《控制工程基础 教学课件 ppt 作者 陈瑞华 主编 1_第1章 概 论》由会员分享，可在线阅读，更多相关《控制工程基础 教学课件 ppt 作者 陈瑞华 主编 1_第1章 概 论（36页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第一章 概论,主编,第1章 概 论,1.1 概述 1.2 自动控制系统的工作原理与组成 1.2.1 自动控制系统的工作原理 1.2.2 开环控制与闭环控制 1.2.3 自动控制系统的基本组成 1.3 自动控制系统的基本类型 1.3.1 线性系统和非线性系统 1.3.2 定常系统和时变系统 1.3.3 连续系统和离散系统 1.3.4 恒值系统、随动系统和程序控制系统 1.4 对控制系统性能的基本要求 1.4.1 稳定性,1.4.2 快速性 1.4.3 准确性,1.1 概述,控制工程基础课程主要阐述的是有关自动控制技术的基础理论。目前，精密仪器和机械制造工业发展的一个明显而重要的趋势是越来越广泛而
2、深刻地引入了控制理论。21世纪的机械产品将是以整体最佳为目标、以自动控制为核心的高性能、多功能的机电一体化产品。因此，控制理论不仅是一门极为重要的学科，而且也是科学方法论之一。,1.2 自动控制系统的工作原理与组成,1.2 自动控制系统的工作原理与组成,1.2.1 自动控制系统的工作原理,1.2.1 自动控制系统的工作原理 1)观测由测量元件(温度计)测出的恒温箱的温度(被控制量)。 2)与要求的温度值(给定值)进行比较，得出偏差的大小和方向。,3)根据偏差的大小和方向再进行控制。当恒温箱温度高于所要求的给定温度值时，就移动调压器使电流减小，温度降低；若温度低于给定的值，则移动调压器，使电流增
3、加，温度升到正常范围。,1.2.1 自动控制系统的工作原理,在各种生产过程和生产设备中，常常需要使其中某些物理量(如温度、压力、位置、速度等)保持恒定，或者让它们按照一定的规律变化。要满足这种需要，就应该对生产机械或设备进行及时的控制和调整，以抵消外界的扰动和影响。下面从恒温控制的例子中总结一般控制系统的工作原理。,1.2.1 自动控制系统的工作原理,图1-1 人工控制的恒温箱,2)与要求的温度值(给定值)进行比较，得出偏差的大小和方向。,图1-2 恒温箱的自动控制系统,2)与要求的温度值(给定值)进行比较，得出偏差的大小和方向。,恒温箱温度自动控制系统结构图,1.2.2 开环控制与闭环控制,
4、1.开环控制 如果系统的输出端和输入端之间不存在反馈回路，输出量对系统的控制作用没有影响，这样的系统称为开环控制系统，如图所示。 2.闭环控制 如果系统的输出端和输入端之间存在反馈回路，即输出量对控制作用有直接的影响，这样的控制系统称为闭环控制系统。,1.开环控制 如果系统的输出端和输入端之间不存在反馈回路，输出量对系统的控制作用没有影响，这样的系统称为开环控制系统，如图所示。,图1-4 开环控制系统框图,1.开环控制 如果系统的输出端和输入端之间不存在反馈回路，输出量对系统的控制作用没有影响，这样的系统称为开环控制系统，如图所示。,图1-5 开环控制的调速系统,2.闭环控制 如果系统的输出端
5、和输入端之间存在反馈回路，即输出量对控制作用有直接的影响，这样的控制系统称为闭环控制系统。,1)由于系统的控制作用是通过给定值与反馈量的差值进行的，所以，这种反馈控制系统常称为按偏差控制。 2)这类系统具有两种传输信号的通道：由给定值至被控量的通道称为前向通道；由被控量至系统输入端的通道叫做反馈通道。 3)不论取什么物理量进行反馈，作用在反馈环内前向通道上的扰动所引起的被控量的偏差值，都会得到减小或消除，使得系统的被控量基本不受该扰动的影响。,2.闭环控制 如果系统的输出端和输入端之间存在反馈回路，即输出量对控制作用有直接的影响，这样的控制系统称为闭环控制系统。,图1-6 闭环控制系统框图,2
6、.闭环控制 如果系统的输出端和输入端之间存在反馈回路，即输出量对控制作用有直接的影响，这样的控制系统称为闭环控制系统。,图1-7 闭环控制的调速系统,1.2.3 自动控制系统的基本组成,图1-8 典型的反馈控制系统结构图,控制系统如图18所示，该系统包括给定元件、反馈元件、比较元件(或比较环节)、放大元件、执行元件及校正元件等。,给定元件：主要用于产生给定信号或输入信号 反馈元件：用于测量被调量或输出量，产生反馈信号，该信号与输出量 之间存在着确定的函数关系(通常是比例关系)。 比较元件：用来比较输入信号与反馈信号之间的偏差，它可以是物理比较元件，也可以是差接的电路(见图12)，所以有时也称为
7、比较环节。放大元件：对偏差信号进行信号放大和功率放大的元件。 执行元件：直接对控制对象进行操作的元件。 控制对象：是控制系统所要操纵的对象。它的输出量即就是系统的被控制量。,1.2.3 自动控制系统的基本组成,图1-9 晶体管稳压电源,1.2.3 自动控制系统的基本组成,图1-10 晶体管直流稳压电源系统结构图,1.3 自动控制系统的基本类型,自动控制系统的分类方法很多，常见的有以下几种：,1.3.1 线性系统和非线性系统,若一个元件的输入与输出的关系曲线为直线，则称该元件为线性元件；否则，称为非线性元件。 如果一个系统中所有的元器件均为线性元器件，则该系统称为线性系统；若系统中有一个非线性元
8、器件，则该系统称为非线性系统。线性系统的数学模型为线性微分方程或差分方程。,1.3.2 定常系统和时变系统,从系统的数学模型来看，若微分方程的系数不是时间变量的函数，则称为定常系统；否则，称为时变系统。 如果系统微分方程的系数为常数，则称之为线性定常系统。,1.3.3 连续系统和离散系统,从系统中的信号来看，若系统各部分的信号都是时间t的连续函数，即模拟量，则称系统为连续系统。 若系统中有一处或多处信号为时间t的离散函数，如脉冲或数码信号，则称之为离散系统。 如果离散系统中既有离散信号又有模拟量，也称为采样系统。,1.3.4 恒值系统、随动系统和程序控制系统,若系统的给定值为一定值，而控制任务
9、就是克服扰动，使被控制量保持恒值，此类系统称为恒值系统。 若系统给定值按照事先不知道的时间函数变化，并要求被控制量跟随给定值变化，则此类系统称为随动系统。 若系统的给定值按照一定的时间函数变化，并要求被控制量随之变化，则此类系统称为程序控制系统。 此外，根据系统元部件的类型，自动控制系统还可以分为：机电控制系统、液压控制系统、气动系统以及生物系统等。还可根据系统的被控物理量分为：位置控制系统、速度控制系统、温度控制系统等。,1.4 对控制系统性能的基本要求,对控制系统性能的要求一般可归结为稳定、准确、快速三个方面。,1.4.1 稳定性,图1-11 稳定系统的动态过程,如果系统受外力作用后，经过
10、一段时间，其被控制量可以达到某一稳定状态，则称系统是稳定的，如图111所示。,1.4.1 稳定性,图1-12 不稳定系统的动态过程,如果系统受外力作用后，经过一段时间，其被控制量不能达到某一稳定状态，则称系统是不稳定的，如图112所示。图112a为在给定信号作用下，被控制量振荡发散的情况；图112b为受扰动作用后，被控制量不能恢复平衡的情况。另外，系统出现等幅振荡时，即处于临界稳定的状态，这种情况也视为不稳定。,1.4.2 快速性,图1-13 控制系统的快速性,快速性是在系统稳定的前提下提出的，它是指系统输出量与给定的输入量之间产生偏差时，消除这种偏差过程的快慢程度。,1.4.2 快速性,图1
11、-14 控制系统的稳态精度,1.4.3 准确性,1.自动控制就是在没有人直接参与的情况下，利用控制装置操纵受控对象，使被控量等于给定值。 2.自动控制系统可按照不同的分类方法进行归类。 3.一般来讲，自动控制系统的性能从稳(能否正常工作)、准(控制精度)、快(快速响应能力)等几方面来评价。,1.选择题,1)以同等精度元件组成的开环系统和闭环系统，其精度比较为( )。 2)系统的输出信号对控制作用的影响( )。 3)关于系统的抗干扰能力( )。 4)作为系统( )。,2.试列举一些开环控制和闭环控制的例子，并说明其工作原理。,3.举例说明下列术语的基本涵义。,4.图1-15a、图1-15b是两种类型的水位自动控制系统，试画出它们的结构图，说明自动控制水位的,图1-15 水位自动控制系统,5.如图1-16所示为液压助力器的工作原理图，其中，x为输入位移，y为输出位移，试画出该系统的结构图。,图1-16 液压助力器,
