自动控制原理(全套课件902P).pptx
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自动控制原理,章节目录,第一章自动控制系统概述第二章控制系统数学模型第三章控制系统的时域分析第四章控制系统的根轨迹法第五章控制系统的频域分析第六章线性控制系统的校正与综合第七章非线性控制系统理论第八章离散控制系统的理论基础,第一章自动控制系统概述,教学内容:
1-1控制系统的基本概念1-2控制理论的发展历程1-3控制系统分类1-4控制系统的性能指标,第一章自动控制系统概述,举例:
液位自动控制系统,第一章自动控制系统概述,目标液位,大脑,手臂,手,人放大眼器,M,+,1-1控制系统的基本概念,一、基本术语自动控制:
在没有人的直接干预下,利用物理装置对生产设备和工艺过程进行合理的控制,使被控制的物理量保持恒定或按一定的规律变化。
如液位,炉温,轧辊转速,带钢张力等控制。
自动控制系统:
为实现某一控制目标,所需要的所有物理部件的有机组合称为自动控制系统。
1-1控制系统的基本概念,控制对象:
(被控对象、调节对象、对象)是指被控的设备或过程。
(上例中的水槽)被控制量:
(被调参数、输出量)是指被控制的物理量。
常常是表征设备或过程的运行情况或状态,且需要加以控制的参数(上例中的实际液位)。
给定信号:
(参考输入量)设定的与被控参数期望值成比例的信号,其作用是为了保证输出量达到所要求的目标(上例中要求的液位)。
一、基本术语,扰动信号:
(扰动输入量)是一种妨碍被控参数达到期望值的外部作用。
对系统工作不利。
(上例中的排水量),测量信号:
检测仪表的输出经变送器变换后的与被控信号实际值成比例的信号。
偏差信号:
给定信号与测量信号的差值信号。
执行机构:
传动机构+调节机构,一、基本术语,控制对象,被控制量,目标液位,给定信号,扰动信号,测量信号,偏差信号,执行机构,液位自动控制系统,一、基本术语,放大器,M,+,上例中,将系统按基本组成部分分解:
二、控制系统的传递方框图,电位器放大器电动机减速器注水阀水槽浮子,输入,输出,给定信号,被控量,测量信号,F,被控对象,扰动信号,偏差信号,执行机构,
(一)环节:
构成系统的基本组成部分。
用一个方块表示。
(二)传递方框图:
将构成系统的所有环节用有向线段连接起来所构成的系统结构图。
有向线段:
表示信号传递,指向环节的作用线表示输入;背向环节的作用线表示输出。
测量信号与给定信号通过相加点叠加,符号代表信号的极性。
整个系统的输出为被控参数;整个系统的输入为给定信号或扰动信号。
二、控制系统的传递方框图,二、控制系统的传递方框图,二、控制系统的传递方框图(三)关于传递方框图的几点说明,给定比较校正放大执行被控环节环节环节环节机构对象检测装置,主反馈:
输出量引回到输入端的反馈为主反馈。
局部反馈:
在正向通道里,后面环节的输出对前面环节的返回影响称为局部反馈。
注意:
主反馈一定是负反馈,局部反馈可正可负。
1,234567,输入,输出,二、控制系统的传递方框图,注意,研究控制系统应首先解决以下四个问题。
(1)控制目的
(2)受控对象(3)被控制量(4)输出信号的检测综上所述,控制系统的工作原理可归纳如下:
通过测量元件检测输出量的实际值。
将输出量的实际值与给定值进行比较,得到偏差信号。
用偏差产生控制调节作用去消除偏差。
二、控制系统的传递方框图,三、控制系统举例,三、控制系统举例,人手拿书汽车行驶的位置控制温度自动控制系统,例如空凋、冰箱。
直流电动机闭环调速系统,K,D,n,nCF,三、控制系统举例,1-2控制理论的发展历程,一、自动控制理论是研究“自动控制”共同规律的一门技术科学。
数控机床按照预定程序自动的对工件进行切削加工;化学反应釜的温度或流量及压力自动的维持恒定;雷达和计算机组成的火炮或导弹的发射和制导系统,自动的将炮弹或导弹引导到敌方目标;,1-2控制理论的发展历程,轧钢机按照预定的轧制速度和板材厚度自动的变化轧辊速度和压下装置的位移;,人造卫星准确的进入预先计算好的轨道和位置,自动的保持正确的姿态运行并准确回收。
这些都是以高水平的自动控制技术为前提的。
1-2控制理论的发展历程,二、控制理论学科的发展,具有自动功能的装置自古有之,例如古希腊的“水钟”,中国古汉代的“指南车”控制理论的产生可追述到18世纪中叶英国的第一次工业革命。
1765年,JamsWatt发明的蒸汽机上的离心式飞锤调速器应用了反馈原理进行设计的。
之后,麦克斯韦对它的稳定性进行分析,并于1868年发表论文,当属最早的理论工作。
1872年E.J.Routh,1890年Hurwitz先后找到了系统稳定性的代数判据,1-2控制理论的发展历程,1892年A.M.Liapunov在其“论运动稳定性的一般问题”的博士论文中给出了基于广义能量函数的系统稳定性的一般判据。
1932年H.Nyquist给出了基于频率特性的关于系统稳定性的Nyquist判据。
在二次世界大战期间,由于军事上的需要,雷达和火力控制系统有了较大的发展,N.Winner在总结前人成果的基础上发表了控制论一书,标志着控制理论学科的诞生。
1-2控制理论的发展历程,控制理论发展经过了三个时期:
第一阶段:
经典控制理论(20世纪40年代末到50年代)。
研究对象:
线性定常单输入单输出系统主要数学工具:
微分方程、传递函数、结构框图、频率特性等主要研究方法:
时域法、频域法、根轨迹法主要解决的问题:
单机装置的稳定性、快速性、准确性。
1-2控制理论的发展历程,第二阶段:
现代控制理论(形成于20世纪60年代)。
研究对象:
机组自动化等的多输入多输出系统。
主要数学工具:
一阶微分方程组、矩阵论、状态空间法。
主要方法:
变分法、极大值原理等等重点问题:
最优控制、随机控制和自适应控制。
核心控制装置:
计算机,1-2控制理论的发展历程,第三阶段:
大系统理论和智能控制理论(形成于上世纪70年代)。
大系统理论是控制理论在广度上的拓展,例如控制对象延伸到了社会、经济、管理系统,以及生态环境系统等复杂系统。
智能控制理论是控制理论在深度上的挖掘,为解决模拟人脑功能,形成了新的学科模拟人脑思维形成模糊控制、专家系统等模拟人脑结构或功能形成人工神经网络,1-2控制理论的发展历程,三.自动控制技术的作用,自动控制技术的应用不仅使生产过程实现了自动化,极大地提高了劳动生产率,而且减轻了人的劳动强度。
自动控制使工作具有高度的准确性,大大地提高了武器的命中率和战斗力,例如火炮自动跟踪系统必须采用计算机控制才能打下高速高空飞行的飞机。
某些人们不能直接参与工作的场合就更离不开自动控制技术了,例如原子能的生产、火炮或导弹的制导等等。
1-2控制理论的发展历程,三.自动控制技术的作用,自动控制技术的应用不仅使生产过程实现了自动化,极大地提高了劳动生产率,而且减轻了人的劳动强度。
自动控制使工作具有高度的准确性,大大地提高了武器的命中率和战斗力,例如火炮自动跟踪系统必须采用计算机控制才能打下高空高速飞行的飞机。
某些人们不能直接参与工作的场合就更离不开自动控制技术了,例如原子能的生产、火炮或导弹的制导等等。
1-2控制理论的发展历程,自动控制理论来源于生产实践,正随着技术和生产的发展而不断发展,而它反过来又指导实践,成为高新技术发展的重要理论依据。
本课程的内容是该理论中最基本也最重要的内容,即经典控制理论部分。
它在工程实践中用的最多,也是进一步学习自动控制理论的基础。
1-2控制理论的发展历程,1、授课对象:
工业自动化专业、测控技术与仪器本科专业2、本课程的性质和任务:
自动控制理论是工业自动化专业和测控技术与仪器专业的一门重要的专业基础课。
通过本课程的教学(讲课、实验、答疑和习题),使学生了解自动控制系统的组成、特点及专业术语,学习并掌握经典控制理论的基本分析方法和设计方法,掌握实验技能,为设计和调试工业自动控制系统打下理论基础。
并为进一步的理论学习和研究打下坚实的基础。
四、课程介绍,1-2控制理论的发展历程,3、本课程与相关课程的关系,自动控制原理,换,数,术,论,现代控制理论,过程控各类专制系统业课程,理,动,后续课程,1-2控制理论的发展历程,4、课程的理论体系,理论体系:
系统描述、系统分析、系统综合,1-2控制理论的发展历程,经典控制理论,系统描述建立系统的数学模型系统分析系统的动态性能包括稳定性、准确性和快速性分析系统综合就是运用控制理论提供的方法对实际系统进行改造,以便改善系统的性能,5、选用教材:
自动控制原理,顾树生、王建辉,冶金工业出版社。
主要参考书目:
1杨自厚,自动控制原理,冶金工业出版社,2003.6。
2胡寿松,自动控制原理,国防工业出版社,2000年。
3绪方胜彦,卢伯英等译,现代控制工程,科学出版社,1981年。
李友善,自动控制原理,国防工业出版社孙虎章主编,自动控制原理,北京:
中央广播电视大学出版社,1984李光泉主编,自动控制原理,北京:
机械工业出版社,19876、学时安排:
90学时,1-2控制理论的发展历程,1-3控制系统的分类,1-3控制系统的分类,控制系统的种类很多,在实际工程中,可以从不同角度对控制系统进行分类。
一、开环控制系统和闭环控制系统,
(一)开环控制系统,1.概念:
如果控制系统的输出量对系统没有控制作用,这种系统称为开环控制系统.,输入输出,控制器,被控对象,例,举例:
炉温控制系统,特点:
本系统的输入量是自耦变压器的输出电压uc,输出量是电阻炉的输出温度T;u唯一对应T;电阻炉的输出温度T对自耦变压器的输出电压uc没有控制作用。
开环控制系统与闭环控制系统,开环控制系统与闭环控制系统2.特点:
(1)系统输出量不参与控制,系统结构图不形成闭合回路;
(2)输入输出一一对应;(3)控制精度取决于各组成环节的精度;最适用于传递关系已知,对输出精度无要求,且不含扰动的场合;如系统起动、制动过程。
自动售货机,洗衣机,数控机床,红绿灯转换系统中。
系统有扰动时只能靠人工操作,使输出达到期望值。
(二)闭环控制系统,上例:
炉温控制系统,开环控制系统与闭环控制系统,1-热电偶;2-加热器,M,12,220V当加热物件增多时,系统温度调节过程如下:
经电压放大,电动机正转,电位器放大器电动机减速器变压器电阻炉,热电偶,1.概念:
利用检测仪表将系统输出检测出来,经物理量的转换后,馈送到系统的输入端与给定信号比较(相减)得到偏差信号,并利用偏差信号经控制器对控制对象进行控制,抑制扰动对输出量的影响,减小输出量的误差。
给定信号,被调参数,调节器测量信号,执行机构,对象,检测仪表,开环控制系统与闭环控制系统,反馈控制系统,偏差控制系统,2.特点:
(1)系统输出参与控制。
(2)系统结构图构成闭合回路。
(3)是一种依偏差进行控制的系统,只需偏差存在,就有控制作用,其结果试图使偏差减小。
(4)对系统内部除反馈通道和给定通道外的一切扰动都有抑制作用。
开环控制系统与闭环控制系统,1.前馈控制当系统受到的扰动信号可以测量时,可根据扰动信号的大小对控制作用作相应补偿,以提高系统精度。
这种按开环补偿原则建立起来的系统成为开环补偿系统或前馈控制。
开环控制系统与闭环控制系统,(三)复合控制系统,按给定补偿的前馈控制,按扰动补偿的前馈控制,输入量,补偿器,控制器,被控对象,输出量,输出量,输入量,控制器,被控对象,F补偿器,+,+,开环控制系统与闭环控制系统,前馈控制系统仍然属于开环控制,和反馈控制相结合构成复合控制系统。
补偿器,+,控制器被控对象检测装置F,补偿器控制器被控对象,+,检测装置,开环控制系统与闭环控制系统,单变量与多变量控制系统,二、单变量与多变量控制系统SISOMIMO,(从输入/输出变量的个数)1.在单变量控制系统中,可以进行单回路或多回路控制,还可以进行串级控制.它是经典控制论研究的对象.,T1,T2,O1,给定,f1,f2O2,2.在多变量控制系统中,控制回路之间有耦合关系,它是现代控制理论研究的对象
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- 自动控制 原理 全套 课件 902