自动控制原理第一章(胡寿松).ppt

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1、自动控制原理,2,自动控制原理,授课老师：瞿福存,联系方式：Email：qufc课件密码：student,课程基本情况：见自动控制原理A课程教学大纲。,3,自动控制原理,课程的主要内容及学时分配,第一章 控制系统导论 6第二章 控制系统的数学模型 8第三章 线性系统的时域分析法 10第四章 线性系统的根轨迹分析法 6第五章 线性系统的频域分析法 10第六章 反馈控制系统的设计 8第七章 数字控制系统的分析与设计 8,4,第一节自动控制系统举例,例1.1.以机器人为单元的无人化工厂,第一章 控制系统导论,5,例1.2.墙面清洗机器人,第一章 控制系统导论,6,例1.3.机械手,第一章 控制系统导

2、论,7,例1.4.导弹:自动飞行到预定目标,第一章 控制系统导论,8,例1.5.无人驾驶飞机:按照预定航线飞行,第一章 控制系统导论,9,例1.6.人造卫星:在预定轨道飞行,第一章 控制系统导论,10,例1.7.电热水器:将水加热到设定温度,第一章 控制系统导论,11,例1.8.全自动洗衣机:按设定程序洗衣服,第一章 控制系统导论,12,第二节 自动控制的一般概念,控制：使被控对象按照控制者的意愿运动。,系统：是由一些相互联系、相互制约的若干组成部分结合而成的、具有特定功能的一个有机整体。,从三个方面理解系统的概念：（1）系统是由若干要素（部分）组成的。（2）系统有一定的结构。（3）系统有一定

3、的功能，或者说系统要有一定的目的性。,第一章 控制系统导论,13,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,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。,自动控制系统:为了实现自动控制任务，将被控对象和控制装置按照一定的方式连接起来组成的一个有机整体。,自动控制理论:是研究自动控制共同规律的一门技术科学。,第一章 控制系统导论,14,第三节 控制系统基本结构,第一章 控制系统导论,例1.9：调节容器液面位置的人工闭环控制系统,15,第一章 控制系统导论,16,方块图（方框图）：由方块、信号线、比较点和引出点组成。,信号线：表示信号的流向，用带箭头的线表示

4、,方块：表示控制装置和被控对象，表示对信号的变换。,第一章 控制系统导论,17,比较点：表示对两个以上信号进行加减运算。,引出点：表示信号引出或测量的位置。,绘制方框图时，首先画出系统各元部件的方块，然后根据各元部件的信号流向，用信号线将各方块连接起来。,第一章 控制系统导论,18,第一章 控制系统导论,例1.10：汽车方向控制系统,19,第一章 控制系统导论,20,例1.11.人工控制恒温箱,控制过程1 观测恒温箱内的温度（被控制量）2 与要求的温度（给定值）进行比较得到温度偏差的大小和方向3 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回复到要求值,第一章 控制系统导论,2

5、1,例1.11.人工控制恒温箱（续）,人工控制恒温箱方块图,第一章 控制系统导论,22,例1.12恒温箱自动控制系统,控制过程1 恒温箱实际温度由热电偶转换为对应的电压u22 恒温箱期望温度由电压u1给定，并与实际温度u2比较得到温度偏差信号u=u1-u23 温度偏差信号经放大后，驱动执行电动机调节电流，直到温度达到给定值为止，此时，偏差u=0,电机停止转动。,第一章 控制系统导论,23,例1.12.恒温箱自动控制系统（续）,第一章 控制系统导论,24,用偏差值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。,控制系统的工作过程：,检测输出量（被控制量）的实际值；,将输出量的实际值与给定

6、值（输入量）进行比较得出偏差；,第一章 控制系统导论,25,反馈控制原理：,为了实现被控对象的状态或参数按预定规律运行，需要获取被控对象的反馈信息，控制装置根据反馈信息对被控对象施加控制作用，用来不断修正输出量与预定规律的偏差。,将系统的输出量反送到输入端，与输入量相比较产生偏差；根据偏差确定控制信号；驱动执行器操作以减小或消除偏差，实现控制目标。,第一章 控制系统导论,26,控制系统的基本组成,第一章 控制系统导论,27,被控对象：要求实现自动控制的设备或过程,被控量（输出量）：指被控对象的输出,控制量：控制器施加给被控对象的控制信号,输入量（参考输入）：作用于控制系统输入端，并可实现使系统

7、具有预定性能或预定输出的物理量,第一章 控制系统导论,28,偏差：参考输入与反馈信号之间的差值,误差：期望输出与实际输出之间的偏差,扰动：指外界或系统内部影响系统输出的干扰信号,反馈：指取出输出量送回到输入端并与输入信号相比较产生偏差的过程,第一章 控制系统导论,29,前向通道：从输入端沿箭头方向到输出端的传输通道,反馈通道：从输出端到输入端的反方向通道,控制系统的基本控制方式,反馈控制方式（闭环控制）开环控制方式复合控制方式,第一章 控制系统导论,30,反馈控制方式,反馈控制是按偏差进行控制的，其特点是输出端和输入端之间存在反馈回路。是自动控制理论主要的研究对象。,第一章 控制系统导论,31

8、,开环控制方式,开环控制是指控制器与被控对象间只有顺向作用而无反向联系的控制过程。其特点是系统的输出量不会对系统的控制作用发生影响。,第一章 控制系统导论,32,开环控制的两种控制方式,按给定量控制：控制作用直接由系统的输入量产生，给定一个输入量，就有一个输出量与之对应，控制精度完全取决于所用的元件及校准的精度。,第一章 控制系统导论,33,按扰动控制：通过对扰动信号的测量产生控制作用，以补偿扰动对输出量的影响。,第一章 控制系统导论,34,复合控制方式,复合控制方式是指按偏差控制和按扰动控制相结合的控制方式。是反馈控制和开环控制的有机结合。,第一章 控制系统导论,35,开环控制和闭环控制的比

9、较,开环控制1）输出不影响输入，对输出不需要测量，通常容易实现；2）组成系统的元部件精度高，系统的精度才能高；3）系统的稳定性不是主要问题。,闭环控制1）输出影响输入，所以能削弱或抑制干扰；2）低精度元件可组成高精度系统；3）因为可能发生超调，振荡，所以稳定性很重要。,第一章 控制系统导论,36,第一章 控制系统导论,37,例题 家用电冰箱温控系统,试写出系统的被控对象、被控量、输入量和扰动量，工作原理，画出系统方框图。,第一章 控制系统导论,38,被控对象：,冰箱,被控量：,输入量：,控制器设定值（代表温度的期望值）,扰动量：,开门时的外界温度,解：,冰箱内温度,工作原理:控制器设定温度与冰

10、箱内温度比较，如果设定温度高于冰箱内温度，则继电器接通，压缩机工作，使冰箱温度下降，直到冰箱内温度达到希望温度，此时继电器断开，压缩机停止工作。,第一章 控制系统导论,39,家用电冰箱温控系统方框图如下：,第一章 控制系统导论,40,作业1,第一章 控制系统导论,E1.1,P1.1（只写题号，可以不抄题）,41,第四节 自动控制简史,1769 年瓦特发明的蒸汽机离心调速器,第一章 控制系统导论,42,第一章 控制系统导论,43,第一章 控制系统导论,V1V2进汽量,实际转速,比较器,转速测量,蒸汽机,+,-,设定转速Vd,44,第一章 控制系统导论,飞球调速器是第一个自动反馈控制器。它利用纯机

11、械装置来测量输出传动轴的速度并利用飞球的运动控制阀门的开度，进而控制进入蒸汽机的蒸汽量。当速度增加时，飞球的中心上移，并离开转动轴，于是减小了阀门的开度。,1868：Maxwell，建立蒸汽机调速器的数学模型，用微分方程来研究系统稳定与否。,1868年之前，自动控制系统发展的特征是凭直觉发明的时期,45,第一章 控制系统导论,1877年，麦克斯维尔的学生劳斯提出了劳斯代数稳定性判据，并获得了亚当奖。,有了理论的指导，才能更好地实践。,1895年，胡尔维茨也提出了本质上与劳斯判据一致的代数稳定性判据，并在稳定性理论的指导下，为瑞士达沃斯电厂的一个蒸汽机设计了一个调速系统。胡尔维茨被认为是真正运用

12、控制理论，来指导设计控制系统的第一人。,46,第一章 控制系统导论,到了二十世纪40年代，尼可尔斯深入研究了PID（Proportion,Integral,Differential）调节问题。,他在MIT仅有的一台模拟机（又叫微分分析仪）上做了大量的仿真实验，最后列出来了PID的整定表。控制工程中，有一项工作历经60多年，至今还在使用的，这就是尼可尔斯编排的这个PID整定表。,1950年以前，称为经典控制理论时期；1950年以后，称为现代控制理论时期。,47,第一章 控制系统导论,经典控制理论时期的主要代表人物还有：,伯德（）：1945年提出了简便而实用的伯德图法。,伊文思（）：1948年提出

13、了直观而又形象的根轨迹法。,维纳：1948 年发表了著名的控制论关于在动物和机器中控制和通讯的科学，标志着自动控制理论的诞生。,48,第一章 控制系统导论,经典控制理论与现代控制理论比较,49,第五节 控制系统设计概述,明确用户要求论证设计要求开发多种解决方案选定解决方案并加以详细技术设计和技术实现,工程是人们了解自然，利用自然和改造自然，以便造福人类的过程。,工程设计是为了达到特定的目的，构思或创造系统的结构、组成和技术细节的过程。,设计的主要步骤是：,第一章 控制系统导论,50,工程设计的限制条件：成本、时间和效率。,工程设计是一个重复的、非线性的、创造性的过程。,控制系统设计是工程设计的

14、特例，也是逐步确定系统控制变量、设计指标、结构配置、选择关键参数，以满足实际需求的过程。,控制系统设计的主要步骤是：,第一章 控制系统导论,51,第一章 控制系统导论,52,第六节 设计实例,转台速度控制系统概要设计,第一章 控制系统导论,在设计例题中，将按照控制系统设计步骤给出的工作流程进行。,应用领域：高保真音响、影碟机、硬盘、软盘,53,目标：设计一个使盘片保持恒定旋转速度的转台,被控变量：转台旋转速度,第一章 控制系统导论,系统结构组成：转台（被控对象）、DC电动机（执行机构）、放大器（控制装置）、转速计（测量装置）、电池（电源）。,设计指标：实际转台旋转速度与给定转台旋转速度误差小。

15、,54,第一章 控制系统导论,1）转盘速度的开环控制,转台,直流放大器,直流电机,转速,55,第一章 控制系统导论,2）转盘速度的闭环控制,转台,直流放大器,直流电机,转速,转速计,+,-,56,第一章 控制系统导论,第七节 循序渐进设计示例,磁盘驱动器读取系统,57,第一章 控制系统导论,控制目标：定位磁头，以便读取存储在磁盘某一磁道上的数据。,循序渐进设计示例将针对同一个题目在各章中持续讨论，各章将讨论该章所能完成的任务。,被控变量：磁头的位置,设计要求：定位精度为1微米，磁头移动时间为50毫秒。,58,第一章 控制系统导论,系统结构：电机、转臂、转盘、磁头位置传感器，控制器,59,第一章 控制系统导论,作业2,DP1.2,60,本章结束，谢谢！,第一章 控制系统导论,