83电子科大考研自动控制原理课件1

自动控制原理课程主要内容•控制系统概述•控制系统的数学模型•控制系统的时域分析•根轨迹法•控制系统的频域分析•线性系统的校正方法•非线性系统分析•离散控制系统分析1、自动控制原理（第四版）自动控制原理（第四版）胡寿松国防工业出版社2、自动控制原理（第三版）李友善国防工业出版社33、、自动控制原理梅晓榕科学出版社4、现代控制系统（第十版）RichardC.Dorf高等教育出版社5、现代控制工程（第四版）katsuhikoogata电子工业出版社参考书参考书第一章自动控制概述本章主要内容§1.1引言§1.2自动控制系统示例§1.3控制系统分类§1.4自动控制系统的组成§1.5控制系统基本要求§1.6本课程任务直流电动机速度控制系统控制目标是使电动机稳定在要求的转速上运行§1.1引言热力系统控制系统控制目标是使流出的热水保持一定的温度•自动控制：自动控制是在没有人参与的情况下，系统的控制器自动地按照人预定的要求控制设备或过程，使之具有一定的状态和性能。•自动控制系统：具有自动控制功能的系统称为自动控制系统。常见的控制系统可以是只控制一个物理量，也可以是包括一个企业、机构全部过程的大系统，可以是一个具体的工程系统，也可以是抽象的社会系统、生态系统或经济系统等。§1.2自动控制系统示例飞机俯仰角控制系统§1.2自动控制系统示例电阻炉温度控制系统一、按信号的传递路径来分类开环控制与闭环控制§1.3控制系统分类系统的输出端与输入端不存在反馈回路，输出量对系统的控制作用不发生影响的系统称为开环控制系统。控制器被控对象控制量被控量给定值r(t)u(t)y(t)开环控制图纸程序指令（步进电机）微型计算机放大器执行机构工作机床切削刀具控制器被控对象控制量被控量给定值r(t)u(t)y(t)测量元件偏差e(t)＋－如果系统的被控量直接或间接地参与控制，这种系统称为闭环控制系统或反馈控制系统。“闭环”，就是将输出信号通过测量元件反馈到系统的输入端，通过比较、控制来减小系统误差。闭环控制（反馈控制）位移微型计算机放大器执行机构工作机床切削刀具反馈测量元件图纸若反馈的信号与输入信号相减，使产生的偏差越来越小，则称为负反馈；反之，则称为正反馈。优点：抗干扰能力强，稳态精度高、动态性能好、稳定裕度大等等。控制器被控对象控制量被控量给定值r(t)u(t)y(t)测量元件偏差e(t)＋－复合控制在系统中同时引进开环控制和闭环控制，这种系统称为复合控制系统。控制器被控对象反馈环节扰动被控量控制量参考输入控制器1、恒值控制系统（或称自动调节系统、自动镇定系统）特点：输入信号是一个恒定的数值。工业生产中的恒温、恒压等自动控制系统都属于这一类型。2、过程控制系统（或称程序控制系统）特点：输入信号是一个已知的函数。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输入，如化工中的压力、温度、流量控制。恒值控制系统可看成输入等于常值的过程控制系统。二、按系统的控制作用来分类3、随动系统（或称伺服系统）特点：输入信号是一个未知函数。要求控制系统的输出量跟随输入信号变化。如：火炮自动跟踪系统。该系统要求有较好的跟踪能力。1、连续系统特点：系统各部分信号都是模拟的连续函数。目前工业中普遍采用的常规仪表PID调节器控制的系统。2、离散系统特点：系统的某一处或几处信号以脉冲序列或数字形式传递的控制系统。其中离散信号以脉冲形式传递的系统又叫脉冲控制系统，离散信号以数字形式传递的系统又叫数字控制系统。输入输出+_ADDA计算机放大器执行器被控对象反馈装置三、按系统传输信号的性质来分类1、线性系统特点：系统由线性元件构成，描述运动规律的数学模型为线性微分方程。运动方程一般形式：-1-1-110-1()()()()nnnnnnnndctdctdctaaaactdtdtdt++++L-1-1-110-1()()()()mmmmmmmmdrtdrtdrtbbbbrtdtdtdt=++++L四、按描述系统的数学模型不同来分类式中：r(t)——系统输入量；c(t)——系统输出量主要特点是具有叠加性和齐次性。特点：在构成系统的环节中有一个或一个以上的非线性环节。非线性的理论研究远不如线性系统那么完整，目前尚无通用的方法可以解决各类非线性系统。其他的分类方法：按功能来分：温度控制系统、速度控制系统、位置控系统等。按元件组成分：机电系统、液压系统、生物系统等。2、非线性系统四、按描述系统的数学模型不同来分类•分类小结⎩⎨⎧闭环系统开环系统按传递路径.1⎪⎩⎪⎨⎧随动系统程序控制系统恒值控制系统按控制作用.2⎩⎨⎧离散系统连续系统按信号性质.3⎩⎨⎧非线性系统线性系统按数学模型.4§1.4控制系统的组成控制系统的组成：输入部分、控制系统部分和输出部分。从物理角度上看，自动控制研究的是特定激励作用下的系统响应变化的问题；从数学角度上看，研究的是输入与输出之间的映射关系。一般的形式输入信号——系统控制目标的反映，是人的意志的具体体现。控制系统——主要完成对有关信号的变换、处理，发出控制量，驱动执行机构完成控制功能。输出信号——系统的控制结果，反映了被控对象的运行状况。输入信号输出信号放大比较执行被控对象测量•给定(控制量)：给出与期望的被控量相对应的系统输入量。•被控制量：要求控制的一个物理量,也就是系统输出量。•测量元件：测量被控制量，其精确度直接影响系统的控制精度。•比较元件：比较给定与反馈量以产生偏差信号。多数系统中，比较元件常与测量元件或线路在一起•放大元件：放大微弱的偏差信号，使其具有足够大的幅值和功率。•执行元件:驱动被控制对象以产生按控制信号变化规律而变化的被控制信号.•校正元件：亦称补偿元件，它是结构或参数便于调整的元件，用串联或反馈的方式连接在系统中，以改善系统性能名词术语用“○”号代表比较元件，“—”号代表符号相反，“+”号代表符号相同。输入输出串联补偿元件放大元件执行元件被控对象反馈补偿元件反馈控制系统基本组成测量元件局部反馈主反馈为改善系统性能+-水箱水位的手动控制指出该系统中的测量元件、执行元件、给定、被控对象、被控制量，比较元件希望液位实际液位肌肉、手阀门水箱眼睛脑控制目标：要求水池的水位恒定在期望的数值上？？1、分别指出该系统中的被控对象、测量元件、执行元件、给定、被控制量2、画出系统控制方框图H控制器（比较、放大）Q1浮子Q2气动阀门被控对象：水箱被控对象：水箱浮子：液面高度的反馈元件浮子：液面高度的反馈元件Q2Q2为系统的干扰量为系统的干扰量执行机构：气动阀门执行机构：气动阀门给定：给定：期望液位期望液位被控量（输出）：实际液位被控量（输出）：实际液位控制目标：要求水池的水位恒定在期望的数值上。+__受信仪放大器减速器校正装置检测装置电机+••火炮自动跟踪系统§1.5控制系统的基本要求•稳定性：是指系统在外扰动力去掉后能够恢复到原平衡状态的能力。即输出量偏离平衡状态后应该随时间收敛并且最后回到初始的平衡状态。系统不稳定,系统就不能正常运行，可能造成系统的彻底损坏，引起重大事故，稳定性的要求是系统工作的首要条件。•快速性：在系统稳定的前提下，输出量与给定输入量之间产生偏差时，消除这种偏差过程的快速程度。•平稳性：是指过渡过程平稳•准确性：亦称静态精度，是指在调整过程结束后输出量与给定的输入量之间的偏差，即稳态误差。•2）根据对系统性能的要求，如何合理地设计校正装置，使系统的性能能全面地满足技术上的要求。•1）对于一个具体的控制系统，如何从理论上对它的动态性能和稳态精度进行定性的分析和定量的计算。§1.6本课程所要研究的两大任务总结Ø反馈控制原理Ø重要概念：自动控制系统、给定、被控量、被控对象、开环、闭环控制、反馈Ø控制系统的分类Ø自动控制系统的组成，并能够画出一个典型控制系统的框图