《自控原理》PPT课件.ppt
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1、自控系统的基本概念自控系统的数学描述时域分析法根轨迹分析法频域分析法控制系统的校正非线性系统的分析自动控制原理自动控制原理自动控制原理自动控制原理自动控制原理课程性质、地位和任务课程性质、地位和任务 自自动动控控制制原原理理是是与与所所有有工工程程技技术术相关的相关的技术基础课技术基础课工程中的数学。工程中的数学。基础课技术基础课未来工作知识知识学习学习能力能力培养培养工作工作能力能力课程性质、地位和任务课程性质、地位和任务 任务:任务:1.1.掌握控制系统的基本理论掌握控制系统的基本理论2.2.掌握控制系统的分析和设计方法掌握控制系统的分析和设计方法高等数学高等数学积分变换积分变换自动控制理
2、论自动控制理论现代控制理论现代控制理论其它专业课程其它专业课程 1 1、专业基础课,自动化专业承上启下的课程、专业基础课,自动化专业承上启下的课程 2 2、理论实践相结合、理论实践相结合理论性理论性非常非常强,概念多,内容多,抽象;强,概念多,内容多,抽象;实际应用紧密结合。能为解决实际控制问题提供理论和方法实际应用紧密结合。能为解决实际控制问题提供理论和方法自动控制原理的课程特点自动控制原理的课程特点3 3、自动控制技术是应用非常广泛的技术、自动控制技术是应用非常广泛的技术 电机控制、自动化生产线、火炮雷达控制、家用电器、机电机控制、自动化生产线、火炮雷达控制、家用电器、机械、冶金、石油、化
3、工、电力电子、航空、航海、航天、械、冶金、石油、化工、电力电子、航空、航海、航天、核反应堆等。核反应堆等。1 1、打好基础、打好基础高等数学(微积分)、积分变换(拉氏变换)高等数学(微积分)、积分变换(拉氏变换)2 2、做好预习、做好预习3 3、听好课、听好课讲课的速度较快、了解课程内容讲课的速度较快、了解课程内容掌握基本理论和基本方法掌握基本理论和基本方法4 4、做好习题、做好习题应用学到的基本理论和基本方法解决实际问题应用学到的基本理论和基本方法解决实际问题本课程学习方法本课程学习方法自动控制原理自动控制原理 课程内容课程内容自动控制系统自动控制系统(定义见(定义见1.1节首段)节首段)C
4、h2:控制系统的:控制系统的数学模型数学模型Ch1:自动控:自动控制系统的基本制系统的基本概念和要求概念和要求分析系统分析系统的性能的性能Ch7:控制系控制系统的统的校正校正Ch8:线性离线性离散控制散控制系统系统Ch9:非线性非线性控制系控制系统统Ch4:时域分析时域分析 Ch5:根轨迹分析根轨迹分析 Ch6:频率特性分析频率特性分析 Ch3:控制系统的:控制系统的稳定性及特性稳定性及特性 自控系统的基本概念自控系统的基本概念第第1章章1.1自动控制及自动控制理论的发展简自动控制及自动控制理论的发展简述述1.2自动控制的基本原理与方式自动控制的基本原理与方式1.3自动控制系统的分类自动控制系
5、统的分类1.4对自动控制系统的基本要求对自动控制系统的基本要求自动控制原理自动控制原理自控系统的基本概念自控系统的数学描述时域分析法根轨迹分析法频域分析法控制系统的校正非线性系统的分析自动控制原理自动控制技术自动控制技术自动控制技术自动控制技术在工业、农业、国防(尤其是在航天、制导、核能等方面)乃至日常生活和社会科学领域中都起着极其重的作用。如炉温控制、机械手的控制、人造卫星的轨道控制、造纸机卷取系统的张力恒定控制等等。1.11.1自动控制理论的发展简述自动控制理论的发展简述自动控制理论的发展简述自动控制理论的发展简述自动控制在国民经济中的作用 军事领域中军事领域中 导弹命中目标、飞机驾驶系统
6、导弹命中目标、飞机驾驶系统航天技术方面航天技术方面 登月计划,航天飞机:宇宙飞船准确在月球上着陆并能重登月计划,航天飞机:宇宙飞船准确在月球上着陆并能重返地球。人造卫星按预定轨迹运行并返回地面。返地球。人造卫星按预定轨迹运行并返回地面。工业生产过程中工业生产过程中 对压力、温度、湿度、流量、频率及原料、燃料成分比例对压力、温度、湿度、流量、频率及原料、燃料成分比例等方面的控制,全自动生产线等方面的控制,全自动生产线现代农业生产中现代农业生产中 温室自动温控系统,自动灌溉系统,温室自动温控系统,自动灌溉系统,虽然我们将要涉及到的全部是自动控制的工程应用方面,虽然我们将要涉及到的全部是自动控制的工
7、程应用方面,但它的概念已经扩大到其它领域,如经济、政治等领域。但它的概念已经扩大到其它领域,如经济、政治等领域。自动控制原理自动控制原理自动控制在国民经济中的作用生产的自动化,管理的科学化,大大地改善了劳动条件,生产的自动化,管理的科学化,大大地改善了劳动条件,增加了产量,提高了产品质量。近十几年来,由于计算机增加了产量,提高了产品质量。近十几年来,由于计算机的广泛应用,使自动控制理论更加迅速向前发展,使得自的广泛应用,使自动控制理论更加迅速向前发展,使得自动控制技术所能完成的任务更加复杂,水平大大地提高。动控制技术所能完成的任务更加复杂,水平大大地提高。电子技术的飞速发展,计算机技术的迅猛发
8、展,犹如为自电子技术的飞速发展,计算机技术的迅猛发展,犹如为自动控制技术安上两只翅膀,自动控制技术将在愈来愈多的动控制技术安上两只翅膀,自动控制技术将在愈来愈多的领域发挥愈来愈重要的作用。因此,各个领域的工程技术领域发挥愈来愈重要的作用。因此,各个领域的工程技术人员和科学工作者,都必须具备一定的自动控制知识。人员和科学工作者,都必须具备一定的自动控制知识。经济与社会生活的其他领域经济与社会生活的其他领域 导航控制系统使汽车自动保持在设定车速,刹车防抱死系导航控制系统使汽车自动保持在设定车速,刹车防抱死系统自动防止汽车在湿滑的路面上打滑,在大型办公楼或旅统自动防止汽车在湿滑的路面上打滑,在大型办
9、公楼或旅馆,电梯调度系统自动发送车辆搭载乘客。馆,电梯调度系统自动发送车辆搭载乘客。一个现代化的居室内,温度由温度调节装置自动控制。一个现代化的居室内,温度由温度调节装置自动控制。自动控制原理自动控制原理自控系统的基本概念自控系统的数学描述时域分析法根轨迹分析法频域分析法控制系统的校正非线性系统的分析自动控制原理自动控制自动控制自动控制自动控制,是指在无人直接参与的情况下,利用外加的设备或装置,使机器、设备或生产过程的某个工作状态或参数自动地按照预定的规律运行 控制装置控制装置控制装置控制装置或控制器或控制器或控制器或控制器被控对象被控对象被控对象被控对象被控量被控量被控量被控量自动控制系统自
10、动控制系统自动控制系统自动控制系统,是由控制器、被控对象等部件为了一定的目的有机的地联接成的一个进行自动控制的整体。例如例如例如例如:在燃油炉温度的控制系统中,调节炉子温度的如电动机、阀门等就是控制器控制器控制器控制器;燃油炉就是被控对象被控对象被控对象被控对象;而炉子的温度就是被控量被控量被控量被控量;炉子正常工作所设定的温度就是给定量给定量给定量给定量。给定量给定量给定量给定量例如例如例如例如:在燃油炉温度的控制系统中,调节炉子温度的如电动机、阀门等就是控制器控制器控制器控制器;燃油炉就是被控被控被控被控对象对象对象对象;而炉子的温度就是被控量被控量被控量被控量;炉子正常工作所设定的温度就
11、是给定量给定量给定量给定量。1.11.1自动控制理论的发展简述自动控制理论的发展简述自动控制理论的发展简述自动控制理论的发展简述自控系统的基本概念自控系统的数学描述时域分析法根轨迹分析法频域分析法控制系统的校正非线性系统的分析自动控制原理经典控制理论主要用于工业控制1788年瓦特发明蒸汽机的同时,发明了离心式调速器,使蒸汽机转速保持恒定,这是最早的被用于工业的自动控制装置第二次世界大战期间,对于军用装备的设计与制造的强烈需求,进一步促进并完善了自动控制理论的发展(如飞机及船用自动驾驶仪、火炮定位系统、雷达跟踪系统等)现代控制理论现代控制理论现代控制理论现代控制理论,主要研究多输入和多输出、时变
12、和非线性等控制系统的分析与设计问题,有线性系统理论、最优控制理论、最佳滤波、自适应控制、系统辩识、随机控制等。主要代表有:Kalman 的滤波器,Pontryagin的极大值原理,Bellman 的 动态规划和Lyapunov 的稳定性理论。大系统理论和智能控制理论,称为第三代控制理论。发展初期发展初期发展初期发展初期2020世纪世纪世纪世纪6060年代年代年代年代目前研究方向目前研究方向目前研究方向目前研究方向现代控制理论广泛应用于工农业、国防及日常生活 经典控制理论经典控制理论经典控制理论经典控制理论,主要以传递函数为数学工具,采用频率方法,研究单输入单输出的线性定常系统的分析和设计问题,
13、并在工程上比较成功地解决了如恒值控制系统与随动控制系统的设计与实践问题。著名的控制科学家有:Black,Nyquist,Bode.1.11.1自动控制理论的发展简述自动控制理论的发展简述自动控制理论的发展简述自动控制理论的发展简述 自控系统的基本概念自控系统的数学描述时域分析法根轨迹分析法频域分析法控制系统的校正非线性系统的分析自动控制原理 现代控制理论与运筹学相结合的产物,采用数学模型,通过分解协调或分解集结方法,将控制理论中的稳定性理论,最优化控制理论,多变量控制理论和运筹学中的线性规划、非线性规划等加以推广,应用于大系统的分析和综合大系统理论大系统理论 1.11.1自动控制理论的发展简述
14、自动控制理论的发展简述自动控制理论的发展简述自动控制理论的发展简述自控系统的基本概念自控系统的数学描述时域分析法根轨迹分析法频域分析法控制系统的校正非线性系统的分析自动控制原理智能控制智能控制 智能控制是将认知科学、多种数学编程和控制技术结合起来的,形成感知交互式、以目标导向的控制系统。系统可以进行规划、决策,产生有效的、有目的的行为,在不确定环境中,达到既定的目标。1.11.1自动控制理论的发展简述自动控制理论的发展简述自动控制理论的发展简述自动控制理论的发展简述自控系统的基本概念自控系统的数学描述时域分析法根轨迹分析法频域分析法控制系统的校正非线性系统的分析自动控制原理自动控制自动控制自动
15、控制自动控制 电位器放大器电动机给定电压Ur负载力矩n测速发动机整流器UaUcUdUf人工控制人工控制人工控制人工控制分析比较执行电动机转速表干扰实际转速希望值眼观测1.2.1 人工控制与自动控制人工控制与自动控制 1.21.2自动控制的基本原理与方式自动控制的基本原理与方式自动控制的基本原理与方式自动控制的基本原理与方式转速表触发器整流器负载三相交流UaUfUrM给定电位器触发器整流器三相交流给定电位器UaUfUr放大器TGM负载自控系统的基本概念自控系统的数学描述时域分析法根轨迹分析法频域分析法控制系统的校正非线性系统的分析自动控制原理1.2.2 开环控制和闭环控制开环控制和闭环控制计算放
16、大计算放大执行器执行器被控对象被控对象给定量给定量被控量被控量干扰干扰开开环环控制控制(open-loopcontrol)系系统统是指无被控量反是指无被控量反馈馈的系的系统统,即在系,即在系统统中控制信息的流中控制信息的流动动未形成未形成闭闭合回路合回路。特点:特点:(1)输输入控制入控制输输出,出,输输出出对输对输入没有影响;入没有影响;(2)装置)装置简单简单,但控制准确度低。当有,但控制准确度低。当有扰动时扰动时,如,如果没有人的干果没有人的干预预,输输出量将不能按出量将不能按给给定量所期望的状定量所期望的状态态去工作。去工作。1.21.2自动控制的基本原理与方式自动控制的基本原理与方式
17、自动控制的基本原理与方式自动控制的基本原理与方式自控系统的基本概念自控系统的数学描述时域分析法根轨迹分析法频域分析法控制系统的校正非线性系统的分析自动控制原理1.2.2 开环控制和闭环控制开环控制和闭环控制比较计算执行器被控对象测量干扰被控量给定量闭环闭环控制控制就是有被控量反就是有被控量反馈馈的控制,即系的控制,即系统统的的输输出信出信号沿反号沿反馈馈通道又回到系通道又回到系统统的的输输入端,构成入端,构成闭闭合通道,合通道,也叫做反也叫做反馈馈控制。控制。特点:(1)输输入控制入控制输输出、出、输输出出对输对输入有影响;入有影响;(2)装置复)装置复杂杂、但控制精度高。、但控制精度高。1.
18、21.2自动控制的基本原理与方式自动控制的基本原理与方式自动控制的基本原理与方式自动控制的基本原理与方式自控系统的基本概念自控系统的数学描述时域分析法根轨迹分析法频域分析法控制系统的校正非线性系统的分析自动控制原理1.2.3 自动控制系统的组成自动控制系统的组成 给定装置比较装置串联校正装置比较、放大装置执行装置被控对象反馈校正装置测量与变送局部反馈系统主反馈干扰输入值 被控量检测被控量,将检测值转换为便于处理的信号,再将该信号输入比较装置。控制系统中所要控制的对象直接对被控对象作用,以改变被控量的值将给定量与测量值进行运算得到偏差量 设定与被控量相对应的给定量在系统中添加的用以改善系统的控制
19、性能的装置1.21.2自动控制的基本原理与方式自动控制的基本原理与方式自动控制的基本原理与方式自动控制的基本原理与方式 自动控制中的常用术语自动控制中的常用术语 控制系统(控制系统(Control system):):为了达到预期的目的(响应)而设计出来的系统,它由相互关联的部件组合而成。控制对象(控制对象(Control plant):):指被控设备或过程。控制器(控制器(Controller):):使被控对象达到所要求的性能或状态的控制设备。它接受输入信号或偏差信号,按预定的控制规律给出控制信号(操作量),送到执行元件(放大器)或被控对象。系统(系统(System):):为实现预期的目标而
20、将有关部件(部分)互联在一起的整体。系统输出,也称被控量(系统输出,也称被控量(System output):):指被控制的量是一种被测量和被控制的量值或状态(工业过程控制中用符号PV表示,parameters variable)。它表征被控对象或过程的状态和性能,它又常常被称为系统对输入的响应(Response)。自动控制原理自动控制原理自动控制中的常用术语自动控制中的常用术语 控制量(操作量控制量(操作量 Control signal):):是由控制器给出的作用于执行机构或被控对象的信号,它体现了对被控对象的调节作用。(工业过程控制中用符号MV表示,Mamipulated variable
21、)参考输入或给定输入或希望输入(参考输入或给定输入或希望输入(Desired Input):):是人为给定的系统预期输出的希望值。(工业过程控制中用符号SV或SP表示,Set variable、Set point)扰动(扰动(Interaction或或disturbance):):干扰和破坏系统预期性能和输出的干扰信号(作用)。由系统内部产生的称为内部扰动,由系统外部产生的称为外部扰动,且外部扰动对系统而言是一种输入量。偏差信号(偏差信号(Error signal):):参考输入与实际输出的差称为偏差信号,偏差信号一般作为控制器的输入信号。自动控制原理自动控制原理自动控制:在无人直接参加的情况
22、下,利用控制装置使被控对象和过程自动地按预定规律变化的控制过程。自动控制系统:是由控制装置和被控对象所组成,它们以某种相互依赖的的方式组合成为一个有机整体,并对被控对象进行自动控制。控制器:对被控对象起控制作用装置的总体.被控对象:要求实现自动控制的机器,设备或生产过程。控制器:对被控对象起控制作用装置的总体,称做控制装置或控制器。输出量:表现于控制对象或系统输出端,并要求实现自动控制的物理量。输入量:作用于控制对象或系统输入端,并可使系统具有预定功能或预定输出的物理量。扰动:所有妨碍控制量对被控量按要求进行正常控制的因素,称为干扰量或扰动量。自动控制与自动控制与自动控制系统自动控制系统自动控
23、制原理自动控制原理自控系统的基本概念自控系统的数学描述时域分析法根轨迹分析法频域分析法控制系统的校正非线性系统的分析自动控制原理1.2.4 自自动动控制系控制系统实统实例例 炉温控制系统 液位控制系统 舵轮随动系统 1.21.2自动控制的基本原理与方式自动控制的基本原理与方式自动控制的基本原理与方式自动控制的基本原理与方式自控系统的基本概念自控系统的数学描述时域分析法根轨迹分析法频域分析法控制系统的校正非线性系统的分析自动控制原理给定电位器电动机UrUaUtT工件燃油炉混合器阀门空气燃油Q热电偶炉炉温温控控制制系系统统电位器电动机燃油炉与T对应的给定阻值工件温度等t热电偶阀门UUa混合器nQ放
24、大器放大器UUt被控对象被控对象T:给定温度给定温度 t:被控量被控量控制器控制器比较放大装置比较放大装置比较放大装置比较放大装置测测量量变变送送装装置置1.21.2自动控制的基本原理与方式自动控制的基本原理与方式自动控制的基本原理与方式自动控制的基本原理与方式 自控系统的基本概念自控系统的数学描述时域分析法根轨迹分析法频域分析法控制系统的校正非线性系统的分析自动控制原理液液位位控控制制系系统统 电动机 阀门L2阀门L1 减速器电位器浮子及连杆进水量Q1 出水量Q2给定液位H电位器电动机水箱给定阻值Q2h浮子连杆阀门L1Uan1减速器n2Q1被控对象被控对象H:给定高度给定高度h:实际高度实际
25、高度控制器控制器比较比较装置装置测量变送测量变送测量变送测量变送装置装置装置装置干扰干扰1.21.2自动控制的基本原理与方式自动控制的基本原理与方式自动控制的基本原理与方式自动控制的基本原理与方式 自控系统的基本概念自控系统的数学描述时域分析法根轨迹分析法频域分析法控制系统的校正非线性系统的分析自动控制原理舵舵轮轮随随动动系系统统 电位器舵轮UrUc Ua U舵减速器cABr电位器A比较放大干扰力矩n电位器B电动机减速装置UcUr舵Urc被控对象被控对象输输入入设设定定装装置置控制器控制器比较放大装置比较放大装置测量变送装置测量变送装置测量变送装置测量变送装置1.21.2自动控制的基本原理与方
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