自动控制理论基础知识课件

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1、自动控制理论基础知识,本章重点 1. 自动控制和自动控制系统的含义； 2. 反馈和反馈控制的概念、反馈控制的特点； 3. 控制系统的组成和分类和特点。 本章难点 1.深刻理解反馈的概念和思想； 2.确定控制系统的被控对象、被控量、给定量等； 绘制方块图，分析实际控制系统的基本原理。,11控制系统的基本原理,自动控制技术在工农业生产、国防、航空航天等各 个领域中起着重要的作用！,广泛应用于各种工程学科领域，并扩展到生物、医学、环境、经济管理和其它许多社会生活领域。,独立的学科并与其它学科相互渗透、相互促进。,自动控制原理是自动控制技术的基础理论，是一门理论性较强的工程科学。,现代的工程技术人员和

2、科学工作者，必须具备一定的自动控制理论基础知识！,自动控制：是指在没有人直接参与的条件下，利用外加的设备或装置（称控制装置或控制器），使机器、设备或生产过程（统称被控对象）的某个工作状态或参数（即被控量）自动地按照预定的规律运行。 系统：由相互制约的各个部分按一定的规律组成的、为达到一定目的、具有一定功能的整体。,一、自动控制系统的概念,自动控制理论：是研究自动控制共同规律的科学。,反馈：将检测出来的输出量送回到系统的输入端，并与输入信号比较的过程。反馈分为负反馈（反馈信号与输入信号相减）和正反馈（反馈信号与输入信号相加）。,例 水温自动控制系统,系统中增加了：,控制器,电机,加入给定信号,工

3、作原理：,检测实际温度,产生控制信号,通过电机调节阀门的开度,从而调节蒸汽流入，控制水的温度. 实现没有人直接参入的自动水温控制.,为了方便地分析系统性能，一般用框图来表示系统的结构，如图所示:,要使自动控制系统满足工程实际的需要 , 必须研究自动控制系统的结构参数与系统性能之间的关系。,自动控制系统的特征 ：,1. 结构上必须有反馈装置并按负反馈的原则构成系统。 2. 由偏差产生控制作用。 控制的目的是尽量的减小或消除偏差，使输出量接近于期望值。,自动控制系统定义：,是一个带有反馈装置的动力学系统。系统能自动而连续地测量被控制量，并求出偏差，进而根据偏差的大小和正负极性进行控制，而控制的目的

4、是力图减小或消除所存在的偏差。,自动控制系统：为了实现各种复杂的控制任务，首先要将被控对象和控制装置按照一定的方式连接起来，组成一个有机整体，这就是自动控制系统。,自动控制系统的基本控制方式,1. 开环控制 2. 闭环控制 3. 复合控制,开环控制,控制装置与被控对象之间只有顺向作用而无反向联系。,开环控制,结论：开环控制优点结构简单，缺点无抗干扰能力,按扰动控制的开环控制系统，是利用可测量的扰动量，产生一种补偿作用，以减小或抵消扰动对输出的影响，这种控制方式也称顺馈控制。,按扰动控制的速度控制系统,开环控制系统的特点：,结构简单、造价低。 系统的控制精度取决于给定信号的标定精度及控制器及被控

5、对象参数的稳定性。 开环系统没有抗干扰的能力。因此精度较低。,应用场合：,控制量的变化规律可以预知。 可能出现的干扰可以抑制。 被控量很难测量。,应用较为广泛，如家电、加热炉、车床等等。,闭环控制,控制装置与受控对象之间，不但有顺向作用，而且还有反向联系. 闭环控制又称为反馈控制或按偏差控制。,例 转速负反馈直流电动机调速系统,直流电机,测速发电机,电源和放 大装置,负载,系统组成：,Un,Uf,给定电压,反馈电压,转速取决于给定电压与反馈电压的差值。,调速系统结构图,由电网电压波动，负载变化以及其他部分的参数变化所引起的转速变化，都可以通过系统的自动调整加以抑制。,n,Uf,e,Ud,n,减

6、小或消除由于扰动所形成的偏差值，具有较高的控制精度和较强的抗扰能力。,闭环控制系统具有的特点：,前向通道：系统输入量到输出量之间的通道。 反馈通道：从输出量到反馈信号之间的通道。 比较环节：输出量为各输入量的代数和。 输入量： 输出量：n 反馈量： 控制量： 偏差量( )给定量 ( )反馈量( ),闭环控制系统：通过反馈回路使系统构成闭环并按偏差的性质产生控制作用，以求减小或消除偏差(从而减小或消除误差)的控制系统。,闭环控制系统的特点：,系统对外部或内部干扰(如内部件参数变动)的影响不甚敏感。 出于采用反馈装置，导致设备增多，线路复杂。 闭环系统存在稳定性问题。由于反馈通道的存在，对于那些惯

7、性较大的系统，若参数配合不当，控制性能可能变得很差甚至出现发散或等幅振荡等不稳定的情况。,注意：对于主反馈必须采用负反馈。若采用正反馈将使 偏差越来越大。,3复合控制,按偏差控制和按扰动控制相结合的控制方式称为复合控制。,前馈补偿控制,复合控制具有两种基本形式.,复合控制：,反馈控制,+,(a) 按输入前馈补偿的复合控制,(b) 按扰动前馈补偿的复合控制,复合控制,反馈控制系统的基本组成,控制系统,被控对象,控制装置,测量元件 比较元件 放大元件 执行机构 校正装置 给定元件,控制系统的组成,测量反馈元件用以测量被控量并将其转换成与输入量同一物理量后，再反馈到输入端以作比较。 比较元件用来比较

8、输人信号与反馈信号。 放大元件将微弱的信号作线性放大。 校正元件按某种函数规律变换控制信号，并产生反映两者差值的偏差信号。以利于改善系统的动态品质或静态性能。,执行元件根据偏差信号的性质执行相应的控制作用，以便使被控量按期望值变化。 控制对象又称被控对象或受控对象，通常是指生产过程中需要进行控制的工作机械或生产过程。出现于被控对象中需要控制的物理量称为被控量。,常用的名词术语,输入信号：也叫参考输入，给定量或给定值，它是控制着输出量变化规律的指令信号。 输出信号：是指被控对象中要求按一定规律变化的物理量，又称被控量，它与输入量之间保持一定的函数关系。 反馈信号：由系统(或元件)输出端取出并反向

9、送回系统(或元件)输入端的信号称为反馈信号。反馈有主反馈和局部反馈之分。 偏差信号：它是指参考输入与主反馈信号之差。 误差信号：指系统输出量的实际值与期望值之差，简称误差。扰动信号：简称扰动或干扰、它与控制作用相反，是一种不希望的、影响系统输出的不利因素。扰动信号既可来自系统内部，又可来自系统外部，前者称内部扰动，后者称外部扰动。,11自动控制系统示例,例 1 炉温控制系统,例2 函数记录仪方框图,第三节 自动控制系统的分类,按给定信号的形式 恒值系统/程序系统/ 随动系统 按系统是否满足叠加原理 线性系统 / 非线性系统 按系统参数是否随时间变化 定常系统 / 时变系统 按信号传递的形式 连

10、续系统 / 离散系统 按输入输出变量的多少 单变量系统 / 多变量系统,一、按输入信号形式,1、恒值控制系统（或称自动调节系统） 这类系统的特点是输入信号是一个恒定的数值。恒值控制系统主要研究各种干扰对系统输出的影响以及如何克服这些干扰，把输入、输出量尽量保持在希望数值上。,一、按输入信号形式,2、过程控制系统（或称程序控制系统） 这类系统的特点是输入信号是一个已知的时间函数，系统的控制过程按预定的程序进行，要求被控量能迅速准确地复现。 恒值控制系统也认为是过程控制系统的特例。,3、随动控制系统（或称伺服系统） 这类系统的特点是输入信号是一个未知函数，要求输出量跟随给定量变化。如雷达天线跟踪系

11、统，当被跟踪目标位置未知时属于这类系统。随动系统是指参考输入量随时间任意变化的系统。其任务是要求输出量以一定的精度和速度跟踪参考输入量，跟踪的速度和精度是随动系统的两项主要性能指标。 工业自动化仪表中的显示记录仪，跟踪卫星的雷达天线控制系统(如图所示)等均属于随动控制系统。,二、按系统是否满足叠加原理,(1)线性系统 当系统的运动规律用线性微分方程或者线性差分方程描述时，则这类系统称为线性系 统。线性系统有两个重要特性：叠加性和齐次性。,（a）叠加性 当系统同时存在几个输入量时，其输出量等于各输入量单独作用时所引起的输出量的和。如果用箭头表示输入量x和输出量y的对应关系，上述性质可表示如下：,

12、例如：设有线性系统的微分方程式为:,若 时，方程式的解为 ； 而 时，方程式的解为 ：即有：,则当 时容易验证， 原方程式的解为 ，这就是叠加性。,叠加性表明，两个不同的外作用同时作用于系统所产生的总响应，等于两个外作用单独作用时分别产生的响应之和。,(b)齐次性,当输入量增大或缩小k (k为实数)倍时，系统输出量也按同一倍数增大或缩小。即当 时，式中a为常数，则方程式的解为 ， 这就是齐次性。齐次性表明，当外作用的数值增大若干倍时，其响应也相应增大同样的倍数。,(2)非线性系统 在构成系统的环节中有一个或一个以上的非线性环节时，则称此系统为非线性系统。典型的非线性特性有饱和特性、死区特性、间

13、隙特性、继电特性、磁滞特性等。如图:,（1）定常系统 如果系统中参数不随时间变化，则这类系统称为定常系统。在实践中遇到的系统，大多数属于这一类。 （2）时变系统 如果系统中的参数是时间t的函数，则这类系统称为时变系统。,三、按系统参数是否随时间变化,如果一个线性系统微分方程的系数为常数， 那么系统称为线性定常系统。例如：,如果一个线性系统微分方程的系数为时间的函数， 那么系统称为线性时变系统。例如:,连续系统和离散系统 连续系统是指系统内各处的信号都是以连续的模拟量传递的系统。即系统中各元件的输入量和输出量均为时间的连续函数。连续系统的运动规律可以用微分方程来描述。系统内某处或数处信号是以脉冲

14、序列或数码形式传递的系统则称为离散系统，如下图所示，其运动方程只能用差分方程描述。,四、按信号传递的形式,1-4 对控制系统性能的要求,常见的评价系统优劣的性能指标是从动态过程中定义出来的。对系统性能的基本要求有三个方面。,二、快速性,一、稳定性,三、准确性,系统受外作用力后,其动态过程的振荡倾向和系统恢复平衡的能力。,一、稳定性,稳定性：,如果系统受外作用力经过一段时间，其被控量达到某一稳定状态，则系统是稳定的。,否则为不稳定的。,稳定系统的动态过程,1,r(t),c(t),不稳定系统的动态过程,(a) 给定信号作用,c(t),(b) 扰动信号作用,r(t),c(t),d(t),不稳定的系统

15、是无法正常工作的。,通过动态过程时间长短表征。时间越短，表明快速性越好，反之亦然。,二、快速性,r(t),c1(t),c2(t),快速性表明了系统输出对输入响应的快慢程度,由输入给定值与输出响应的终值之间的差值ess大小表征。,三、准确性,r(t),c(t),ess,稳定性、快速性和准确性往往是互相制约的。在设计与调试的过程中,若过分强调某方面的性能,则可能会使其他方面的性能受到影响.,怎样根据工作任务的不同,分析和设计自动控制系统，使其对三方面的性能有所侧重 ，并兼顾其它正是自控原理课程要解决的问题。,自动控制理论研究的是如何按受控对象和环境特征，通过能动地采集和运用信息，施加控制作用使系统

16、在不确定的条件下正常运行并具有预定功能。它是研究自动控制共同规律的技术科学，其主要内容涉及受控对象、环境特征、控制目标和控制手段以及它们之间的相互作用。,1-5 自动控制理论发展简述,具有“自动”功能的装置自古有之，瓦特发明的蒸汽机上的离心调速器是比较自觉地运用反馈原理进行设计并取得成功的首例。麦克斯韦对它的稳定性进行分析，于1868年发表的论文当属最早的理论工作。从20世纪20年代到40年代形成了以时域法，频率法和根轨迹法为支柱的“古典”控制理论。,60年代以来，随着计算机技术的发展和航天等高科技的推动，又产生了基于状态空间模型的所谓“现代”控制理论。,随着自动化技术的发展，人们力求使设计的控制系统达到最优的性能指标，为了使系统在一定的约束条件下，其某项性能指标达到最优而实行的控制称为最优控制。,当对象或环境特性变化时，为了使