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1、10:18,1,智能系统控制与应用,1,10:18,2,1.1 自动控制系统简介,自动控制（智能控制）是指在没有人的直接干预下，利用控制装置，使工作机械或生产过程（被控对象）的某一个物理量（被控量）按预定的规律（给定量）进行。 自动控制系统就是为实现某一控制目标所需要的所有物理部件的有机组合体。,2,10:18,3,3,自动控制系统实例,1.在画方框图时，先找哪三个量？ 2.在磁盘驱动器控制系统中，被控对象为 ，被控变量为 。磁盘驱动器，磁头位置 3.在液面控制系统中，被控对象为_，被控变量为_。水槽（水箱），液面高度,10:18,4,自动控制系统基本控制形式,开环控制：控制装置与被控对象之间
2、只有顺向作用而没有反向联系的控制过程。 闭环控制：比较输出量对输入量的偏差，系统根据偏差进行控制，只要输出量偏离输入量，系统就自动纠偏。由于闭环系统是根据负反馈原理按偏差进行控制的，因此又叫反馈控制或偏差控制。,4,10:18,5,1. 自动控制系统的两种基本控制形式是_和_。 2. 闭环控制又叫_或_。其中，偏差是_与_的差值。,自动控制系统基本控制形式,10:18,6,1.2 自动控制系统的组成及术语,图1.5 简单闭环控制系统组成方框图,6,10:18,7,按传送的信号性质划分 连续系统 离散系统 按描述元件的动态方程划分 线性系统 非线性系统 按系统参数是否随时间变化划分 定常系统 时
3、变系统,7,1.3 自动控制系统的类型,10:18,8,1.4 自动控制系统的性能指标,对控制系统的性能评价，多以动态过程的特性来衡量，工程上对自动控制系统性能的基本要求可以归结为稳（稳定性和平稳性）、准（准确性）和快（快速性）。,10:18,9,阶跃信号的输入突然，对被控变量的影响也最大。如果一个控制系统能够有效地克服这种干扰，那么对其它比较缓和的干扰也能很好地克服。阶跃信号的形式简单，容易实现，便于分析、实验和计算。故更多使用阶跃信号。,如图，输入信号在 t = 0时，阶跃上升幅度为 A ，其后保持。表达为：,f (t) = A ( t ),1.4 自动控制系统的性能指标,10:18,10
4、,在阶跃输入的扰动作用下，定值控制系统过渡过程有四种形式：,单调衰减过程被控变量在给定值的一侧作单调变化，最后稳定在某一数值上。振荡衰减过程被控变量上下波动，但幅度逐渐减少，最后稳定在某一数值上。,10:18,11,等幅振荡过程被控变量在给定值附近来回波动，且波动幅度保持不变。振荡发散过程 被控变量来回波动，且波动幅度逐渐变大，离给定值越来越远。,10:18,12,设第一个波振幅为 y1、第三个波振幅为 y3,1）衰减比n和衰减率,10:18,13,衰减比 n 和衰减率 是表示系统稳定程度的指标。n大于1，则系统是稳定的。随着n的增大，过渡过程逐渐由衰减振荡趋向于单调过程。 试验证明：衰减比在
5、 4: 1到10:1之间时，过渡过程的衰减程度合适，过渡过程较短。 衰减比n与衰减率之间有简单的对应关系： n = 4:110:1 就相当于 = 75 %90%,1）衰减比n和衰减率,10:18,14,最大动态偏差是控制系统动态准确性指标。,最大动态偏差表示系统瞬间偏离给定值的最大程度。即: A = ymax - r,2）最大动态偏差A和超调量,10:18,15,有时也采用超调量来表示被控参数偏离设定值的程度， 的定义是第一个波振幅与最终稳态值y()之比。即,2）最大动态偏差A和超调量,10:18,16,过渡过程结束后，被控参数的稳态值y()与设定值之间的残余偏差叫做余差，也称静差。是衡量控制
6、系统稳态准确性的指标。,C= y() - r,3）余差C,10:18,17,Ts是指从过渡过程开始到过渡过程结束所需的时间。当被控参数与稳态值间的偏差进入稳态值的5% （或2%）范围内，就认为过渡过程结束。,4）调节时间Ts和振荡频率,10:18,18,调节时间和振荡频率是衡量控制系统快速性的指标。过渡过程中相邻两同向波峰（或波谷）之间的时间间隔叫振荡周期T ，其倒数称为振荡频率f = 1/ T,4）调节时间Ts和振荡频率,10:18,19,另外还有峰值时间Tp（又称上升时间），是指过渡过程开始，至被控参数到达第一个波峰所需要的时间。也是衡量控制系统快速性的指标。,4）调节时间Ts和振荡频率,
7、10:18,20,稳定性 衰减比n = 4:110:1最佳 准确性 余差C小好最大偏差 A 小好 快速性 过渡时间 Ts 短好振荡周期 T 短好 各品质指标之间既有联系、又有矛盾。例如，过分减小最大偏差，会使过渡时间变长。因此，应根据具体工艺情况分清主次，对生产过程有决定性意义的主要品质指标应优先予以保证。,控制系统的单项品质指标小结,10:18,21,例 某换热器的温度控制系统给定值为200 。 在阶跃干扰作用下的过渡过程曲线如图所示。试求最大偏差、余差、衰减比、振荡周期和过渡时间。,解： 最大偏差 A = 230-200 = 30 余差 C = 205-200 = 5 衰减比 n = y1
8、: y3 = 25:5 = 5:1,10:18,22,1.5 自动控制系统实例,液面控制系统,图1.8存储槽液面自动控制系统,22,10:18,23,存储槽液面自动控制系统的原理结构图,23,10:18,24,教学内容,微分方程； 傅里叶变换； 拉普拉斯变换； Z变换,10:18,25,自动控制原理课程体系结构,10:18,26,休息2分钟.,10:18,27,控制系统的数学模型,系统的数学模型是描述系统输入、输出变量以及内部各变量之间关系的数学表达式。,建立数学模型的方法有解析法和实验法。,本课程仅关注解析法建模,10:18,28,28,2.1.1 线性系统微分方程的建立方法,分析系统和各元
9、件的工作原理，找出各物理量之间的关系，确定系统和各元件的输入量和输出量。 从输入端开始，按照信号的传递顺序，根据各元件在工作过程中所遵循的物理或化学定律列出微分方程。 对已建立的原始方程进行数学处理，忽略次要因素，简化原始方程。消去中间变量，得到输出量与输入量关系的微分方程。 标准化微分方程，惯例把与输入量有关各项写在方程右边,把输出量有关各项写在方程左边,方程两边各导数项均按降幂排列。,1、用解析法建立系统微分方程的一般步骤：,10:18,29,2.1.1 线性系统微分方程的建立方法,n阶常系数线性微分方程 对实际系统nm,10:18,30,30,2.1.2 线性系统微分方程的建立实例,例1
10、. 列写如图所示RLC网络的微分方程。,10:18,31,31,A、 确定输入、输出量:ur(t) -输入量，uc(t) -输出量； B、 分析电路,解:,10:18,32,32,C、 消去中间变量i(t),使方程只体现输入与输出之间的关系，可得电路微分方程式,最后可将系数转化成物理上有意义的参数代替， 令：T1=L/R, T2=RC （电容充电时间常数）,10:18,33,33,一指输入作用是t0后才加于系统的，因此输入量及其各阶导数，在t= 时的值为零。,2.2 传递函数,线性定常系统在输入、输出初始条件均为零的条件下，输出的拉氏变换与输入的拉氏变换之比，称为该系统的传递函数。,1、传递函
11、数的定义,二指输入信号作用于系统之前系统是静止的，即t= 时，系统的输出量及各阶导数为零。,零初始条件,10:18,34,34,2、传递函数的描述方法,10:18,35,35,传递函数是关于复变量s的有理真分式，它的分子，分母的阶次是： ；,3、传递函数的说明,传递函数仅适用于线性定常系统，描述它们的输入 输出关系，是线性定常系统的一种动态数学模型。,传递函数完全取决于系统内部的结构、参数而与输入、输出无关；,传递函数可以描述成如下形式 ：,10:18,36,36,传递函数的概念和定义,G(s) =,10:18,37,37,2.2.3 典型环节的传递函数,一个控制系统，不论结构如何复杂，一般都
12、是由一些基本环节构成的，如果知道了各基本环节的传递函数，在符合信号流通的约束关系下，将各基本环节的传递函数按照相应的关系组合，再消去中间变量，就可以得到控制系统的传递函数。这些基本环节又叫典型环节。,10:18,38,典型环节,比例 积分 微分 惯性 一阶微分 二阶震荡（注意：标准形式） 时滞,10:18,39,39,2.2.4 传递函数与电气网络的运算阻抗,直接利用电气网络内的电阻、电容、电感等线性元件的复数阻抗，分别为R、1/Cs、Ls。遵照电路的基本定律，直接列写电路输入量和输出量之间的关系，利用代数运算即可求出电气网络的传递函数。例如RC电路,10:18,40,列写如图所示RLC网络的
13、传递函数，ur是输入，uc是输出。,10:18,41,41,2.3 结构图,控制系统的结构图是描述组成控制系统的各个元件之间信号传递动态关系的图形。它表示了系统中各变量之间的运算关系，是控制理论中描述复杂系统的一种简便方法。它也是一种数学模型，是一种将控制系统图形化了的数学模型，在控制理论中应用广泛。,10:18,42,42,1、环节的合并,方框与方框通过信号线相连，前一个方框的输出作为后一个方框的输入，这种形式的连接称为串联连接。,(1)环节串联的合并,10:18,43,43,串联结构的等效变换,10:18,44,44,串联结构的等效变换,两个串联的方框可以合并为一个方框，合并后方框的传递函
14、数等于两个方框传递函数的乘积。,10:18,45,45,（2）环节并联的合并,两个或两个以上的方框，具有同一个输入信号，并以各方框输出信号的代数和作为输出信号，这种形式的连接称为并联连接。,10:18,46,46,并联结构的等效变换,10:18,47,47,并联结构的等效变换,两个并联的方框可以合并为一个方框，合并后方框的传递函数等于两个方框传递函数的代数和。,10:18,48,48,（C）反馈连接的合并,一个方框的输出信号输入到另一个方框后，得到的输出再返回到这个方框的输入端，构成输入信号的一部分。这种连接形式称为反馈连接。,10:18,49,49,反馈结构的等效变换,10:18,50,50
15、,5.系统结构图等效变换实例,例2.6 试求图所示多回路系统的闭环传递函数。,10:18,51,51,例题2.6化简步骤,根据环节串联、并联和反馈连接的规则简化。可以求得系统的闭环传递函数为,10:18,52,52,2.3.4 控制系统的传递函数,图2.29 简单闭环控制系统的典型结构,10:18,53,控制系统传递函数,前向通道传递函数 开环传递函数 系统闭环传递函数 误差传递函数,10:18,54,数学模型总结,微分方程 传递函数 结构图 信号流图,10:18,55,数学模型的建立过程,10:18,56,习题,1.传递函数是指在_初始条件下、线性定常控制系统的_与_之比。 2.自动控制系统
16、的性能要求三个方面：_、_和_，其中最基本的要求是_ 3.衡量稳定性的指标有_，衡量准确性的指标有_，衡量快速性的指标有_。 4.系统的数学模型是指_，经典理论中常用的数学模型有_、_、_。,10:18,57,作业,1.建立如图所示电路的微分方程、传递函数、结构图。,2.闭环控制系统和开环控制系统各自的特点,3.画出简单闭环负反馈控制系统的方框图、结构图，并标明相应的名称 4.衡量系统动态性能指标有哪些？,10:18,58,作业,5.系统结构图如图所示,1）当N(s)=0，写出闭环传递函数 的表达式；,2）要使系统满足条件： ， 确定相应的参数 和 3） 时，求系统由 产生的稳态误差 4）求系统单位阶跃响应的调节时间 注： 拉式变换结果为 ，,
