自动控制系统的基本认识.ppt

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1、自动控制原理,设和航空航天事业等领域中获得广泛应用。,比如：人造地球卫星的发射成功与安全返回。,导弹的准确击中目标，雷达系统的准确跟踪目标；,交通系统：,安全、快捷、舒适、准点,钢铁生产,制造系统：,数控机床,加工生产线,自动码垛机器人,自动包装机器人,家用电器：,电扇：控制转速,电冰箱、空调、电饭煲：控制温度,洗衣机：控制水位、强弱、时间等,智能建筑：,通信电梯供水通风空调安防抄表,工业机器人：,拉提琴,灵巧手,排 爆,步行,吹笛,足球比赛,其他机器人：,自动控制的应用领域,军事工业航空航天制造业机器人流程工业电子工业家用电器交通系统，楼宇系统，经济系统，社会系统,钢铁、石化、造纸、制药等,

2、控制无处不在！,控制的定义,控制的本意：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。自动控制：在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（控制装置或控制器），使机器、设备或生产过程（被控对象）的某个工作状态或参数（被控量）自动地按照预定的规律运行。,引 言,自动控制学科由自动控制技术和自动控制理论两部分组成。,近几十年来，自动控制技术正在迅猛的发展，并在工农业生产、交通运输、国防建,1.2.1 人工控制,控制系统可以由人工控制，也可以采用自动控制。,图11 水位人工控制原理图,如图11所示，水位保持系统。,1.2 人工控制和自动控制,第一章 自动控制概论,若要求在出水量随

3、意的条件下，保持水位高度不变：操作人员需先测实际水位，并在脑子中与要求的水位进行比较。若低于要求的水位，则需开大进水阀门。否则应关小进水阀门。若两者正好相等，则进水阀门不动。,人工控制,第一章 自动控制概论,根据系统原理图可画出其方框图如图12所示。,图12 水位人工控制系统方框图,人工控制,第一章 自动控制概论,2、自动控制：,该水池若改为由自动控制装置代替操作人员：由 浮子测出实际水位，与要求的水位比较。然后得出偏 差再由调节元件根据偏差的大小和正负产生控制信号。最后由执行元件根据信号产生控制作用。如图1-3所示。,图13 水位自动控制系统原理图,第一章 自动控制概论,在此：浮子测水位，由

4、连杆和电位器进行比较：浮子低则电位器上得到正电压，经放大后使电机向进水阀门开大的方向旋转；反之，当浮子高时，电位器上得到负电压，电机向阀门关小的方向旋转；若水位正好，则电位器上电压为零，电机不转，阀门不动。,图14水位自动控制系统方框图,自动控制,第一章 自动控制概论,由于存在输出量反馈，上述系统能在存在无法预计扰动的情况下，自动减少系统的输出量与参考输入量（或者任意变化的希望的状态）之间的偏差，故称之为反馈控制。显然：反馈控制建立在偏差基础上，其控制方式是“检测偏差再纠正偏差”。,在控制系统中，如果返回的信息的作用是抵消输入信息，称为负反馈，负反馈可以使系统趋于稳定；若其作用是增强输入信息，

5、则称为正反馈，正反馈可以使信号得到加强。,按其发展的不同阶段，可把自动控制理论分为经典控制理论和现代控制理论两大部分。经典控制理论也就是自动控制原理，是20世纪40年代到50年代形成的一门独立学科。,自动控制理论的发展概况,经典控制理论 以传递函数为基础研究单输入-单输出一类定常控制系统的分析与设计问题。这些理论由于其发展较早，现已臻成熟。,现代控制理论 以状态空间法为基础，研究多输入-多输出、时变、非线性一类控制系统的分析与设计问题。系统具有高精度和高效能的特点。,现代控制（1950-Now）,美国MIT 的Servomechanism Laboratory 研制出第一台数控机床(1952)

6、；,美国George Devol研制出第一台工业机器人样机(1954)，两年后，被称为机器人之父的Joseph Engelberger（约瑟夫恩格伯格）创立了第一家机器人公司：Unimation；,美国的M.E.Merchant 提出计算机集成制造的概念(1969)；,日本Fanuc 公司研制出由加工中心和工业机器人组成的柔性制造单元(1976)；,中国批准 863高技术计划，包括自动化领域的计算机集成制造系统和智能机器人两个主题(1986)。,日本安川公司娱乐机械狗(2001)；,日本SONY公司二足步行机械人SDR-4X(2002)；,1.3 自动控制的基本方式,一、开环控制系统：定义：开

7、环控制控制器与被控对象之间只 有顺向作用而没有反向联系的控制过程。特点：被控量对系统的控制作用不产生影响，需要控制的是c(t)，而测量的只是r(t).,第一章 自动控制概论,图17 开环直流调速系统,开环控制系统（续）,1.例如：直流电机开环调速系统如图17所示。,第一章 自动控制概论,给定电压放大后得到电枢电压ua，从而控制转速n。改变ugua改变n改变，ug与n一一对应。但是，当负载变化时（干扰量），会使n改变，即使ug不变，n 也改变。ua（ug）与n的关系不精确，抗扰动能力差，系统控制精度难以保证，应用少。,开环控制系统（续）,第一章 自动控制概论,水位高度控制系统原理图,水位高度控制

8、系统原理方框图,例:电子门铃的开环电子控制系统,用手按动按钮开关,输入一个触发信号 音乐集成电路经过触发后工作,产生一组载有”音乐”的电信号.扬声器将电信号转变为音乐声.输出的音乐声的变化对系统的控制状态并不产生影响,即不存在反馈.,输入:控制(处理):输出:特点:,二、闭环控制系统：,定义：闭环控制被控量与给定值比较后用其偏差对系统进行控制。亦称反馈控制。特点：不论什么原因使被控量偏离期望值而出现偏差时，必定会产生一个相应的控制作用去减小或消除这个偏差，使被控量与期望值趋于一致。需要控制的是c(t)、而测量的是c(t)对r(t)的偏差。只要c(t)出现偏差，系统就自行纠正。3.例如：直流电机

9、闭环调速系统如图18所示。,第一章 自动控制概论,图18 闭环直流调速系统,闭环控制系统（续）,第一章 自动控制概论,负载TL(TeTL)nunuu1ua n 或温度TRaEnunuu1ua n系统精度高、抗干扰能力强、应用广泛。,闭环控制系统（续）,第一章 自动控制概论,家用电冰箱的结构和制冷原理图,组成：压缩机、冷却器和散热器，它们之间用一根管道相连。管道里装有一种沸点很低的制冷剂。压缩机在管道的底部，它使制冷剂不断地在管道里循环。制冷剂流动到狭窄的毛细管时，受到强大压力，由气态变成液态，通过散热器对外放出热量。当制冷剂通过较粗的管道组成的冷却器时，由于压力突然降低，制冷剂由液态立即变为气

10、态，从而吸收电冰箱内的热量，使电冰箱内的温度降低，达到制冷的效果。,根据开环电子控制系统和闭环控制系统的区别进行分析、判断，在你认为正确的表格中打,飞机自动驾驶系统原理图,控制任务：系统在任何扰动作用下，保持飞机俯仰角不变。被控对象：飞机。被控量：飞机的俯仰角。,俯仰角控制系统原理方框图,把输出量直接或间接地反馈到系统的输入端，形成闭环，参与控制，这种系统叫闭环控制系统。,实际的闭环控制系统，都是以负反馈的形式出现,如下图所示系统,炉温控制系统：,自动控制的任务利用控制器操纵受控对象，使其被控量按技术要求变化。若r(t)给定量，c(t)被控量，则自控的任务之数学表达式为：使被控量满足c(t)r

11、(t)。自控系统的组成如1-6图所示。,1.4 自动控制系统的基本组成,第一章 自动控制概论,给定元件：其职能是给出与期望的被控量相对 应的系统输入量。一般为电位器。比较元件：其职能是把测量到的被控量实际值 与给定元件给出的输入量进行比较，求出他们 之间的偏差。常用的有差动放大器、机械差动 装置、电桥电路、计算机等。测量(反馈)元件：其职能是检测被控制量的物理量。如测速机、热电偶、自整角机、电位器、旋转 变压器、浮子等。,基本组成（续）,第一章 自动控制概论,放大元件：其职能是将比较元件给出的偏差 信号进行放大，用来推动执行元件去控制受 控对象。如：晶体管、集成电路、晶闸管等 组成的电压、功率

12、放大器。执行元件：其职能是直接推动受控对象，使 其被控量发生变化。如：阀门、电机、液压 马达等。,基本组成（续）,第一章 自动控制概论,自控系统的特点：从信号传送看：c(t)经测量后回到输入端，构成闭环，具有反馈形式，且为负反馈。从控制作用的产生看：由偏差产生的控制作用使系统沿减小或消除偏差的方向运动偏差控制。,校正元件：也叫补偿元件，它是结构或参数便于 调整的元件。用串联或并联（反馈）的方式连接 于系统中，以改善系统的性能。如：电阻、电容 组成的无源或有源网络，还有计算机。,基本组成（续）,第一章 自动控制概论,自动控制系统的常用术语,二、常用术语及符号 1）输入量（指令）v(t)来自反馈系

13、统之外的对系统所施加的控制作用。2）参考输入r(t)输入元件的输出，它是系统的实际输入量。,上一页 下一页,自动控制系统的组成及常用术语,3）输出量（被控制量）y(t)被控对象中要求按一定规律变化的物理量，它与输入量之间保持一定的函数关系。4）主反馈信号b(t)反馈元件的输出。5）偏差信号e1(t)比较元件的输出，它等于参考输入与主反馈信号之差。6）扰动n(t)不需要的而又影响系统输出的物理量。它可来自系统之外，也可来自系统内部。7）误差e(t)希望的或要求的输出量与实际的输出量之差。,上一页 返回,如水位自动控制系统：,图13 水位自动控制系统原理图,干扰信号,测量元件,输出量,受控对象,比

14、较元件,第一章 自动控制概论,第一章 自动控制概论,二、控制系统的传递方框图,在研究自动控制系统时，为便于分析和描述，将系统按基本组成部分分解，并用传递方块图来表示。上例中，将系统按基本组成部分分解：,水槽,注水阀,减速器,电动机,放大器,电位器,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,1.环节（方框）：是构成系统的基本组成部分。用一个方块表示。2.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。其中有向线段表示环节之间的信号传递关系；指向环节的作用线表示输入；背向环节的作用线表示输出；整个系统的输出为被控参数；整个系统的

15、输入为给定信号和扰动信号；,二、控制系统的传递方框图,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。,闭环控制系统结构图,二、控制系统的传递方框图,尽管实际控制系统元器件各不相同,但概括起来一般都应包括以下几个基本环节,该图经常作为描述分析系统的工具应重点掌握。,二、控制系统的传递方框图,1.给定环节 设定被控量的给定装置,其精度直接影响对控制量的控制精度.如电位器,自整角机等模拟信号,还有精度更高的数字给定装置。2.比较环节 将检测到的被控量与给定量比较得到偏差信号,该信号功率较小或物理性能比较时不同,不能直接作用执行机构,需要增加中间环节3、4。3.校正环节 是为改善系统动态品质或

16、稳态性能而加入的装置,他可以对偏差信号按照某种规律进行运算.比例、积分、微分等。,二、控制系统的传递方框图,4.放大环节 将偏差信号转换成适合于执行器工作的信号(功放,SCR)。注意:2、3、4合为一体控制器(装置)。5.执行机构 直接作用于控制对象（调节机构、传动装置、电机）6.控制对象 要控制的机器,设备,或生产过程(水槽控制量水位；炉体炉温；轧辊辊速压下量.)。7.检测装置 测量控制量并转换成与给定量同物理量信号，要求：精度高、反映灵敏、性能稳定的传感器(测速发电机、热电偶、自整角机)。,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

17、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。,二、控制系统的传递方框图,例 1 炉温控制系统,炉温控制系统方框图,炉温控制系统方框图,1.5 自动控制系统的分类,1.5.1 从信号传送的特点或系统结构特点分类 可以将控制系统分为开环控制系统、闭 环控制系统和复合控制系统三大类，前 已述及，故不赘述。,第一章 自动控制概论,可分为线性控制系统和非线性控制系统,线性系统的数学描述：线性函数，如线性微分方程、线性差分方程、线性代数方程。线性系统具有齐次性和叠加 性，其优点是数学处理简便，理论体系完整。非线性控制系统：用非线性方程描述的系统，不满足叠加原理。,1.5.3 按数学描述

18、分类,第一章 自动控制概论,1.5.4 按时间信号的性质分类,可分为连续控制系统和离散控制系统：连续控制系统：系统中各变量均对时间连续。离散控制系统：系统中一处或几处的变量为离 散信号，如计算机控制系统或采样控制系统。,第一章 自动控制概论,定常系统：系统的参数不随时间变化的系统。描述其 动态特性的微分方程或差分方程的系数为 常数。时变系统：系统的参数随时间而变化。描述其动态特性 的微分方程或差分方程的系数不为常数。,可分为定常系统与时变系统,1.5.5 按系统参数是否随时间变化分类,第一章 自动控制概论,1.6 应用举例,第一章 自动控制概论,1.6 应用举例,第一章 自动控制概论,例1-1

19、 烘烤炉温度控制系统,放大器,混合器,放大器,煤气,空气,电动机,热电偶,工件,ur,ua,u,uT,T,控制阀,受控对象？被控量？给定装置？干扰？测量元件？执行机构？,受控对象烘烤炉；被控量炉温；给定装置电位器；干扰加热工件、煤气压力波动、环境温度、电源电压等；测量元件热电偶；执行机构可逆电动机,静态u=0；动态u0。工件增多（负载增大）工件减少（负载减小）,系统的工作原理：,系统有各种各样，对每个系统也都有不同的特殊要求，但对于各类系统来说，在已知系统的结构和参数时，研究的和感兴趣的却是系统在某种典型输入信号下，其被控量变化的全过程。也就是说，研究的内容和方法都是相同或相似的，如：恒值系统

20、研究扰动作用引起被控量变化的全过程；随动系统研究被控量如何克服扰动影响并跟随给定量的变化过程。所以对于各种控制系统的要求可归纳为：系统的c(t)必须迅速、准确的按输入量的变化而变化，克服扰动影响。,1.7 自动控制系统的基本要求,第一章 自动控制概论,实际中，由于机械部分质量、惯量的存在以及电路中L.C的存在，输出不会是理想状态。要有一个过渡过程，最后趋于新的稳态值。因此，从稳、快、准三方面来评价系统的总体精度。,基本要求（续）,第一章 自动控制概论,稳定性,稳定性指动态过程的振荡倾向和系统重新恢复平衡状态的能力。稳定性是保证控制系统正常工作的先决条件，一个稳定的系统，其c(t)偏离期望值的初

21、始偏差应随t的延长逐渐减小或趋于零。(如曲线和)一个不稳定的系统，其c(t)偏离期望值的初始偏差将随着t的增长而发散。无法实现预定的任务。（如曲线）,第一章 自动控制概论,c(t),t,0,基本要求（续）,第一章 自动控制概论,快速性,快速性指动态过程进行的时间长短。T过长：系统长久出现大偏差，难以复现快速变化的指令信号。（例雷达、导弹等）若满足既稳又快，则系统的动态精度高。（如：飞机自动驾驶仪系统、当飞机受到阵风干扰偏离航线。若系统自动恢复原航线的速度过快，则乘客感到不适。函数记录仪还可能损坏记录笔。）,第一章 自动控制概论,准确性,准确性指系统过渡过程结束到新的平衡工作状态以后或系统受干扰

22、后重新恢复平衡，最终保持的精度。反映后期性能。,第一章 自动控制概论,说明,因受控对象的不同，各种系统对稳、准、快的要求有所侧重。如：恒值系统-对稳（平衡）要求严格。而对随动系统-快、准要求高。同一个系统稳、快、准是相互制约的，提高过渡过程的快速性，可能会引起振荡；改善了平稳性，过渡过程又很迟缓。本课程的主要内容就是如何分析和解决上述矛盾。,第一章 自动控制概论,1.7.2 典型输入信号,1阶跃函数（位置函数）：,当A=1时，称为单位阶跃函数，,记作,且,第一章 自动控制概论,当B=1时，称为单 位斜坡函数。,2斜坡函数（等速度函数）,斜坡函数的导数是阶跃函数。,记作：,第一章 自动控制概论,

23、3抛物线函数（等加速度函数）,称为单位抛物线函数，记作,且,抛物线函数的导数是斜坡函数。,第一章 自动控制概论,4脉冲函数：,第一章 自动控制概论,抛物线信号的导数是斜坡信号，斜坡信号的导数是阶跃信号，而阶跃信号的导数是脉冲信号。,4脉冲函数（续）,5正弦函数：,第一章 自动控制概论,选典型信号时应尽量接近实际工作情况，如输 入具有突变情况时选阶跃函数，输入随时间增 加而变化时选斜坡函数，周期性变化时选正弦 函数等。,典型输入信号（续）,第一章 自动控制概论,（1）自动控制是在没有人直接参与的情况下，利用控制装置使被控对象自动地按要求的运动规律变化。自动控制系统是由被控对象和控制器按一定方式联

24、接起来的、完成一定自动控制任务的有机整体。（2）自动控制系统可以是开环控制、闭环控制或复合控制。最基本的控制方式是闭环控制，亦称反馈控制。（3）自动控制系统的分类方法很多，其中最常见的是按给定信号的特点进行分类，可分为恒值系统、随动系统和程控系统。（4）在分析系统的工作原理时，应注意系统各组成部分具有的职能，并能用原理方框图进行分析。原理方框图是分析控制系统的基础。（5）对自动控制系统性能的基本要求可归结为稳、快、准三个字。,本章小结,第一章 自动控制概论,（6）常用的典型输入信号有阶跃函数、斜坡函数、抛物线 函数、脉冲函数和正弦函数。（7）自动控制理论是研究自动控制技术的基础理论，其研 究内容主要分为系统分析和系统设计两个方面。,本章小结（续）,第一章 自动控制概论,