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1、1,自动控制原理,2,低成本。,提高劳动生产率，,提高产品质量，,改善劳动条件，,节约能源，,3,开环控制系统与闭环控制系统,控制量,输入量,输出量,(a) 开环控制系统,控制量,输入量,输出量,(b) 闭环控制系统,4,开环控制系统,特点：,缺点：, 最简单的控制方式, 系统结构简单、维护容易、成本低、不存在稳定性问题, 信号传递没有形成闭合回路, 输出量不能对控制量产生 影响。, 控制精度不高, 系统抗干扰能力差, 对元器件的要求 比较高,5,闭环控制系统, 反馈控制系统,l反馈通路,负反馈与正反馈,控制系统一般采用负反馈,l信号传递形成一个闭合回路,输入量与反馈量之差称为偏差信号,6,自
2、动控制系统的基本结构：,设定值x,扰动 f,被控变量y,反馈量 z,自动控制系统的基本结构,偏差e,控制变量u,7,1、控制系统的一些常用术语,被控对象,控制变量,是指被控制的装置或者设备。,施加给被控对象的信号，使受控对象按照一定的规律运行，一般用符号u 表示。,被控变量,控制系统的输出，即被控的物理量，一般用符号y 表示。,8,偏差信号,扰动信号,系统的设定值与反馈信号之差称为偏差，用符号e 表示。,使对象输出偏离设定值的输入信号。一般用符号f 表示。,设定值（给定值）,希望系统输出达到的数值，一般用符号x 表示。,9,2、控制系统的组成,定值元件,控制器,执行元件,用来产生设定值或参考输
3、入。,或称调节器。通过一定的控制规律给出控制量，送到执行元件。,完成功率转换或信号转换，常称为执行机构或者执行器。,10,测量、变送元件,又称传感器，用于检测被控对象的输出量，并变换成标准信号送到控制器。,比较元件,用以产生偏差信号,2、控制系统的组成,11,3、 对自动控制系统的基本要求,稳定性、精确性和快速性,稳定性,控制系统设计的首要条件 系统自身的属性 有界输入，有界输出,12,精确性,反映系统的被控变量偏离设定值的程度。,快速性,控制系统受到外界的作用后，从一个平衡状态达到另一个平衡状态的时间 。,13,4、 自动控制系统的分类,1、开环控制系统与闭环控制系统,2、定值控制系统、随动
4、控制系统和程序控制,根据给定信号形式的不同分类。,定值控制系统：,系统的参考输入为恒定值或者波动范围很小，要求系统的输出量也保持恒定。,随动控制系统（伺服控制系统）：,参考输入值不断变化，变化规律未知。控制目的是使得系统的输出量能够准确地跟踪输入值的变化。,程序控制系统：,设定值变化，是时间的已知函数，即按照事先规定的时间程序或规律变化。,14,5、单输入单输出系统与多输入多输出系统,从输入与输出信号的数量分类。,单输入单输出系统（SISO）,多输入多输出系统（MIMO）,集中参数系统与分布参数系统,u,y,(a) SISO系统,(b) MIMO系统,确定性系统与随机控制系统等,15,究竟使用
5、哪种典型信号分析系统？,取决于系统在正常工作时最常见的输入信号形式,若输入是突然的脉动 脉冲信号 若输入是突变的跃变 阶跃信号 若输入随时间逐渐变化 斜坡信号 若输入是周期信号 正弦信号 ,16, 过渡过程的性能指标,直接评价控制系统的单位阶跃响应曲线,（a）随动系统,图3-2 单位阶跃响应曲线,（b）定值系统,17,以阶跃响应曲线形式表示的质量指标,(1) 峰值时间tp,阶跃响应曲线达到第一峰值所需要的时间。,tp,tp愈小，表明控制系统反应愈灵敏。,18,(2) 最大偏差A和超调量,最大偏差A: 被控输出第一个波的峰值与给定值的差，如图中的A。,超调量,y()为过渡过程的稳态值。,超调量（
6、百分数表示的最大偏差）：,注意最大偏差和超调量的不同。,19,(3) 衰减比n,在过渡过程曲线上，同方向上相邻两个波峰值之比。如图，n=A:A。,n愈大，过渡过程衰减的越快，反之，n愈小，过渡过程的衰减程度也愈小;,一般操作经验希望过程有两、三个周波结束，一 般常取n=4:110:1。,l当n1时，过渡过程则为等幅振荡；,20,(4) 调节时间ts,阶跃响应到达稳态的时间。,工程上常取在被控变量进入新稳态值的土5或土2的误差范围，并不再超出的时间。 ts 的大小一般与控制系统中的最大时间常数有关，ts越短，系统响应越快。,21,(5) 上升时间tr,仅适用随动系统。第一次达到系统新稳态值所需的
7、时间，定义为上升时间。,(6) 余差或稳态误差e(),过渡过程结束时稳态值与给定值之差，是表示控制系统精度的重要质量指标。,对于非振荡的过渡过程曲线：从稳态值的10上升到90所需的时间。,22,总结：,1、峰值时间tp和上升时间tr反映了系统 的初始快速性。,4、稳态误差反映了系统的调节精度。,3、最大偏差、超调量和衰减比反映了系 统的平稳性。,2、调节时间ts反映了系统的整体快速性。,23,1常规控制规律对系统控制质量的影响,调节器可以被用来改变闭环传递函数，以保证系统获得希望的动态特性和静态特性。,24,常规控制器的控制规律,调节器按不同控制规律产生使偏差减小的控制信号。,比例P、比例加积
8、分PI、比例加积分加微分PID等,25,1 比例控制规律P,控制器输出p(t)与偏差信号e(t)之间成比例关系。,p(t)=Kce(t),其传递函数:,Kc：控制器的比例增益或放大倍数。,e(t),p(t),26,比例作用的特点：,1. 比例控制是最基本的控制规律；2.不能消除静态误差（余差）；3.余差大小与Kc成反比。, 可调增益的放大器 输出与输入波形相同，放大Kc倍若广义对象为0型系统，则系统存在稳态误差。,总结：,27,2 比例加积分控制规律PI,控制器输出p(t)与偏差信号e(t)之间的关系为：,控制器的传递函数为：,Kc:比例增益,P+I,P,I,Ti: 积分时间,28,积分作用特
9、点：,l 偏差信号的积分（累加）,l只有偏差为零时，积分作用才停止。此时，控 制信号保持在前一刻数值。,l只要偏差存在，积分作用就一直进行，直到受 到实际装置的限幅（积分饱和）。,总结：,1.积分控制作用是可以消除余差的（主要目的）。2.积分作用与Ti成反比。Ti I 3.有可能影响系统的稳定性。,29,3 比例加积分加微分规律PID,控制作用的数学表达式是：,其传递函数：,Kc: 比例增益，Ti: 积分时间, Td: 微分时间。,单位斜波,P+I+D,P+D,d,P,e(t),D,30,微分作用的特点：,l微分作用和偏差变化的速率成正比，能提高控 制器反应的灵敏程度，使系统获得超前作用， 有助于增加系统的稳定性和控制品质。,l控制作用在输入信号变化的瞬间是有效的，不 能单独使用。,总结：,1. 微分作用具有超前调节的作用，有助于增加系统的稳定性和控制品质；2. 微分作用大小与Td成正比；3. 有可能放大噪声。,PID调节器是三种控制作用的组合，是比较完善的常规控制规律。,31,总结,比例作用是最基本的控制作用 Kc增加，振荡加剧 余差减小 微分作用可增加系统的稳定性 增加微分作用时，可适当增加Kc 不能消除余差 Td不可太大 积分作用可消除余差 影响系统的稳定性 增加积分作用时，要减少Kc,
