自控原理课件谭梅

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1、1自动控制原理自动控制原理2014年年9月月2第第1 1章：章：自动控制的一般概念自动控制的一般概念重点掌握的内容重点掌握的内容1、明确自动控制的任务及有关自动控制的基本概念、明确自动控制的任务及有关自动控制的基本概念2、正确理解各种控制方式及特点、正确理解各种控制方式及特点3、掌握对控制系统的性能要求、掌握对控制系统的性能要求31-1 引言引言一、自动控制技术及其应用一、自动控制技术及其应用 自动控制：指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或自动控制：指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或者装置（称控制装置），使机器、设备或生产过程（称被控对象）者装置（称控制装置），使机器、设备或

2、生产过程（称被控对象）的某个工作状态或参数（称被控量）自动地按预定的规律运行。的某个工作状态或参数（称被控量）自动地按预定的规律运行。 如：数控车床、化学反应炉、导弹发射和制导系统、无人驾驶机。如：数控车床、化学反应炉、导弹发射和制导系统、无人驾驶机。 应用：在国民经济各部门中，由于广泛采用了自动控制技术，改善应用：在国民经济各部门中，由于广泛采用了自动控制技术，改善 了劳动条件，提高了产品质量和劳动生产率，应用范围已扩展了劳动条件，提高了产品质量和劳动生产率，应用范围已扩展到生物、医学、环境、经济管理等许多社会生活领域。到生物、医学、环境、经济管理等许多社会生活领域。4 二、自动控制理论及其

3、发展二、自动控制理论及其发展 1.自动控制理论：是研究自动控制共同规律的技术科学。自动控制理论：是研究自动控制共同规律的技术科学。2 2、发展：、发展：发展初期：以反馈理论为基础的自动调节原理，主发展初期：以反馈理论为基础的自动调节原理，主要用于工业控制。要用于工业控制。二战期间：为了设计和制造飞机及船用自动驾驶仪，二战期间：为了设计和制造飞机及船用自动驾驶仪，火炮定位系统，雷达跟踪系统等，进一步促进并火炮定位系统，雷达跟踪系统等，进一步促进并完善了自动控制理论的发展，战后，已形成了完完善了自动控制理论的发展，战后，已形成了完整的自动控制理论体系。整的自动控制理论体系。经典控制理论：以传递函数

4、为基础，研究单输入经典控制理论：以传递函数为基础，研究单输入单输单输出，线性定常系统的分析和设计问题。出，线性定常系统的分析和设计问题。5 现代控制理论：研究多变量变参数系统的最优控制问现代控制理论：研究多变量变参数系统的最优控制问题，采用方法：以状态为基础的时域法（状态空间法）题，采用方法：以状态为基础的时域法（状态空间法）目前，自动控制理论以跨越学科界限，向以控制论、信息目前，自动控制理论以跨越学科界限，向以控制论、信息论、仿生学为基础的智能控制理论深入。论、仿生学为基础的智能控制理论深入。 最优控制：在一定的具体条件下，在完成所要求的具最优控制：在一定的具体条件下，在完成所要求的具体任务

5、时，系统的某些性能指标具有最优值。如：导弹控制体任务时，系统的某些性能指标具有最优值。如：导弹控制系统，要求脱靶量最少；飞行器控制系统，要求时间最短，系统，要求脱靶量最少；飞行器控制系统，要求时间最短，燃料最省和能量消耗最少。燃料最省和能量消耗最少。 60年代初期，随着现代应用数学新成果和计算年代初期，随着现代应用数学新成果和计算机技术的应用，为运用宇航技术的发展，自控理论机技术的应用，为运用宇航技术的发展，自控理论跨入一个新阶段。跨入一个新阶段。61-2 自动控制的基本形式及示例自动控制的基本形式及示例一、开环控制一、开环控制l定义：指控制装置与被控对象之间只有顺向定义：指控制装置与被控对象

6、之间只有顺向作用而没有反向联系的控制过程。作用而没有反向联系的控制过程。l例：广泛应用于国民经济各部门的一些自动例：广泛应用于国民经济各部门的一些自动化装置，自动洗衣机、自动售货机、数控车化装置，自动洗衣机、自动售货机、数控车床、交通红绿灯转换。床、交通红绿灯转换。7控制装置控制装置受控对象受控对象给定值给定值被控量被控量扰动扰动开环控制的特点：开环控制的特点：控制装置只按给定的输入信号对被控对象进行单向控制作用，控制装置只按给定的输入信号对被控对象进行单向控制作用，不具备修正由于扰动而出现的被控量与希望值之间偏差的能力。不具备修正由于扰动而出现的被控量与希望值之间偏差的能力。如下图、当炉温偏

7、离希望值时，开关如下图、当炉温偏离希望值时，开关k k 的接通或断开时间不会相应的接通或断开时间不会相应改变。改变。图图1-1、开环控制系统原理方框图、开环控制系统原理方框图电加热炉电加热炉KE图图1-28二、闭环控制二、闭环控制1 1、定义：控制装置与被控对象之间既有顺向作、定义：控制装置与被控对象之间既有顺向作用，又有反向联系的控制过程。用，又有反向联系的控制过程。2 2、例、例1 1：人本身就是一个具有高度复杂控制能力：人本身就是一个具有高度复杂控制能力的反馈控制系统。的反馈控制系统。l剖析人用手从桌上取书的动作过程。剖析人用手从桌上取书的动作过程。9眼睛大脑手臂、手眼睛输入信号（手位置

8、）输出量（书位置）图图1-3 人取书的反馈控制系统方块图人取书的反馈控制系统方块图 书位置是手运动的指令信息，只要书的位置和手的位置之间的书位置是手运动的指令信息，只要书的位置和手的位置之间的偏差存在，上述过程就持续进行，直到偏差为零。偏差存在，上述过程就持续进行，直到偏差为零。 大脑控制手取书的过程，是一个利用偏差（手与书之间大脑控制手取书的过程，是一个利用偏差（手与书之间距离）产生控制作用，并不断使偏差减小直至消除的运动过程；距离）产生控制作用，并不断使偏差减小直至消除的运动过程；为了取得偏差信息，必须要有手位置的反馈信息，构成反馈控为了取得偏差信息，必须要有手位置的反馈信息，构成反馈控制

9、。制。10例例2:机械手位置随动系统机械手位置随动系统图图1-4 位置随动系统原理图位置随动系统原理图uruc11图图1-5 位置随动系统原理方块图位置随动系统原理方块图工作机械工作机械123 3、闭环控制的特点、闭环控制的特点l具有自动修正被控量出现偏差的能力，因此可以修正元具有自动修正被控量出现偏差的能力，因此可以修正元件参数变化以及外界扰动引起的误差，其控制精度较高，件参数变化以及外界扰动引起的误差，其控制精度较高，但被控制量可能出现振荡。但被控制量可能出现振荡。控制装置控制装置受控对象受控对象检测元件检测元件给定值给定值被控量被控量扰动扰动图1-6 闭环控制系统原理方块图闭环控制系统原

10、理方块图131-3 对控制系统的性能要求对控制系统的性能要求l理想情况下：系统的被控量和给定值时时相等，运行理想情况下：系统的被控量和给定值时时相等，运行中完全没有误差，完全不受干扰的影响。中完全没有误差，完全不受干扰的影响。 C(t)r(t)C(t)r(t)l 实际情况：由于系统中质量、惯量、阻尼以及电路实际情况：由于系统中质量、惯量、阻尼以及电路电感、电容的存在，也由于能源的功率限制，一些运电感、电容的存在，也由于能源的功率限制，一些运动部件的速度、位移不可能突变（动部件的速度、位移不可能突变（加速度不会太加速度不会太大），而要经历一个逐渐变化的过程。大），而要经历一个逐渐变化的过程。l

11、动态过程：系统受到给定值或干扰信号作用后，动态过程：系统受到给定值或干扰信号作用后，控制被控量变化的全过程称为系统的动态过程。控制被控量变化的全过程称为系统的动态过程。l工程商常以稳、快、准三个方面进行总体评价：工程商常以稳、快、准三个方面进行总体评价：14一、稳，指动态过程的平稳性一、稳，指动态过程的平稳性 首先振荡应逐渐减弱，其次振幅和频率不首先振荡应逐渐减弱，其次振幅和频率不能过大。能过大。r(t)r(t)1-715二、快，指动态过程的快速性二、快，指动态过程的快速性l振荡型过程衰减很慢，或者虽然没有振荡，但振荡型过程衰减很慢，或者虽然没有振荡，但被量迟缓地趋向平衡状态，都将使系统长时间