第一章自动控制概论

华北科技学院电子信息工程学院自动化教研室自动控制原理高等数学积分变换自动控制理论现代控制理论其它专业课程1、是一门专业基础课2、理论实践相结合理论性非常强,但又和实际应用紧密结合3、内容广泛自动控制理论课程特点学习自动控制理论的重要性3、本课程能为解决实际控制问题提供理论和方法1、本课程是自动化专业承上启下的课程2、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、机械、冶金、石油、化工、电力电子、航空、航海、航天、核反应堆等。4、学分较多本课程学习方法1、打好基础高等数学（微积分）、积分变换（拉氏变换）2、做好预习3、听好课讲课的速度较快、了解课程内容掌握基本理论和基本方法4、做好习题应用学到的基本理论和基本方法解决实际问题第一章自动控制概论1.1引言1.2自动控制系统的分类1.3对控制系统的基本要求自动控制：1.1.1自动控制理论及应用在无人直接参与的情况下，利用控制装置，使工作机械、或生产过程（被控对象）的某一个物理量（被控量）按预定的规律（给定量）运行。自动控制系统：指能够对被控对象的工作状态自动控制的系统,它由被控对象和控制装置组成1.1引言动画1动画21.1.2自动控制理论发展简史经典控制理论(19世纪初)时域法复域法(根轨迹法)频域法现代控制理论(20世纪60年代)线性系统自适应控制最优控制鲁棒控制最佳估计容错控制系统辨识集散控制大系统复杂系统智能控制理论(20世纪70年代)专家系统模糊控制神经网络遗传算法房间交换设备压缩机控制板传感器控制对象执行机构测量元件控制单元一、举例：家用空调控制器控制系统功能：房间温度控制在人体比较舒适的范围（对象、物理量、控制设备）系统组成：温度设定比较单元控制单元执行机构控制对象测量元件控制器控制对象反馈比较控制指令家用空调系统框图的简化控制系统的组成被控对象控制系统测量元件比较元件控制装置放大元件执行机构校正装置给定元件分类运动控制系统过程控制系统线性/非线性系统连续/离散性系统定常/时变性系统单输入单输出/多输入多输出系统集中参数/分布参数系统按被控对象分按使用的数学方法分按输入信号特征分按系统功用分恒值系统随动系统程序控制系统按控制方式分按给定值操纵的开环控制按干扰补偿的开环控制按偏差调节的闭环控制复合控制：闭环反馈为主，开环补偿为辅温度控制系统压力控制系统位置控制系统1.2自动控制系统的分类基本控制方式1.开环控制2.闭环控制3.复合控制1.2.1按控制方式分类温度计加热电阻丝调压器u(a)原理图~220V输出量(手柄位置)输入量调压器加热电阻丝电炉恒温箱受控对象(温度)扰动量(b)方块图控制装置扰动输出量输入量控制装置受控对象•开环控制系统的方框图1.开环控制系统动画MugudoVGT+-(a)原理图给定信号(电压)触发器电动机受控对象输出量(转速)扰动量(b)方块图控制装置晶闸管可控整流器o按给定开环控制+-+ugudoMiuin(a)原理图R放大器负载给定信号ug被控量扰动inui(b)方块图电压放大电阻R触发器晶阐管可控整流器电动机o按干扰补偿开环控制方框图中各符号的意义元部件方框（块）图信号（物理量）及传递方向中的符号比较点引出点表示负反馈开环控制系统的特点控制装置与受控对象之间只有正向作用，没有反向联系；控制精度取决于元器件的精度和系统调整精度；没有抑制内、外干扰的能力；系统结构简单、成本低。2.闭环控制系统负反馈原理__将系统的输出信号引回输入端，与输入信号比较，利用所得的偏差信号进行控制，达到减小偏差、消除偏差的目的。____构成闭环控制系统的核心闭环(反馈)控制系统的特点：(1)系统内部存在反馈，信号流动构成闭回路(2)偏差起调节作用例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(-)utug扰动给定装置放大器电动机转速反馈装置触发器晶阐管可控整流器控制装置受控对象n(b)方框图ueudoRP1ugR0R0R1-utRP2-+-++TGMudouc(a)原理图+电动机转速闭环控制系统例函数记录仪函数记录仪方框图动画闭控制系统的特点既有正向作用，又有反馈作用控制精度与元件精度、控制方法、调整精度有关，控制精度较高；有抑制干扰的能力；结构复杂，成本相对较高。复合控制系统对系统提出较高要求时使用开环控制和闭环控制的组合有两种形式(1)按输入作用补偿(2)按扰动作用补偿udoMRiugutTG(a)原理图负载放大器放大器+n扰动(ML)uiugut(-)(b)方块图扰动检测装置晶阐管可控整流器转速反馈装置电动机放大器放大器触发器电动机转速复合控制系统•按干扰作用补偿按偏差作用补偿热处理炉温度控制系统ugTiΔu(-)ufQTo给定装置放大器电动机、传动装置和阀门热处理炉放大器热电偶(b)方框图(a)原理图MΔuufug给定电位计+-电动机煤气空气阀门热处理炉工件热电偶放大器混合器放大器uaQTo复合控制系统典型方框图控制装置被控对象测量装置补偿装置(-)输入信号输出信号扰动(b)按扰动作用补偿被控量输入信号(-)补偿装置控制装置受控对象(a)按输入作用补偿控制系统的组成1.2.2按输入信号特征分类1、恒值控制系统特征：输入信号为常数典型系统：液位、温度、压力、流量控制2、随动控制系统特征：输入信号未知的随时间变化任意函数典型系统：鱼雷飞行、炮瞄雷达、火炮自动瞄准、导弹制导。3、程序控制系统特征：输入信号为预知的随时间变化函数典型系统：热处理炉控制系统、程序控制机床、灌装生产线、自动生产流水线。1.2.3按使用的数学方法分类连续系统/离散系统连续系统系统传递的信号为时间的连续函数，用微分方程描述。离散系统信号传递中至少有一处信号是脉冲序列或数字编码。用差分方程描述。线性系统/非线性系统线性系统用线性微分方程或差分方程描述，满足叠加原理。叠加原理包括叠加性和齐次性。非线性系统用非线性微分方程或差分方程描述。特点是，方程中含有变量及其导数的高次幂或乘积项，不满足叠加原理。（第七章介绍）0212yyyy02yyy定常系统/时变系统定常系统：描述系统的数学方程中的系数为常数；定常系统结构和参数不随时间变化。时变系统:描述系统的数学方程中的系数随时间变化。单输入单输出系统输入输出信号变量仅有一个。多输入多输出系统输入输出信号变量多于一个。集中参数/和分布参数集中参数系统能用常微分方程描述的系统。分布参数系统至少有一个环节需要用偏微分方程描述的系统。单输入单输出/多输入多输出系统1.3对自动控制系统的基本要求1.稳：（基本要求）要求系统稳定2.准：（稳态要求）系统响应达到稳态时，输出跟踪精度要高3.快：（动态要求）系统阶跃响应的过渡过程要平稳，快速稳定性：系统受到干扰后偏离原来的工作状态，扰动消失后，能自动回到原工作状态，这样的系统是稳定的。反之，当干扰消除后，系统的输出趋于无穷或进入振荡状态，则称系统是不稳定的。稳定性是保证系统能正常工作的前提。动态性能指系统过渡过程的快速性和振荡性。由于控制系统的惯性，系统的输出跟随输入的变化总有一定的延迟。这个时间越短，快速性越好。有些系统的阻尼比较小，所以系统从一个稳态进入另一个稳态时，要经过若干次衰减振荡，而且在振荡过程中会出现超调现象。一般控制系统对超调量是有限制的。稳态性能稳态性指系统的控制精度。系统由一个稳态过渡到另一个稳态时，希望系统的输出尽可能地接近给定值。但由于干扰或输入信号的不同，有些系统就会产生误差。系统的稳态性能用稳整误差来恒量。自动控制原理研究的内容1.自动控制的一般概念基本控制方式控制系统的基本组成控制系统的分类对控制系统的要求课程研究的内容2.要求掌握的知识点负反馈控制系统的特点及原理由系统工作原理图绘制方框图课程小结本次课程作业（1）1—1，2，3，4，7自动控制原理