自動控制系統(tǒng)與應(yīng)用第1章自動控制系統(tǒng)的一般概念ppt課件

《自動控制系統(tǒng)與應(yīng)用第1章自動控制系統(tǒng)的一般概念ppt課件》由會員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《自動控制系統(tǒng)與應(yīng)用第1章自動控制系統(tǒng)的一般概念ppt課件（34頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。

第1章 自動控制系統(tǒng)的一般概念,（時間：1次課，2學(xué)時）,1,第1章 自動控制系統(tǒng)的一般概念,隨著工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，自動控制技術(shù)越來越顯示出它的重要性，為人們所矚目。掌握有關(guān)自動控制的知識就顯得尤為重要。本章主要介紹自動控制的含義、基本工作原理、系統(tǒng)的組成以及對系統(tǒng)的基本要求。,2,第1章 自動控制系統(tǒng)的一般概念,1.1 自動控制的含義 1.2 自動控制系統(tǒng)的基本原理 1.3 自動控制系統(tǒng)的基本組成 1.4 自動控制系統(tǒng)的基本類型 1.5 對自動控制系統(tǒng)的基本要求,3,1.1 自動控制的含義,所謂自動控制，就是在沒有人直接參與的情況下，通過控制裝置(或稱控制器)使被控制對象或過程自動地按照預(yù)定的規(guī)律運行。 例如程序控制機(jī)床能夠按預(yù)先排定的工藝程序自動地進(jìn)刀切削，加工出預(yù)期幾何形狀的零件。焊接機(jī)器人能自動地跟蹤預(yù)期軌線移動，焊出高質(zhì)量的產(chǎn)品?；鹋诟鶕?jù)雷達(dá)指揮儀傳來的信息，能夠自動地改變方位角和俯仰角，隨時跟蹤目標(biāo)，瞄準(zhǔn)彈著點。又諸如對壓力、溫度、濕度、流量、轉(zhuǎn)速以及原料、燃料成分比例方面的控制等等。所有這些自動控制系統(tǒng)的例子，盡管它們的結(jié)構(gòu)和功能各不相同，但可以發(fā)現(xiàn)它們有共同的規(guī)律，即它們都是一個或一些被控制的物理量按照另一個物理量，即控制量的變化而變化，或保持恒值。一般地說，如何使被控制量按照給定的控制量的變化規(guī)律而變化，這就是一個控制系統(tǒng)所要解決的最基本的問題。 自動控制技術(shù)在各個領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用，不僅提高了勞動生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量，改善了勞動條件，而且在人類征服自然、探索新能源、發(fā)展空間技術(shù)和改善人民物質(zhì)生活等方面都起著越來越重要的作用?？梢哉f，自動控制已成為推動經(jīng)濟(jì)發(fā)展，促進(jìn)社會進(jìn)步所必不可少的一門技術(shù)。,4,1.2 自動控制系統(tǒng)的基本原理,1.2.1 自動控制系統(tǒng)的基本原理 1.2.2 開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng),,5,1.2 自動控制系統(tǒng)的基本原理,,6,1.2.1 自動控制系統(tǒng)的基本原理,首先我們定義，用以完成一定任務(wù)的一些部件(或稱元件)的組合為系統(tǒng)。系統(tǒng)是一個有機(jī)集合的整體，具有其目的性。不同的系統(tǒng)所要完成的任務(wù)也不同。有的要求某物理量(如溫度、壓力、轉(zhuǎn)速等)保持恒定；有的則要求按一定規(guī)律變化。我們將這些需要控制的物理量定義為系統(tǒng)的被控量或輸出量。用來使系統(tǒng)具有預(yù)期性能或預(yù)期輸出的激勵信號定義為系統(tǒng)的控制量或輸入量。而將使被控量偏離預(yù)期值的各種因素稱為擾動量。設(shè)法消除擾動因素影響從而保持被控制量按預(yù)期要求變化的過程稱為控制過程。 下面讓我們研究一下圖1.1所示電爐箱恒溫自動控制系統(tǒng)是如何實現(xiàn)恒溫控制的。,7,1.2.1 自動控制系統(tǒng)的基本原理,圖1.1 電爐箱恒溫自動控制系統(tǒng),8,1.2.1 自動控制系統(tǒng)的基本原理,9,1.2.1 自動控制系統(tǒng)的基本原理,現(xiàn)將圖1.1畫成圖1.2所示職能方塊圖形式。圖中方塊代表各個組成部分，代表比較元件，方塊兩邊直線及其標(biāo)注代表該組成部分在控制過程中相互作用的物理量，箭頭代表作用信號傳遞的方向。采用職能方塊圖可清晰地表明系統(tǒng)各組成部分及其相互作用的情況。還可知，被控制量(爐溫)就是系統(tǒng)的輸出量，給定電壓信號就是系統(tǒng)的輸入量。信號是沿著箭頭所指方向傳遞，從職能方塊圖中不難發(fā)現(xiàn)有兩條信號傳遞的路徑。一條是從輸入端向輸出端方向傳遞，這種傳遞稱為順饋；另一條是從輸出端向輸入端方向傳遞，稱為反饋。也就是說，反饋就是從系統(tǒng)輸出端取出信號，經(jīng)過某種裝置(通常稱為反饋環(huán)節(jié))變換后返回到輸入端，與輸入信號進(jìn)行比較。這種返回到輸入端的信號稱為反饋信號。輸入信號與反饋信號比較的結(jié)果則為偏差。 通過上面的分析可知，為了對爐溫進(jìn)行自動控制，控制系統(tǒng)必須具有以下兩項基本的職能，一是必須對被控制量進(jìn)行檢測并將它反饋到系統(tǒng)的輸入端與控制量相減(即負(fù)反饋)，得到偏差信號；二是必須對偏差信號進(jìn)行適當(dāng)?shù)淖儞Q和放大，從而產(chǎn)生對被控制量的再控制作用，這種再控制作用應(yīng)使偏差減小或消除，以使被控制量重新保持在預(yù)期 值上。 這種基于反饋基礎(chǔ)上的“檢測偏差用以糾正偏差”的控制原理稱為反饋控制原理。 我們還可舉出許多的例子。盡管不同的系統(tǒng)實現(xiàn)自動控制的裝置各不相同，但反饋控制的原理卻是相同的。反饋控制是實現(xiàn)自動控制的最基本的方法，并得到了廣泛應(yīng)用。它不僅可以實現(xiàn)對物理量的恒值控制，而且還可以實現(xiàn)被控制量復(fù)現(xiàn)控制量的變化規(guī)律的隨動控制。,10,1.2.1 自動控制系統(tǒng)的基本原理,圖1.2 電爐箱恒溫控制系統(tǒng)職能方塊圖,11,1.2.2 開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng),控制系統(tǒng)按照是否設(shè)有反饋環(huán)節(jié)，可以分為兩類：一類是開環(huán)控制系統(tǒng)，另一類是閉環(huán)控制系統(tǒng)。 1. 開環(huán)控制系統(tǒng) 如果系統(tǒng)的輸出端和輸入端之間不存在反饋回路，輸出量對系統(tǒng)的控制作用沒有影響時，這樣的系統(tǒng)稱為開環(huán)控制系統(tǒng)。圖1.3為一開環(huán)速度控制系統(tǒng)。它根據(jù)控制信號的大小和方向來控制負(fù)載轉(zhuǎn)速的大小和方向。原理很簡單，控制信號通過放大器放大，輸出一電流給伺服閥，伺服閥則供給一定流量的壓力油給液壓馬達(dá)，帶動負(fù)載以一定的轉(zhuǎn)速運動。這個系統(tǒng)對被控量(轉(zhuǎn)速)不進(jìn)行任何檢測，因為沒有反饋也就談不上跟控制量進(jìn)行比較，以產(chǎn)生偏差來對系統(tǒng)進(jìn)行再控制了。它僅是根據(jù)控制信號對轉(zhuǎn)速加以控制的。因此，開環(huán)控制系統(tǒng)的精度主要取決于系統(tǒng)的校正精度，取決于在工作過程中保持校正值以及組成系統(tǒng)的元件特性和參數(shù)值的穩(wěn)定程度。 一旦系統(tǒng)受到擾動作用，如圖1.3所示的系統(tǒng)當(dāng)負(fù)載力矩增加時，由于閥的流量隨負(fù)載壓力的增加而減小，以及液壓系統(tǒng)內(nèi)漏損增加等原因，就會造成液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速的降低。因為沒有反饋比較，系統(tǒng)不具備糾偏的能力，因此，使開環(huán)系統(tǒng)的精度降低。對擾動造成的誤差無法自動補(bǔ)償。但是開環(huán)系統(tǒng)一般結(jié)構(gòu)簡單，系統(tǒng)穩(wěn)定性好。一般說來，當(dāng)系統(tǒng)控制量的變化規(guī)律能預(yù)先確知，并且對系統(tǒng)中可能出現(xiàn)的擾動可以做到有效抑制時，采用開環(huán)控制系統(tǒng)有其優(yōu)越性。當(dāng)無法預(yù)計的擾動因素使被控制量產(chǎn)生的偏離超過允許限度時，開環(huán)控制系統(tǒng)便無法勝任了，這時就應(yīng)考慮采用閉環(huán)控制系統(tǒng)。,12,1.2.2 開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng),2．閉環(huán)控制系統(tǒng) 凡是系統(tǒng)的輸出端與輸入端之間存在反饋回路，即輸出量對控制作用能有影響的系統(tǒng)，叫做閉環(huán)控制系統(tǒng)。如果對圖1.3所示開環(huán)控制系統(tǒng)引入反饋回路，即用測速發(fā)電機(jī)檢測被控制量(轉(zhuǎn)速)，然后反饋到輸入端則構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)，如圖1.4所示。,13,1.2.2 開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng),(a) 系統(tǒng)原理圖,14,1.2.2 開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng),圖1.3 開環(huán)速度控制系統(tǒng),15,1.2.2 開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng),(a) 系統(tǒng)原理圖,16,1.2.2 開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng),(b)系統(tǒng)方塊圖,圖1.4 閉環(huán)速度控制系統(tǒng),17,1.3 自動控制系統(tǒng)的基本組成,為了組成一個自動控制系統(tǒng)，必須包含以下各類基本元件。 (1) 任何控制系統(tǒng)必定有其控制對象，即系統(tǒng)所要操縱的對象?？刂茖ο蟮妮敵鼍褪窍到y(tǒng)的被控量。 (2) 系統(tǒng)工作時都要加上一定的激勵信號，用來產(chǎn)生并可調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制量的元件為給定元件。 (3) 為了檢測被控制量，系統(tǒng)需要有檢測元件。由于檢測元件的精度直接影響控制系統(tǒng)的精度，所以應(yīng)盡可能采用精度高的檢測元件和合理的檢測線路。有的系統(tǒng)檢測元件的輸出就是反饋信號，而有的系統(tǒng)將檢測元件的輸出再經(jīng)分壓和濾波等才形成反饋信號，此時將檢測、分壓和濾波等合并稱為反饋環(huán)節(jié)。 (4) 為了對反饋信號和控制量進(jìn)行比較，以便產(chǎn)生偏差信號，因此系統(tǒng)必須有比較元件。比較元件在多數(shù)控制系統(tǒng)中常常是和檢測元件(或反饋環(huán)節(jié))或線路結(jié)合在一起的。在比較元件處，控制量和反饋信號進(jìn)行疊加或者說求和運算，一定要注意兩者的極性關(guān)系。 (5) 由于偏差信號一般都比較微弱，需要進(jìn)行變換放大，使它具有足夠的幅值和功率，因此系統(tǒng)還必須具有放大元件。 (6) 系統(tǒng)需要根據(jù)偏差信號產(chǎn)生的再控制作用，去驅(qū)動控制對象使被控量按控制要求的變化規(guī)律動作，這就要求系統(tǒng)還應(yīng)具有執(zhí)行元件。 (7) 實踐證明，按反饋原理由上述基本元件簡單組合起來的控制系統(tǒng)往往是不能完成任務(wù)的。為了改善系統(tǒng)的控制性能還需要在系統(tǒng)中加進(jìn)校正元件。校正元件可以加在偏差信號至被控信號間的前向通道中；也可以加在反饋通道中。前者稱為串聯(lián)校正，后者稱為反饋校正。 由上述各基本元件組成的自動控制系統(tǒng)的職能方塊圖如圖1.5所示。 一般說來，盡管自動控制系統(tǒng)的控制任務(wù)各不相同，以及所使用元件結(jié)構(gòu)和能源形式均有所不同，但就其信號的傳遞、變換的職能來說，都可抽象成圖1.5所示的職能方 塊圖。,18,1.3 自動控制系統(tǒng)的基本組成,圖1.5 自動控制系統(tǒng)的職能方塊圖,19,1.4 自動控制系統(tǒng)的基本類型,1.4.1 按照輸入量的變化規(guī)律來分 1.4.2 按照系統(tǒng)傳遞信號對時間的關(guān)系來分 1.4.3 按照系統(tǒng)輸出量和輸入量的關(guān)系來分,,20,1.4 自動控制系統(tǒng)的基本類型,自動控制系統(tǒng)的種類很多，應(yīng)用的范圍也很廣，它們的結(jié)構(gòu)和完成的任務(wù)也各不一樣。因此，控制系統(tǒng)的分類方法也很多，其中有以下幾種主要分類法。,21,1.4.1 按照輸入量的變化規(guī)律來分,1．恒值控制系統(tǒng) 恒值控制系統(tǒng)的特點是：系統(tǒng)的控制量為恒定的常量，而要求系統(tǒng)的被控制量也保持在相對應(yīng)的常量上。確切地說，控制量可根據(jù)要求預(yù)選某常量。 恒值控制系統(tǒng)是最常見的一類自動控制系統(tǒng)，如自動調(diào)速系統(tǒng)、恒溫控制系統(tǒng)、恒張力控制系統(tǒng)、恒壓力控制系統(tǒng)等。 對恒值控制系統(tǒng)，著重研究各種擾動對被控制量的影響，以及如何克服擾動影響將實際輸出量保持在預(yù)期值上。 2．隨動系統(tǒng) 隨動系統(tǒng)的特點是：系統(tǒng)的控制量是變化著的(常常還是隨機(jī)的)，要求被控量能夠準(zhǔn)確、迅速復(fù)現(xiàn)控制量的變化。 隨動系統(tǒng)在工業(yè)和國防上有著極為廣泛的應(yīng)用。如火炮控制系統(tǒng)、雷達(dá)自動跟蹤系統(tǒng)、刀架跟蹤系統(tǒng)、各種電信號筆記錄儀等。 對隨動系統(tǒng)，常常著重于跟隨的準(zhǔn)確性和跟隨的快速性。 3．程序控制系統(tǒng) 輸入量按預(yù)定程序變化的系統(tǒng)。例如，數(shù)控機(jī)床工作臺移動系統(tǒng)就是程序控制系統(tǒng)。程序控制系統(tǒng)可以是開環(huán)的，也可以是閑環(huán)的。,22,1.4.2 按照系統(tǒng)傳遞信號對時間的關(guān)系來分,1．連續(xù)控制系統(tǒng) 當(dāng)系統(tǒng)各元件的輸入信號是時間的連續(xù)函數(shù)，各元件相應(yīng)的輸出信號也是時間的連續(xù)函數(shù)時，這種系統(tǒng)稱為連續(xù)控制系統(tǒng)。連續(xù)系統(tǒng)的性能一般是用微分方程來描述的。信號的時間函數(shù)允許有間斷點，或者在某一時間范圍內(nèi)為連續(xù)函數(shù)。 2．離散控制系統(tǒng) 離散控制系統(tǒng)又稱采樣數(shù)據(jù)系統(tǒng)。它的特點是系統(tǒng)中有的信號是斷續(xù)量，即信號在特定的采樣時刻才取值，而在相鄰采樣時刻的間隔中信號是不確定的。通常，采用數(shù)字計算機(jī)控制的系統(tǒng)都是離散控制系統(tǒng)。,23,1.4.3 按照系統(tǒng)輸出量和輸入量的關(guān)系來分,1．線性控制系統(tǒng) 線性控制系統(tǒng)是由線性元件(即元件的靜特性呈線性關(guān)系)構(gòu)成的系統(tǒng)。系統(tǒng)的性能可以用線性微分方程來描述。線性系統(tǒng)的一個重要性質(zhì)就是可以應(yīng)用疊加原理，即幾個擾動或控制量同時作用于系統(tǒng)時，其總的輸出等于每個單獨作用時的輸出之和。 2．非線性控制系統(tǒng) 非線性控制系統(tǒng)就是由具有非線性性質(zhì)(例如飽和、死區(qū)、摩擦、間隙等)元件所構(gòu)成的系統(tǒng)。事實上，只要系統(tǒng)中有一個非線性性質(zhì)的元件，系統(tǒng)就是非線性系統(tǒng)。系統(tǒng)的性能往往要采用非線性方程來描述。疊加原理對非線性系統(tǒng)無效。 當(dāng)然，除了以上的分類方法外，還有其他一些方法，例如按系統(tǒng)主要組成元件的物理性質(zhì)來分，又可分為電氣控制系統(tǒng)、機(jī)械控制系統(tǒng)、液壓控制系統(tǒng)、電氣—液壓控制系統(tǒng)等。又如按輸入、輸出信號的數(shù)量來分，又可分為單輸入—單輸出系統(tǒng)、多輸入—多輸出系統(tǒng)。本書只討論連續(xù)控制的線性系統(tǒng)。,24,1.5 對自動控制系統(tǒng)的基本要求,任何一個自動控制系統(tǒng)的工作必須是穩(wěn)定的，這是對自動控制系統(tǒng)提出的最基本的要求。除此之外，它還需要在阻尼程度、響應(yīng)輸入信號的速度及控制精度等方面滿足一定的要求。 對自動控制系統(tǒng)的基本要求，通常是通過系統(tǒng)響應(yīng)特定輸入信號(或稱試驗信號)的過渡過程及穩(wěn)態(tài)的一些特征值來表征。 在本書中，控制量用來表示；被控制量用來表示；偏差量用來表示；擾動量用來表示。 過渡過程是指系統(tǒng)的被控制量，在受到控制量或擾動量作用下，由原來的平衡狀態(tài)(或稱穩(wěn)態(tài))變化到新的平衡狀態(tài)的過程。 自動控制系統(tǒng)響應(yīng)單位階躍輸入信號(見圖1.6)時的過渡過程的一般形式示于圖1.7。,25,1.5 對自動控制系統(tǒng)的基本要求,圖1.6 單位階躍信號,26,1.5 對自動控制系統(tǒng)的基本要求,圖1.7 單位階躍信號作用下系統(tǒng)的過渡過程,27,1.5 對自動控制系統(tǒng)的基本要求,28,1.5 對自動控制系統(tǒng)的基本要求,29,1.5 對自動控制系統(tǒng)的基本要求,圖1.8 控制系統(tǒng)的過渡過程曲線,30,1.5 對自動控制系統(tǒng)的基本要求,如果系統(tǒng)的過渡過程隨時間的推移而發(fā)散，如圖1.8中的曲線②或曲線④，此時系統(tǒng)便不可能達(dá)到平衡狀態(tài)，我們把這類系統(tǒng)稱為不穩(wěn)定系統(tǒng)。顯然不穩(wěn)定的系統(tǒng)在實際中是不能應(yīng)用的，因為它不滿足對控制系統(tǒng)提出的最基本的要求。 如將圖1.7所示的多數(shù)系統(tǒng)通常具有的過渡過程曲線一并繪制在圖1.8中，如圖中曲線③所示。,31,1.6 習(xí) 題,1 試比較開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)的優(yōu)缺點。 2 日常生活中有許多閉環(huán)和開環(huán)控制系統(tǒng)。試舉幾個具體例子，并說明它們的工作原理。 3 組成自動控制系統(tǒng)的主要元件有哪些？它們各起什么作用？ 4 恒值控制系統(tǒng)和隨動系統(tǒng)各自的主要特點是什么？ 5 圖(題1.9)為倉庫大門自動控制系統(tǒng)。試說明自動控制大門開啟和關(guān)閉的工作原理。如果大門不能全開或全關(guān)，則怎樣進(jìn)行調(diào)整？畫出系統(tǒng)的職能方塊圖。,32,1.6 習(xí) 題,圖1.9 題5圖,33,Q & A? Thanks!,,34,