自动控制原理讲.ppt
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1、自动控制原理自动控制原理自动控制原理自动控制原理第一章第一章 导论导论本讲主要内容本讲主要内容本讲主要内容本讲主要内容:1.11.11.11.11.2.1.2.1.2.1.2.1.3.1.3.1.3.1.3.1.4.1.4.1.4.1.4.1.5.1.5.1.5.1.5.控制控制控制控制的定义的定义的定义的定义控制控制控制控制系统的工作原理和组成系统的工作原理和组成系统的工作原理和组成系统的工作原理和组成控制控制控制控制理论的中心问题理论的中心问题理论的中心问题理论的中心问题自动控制自动控制自动控制自动控制理论的学习内容理论的学习内容理论的学习内容理论的学习内容控制控制控制控制理论的历史发展理
2、论的历史发展理论的历史发展理论的历史发展自动控制原理自动控制原理控制控制的本意的本意 :为了达到某种目的对事物进行支配、为了达到某种目的对事物进行支配、管束、管制、管理、监督、镇压。管束、管制、管理、监督、镇压。自动控制自动控制 :在没有人直接参与的情况下,利用在没有人直接参与的情况下,利用控制装置或控制器控制装置或控制器控制装置或控制器控制装置或控制器,使机器、设备或生产过程(使机器、设备或生产过程(被控对象被控对象被控对象被控对象)的某个工作状态)的某个工作状态或参数(即或参数(即被控量被控量被控量被控量)自动地按照预定的规律运行。)自动地按照预定的规律运行。PartPartPartPar
3、t:1.11.11.11.1 控制控制控制控制的定义的定义的定义的定义例例1.1.钢铁轧制钢铁轧制:轧出厚度一致的高精度铁板轧出厚度一致的高精度铁板温度控制温度控制,生铁成分控制生铁成分控制,厚度控制厚度控制,张力控制张力控制,等等。等等。例例2.2.程控机床程控机床:自动进刀切削,加工出预期的几何形自动进刀切削,加工出预期的几何形状状直线、圆弧等各种差补控制,进给量控制直线、圆弧等各种差补控制,进给量控制,等等。等等。自动控制原理自动控制原理Part 1.2Part 1.2 控制控制控制控制系统的工作原理和组成系统的工作原理和组成系统的工作原理和组成系统的工作原理和组成恒温箱温度控制恒温箱温
4、度控制恒温箱温度控制恒温箱温度控制人工控温人工控温自动控温自动控温液位控制系统液位控制系统液位控制系统液位控制系统人工人工/自动控制自动控制!Some Examples!Some Examples 自动控制原理自动控制原理 动态过程动态过程动态过程动态过程 观测恒温箱内的温度(观测恒温箱内的温度(观测恒温箱内的温度(观测恒温箱内的温度(被控制量被控制量被控制量被控制量)与要求的温度(与要求的温度(与要求的温度(与要求的温度(给定值给定值给定值给定值)进行比较)进行比较)进行比较)进行比较得到温度偏差的大小和方向得到温度偏差的大小和方向得到温度偏差的大小和方向得到温度偏差的大小和方向根据偏差大小
5、和方向调节调压器,根据偏差大小和方向调节调压器,根据偏差大小和方向调节调压器,根据偏差大小和方向调节调压器,控制加热电阻丝的电流以调节温度控制加热电阻丝的电流以调节温度控制加热电阻丝的电流以调节温度控制加热电阻丝的电流以调节温度回复到要求值。回复到要求值。回复到要求值。回复到要求值。实质实质 检测偏差再纠正偏差检测偏差再纠正偏差。1.1.1.1.人工控制恒温箱人工控制恒温箱人工控制恒温箱人工控制恒温箱123 控制系统的工作原理控制系统的工作原理控制系统的工作原理控制系统的工作原理自动控制原理自动控制原理温度偏差信号经电压、功率放大后,用以驱动执行电动温度偏差信号经电压、功率放大后,用以驱动执行
6、电动机,并通过传动机构拖动调压器动触头。当温度偏高时,机,并通过传动机构拖动调压器动触头。当温度偏高时,动触头向减小电流的方向运动,反之加大电流,直到温度动触头向减小电流的方向运动,反之加大电流,直到温度达到给定值为止,此时,偏差达到给定值为止,此时,偏差 u=0,u=0,电机停止转动。电机停止转动。动态过程动态过程动态过程动态过程 2.2.2.2.恒温箱自动控制系统恒温箱自动控制系统恒温箱自动控制系统恒温箱自动控制系统恒温箱实际温度由热电恒温箱实际温度由热电偶转换为对应的电压偶转换为对应的电压u u2 2恒温箱期望温度由电恒温箱期望温度由电压压u u1 1给定,并与实际给定,并与实际温度温度
7、u u2比较得到温度比较得到温度偏差信号偏差信号 u=uu=u1 1-u-u2 2自动控制原理自动控制原理系统原理方块图系统原理方块图 实质实质 检测偏差检测偏差纠正偏差纠正偏差系系统方框方框图符号符号组成成自动控制原理自动控制原理控制系统的工作原理控制系统的工作原理控制系统的工作原理控制系统的工作原理从恒温箱控制系统功能框图可见:从恒温箱控制系统功能框图可见:给定量位于系统的输入端,称为给定量位于系统的输入端,称为系统输入量系统输入量,也称为,也称为参考输入量参考输入量(信号)。(信号)。被控制量位于系统的输出端,为被控制量位于系统的输出端,为系统输出量系统输出量。输出量(全部或一部分)通过
8、测量装置返回系统的输输出量(全部或一部分)通过测量装置返回系统的输入端(入端(反馈信号反馈信号),使之与输入量进行比较,产生),使之与输入量进行比较,产生偏差偏差(给定信号与返回的输出信号之差)信号。输出量的返(给定信号与返回的输出信号之差)信号。输出量的返回过程称为回过程称为反馈反馈。自动控制原理自动控制原理综上所述综上所述综上所述综上所述控制系统的工作原理控制系统的工作原理:检测检测输出量(被控制量)的实际值;输出量(被控制量)的实际值;将输出量的实际值与给定值(输入量)进行比较将输出量的实际值与给定值(输入量)进行比较得出得出偏差偏差;利用偏差值产生控制调节作用去消除偏差,使得利用偏差值
9、产生控制调节作用去消除偏差,使得输出量维持期望的输出。输出量维持期望的输出。自动控制原理自动控制原理 由于输出量的反馈,系统能在由于输出量的反馈,系统能在扰动扰动的情况下,的情况下,自动减少自动减少系统的输出量与参考输入量(希望的状系统的输出量与参考输入量(希望的状态)之间的态)之间的偏差偏差,称之为,称之为反馈控制反馈控制。显然:显然:反馈控制反馈控制建立在建立在偏差基础偏差基础上,其控制方式上,其控制方式是是“检测偏差检测偏差再再纠正偏差纠正偏差”。自动控制原理自动控制原理1.2.3 1.2.3 开环控制与闭环控制开环控制与闭环控制开环控制与闭环控制开环控制与闭环控制 开环控制与闭环控制实
10、际的控制系统根据有无开环控制与闭环控制实际的控制系统根据有无反馈作用可分为三类:反馈作用可分为三类:开环控制系统开环控制系统开环控制系统开环控制系统闭环控制系统闭环控制系统闭环控制系统闭环控制系统复合控制系统复合控制系统复合控制系统复合控制系统 自动控制原理自动控制原理1.1.开环控制开环控制开环控制开环控制控制器与被控对象间只有顺序作用而无反向控制器与被控对象间只有顺序作用而无反向联系联系且控制单方向进行。且控制单方向进行。数控机床的开环控制系统方块图数控机床的开环控制系统方块图优点优点:简单、稳定、可靠。若组成系统的元件特性:简单、稳定、可靠。若组成系统的元件特性和参数值比较稳定,且外界干
11、扰较小,开环控制能和参数值比较稳定,且外界干扰较小,开环控制能够保持一定的精度。够保持一定的精度。缺点缺点:精度通常较低、无自动纠偏能力。:精度通常较低、无自动纠偏能力。自动控制原理自动控制原理自动控制原理自动控制原理2.2.闭环控制闭环控制闭环控制闭环控制 闭环控制系统特点:输出端和输入端之间存在闭环控制系统特点:输出端和输入端之间存在反反馈馈,输出量对控制过程有直接影响输出量对控制过程有直接影响。闭环的作用:。闭环的作用:利用反馈,减少偏差利用反馈,减少偏差。优点优点:精度较高,对外部扰动和系统参数变化不敏感:精度较高,对外部扰动和系统参数变化不敏感缺点缺点:存在稳定、振荡、超调等问题,系
12、统性能分析存在稳定、振荡、超调等问题,系统性能分析存在稳定、振荡、超调等问题,系统性能分析存在稳定、振荡、超调等问题,系统性能分析 和设计麻烦。和设计麻烦。和设计麻烦。和设计麻烦。自动控制原理自动控制原理复合控制复合控制复合控制复合控制特点:特点:特点:特点:按按偏差控制偏差控制和按和按扰动补偿相结合扰动补偿相结合的控制方式的控制方式 称为称为复合控制方式复合控制方式自动控制原理自动控制原理优点优点优点优点:精度较高,对外部扰动和系统参数变化精度较高,对外部扰动和系统参数变化 不敏感。不敏感。缺点缺点缺点缺点:存在稳定、振荡、超调等问题,:存在稳定、振荡、超调等问题,系统性能分析和设计麻烦。系
13、统性能分析和设计麻烦。闭环控制闭环控制闭环控制闭环控制优点优点优点优点:简单、稳定、可靠。若组成系统的元件特性简单、稳定、可靠。若组成系统的元件特性和参数值比较稳定,且外界干扰较小,开环控制能和参数值比较稳定,且外界干扰较小,开环控制能够保持一定的精度。够保持一定的精度。缺点缺点缺点缺点:精度通常较低、无自动纠偏能力。精度通常较低、无自动纠偏能力。开环控制开环控制开环控制开环控制复合控制复合控制复合控制复合控制自动控制原理自动控制原理E.g.E.g.E.g.E.g.液位控制液位控制液位控制液位控制原原原原型型型型:古古古古代代代代 水水水水钟钟钟钟 “铜铜铜铜壶壶壶壶滴滴滴滴漏漏漏漏”Q2H1
14、H2Q1自动控制原理自动控制原理系统原理方块图系统原理方块图系统原理方块图系统原理方块图 实质实质 检测偏差检测偏差纠正偏差。纠正偏差。控制器控制器自动控制原理自动控制原理正正正正/负反馈液位控制系统负反馈液位控制系统负反馈液位控制系统负反馈液位控制系统负反馈负反馈 正反馈正反馈 l1Q1HQ2l2Q1Q2l2Hl1自动控制原理自动控制原理 闭环控制系统的组成闭环控制系统的组成闭环控制系统的组成闭环控制系统的组成闭环控制系统的组成闭环控制系统的组成自动控制原理自动控制原理1 1 1 1给定元件:给定元件:给定元件:给定元件:产生给定信号或输入信号。产生给定信号或输入信号。2 2 2 2反馈元件
15、:反馈元件:反馈元件:反馈元件:测量被控制量(输出量),产生反馈信测量被控制量(输出量),产生反馈信号。为便于传输,反馈信号通常为电信号。为便于传输,反馈信号通常为电信号。号。3 3 3 3比较元件:比较元件:比较元件:比较元件:对给定信号和反馈信号进行比较,产生偏差信号。对给定信号和反馈信号进行比较,产生偏差信号。4 4 4 4放大元件:放大元件:放大元件:放大元件:对偏差信号进行放大,使之有足够的能量驱动执行元件实现控制功能。对偏差信号进行放大,使之有足够的能量驱动执行元件实现控制功能。5 5 5 5执行元件:执行元件:执行元件:执行元件:直接对受控对象进行操纵的元件,如电动机、液压马达等
16、。直接对受控对象进行操纵的元件,如电动机、液压马达等。自动控制原理自动控制原理6 6 6 6校正元件:校正元件:校正元件:校正元件:用以改善系统控制质用以改善系统控制质量的装置。量的装置。校正元件校正元件分为分为串联串联和和并联并联两种。两种。控制系统中控制系统中比较元件、放大元件、执行元件和反馈元比较元件、放大元件、执行元件和反馈元比较元件、放大元件、执行元件和反馈元比较元件、放大元件、执行元件和反馈元件件件件等共同起控制作用,统称为等共同起控制作用,统称为控制器控制器控制器控制器。实际的控制系统中,实际的控制系统中,扰动扰动扰动扰动总是不可避免的,总是不可避免的,扰动分为扰动分为内部扰动内
17、部扰动内部扰动内部扰动和和外部扰动。外部扰动。外部扰动。外部扰动。自动控制原理自动控制原理Part 1.3 Part 1.3 控制控制控制控制理论的中心问题理论的中心问题理论的中心问题理论的中心问题稳定性:稳定性:稳定性:稳定性:系统动态过程系统动态过程的振荡倾向及其的振荡倾向及其恢复平衡状态的能恢复平衡状态的能力。稳定的系统力。稳定的系统当输出量偏离平衡状态时,其输当输出量偏离平衡状态时,其输出能随时间的增长收敛并回到初始平衡状态。出能随时间的增长收敛并回到初始平衡状态。稳定性是控制系统正常工作的稳定性是控制系统正常工作的先决条件先决条件。线性控线性控制系统稳定性由系统结构所决定制系统稳定性
18、由系统结构所决定,与外界因素无与外界因素无关关。图图3-19 3-19 小范围稳定系统小范围稳定系统dfcA AA Af f图图3-18 3-18 不稳定系统不稳定系统自动控制原理自动控制原理精确性:精确性:精确性:精确性:控制精度,以稳态误差来衡量。控制精度,以稳态误差来衡量。快速性:快速性:快速性:快速性:输出量和输入量产生偏差时,输出量和输入量产生偏差时,系统消除这种偏差的快慢程系统消除这种偏差的快慢程度。快速性表征系统的动态度。快速性表征系统的动态性能。性能。稳态误差稳态误差稳态误差稳态误差:系统的调整(过渡)过程结系统的调整(过渡)过程结束而趋于稳定状态时,系统束而趋于稳定状态时,系
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