自控控制原理第1章课件.ppt

1、非线性系统分析非线性系统分析基基 本本 概概 念念时域分析法时域分析法数学模数学模 型型 根轨迹分析法根轨迹分析法采样系统分析采样系统分析课程主要内容课程主要内容经典控制原理经典控制原理频率特性校正频率特性校正控制理论控制理论频率特性分析法频率特性分析法*MATLAB仿真仿真1第一章第一章 自动控制系统的基本概念自动控制系统的基本概念第一节第一节 自动控制的基本方式自动控制的基本方式第二节第二节 闭环系统的基本组成闭环系统的基本组成第三节第三节 自动控制系统的分类自动控制系统的分类第四节第四节 对控制系统的基本要求对控制系统的基本要求2第一节第一节 自动控制的基本方式自动控制的基本方式一、两个

2、定义：一、两个定义：（1）自动控制自动控制：在没有人直接参与的情况下，利用控制装置使某种设备、在没有人直接参与的情况下，利用控制装置使某种设备、装置或生产过程中的某些物理量或工作状态能自动地按照预定装置或生产过程中的某些物理量或工作状态能自动地按照预定 规律变化或数值运行的方法，称为自动控制。规律变化或数值运行的方法，称为自动控制。（2）自动控制系统自动控制系统：由控制器由控制器(含测量元件含测量元件)和被控对象组成的有机整体。和被控对象组成的有机整体。或称为，由相互关联、相互制约、相互影响的一些元部件组或称为，由相互关联、相互制约、相互影响的一些元部件组成的具有自动控制功能的有机整体。称为成

3、的具有自动控制功能的有机整体。称为自动控制系统自动控制系统。3 热蒸气热蒸气水水1、水温的手动控制示意图、水温的手动控制示意图 操作员要用手（通过感觉）来测试水的温度，并将此温度与操作员要用手（通过感觉）来测试水的温度，并将此温度与 他要求的值（给定值）相他要求的值（给定值）相 比较（通过大脑）。同时比较（通过大脑）。同时 他他 要要 决决 定定（通过大脑）：（通过大脑）：他的手应该朝哪个方向旋转加温用的蒸汽他的手应该朝哪个方向旋转加温用的蒸汽 阀阀 门门和旋转多大的角度和旋转多大的角度。自动控制的基本方式自动控制的基本方式水温控制水温控制-麻烦、费力、辛苦、不准确！麻烦、费力、辛苦、不准确！

4、例例：42、水温的自动控制的示意图水温的自动控制的示意图 采用自动控制时采用自动控制时，上述功能都用相应的元件和仪表来代替。上述功能都用相应的元件和仪表来代替。例如，用温度测量元件、控制记录仪表和调节阀等。例如，用温度测量元件、控制记录仪表和调节阀等。自动控制的基本方式自动控制的基本方式5 如果从系统的结构角度看，开环控制方式也可表达为，没有系统输出量如果从系统的结构角度看，开环控制方式也可表达为，没有系统输出量反馈的控制方式。反馈的控制方式。1、开环控制方式、开环控制方式 二、二、3种基本控制方式种基本控制方式(1)定义：定义：控制系统的输出量对系统不产生作用的控制方式，称为控制系统的输出量

5、对系统不产生作用的控制方式，称为开环控制方式。开环控制方式。具有这种控制方式的有机整体具有这种控制方式的有机整体，称为开环控制系统，称为开环控制系统。开环调速系统开环调速系统举例举例自动控制的基本方式自动控制的基本方式6 改变电位器滑动端的位置，相应地改变了电压改变电位器滑动端的位置，相应地改变了电压UgUg值的大小，值的大小，其值经功率放大器放大后施加在直流电动机的电枢两端，其值经功率放大器放大后施加在直流电动机的电枢两端，由于直由于直流电动机具有恒定的励磁电流，因此，随着电枢电压值的不同，流电动机具有恒定的励磁电流，因此，随着电枢电压值的不同，电动机便以不同的转速带动生产机械运转。于是，改

6、变电动机便以不同的转速带动生产机械运转。于是，改变 UgUg的大小，的大小，便控制了电动机转速的高低。便控制了电动机转速的高低。系统中，系统中，Ug Ug 是是给定输入量给定输入量；电动机的转速；电动机的转速n n是是系统的输出系统的输出量，量，即即被控量被控量；电源电压波动、放大系数漂移、拖动负载的变化；电源电压波动、放大系数漂移、拖动负载的变化等，是等，是扰动输入量扰动输入量。可见，系统的输出量，即电动机的转速并没有参予系统的控可见，系统的输出量，即电动机的转速并没有参予系统的控制。制。工作原理工作原理：自动控制的基本方式自动控制的基本方式7 任何开环控制系统，从组成系统元部件的职能角度看

7、，均可用下面的任何开环控制系统，从组成系统元部件的职能角度看，均可用下面的方方 框图表示。框图表示。(2)职能方框图职能方框图2、闭环控制方式：、闭环控制方式：(1)定义定义 系统输出量直接或间接地反馈到系统的输入端，参予了系统控制的方式，称系统输出量直接或间接地反馈到系统的输入端，参予了系统控制的方式，称为为闭环控制方式闭环控制方式。如果从系统的结构看，闭环控制方式也可表达为，有系统输出量反馈的如果从系统的结构看，闭环控制方式也可表达为，有系统输出量反馈的控制方式。控制方式。自动控制的基本方式自动控制的基本方式8举例：速度控制系统举例：速度控制系统自动控制的基本方式自动控制的基本方式9工作原

8、理工作原理 开环调速结构基础上引入一台测速发电机，作为检测系统开环调速结构基础上引入一台测速发电机，作为检测系统输出量即电动机转速并转换为电压。输出量即电动机转速并转换为电压。反馈电压与给定电压比较反馈电压与给定电压比较(相减相减)后，产生一偏差电压，后，产生一偏差电压，经电压和功率放大器放大后去控制电动机的转速。经电压和功率放大器放大后去控制电动机的转速。当系统处于稳定运行状态时，电动机就以电位器滑动端当系统处于稳定运行状态时，电动机就以电位器滑动端给出的电压值所对应的希望转速运行。给出的电压值所对应的希望转速运行。当系统受到某种干扰时当系统受到某种干扰时(例如负载变大例如负载变大)，电动机

9、的转速，电动机的转速会发生变化会发生变化(下降下降)，测速反馈电压跟着变化，测速反馈电压跟着变化(变小变小)，由于给定，由于给定电压值未变，偏差电压值发生变化电压值未变，偏差电压值发生变化(变大变大)，经放大后使电动，经放大后使电动机电枢电压变化机电枢电压变化(提高提高)，从而电动机转速也变化，从而电动机转速也变化(上升上升)，去减小，去减小或消除由于干扰引起的转速偏差。或消除由于干扰引起的转速偏差。(参阅教材参阅教材)！自动控制的基本方式自动控制的基本方式10举例，发电机励磁控制系统举例，发电机励磁控制系统(工作原理，参阅教材工作原理，参阅教材)自动控制的基本方式自动控制的基本方式11(2)

10、闭环控制系统职能框图闭环控制系统职能框图 任何闭环控制系统，从组成系统元部件的职能角度看，均可用下面的结任何闭环控制系统，从组成系统元部件的职能角度看，均可用下面的结构框图表示。构框图表示。自动控制的基本方式自动控制的基本方式123、复合控制方式、复合控制方式 开环控制方式开环控制方式+闭环控制方式。闭环控制方式。两种结构：按输入信号补偿；两种结构：按输入信号补偿；按扰动信号补偿按扰动信号补偿 自动控制的基本方式自动控制的基本方式134、控制方式比较、控制方式比较 (1)从系统组成结构看，开环控制方式简单，复合控制从系统组成结构看，开环控制方式简单，复合控制 方式复杂，闭环控制方式介于两者间；

11、方式复杂，闭环控制方式介于两者间；(2)从性能看，开环控制方式较差，从性能看，开环控制方式较差，闭环控制方式较好；闭环控制方式较好；复合控制方式最好；复合控制方式最好；(3)现代工程应用系统中，闭环控制方式应用最广泛。现代工程应用系统中，闭环控制方式应用最广泛。自动控制的基本方式自动控制的基本方式14第二节第二节 闭环系统的基本组成闭环系统的基本组成基本组成的基本组成的 结构方块图结构方块图15 (1）被控对象被控对象：要进行控制的设备或生产过程要进行控制的设备或生产过程。（。（例例，工作机械工作机械）(2）执行机构执行机构：作用于被控制对象的装置或设备作用于被控制对象的装置或设备。(例，电动

12、机例，电动机)（3）测量装置测量装置：用来检测被控量，并将其转换成与给定量相用来检测被控量，并将其转换成与给定量相 同同 物理物理 量的装置量的装置（例，测速发电机）（例，测速发电机）（4）放大环节放大环节：对信号进行放大或能量形式的转换，使之适合对信号进行放大或能量形式的转换，使之适合 执行机构工作执行机构工作。（例，电压放大器，可控硅整流功放）。（例，电压放大器，可控硅整流功放）（5）给定环节给定环节：产生系统的给定输入信号。（产生系统的给定输入信号。（电位器电位器）（6）比较环节比较环节：将所测的被控量与给定量进行比较。将所测的被控量与给定量进行比较。（7）校正环节校正环节：用于改善系统

13、性能的电路。用于改善系统性能的电路。校正环节校正环节可加于偏差信号与输出信号之间的通道内，也可可加于偏差信号与输出信号之间的通道内，也可加于某一局部反馈通道内。前者称为加于某一局部反馈通道内。前者称为串联校正环节串联校正环节，后者称为并，后者称为并联校正或联校正或(局部局部)反馈校正环节。反馈校正环节。闭环系统的基本组成闭环系统的基本组成16 前向通道前向通道：信号从输入端沿箭头方向到达系统输出端的传输通道，信号从输入端沿箭头方向到达系统输出端的传输通道，又称又称正向通道正向通道。反馈通道反馈通道：又可分为主反馈通道和局部反馈通道。系统输出量经由又可分为主反馈通道和局部反馈通道。系统输出量经由

14、 测量装置反馈到系统输入端的传输通道，或简称系统输出量与输入量间的测量装置反馈到系统输入端的传输通道，或简称系统输出量与输入量间的反馈通道，称为主反馈通道。局部部件间反馈通道，称为局部反馈通道。反馈通道，称为主反馈通道。局部部件间反馈通道，称为局部反馈通道。单回路系统单回路系统：只有一个只有一个(主主)反馈通道的系统反馈通道的系统。多回路系统多回路系统：有二个以上反馈通道的系统。有二个以上反馈通道的系统。注意：注意：反馈有正、负之分。反馈信号的极性与输入信号的极性相反，从而产生反馈有正、负之分。反馈信号的极性与输入信号的极性相反，从而产生一偏差信号的反馈方式，称负反馈；反馈信号的极性与输入信号

15、的极性相同，称正一偏差信号的反馈方式，称负反馈；反馈信号的极性与输入信号的极性相同，称正反馈，正反馈方式只可能在局部反馈中采用；所有闭环系统，都是负反馈控制系统。反馈，正反馈方式只可能在局部反馈中采用；所有闭环系统，都是负反馈控制系统。闭环系统的基本组成闭环系统的基本组成17电动机速度控制系统工作原理图电动机速度控制系统工作原理图(2)画出系统方框图。画出系统方框图。例：例：电动机速度控制系统电动机速度控制系统根据图所示的电动机速度控制系统工作原理图，完成：根据图所示的电动机速度控制系统工作原理图，完成：(1)将将a，b，c，d用线连接成负反馈方式；用线连接成负反馈方式；闭环系统的基本组成闭环

16、系统的基本组成18（1）负反馈连接方式应为）负反馈连接方式应为：ada cb 因为，放大器输入端的电压应为给定电压与反馈电压两者之差，因为，放大器输入端的电压应为给定电压与反馈电压两者之差，才产生偏差电压。根据基尔霍夫回路电压定律，应才产生偏差电压。根据基尔霍夫回路电压定律，应 接接 ，接接 。相接。相接。，bcd（2）首先首先，系统中的每个部件各用一方框表示，各方框内写入，系统中的每个部件各用一方框表示，各方框内写入该部件的名称；该部件的名称；然后然后，根据系统信号的流向，方块间用带箭头，根据系统信号的流向，方块间用带箭头的信号线连接，如图所示。的信号线连接，如图所示。解解闭环系统的基本组成

17、闭环系统的基本组成19(1)分析系统的工作原理，指出被控对象、被控量和给定量；分析系统的工作原理，指出被控对象、被控量和给定量；(2)画出系统方框图。画出系统方框图。例例、工业炉温自动控制系统、工业炉温自动控制系统炉温自动控制系统炉温自动控制系统闭环系统的基本组成闭环系统的基本组成20 加热炉采用的是电加热的方式。由加热炉采用的是电加热的方式。由可知，电热器产生的热量与调可知，电热器产生的热量与调压器输出电压的平方成正比，而调压器输出电压的高低与调压器滑动触点的位压器输出电压的平方成正比，而调压器输出电压的高低与调压器滑动触点的位置有关，而该滑动触点由可逆转的直流电动机驱动。置有关，而该滑动触

18、点由可逆转的直流电动机驱动。炉子的实际温度用热电偶测量，经放大后输出电压为炉子的实际温度用热电偶测量，经放大后输出电压为 ，并作为系统的，并作为系统的反馈电压与给定电压反馈电压与给定电压 进行比较，得出偏差电压进行比较，得出偏差电压 ，经电压放大器、功率，经电压放大器、功率放大器放大后，作为电动机的电枢电压驱动电机转动。放大器放大后，作为电动机的电枢电压驱动电机转动。furueu解解 当加热炉达热平衡时，反馈电压与给定电压相等，偏差电压为零，可逆电当加热炉达热平衡时，反馈电压与给定电压相等，偏差电压为零，可逆电动机不转动，动机不转动，调压器的滑动触点停留在某个合适的位置上，加热电压不变，调压器

19、的滑动触点停留在某个合适的位置上，加热电压不变，温度保持恒定的期望值。温度保持恒定的期望值。闭环系统的基本组成闭环系统的基本组成 当炉膛温度由于某种原因变化时，当炉膛温度由于某种原因变化时，偏差电压不偏差电压不 为为0，电动机的电枢电压也电动机的电枢电压也不为不为0，电动机的转动带动滑动触点上移或下移，使加热电压变化，使炉膛温度，电动机的转动带动滑动触点上移或下移，使加热电压变化，使炉膛温度变化，直至炉膛温度的实际值等于期望值为止。变化，直至炉膛温度的实际值等于期望值为止。21 系统中，加热炉是被控对象，炉温是被控量，给定量是由给定电位器设系统中，加热炉是被控对象，炉温是被控量，给定量是由给定

20、电位器设定的电压。定的电压。闭环系统的基本组成闭环系统的基本组成(2)系统方框图系统方框图 系统中的每个元部件各用一方框表示，各方框内写入该部件系统中的每个元部件各用一方框表示，各方框内写入该部件 的名称，根据系统信的名称，根据系统信号的流向，方块间用带箭头的信号线连接，号的流向，方块间用带箭头的信号线连接，如图所示。如图所示。控制装置控制装置被控对象被控对象检测装置检测装置22第三节第三节 自动控制系统的分类自动控制系统的分类一、按数学描述形式分类：一、按数学描述形式分类：1线性系统和非线性系统线性系统和非线性系统（1）线性系统：）线性系统：用线性微分方程或线性差分方程描述的系统。用线性微分

21、方程或线性差分方程描述的系统。重要性质：满足叠加性和齐次性重要性质：满足叠加性和齐次性 *当输入分別为当输入分別为、时，对应输出时，对应输出为为叠加性叠加性*当输入为当输入为齐次性齐次性当输入相加时，输出当输入相加时，输出也相加也相加（2）非线性系统）非线性系统：用非线性微分方程或差分方程描述的系统。：用非线性微分方程或差分方程描述的系统。注意：注意：不满足叠加性和齐次性！不满足叠加性和齐次性！)()()(21tXtXtXccc)(1tXc)(2tXc)(1tXr)(1txr)(2txr、)(txr时，对应输出为时，对应输出为)(txc232连续系统和离散系统连续系统和离散系统（1）连续系统：

22、）连续系统：系统中各元件的输入量和输出量均为时间系统中各元件的输入量和输出量均为时间t t的连续函数。连的连续函数。连续系统的运动规律可用微分方程描述，系统中各部分信号都是模拟量。续系统的运动规律可用微分方程描述，系统中各部分信号都是模拟量。（2）离散系统）离散系统：系统中某一处或几处的信号是以脉冲系列或数码的形式传系统中某一处或几处的信号是以脉冲系列或数码的形式传递的系统。离散系统的运动规律可以用差分方程来描述。计算机控制系统就递的系统。离散系统的运动规律可以用差分方程来描述。计算机控制系统就是典型的离散系统。是典型的离散系统。二、按给定信号分类二、按给定信号分类（1）恒值控制系统：）恒值控

23、制系统：给定值不变，要求系统输出量以一定的精度接近给定希望值的系统。如生产给定值不变，要求系统输出量以一定的精度接近给定希望值的系统。如生产过程中的温度、压力、流量、液位高度、电动机转速等自动控制系统属于恒值系过程中的温度、压力、流量、液位高度、电动机转速等自动控制系统属于恒值系统。统。（2）随动控制系统：）随动控制系统：给定值按未知时间函数变化，要求输出跟随给定值的变化。如跟随卫星的雷给定值按未知时间函数变化，要求输出跟随给定值的变化。如跟随卫星的雷达天线系统。达天线系统。（3）程序控制系统：）程序控制系统：给定值按一定时间函数变化。如程控机床。给定值按一定时间函数变化。如程控机床。自动控制

24、系统的分类自动控制系统的分类24第四节第四节 对控制系统的基本要求对控制系统的基本要求 总体上来说，对任何控制系统的基本要求，集中体现在总体上来说，对任何控制系统的基本要求，集中体现在系统性能的系统性能的“稳定性稳定性”、“动态特性动态特性”和和“稳态特性稳态特性”三个方面，三个方面，或简称为或简称为“稳稳”、“快快”和和“准准”。一、稳定性一、稳定性控制系统控制系统“稳定性稳定性”的定义，有的定义，有多种表达多种表达。一种较通常的表达是，一个处于一种较通常的表达是，一个处于靜靜止或某一平衡工作状态止或某一平衡工作状态的系统，的系统，在受到任何输入（给定信号或扰动）作用时，在受到任何输入（给定

25、信号或扰动）作用时，系统的系统的输出会离开输出会离开靜靜止状态止状态 或偏离原来的平衡位置；当作用消除后，或偏离原来的平衡位置；当作用消除后，若系统能回到原来的若系统能回到原来的靜靜止状态或平衡位置，则称系统是稳定的。止状态或平衡位置，则称系统是稳定的。否则称系统是不稳定的。否则称系统是不稳定的。25输出会有一个确定值相对应，则称系统是稳定的；若系统输出输出会有一个确定值相对应，则称系统是稳定的；若系统输出对于线性定常系统，也可表达为，在阶跃信号作用下，对于线性定常系统，也可表达为，在阶跃信号作用下，若系统若系统越来越大，称系统是不稳定的。如图所示越来越大，称系统是不稳定的。如图所示a）稳定系

26、统）稳定系统 b)不稳定系统不稳定系统稳定性，是系统能否工作的前题条件，是对系统最起码的要求！稳定性，是系统能否工作的前题条件，是对系统最起码的要求！对控制系统的基本要求对控制系统的基本要求26二、动态特性二、动态特性稳定的控制系统，当受到阶跃输入信号作用后，稳定的控制系统，当受到阶跃输入信号作用后，系统的输出系统的输出要经历一过程才能达到某一稳定值。系统输出随时间要经历一过程才能达到某一稳定值。系统输出随时间t变化的这变化的这一过程称为系统的一过程称为系统的响应过程响应过程。响应过程响应过程，又分为，又分为动态过程动态过程和和稳态过程稳态过程，如图所示。，如图所示。对控制系统的基本要求对控制

27、系统的基本要求27动态特性动态特性就是反映系统在动态过程中，跟踪输入或抑制干扰就是反映系统在动态过程中，跟踪输入或抑制干扰的能力。动态特性好的系统，表现为动态过程具有较好的平稳性、的能力。动态特性好的系统，表现为动态过程具有较好的平稳性、调节时间短且振荡次数少。调节时间短且振荡次数少。三、稳态特性三、稳态特性系统在过渡过程结束后，其输出量的状态系统在过渡过程结束后，其输出量的状态 一般一般 由稳态特性由稳态特性来描述。来描述。稳态误差稳态误差的大小反映了系统的大小反映了系统稳态特性稳态特性的好坏。的好坏。稳态误差值越小的系统，稳态特性越好，意味着稳态误差值越小的系统，稳态特性越好，意味着控制精度控制精度愈高。愈高。注意注意，对于同一个系统体现稳定性、动态特性和稳态特性的稳、对于同一个系统体现稳定性、动态特性和稳态特性的稳、快、准这三个要求是相互制约的快、准这三个要求是相互制约的。对控制系统的基本要求对控制系统的基本要求28第第 一一 章章 完完29