个控制系统形成一个闭合的环路，因而称为闭环控制系统或反馈控制系统。,闭环控制系统方框图,13,2. 形成闭环系统的要求：,必须对被控制量进行测量。并将其反馈到系统的输入端与控制量相减，得到偏差。 对偏差进行适当放大，从而产生对被控对象的控制作用。,3. 闭环控制系统的特点：,优点：具有抑制任何内、外干扰对系统输出产生影响的能力，有较高的控制精度。 缺点

4、：使用的元件多，结构复杂，系统设计与分析较为麻烦。,14,四. 开环系统与闭环系统的比较,开环系统不存在被控量到控制量的负反馈，系统不具有对干扰给被控制量造成误差的自修正能力。,闭环系统采用负反馈，具有自修正功能，当系 统的扰动量无法事先预计时，它有明显优势。,开环系统结构简单。,闭环系统结构复杂。,15,1.3 控制系统举例,热水器电加热系统,16,电加热系统,17,1.4 控制系统的组成与对其基本要求,控制系统的组成,18,测量元件,比较元件,放大元件,执行元件,校正元件,给定元件,被控对象,19,二. 控制系统的基本要求,稳定性基本要求,阻尼程度,响应速度,控制精度,基本要求通常是通过系

5、统对特定形式输入信号的响应过程所具有的一些特征值来体现的。,快速性,20,1.阶跃函数 2.斜坡函数 3.加速度函数 4.脉冲函数 5.正弦函数,三. 典型外作用,21,例：,22,作业: P16, 1-4 , 1-5,1-4 下图为水温控制系统示意图.冷水在热交换器中由通入的蒸汽加热,从而得到一定温度的热水.冷水流量变化用流量计测量.试绘制系统方块图,并说明为了保持热水温度为期望值,系统是如何工作的?系统的被控制对象和控制装置各是什么?,23,作业: P16, 1-4 , 1-5,1-5 下图是电炉温度控制系统原理示意图,试分析系统保持电炉温度恒定的工作过程,指出系统的被控对象,被控量以及各

6、部件的作用,最后画出系统方块图.,自动控制原理 Automatic Control Theory,2019年11月12日,第 二章 控制系统的数学模型,2. 控制系统的运动方程式,3. 传递函数,4. 控制系统的传递函数,5. 控制系统的的结构图及其化简,6. 信号流图,7. 脉冲响应,1. 傅氏变换与拉氏变换,2.1 傅里叶变换与拉普拉斯变换,一.傅里叶级数,二.傅里叶变换,三.拉普拉斯变换,2.2 控制系统的运动方程式,控制系统运动方程式的功能 控制系统的运动方程式展示了系统在运动过程中各变量之间的相互关系，既定性又定量地描述了整个系统的运动过程。,列写控制系统运动方程式的步骤 明确输入量

7、与输出量； 写出原始方程（组）； 消除中间量，仅剩输入量、输出量及其导数； 将微分方程整理成标准形式。,举例 例2-1. 设有由电感L 、电容C和电阻 R组成的电路，示于下图。试列写出以电压U2为输出量和以电压U1为输入量的运动方程式。,例2-2. 设有两个形式相同的RC电路串联而成的滤波电路如 下图所示，试列写出以电压U2为输出量和以电压U1为 输入量的滤波电路运动方程式。,例2-3. 求下图所示机械系统的微分方程式，图中位移xi， x0分别为输入量和输出量。,例2-4. 设有负载直流电动机系统如下图，试列写出以电枢电压Ua为输入量和以电动机输出轴角速度 为输出量的系 统运动方程。,2.3

8、传递函数,传递函数的功能,传递函数是基于拉氏变换、用来描述线性系统或线性元件的输入-输出关系的一种常用函数。它全面地反映线性定常系统或线性元件的内在固有特性。,二. 传递函数的形式,拉氏算子的有理式,三. 传递函数的定义,在零初始条件下，线性定常系统或元件输出信号的拉氏变换式X2(S)与输入信号的拉氏变换式X1(S)之比，称为该系统或元件的传递函数。记为：,四. 传递函数的性质,线性定常系统或元件的传递函数是在复域描述其运动特性的数学模型，它与作为实域数学模型的运动方程一一对应。,2. 传递函数是表征线性定常系统或元件自身的固有特性，它与其 输入信号的形式无关，但和输入信号的作用位置及输出信号

9、的 取出位置有关。,3. 传递函数是复变量 S的有理分式，其分子多项式M(S)及分母 多项式D(S)的各项系数均为实数。,4. 将传递函数写成如下形式：,分别定义z1,z2, , zm及p1,p2, , pn为传递函数G(S)的零点与极点。,5. 传递函数不能反映系统及其元件的物理结构，那些物 理结构截然不同的系统或元件只要运动特性相同，它 们便可以有相同形式的传递函数。,6.传递函数的拉氏反变换即为系统的脉冲响应,五. 串联环节等效传递函数,同理：n个串联环节的等效传递函数为：,六. 同向并联环节等效传递函数,同理：n个环节同向并联等效传递函数为：,七. 负反馈环节等效传递函数,2.4 控制

10、系统的传递函数,控制系统结构图,1. 开环传递函数,在反馈控制系统中，定义前向通道的传递函数与反馈通道的传递函数之积为开环函数，通常记为G(S),2. 闭环传递函数,定义输出信号的拉氏变换式与输入信号的拉氏变换式之比为系统的闭环传递函数。通常记为,3. 扰动信号的闭环传递函数,在反馈控制系统中，假如只有扰动信号f(t)，而r(t)=0,4. 研究反馈控制系统的控制信号及扰动信号对偏 差的影响,2.5 控制系统的结构图及其简化,一. 控制系统结构图的定义,应用函数方框将控制系统的全部变量联系起来，以描述信号在系统中流通过程的图示，称为控制系统结构图。,二. 函数方框,三. 系统结构图的组成,函数

11、框图,相加点,分支点,相加点,分支点,四. 绘制控制系统结构图的步骤,1. 写出组成系统的各环节运动方程,2. 基于运动方程求取各环节的传递函数,3. 根据传递函数画出响应的函数方框,4. 按信号流向将函数方框一一联接起来，即得系统结构图,例2-5. 绘制下图所示RC电路结构图,例2-6. 绘制下图所示RC电路结构图,五. 控制系统结构图的简化,(1). 分支点等效移动规则,(2). 相加点等效移动规则,六. 检验化简的正确性,1. 前向通道中各串联函数方框的传递函数的乘积须保持不变。,2. 各反馈回路所含函数方框的传递函数的乘积须保持不 变。,例2-7. 设有下图所示电路，试绘制其结构图，并

12、通过简化求其传递函数U2(S)/U1(S),例2-8. 设某位置随动系统的结构图如下所示。试应用等效简化结构图方法求其闭环传递函数。,2.6 信号流图,1. 信号流图的定义,它是表示控制系统各变量间相互关系、以及信号流通过程的另一种图示。,2. 信号流图的结构,它具有网络形式，其中的节点代表系统变量，两节点用表明信号流向的定向线段联接，其上标出两变量见的传递函数。,三. 信号流图的术语,输入节点 （源点）,输入节点（源点）,输出节点 （阱点）,四. 信号流图的优点：,求系统的传递函数时，不必进行预先的等效简化，而应用计算公式即可得到传递函数。这对复杂系统来说比结构图更为方便。,五. 控制系统的

13、信号流图,例2-9: 设已知某控制系统运动方程的拉氏变换式为：,其中， 分别为系统输入、输出信号的拉氏变换。,试画出该系统的信号流图,六. 信号流图的梅森增益公式,梅森增益公式,例2-10. 设某控制系统的结构图如下所示。试绘制其信号流图，并由信号流图应用梅森增益公式计算系统的闭环传递函数 C(S)/R(S)。,X0 X1 X2 X3 X4 X5 X6 X7 X8,2.7 脉冲响应,一. 脉冲响应的定义,脉冲响应是零初始条件下，线性定常系统对理想单位脉冲输入的响应过程。,二. 理想单位脉冲函数,三. 理想单位脉冲的性质,在t=t0处的理想单位脉冲函数可用 来表示,四. 控制系统的脉冲响应与系统

14、闭环传递函数的关系,设控制系统运动方程为 D(p)c(t)=M(p)r(t) (1) r(t)输入信号 c(t)输出信号 取r(t)= ，则c(t)便是脉冲响应，对式（1）进行拉氏变换，并令初始条件为零，得：,结论,控制系统的脉冲响应的拉氏变换式等于其闭环传递函数，而脉冲响应可通过传递函数的拉氏反变换取得。即：控制系统的脉冲响应可以作为描述控制系统运动特性的数学模型，是一种时域数学模型。,作业,自动控制原理（第四版） P70-73 2-3，2-11，2-18，2-20， 2-22（a，e) 简明教程（第一版） P82 2-12，2-14，2-15（a，e) 简明教程（第二版） P80 2-12

15、，2-14，2-15（a，d),自动控制原理 Automatic Control Theory,2019/11/12,第三章 线性系统的时域分析法,1. 系统时间响应的性能指标,2. 一阶系统的时域分析,3. 二阶系统的时域分析,4. 线性系统的稳定性分析,5. 线性系统的稳态误差分析,时域分析的定义,时域分析法是一种直接在时间域中对系统进行分析的方法，具有直观、准确的优点，并且可以提供系统时间响应的全部信息。,3.1 系统时间响应的性能指标,一. 控制系统性能的评价指标,1. 动态性能,2. 稳态性能,二. 典型输入信号,所谓的典型输入信号是指根据系统常遇到的输入信号形式，在数学上加以理想化的一些基本输入函数。,典型输入函数,三. 典型输入信号的选取,取决于系统常见的工作状态。,取决于最不利的信号作为系统的典型输入信号,同一系统中，不同形式的输入信号所对应的输出响应是 不同的，但对于线性控制系统来说，它们所表征的系统 性能是一致的。,四. 动态过程与稳态过程,动态过程又称为过渡过程或瞬时过程，指系统在典型输入信号作用下，系统输出量从初始状态到最终状态的响应过程。,2. 稳态过程又称为稳态响应，指系统在典型输入信号作用下，当时间t趋于无穷时，系统输出量的表现方式。,五. 动态性能和稳态性能,延迟时间,上升时间,峰值时