自动控制原理课件第一章 胡寿松

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1.1.3 反馈控制原理 自动控制系统: 为实现各种控制任务, 自动控制系统: 为实现各种控制任务,将被控对象和控制装置按 照一定的方式连接起来的一个有机总体. 照一定的方式连接起来的一个有机总体. 反馈控制: 反馈控制: 在自动控制系统中将被控量以负反馈的形式与输入量 进行比较,并利用偏差来不断消除偏差的控制过程. 进行比较,并利用偏差来不断消除偏差的控制过程. 人本身就是一个具有高度复杂控制能力的反馈控制系统
+
电动机
RW
-
Up
>
K2 SD
i
M
fz
Ua D 减速器 CF n
K1
调速系统（ 调速系统（闭环）
∆U
UCF Ur
E
Ur ＋ UCF －
∆U
＞ K1
USD
SD
Up CF
＞ K2
Ua
D
n
调速系统（ 图1-6 调速系统（闭环）及其职能方块图
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闭环系统的特点： 闭环系统的特点： 利用偏差消除偏差； ① 利用偏差消除偏差； 能抑制内部或外部扰动对系统的影响， ② 能抑制内部或外部扰动对系统的影响，可用低成本元件构 成高精度系统； 成高精度系统； 稳定性是个重要问题。 ③ 稳定性是个重要问题。 注意： 注意： 在实际系统中，一个元件常兼有两种或两种以上的职能； ① 在实际系统中，一个元件常兼有两种或两种以上的职能； 上述元件不一定都是电气元件，有时可以是机械、气动、 ② 上述元件不一定都是电气元件，有时可以是机械、气动、 液压等元件，从而可以构成机械、气动、液压等控制系统， 液压等元件，从而可以构成机械、气动、液压等控制系统，但其工 作原理都是一致的。 作原理都是一致的。 12
输入信号 书位置） （书位置）
眼睛
大脑
手臂、 手臂、手 眼睛
输出量 手位置） （手位置）
图1-1 人取书的反馈控制系统方块图
5
uf R
if
I
发电机
负
V U
载
SD
∆U
图1-2 电压控制系统
U0
系统要求：保持发电机输出电压 不变 不变. 系统要求：保持发电机输出电压U不变. 在发电机转速n 不变的条件下，当负载变化时， 变化 变化. 在发电机转速 不变的条件下，当负载变化时，U变化. 人工控制：调节R, 变化,保持U稳定 稳定. 人工控制：调节 ,使if变化,保持 稳定. 自动控制：图中虚线框内所示。 自动控制：图中虚线框内所示。 SD——执行电机 执行电机 6
齿轮系 绳轮
记录笔
位移
图1-9 函数记录仪方块图
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图1-10 飞机-自动驾驶仪系统原理图 飞机-
ϑ0
扰动 给定装置 放大器 舵机 飞机
ϑ
-
-
反馈电位器 垂直陀螺仪
图1-11 俯仰角控制系统方块图
17
微 型 计 算 机
图1-12 电阻炉温度微机控制系统
18
1.3 自动控制系统的分类
自动控制系统有多种分类方法.例如, 自动控制系统有多种分类方法.例如, 1.按控制方式可分为开环控制 反馈控制、复合控制等; 按控制方式可分为开环控制、 1.按控制方式可分为开环控制、反馈控制、复合控制等; 2.按元件类型可分为机械系统、电气系统、机电系统、 2.按元件类型可分为机械系统、电气系统、机电系统、 按元件类型可分为机械系统 液压系统、气动系统、生物系统等; 液压系统、气动系统、生物系统等; 3.按系统功用可分为温度控制系统、压力控制系统、 3.按系统功用可分为温度控制系统、压力控制系统、位 按系统功用可分为温度控制系统 置控制系统等; 置控制系统等;
U0
+
∆U
-
>
放大器
u
SD
执行 机构
α
R
电位计
if
发电机
U
控制器
对象 U——被控制量 被控制量
U 0 ——给定值 给定值
图1制系统的基本组成
比较 输入量 元件 给定值
-
串联 校正元件
放大元件 局部反馈
执行元件
被控 输出量 对象 被控量
反馈 校正元件
第一章
自动控制的一般概念
1
1.1 1.2 1.3 1.4
自动控制的基本原理与方式 自动控制系统示例 自动控制系统的分类 对自动控制系统的基本要求
2
1.1 自动控制的基本原理与方式
1.1.1 自动控制技术及其应用 自动控制：在没有人直接参与的情况下，通过控制器 自动控制：在没有人直接参与的情况下，通过控制器，使被 控对象或过程自动地按预定的规律运行。 控对象或过程自动地按预定的规律运行。 应用：工业、农业、交通、国防、宇航、社会。 应用：工业、农业、交通、国防、宇航、社会。 自动控制的优点： 节省人力； 自动控制的优点：① 节省人力； 提高系统的精度； ② 提高系统的精度； 可以完成人工控制系统无法完成的工作。 ③ 可以完成人工控制系统无法完成的工作。 自动控制已成为现代社会活动中不可缺少的重要组成部分 3
主反馈
测量元件
图1-4 反馈控制系统基本组成
测量元件：测量被控量并转换成相应的电量，如速度、位移、 测量元件：测量被控量并转换成相应的电量，如速度、位移、 压力传感器； 压力传感器； 比较元件：将被控量与给定值加以比较，形成偏差信号； 比较元件：将被控量与给定值加以比较，形成偏差信号； 放大元件：将偏差信号进行前置或功率放大， 放大元件：将偏差信号进行前置或功率放大，从而推动执行机 构或被控对象； 构或被控对象； 执行元件：直接推动被控对象，以改变被控量； 执行元件：直接推动被控对象，以改变被控量； 校正元件：改善系统的静态性能。 校正元件：改善系统的静态性能。 8
1.3.2 线性定常离散系统 离散系统是指系统的某处或多处的信号为脉冲序列或数码形式, 离散系统是指系统的某处或多处的信号为脉冲序列或数码形式, 因而信号在时间上是离散的. 因而信号在时间上是离散的. 一般,在离散系统中既有连续的模拟信号,也有离散的数字信号. 一般,在离散系统中既有连续的模拟信号,也有离散的数字信号. 因此,离散系统要用差分方程来描述. 因此,离散系统要用差分方程来描述.线性差分方程的一般形式为
⑶复合控制方式 把按偏差控制和按扰动控制结合起来, 把按偏差控制和按扰动控制结合起来,是一种比较合理的控制方 对于主要扰动采用适当的装置实现按扰动控制,同时, 式.对于主要扰动采用适当的装置实现按扰动控制,同时,再组成反馈 控制系统实现按偏差控制,以消除其余扰动产生的偏差. 控制系统实现按偏差控制,以消除其余扰动产生的偏差.这种按偏差 控制和按扰动控制相结合的控制方式称为复合控制方式. 控制和按扰动控制相结合的控制方式称为复合控制方式.图1-7表示 的是电动机速度的复合控制系统的方块图. 的是电动机速度的复合控制系统的方块图. 电压 放大器 电阻R 电阻 Mc
⑴ 恒值控制系统 输入信号是恒定常值，被控量也是一个与之对应的常值， 输入信号是恒定常值，被控量也是一个与之对应的常值，当外 界有扰动时，系统要求被控量保持为一个不变的常值。 界有扰动时，系统要求被控量保持为一个不变的常值。如电压控制 系统。对系统的要求是稳定性和稳态误差。 系统。对系统的要求是稳定性和稳态误差。 ⑵ 随动系统 输入信号是时间的任意函数，其变化规律事先不知道。系统要 输入信号是时间的任意函数，其变化规律事先不知道。 求输出量以尽可能小的误差跟随输入信号的变化。系统分析、 求输出量以尽可能小的误差跟随输入信号的变化。系统分析、设计 的重点是研究被控量跟随的快速性和准确性。 的重点是研究被控量跟随的快速性和准确性。 ⑶程序控制系统 这类控制系统的输入信号是按预定规律随时间变化的函数, 这类控制系统的输入信号是按预定规律随时间变化的函数,要 求被控量迅速、准确地复现. 求被控量迅速、准确地复现.机械加工使用的数字程序控制机床便 是一例. 是一例. 22
1.1.5 自动控制系统基本控制方式 ⑴ 开环控制方式 按给定量控制的开环系统如下图所示, 按给定量控制的开环系统如下图所示,其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. 输入量产生.给定一个输入量,就有一个输出量与之对应. + 电动机
RW
给定值
ur
>
i
M
fz
ua
D 减速器 n
u0 ut
-
ue
电压 放大器 测速 发电机
功率 放大器
电动机
n
图1-7 电动机速度复合控制系统
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1.2 自动控制系统示例
① 函数记录仪 飞机② 飞机-自动驾驶仪系统 ③ 电阻炉温度微机控制系统
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图1-8 函数记录仪原理示意图
15
ur
∆u
up -
放大器 变换器
伺服 电动机 测速 发电机 测量 电路
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1.3.1 线性连续控制系统 这类系统可以用线性微分方程式描述,其一般形式为 这类系统可以用线性微分方程式描述,
dn d n −1 d a0 n c(t ) + a1 n −1 c(t ) + ⋯ + an −1 c(t ) + an c(t ) dt dt dt dm d m −1 d = b0 m r (t ) + b1 m −1 r (t ) + ⋯ + bm −1 r (t ) + bm r (t ) dt dt dt
(1-1) (1-
式中, ( )是被控量, ( )是输入量.系数a 式中,c(t)是被控量,r(t)是输入量.系数 0,a1,…,an,b0,b1,…,bm是常 , , 数时,称为定常系统;系数a 数时,称为定常系统;系数 0,a1,…,an,b0,b1,…,bm随时间变化时,称 , , 随时间变化时, 为时变系统. 为时变系统.线性定常连续系统按其输入量的变化规律不同又可分为 恒值控制系统、随动系统和程序控制系统. 恒值控制系统、随动系统和程序控制系统. 21