第一章自动控制系统的基本概念(课堂PPT).ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,自动控制原理,讲授 程曼,河北农业大学,机电工程学院,1,一、课程简介,自动控制原理是电气类专业的一门重要的专业技术基础课。该课程主要讲授经典控制理论的三大分析方法（时域分析法，根轨迹分析法和频域分析法）、自动控制系统综合与校正的一般方法和非线性系统等内容。,通过对本课程的学习，要求学生系统地掌握自动控制的基本原理和基本方法，并能对控制系统进行定性分析、定量计算和综合设计,。,2,二、课程体系设置,（一）结构体系：理清,“,三纵三横,”,。,这里讲的,“,三纵,”,：指系统在三域（时域、复域、频域）中的数学模型；,“,三横,”,：指系统特性（稳定性、稳态特性、动态特性）的三分析。,1,、,“,三纵,”,：,结合系统的数学模型，讲清工程上实际求解与数学上理论计算之间的内在联系与区别。具体地说，就是要搞清楚几种数学模型之间的相互关系。,3,2,、,“,三横,”,：,掌握系统分析的三要素：稳定性、静态特性和动态特性。,性能指标是衡量一个系统好坏的重要标志，也是对系统进行校正的主要依据，抓住这条线，就是抓住了系统分析改造的关键，有利于学生建立一个,“,横向,”,的思路。,4,（二）内容体系,：,5,三、课程内容（共,48,学时）,第一章,自动控制系统的基本概念 学时数,:4,第二章,线性连续系统的数学模型 学时数：,第三章,控制系统的时域分析法 学时数：,10,第四章,控制系统的根轨迹分析法 学时数：,第五章,控制系统的频率特性分析法 学时数：,1,第六章 频率校正方法 学时数：,3,第七章,非线性系统分析学时数：,3,总复习及小测验学时数：,6,专业的培养目标,对高级工程技术人才的要求,如何学习才能成为人才,该课程的学习方法与要求,四、课程的学习目的、方法与要求,7,（一）,专业的培养目标,明确学习目的,电气工程及其自动化专业,培养具有,创新意识,和,创新能力,、,综合素质,高、适应能力强的，能够从事与电气工程有关的系统运行、自动控制、电力电子技术、信息处理、试验分析、研制开发、经济管理以及电子与计算机技术应用等领域工作的宽口径,“,复合型,”,高级工程技术人才,。,8,工程技术人员,（包括其他技术家）和科学家的职责不同。,科学家的任务是,如何认识,，因而他可以选择自己感兴趣的研究课题；,工程师的任务是,如何实现,，所以他必须解决面临的实际问题。工程问题受到多方面因素的制约，工程师必须在多种可能方案中做出选择，谋求最可靠、最经济、最实用的解决方法。,工程技术人员的任务,将来我们做什么,9,（二）,对工程技术人才的要求,合格人才是什么样的,一个工程师接受任务的时候总会问自己这样的问题：,会不会做,是否在科学技术上掌握了必须的知识和技能，能够解决工程上的难题。,可不可以做,是否在政策法规和社会公德允许的条件下的工程。,该不该做,是否拥有了良好的生态可行性和工程持续性，并且能在人、才、物和时空约束条件下经济合理地完成任务。,如何去做,拿出切实可行的解决方案。,10,（三）,如何学习才能成为人才,第一境界：,总结知识的能力,自我学习的能力,综合知识的能力,第二境界：,发现问题的能力,解决问题的能力,第三境界：,创造思维的能力,11,课程重要性,自动控制原理,是工科的技术基础课，该课程与其它课程的关系,承上启下的课程。,（四）,该课程的学习方法与要求,了解课程特点明确学习方法与要求,自动控制理论,电路理论,电机与拖动,大学物理,信号与系统,复变函数,拉氏变换,模拟电子技术,线性代数,微积分,各 类,专业课,线性系统,现代控,制理论,12,实际,系统,物理,模型,数学,模型,方法（系统组成,分析、设计）,自动控制是一门技术学科，从方法论的角度来研究系统的建立、分析与设计。,研究控制系统的共性问题。,提供了研究,思想,与研究,方法,课程特点及性质,自动控制技术是应用非常广泛的技术,13,本课程学习方法,打好基础,复习学过的基础课,认真听课,掌握基本理论和基本方法,做好习题,锻炼解决实际问题的能力,本课程学习要求,学会分析、解决工程问题的基本思路和方法,14,五、教学方法,突出教学中的重点与难点问题，采用启发与讨论的方式，多列举实际工程中的应用示例，力求理论联系实际；,采用传统与现代教学手段相结合，将实际控制系统与控制原理相结合，把抽象的系统动态过程与系统结构、参数关系形象化，以便于学生理解；,加强实践教学环节，在加深对理论知识理解的基础上，提高学生动手解决问题的能力。,15,五、选用教材,自动控制原理（第二版）,孙炳达 主编,机械工业出版社出版,该书基本概念清楚，数学推导严谨，理论系统性强，例题具有代表性，图解说明性强，习题丰富，文字简洁。,16,几点要求：,其它,。,关于,出勤,课堂,纪律,关于,作业,17,第一章 自动控制系统的基本概念,1-1,引言,1-2,自动控制的基本方式,1-3,自动控制系统的组成,1-4,自动控制系统的分类,1-5,对控制系统的基本要求,1-6,自动控制系统的发展简史,18,一、自动控制的基本概念,现代科学技术中的自动控制技术得到 了广泛的应用,航天器,工业控制,机器人,家用电器,自动控制的特征：,通过对各类机器、各种物理参量、工业生产过程等的控制直接造福于社会。,自动控制：,在无人直接参与下，利用控制装置操纵受控对象，使受控对象的被控量按给定信号变化规律去变化。,自动,控制,示意,图,控制器,给定值,检测元件,受控对象,被控量,自动控制系统,控制装置,:,受控对象,:,机器、设备、,生产过程等,控制器、检,测元件等,分析和设计自动控制系统的性能。,自动控制原理的主要任务：,下面通过一些实例来说明自动控制和自动控制系统的基本概念,1-1,引言,19,例 水温人工控制系统,受控对象,:,水箱,热传导器件,系统的构成：,被控制量,:,水温,阀门,显示仪表,蒸汽,排水,冷水,热水,工作过程：,蒸汽通过热传导器件把热量传递给水,水的温度与蒸汽的流量成正比,.,手动调节阀门的开度，从而调节蒸汽的流量,来控制水的温度,.,但人工难以实现稳定的高质量控制,.,20,例 水温自动控制系统,系统中增加了：,控制器,电机,加入给定信号,工作原理：,检测实际温度,产生控制信号,通过电机调节阀门的开度,从而调节蒸汽流入，控制水的温度,.,实现没有人直接参入的自动水温控制,.,21,为了方便地分析系统性能，一般用框图来表示系统的结构，水温自动控制系统可用框图表示为：,要使自动控制系统满足工程实际的需要,必须研究自动控制系统的结构参数与系统性能之间的关系。,实际温度,偏差,反馈量,预期温度,_,控制器,执行机构,阀门,水箱,22,例：,人工控制,与,自动控制,：水箱水位控制问题,人工控制,人工控制过程归纳：,用,眼,观察水位，目测出实际水位高度并反馈到大脑中,（测量过程）,在,脑,中与要求水位进行比较，得出偏差大小，决定手的操作动作,（决策过程）,手,执行大脑决定的动作，打开或关闭阀门,（执行过程）,23,传感器,代替,眼,看测量出实际水位高度并反馈到控制器,在,控制器,中将实际水位与设定水位进行比较得出,偏差值,，对偏差信号进行放大送到执行器,执行器,执行开关阀门动作,自动控制,共同特点：,通过检测被控量，得到与给定值的偏差，并去纠正偏差，进而减小偏差。,在,人工控制,中偏差是通过人眼观测后，由人脑判断、决策得出的；在,自动控制,系统中偏差则是通过反馈，由控制器进行比较、计算产生的。,自动控制过程归纳：,24,杆杠长度,例 液位自动控制系统,h,水箱,杆杠,浮球,阀门,进水,系统组成：,出水,被控制量：,水位高度,工作原理：,调节杠杆长度,L,，通过杠杆机构调节阀门的开度，从而调节进水量以控制液位的高度。,L,25,系统的结构框图如图所示,:,杠 杆,浮球,h,r,(s),h(t),阀门,水箱,机 构,26,分析控制系统的工作,原理,分析人要做这个事情的思路,分析控制系统的,结构,设计与组成系统,分析控制系统的,性能,指标,是否能够完成任务,自动控制理论,研究和分析控制系统,共性,的理论,自动控制就是利用,控制装置,代替,人,去自动地完成人要完成的事情,27,1,开环控制,有顺向作用而无反向联系,.,自动控制系统从控制的基本方式看，可分为开环控制、闭环控制和复合控制。,开环控制,控制装置与受控对象之间只,1-2,自动控制的基本方式,28,例 转台速度开环控制系统,这种转台在,CD,机、计算机磁盘驱动器等现代装置中广泛应用,.,转台,电机,电源和放,大装置,速度设置,系统组成：,由图可见：,被控制量速度没有反馈到输入端与给定信号比较,为开环控制系统。,29,预期速度,实际转速,直流电动机,转台,放大器,系统结构和控制过程均很简单，但抗扰能力差，控制精度不高，故一般只能用于对控制性能要求较低的场合。,转台速度开环控制系统结构图,:,开环控制的特点：,2,闭环控制,有顺向作用，而且还有反向联系,.,闭环控制,:,闭环控制又称为,反馈控制,或,偏差控制,。,控制装置与受控对象之间，不但,30,例 转台速度闭环控制系统,实现对速度的闭环控制。,测速发电机是一种传,感器,测出电动机的速度与给定信号比较产生偏差电压,.,31,测速机,偏差,反馈量,预期速度,实际转速,直流电动机,转台,放大器,_,当实际速度受扰动的影响发生变化时，通过系统的调节，从而消除扰动对速度的影响。,转台速度闭环控制系统结构图,32,放大装置,例 位置随动系统,环型电位器,电机,电源,齿轮,系统组成：,负载,给定转角,r,输出转角,c,工作过程：,r,=,c,U,d,=0,U,d,r,c,U,d,0,电动机带动齿轮转动,系统闭环调节,.,电动机静止,33,m,r,_,c,u,e,u,d,放大器,电位器,电动机,减速器,位置随动系统结构图,34,例 转速负反馈直流电动机调速系统,直流电机,测速发电机,电源和放,大装置,负载,系统组成：,U,n,U,f,给定电压,反馈电压,e,=U,n,-U,f,转速取决于给定电压与反馈电压的差值。,35,调速系统结构图,u,n,u,f,e,u,d,n,_,直流电动机,放大器,测速机,由电网电压波动，负载变化以及其他部分的参数变化所引起的转速变化，都可以通过系统的自动调整加以抑制。,n,U,f,e,U,d,n,减小或消除由于扰动所形成的偏差值，具有较高的控制精度和较强的抗扰能力。,闭环控制系统具有的特点：,36,输入量,控制器,被控对象,输出量,干扰,执行机构,应用,：,多用于系统结构参数稳定和干扰较小的场合。,如：自动化流水线、自动洗衣机,37,应用：,对系统有精度要求时广泛采用反馈控制是最基本的闭环控制方式。,输入量,控制器,被控对象,输出量,干扰,执行机构,检测装置,u,g,u,f,n,n,o,38,u,f,三、复合控制,1,。,按输入,信号补偿的,复合控制,输入量,控制器,被控对象,输出量,干扰,执行机构,检测装置,补偿装置,补偿装置,补偿装置,补偿装置,n,o,u,g,输入量,补偿量,补偿量,输入量,应用：,提高系统跟踪输入信号的能力和精度,输出量,输出量,输出量,输出量,39,2,。,按干扰,作用补偿的,复合控制,输出量,输入量,控制器,被控对象,干扰,执行机构,检测装置,补偿装置,检测出干扰量，通过补偿装置对输入信号进行,补偿,以,抵消干扰,对系统输出量的影响,应用：,增强系统的抗干扰能力,40,1-3,自动控制系统的组成,输出量,给定,环节,被控对象,干扰,执行机构,反 馈,校正装置,放大环节,串联校正,装置,检测装置,要求实现自动控制的设备或过程,被控设备或过程中需要控制的参数即,被控参数,测量,被控参数的传感器与测量电路，它将系统的实际输出反馈到输入端,设定与系统输出希望值相对应的输入,指令,改善系统性能的环节，因为串联在系统的输入端，又称串联,校正,输入与输出之间进行比较，产生,偏差,信号，该偏差信号描述了系统期望值与实际值之间的,误差,将微小的偏差信号进行,放大,，使之达到控制执行机构的能量要求,执行控制任务，驱动被控对象的动力设备,改善局部环节性能的装置，用反馈的方法调整局部信号达到,校正,的目的，所以称反馈校正（或并联校正）,顺着从输入到输出的信号传递方向走出的通道称为,前向通道,将输出（局部输出）送回到输入（局部输入）的通道被称为,反馈通道,连接输入与系统输出的反馈通道被称为,主,反馈通道,将局部输出送回到局部输入的通道被称为,局部,反馈通道,典型闭环系统结构框图,典型闭环系统结构框图,41,1-4,自动控制系统的分类,按系统,结构,分，开环,/,闭环控制系统,按输入量,形式,分，恒值,/,随动控制系统,按信号,传递,形式分，连续,/,离散控制系统,按系统是否满足,叠加性,分，线性,/,非线性控制系统,按系统,执行装置,分，机电,/,液压,/,气压控制系统等,可以从不同角度对控制系统进行分类：,42,系统输入量为常值，要求被控量也等于常值。,系统的基本任务是当出现扰动时，使系统的输出量保持为恒定的期望值,工业产生中的温度、压力、流量、液面等参数的控制电力系统的电网电压、频率控制等,2.,程序控制系统,系统输入量按预定规律变化，系统的控制过程按预定的程序进行。,数控机床按预定程序自动地切削工件。,石油化学工业中的反应塔。,一,.,按输入量的特征,1.,恒值控制系统,43,系统输入量随时间任意变化。系统输出量常是机械位移、速度、加速度、力、力矩等机械量。,系统的基本任务是使系统输出量能快速、准确地跟随输入量变化。,机械加工中的仿形机床。,武器装备中的火炮自动瞄准系统、雷达跟踪系统、导弹目标自动跟踪系统,3.,伺服系统又称随动系统,44,系统的给定值为一定值，而控制任务就是克服扰动，使被控量保持恒值。,例如：电机速度控制、恒温、恒压、水位控制系统等。,1.,恒值控制系统：,45,2.,随动系统：,系统给定值按照事先不知道的时间函数变化，并要求被控量跟随给定值变化。,如：火炮自动跟踪系统、轮舵位置控制系统等。,46,3.,程序控制系统：,系统的给定值按照一定的时间函数变化，并要求被控量随之变化。,例如：,数控伺服,系统,47,自动化生产线：,48,二、连续控制系统和离散控制系统,控制系统中各部分的信号若都是时间,t,的连续函数，则称这类系统为连续控制系统。,在控制系统各部分的信号中只要有一个是时间,t,的离散信号，则称这种系统为离散控制系统。,脉冲和数码都属于离散信号。,计算机控制系统就是一种常见的离散控制系统。,计算机只能接受和处理数字信号，计算机的输出经,D/A,转换加给放大器，然后再去驱动执行元件，或由计算机直接输出数字信号，经数字放大器后驱动数字式执行元件。,49,三、线性控制系统和非线性控制系统,用非线性方程描述的系统，称为非线性系统。,线性系统特性,叠加性,齐次性,（均匀性）,如果微分方程或差分方程的系数为常数，则称为线性定常数系统；否则，称为线性时变系统。,可用线性微分方程或差分方程描述的系统，称为线性系统。,50,1-5,对控制系统的基本要求,控制系统应用于不同场合，对它有不同的性能要求。但从控制工程的角度来看，却有一些共同的标准。常见的评价系统优劣的性能指标基本有三个方面：,稳,、,快,、,准,。,二、快速性,一、稳定性,三、准确性,51,系统受外作用力后,其动态过程的振荡倾向和系统恢复平衡的能力。,一、稳定性,稳定性：,如果系统受外作用力经过一段时间，其被控量达到某一稳定状态，则系统是稳定的。,否则为不稳定的。,稳定系统的动态过程,r(t),t,0,c(t),1,r(t),c(t),不稳定系统的动态过程,(a),给定信号作用,c(t),(b),扰动信号作用,d(t),t,0,c(t),r(t),t,0,c(t),r(t),c(t),d(t),不稳定的系统是无法正常工作的。,52,一种过渡过程是收敛的，即过渡过程结束后，系统又趋于平衡状态，这类系统称为稳定的；,另一种过渡过程是发散的，这类系统称为不稳定的；,等幅振荡也被认为是不稳定的。,显然，系统稳定是保证系统能正常工作的首要条件。,53,通过动态过程时间长短表征。时间越短，表明快速性越好，反之亦然。,二、快速性,r(t),t,0,c(t),r(t),c,1,(t),c,2,(t),快速性表明了系统输出对输入响应的快慢程度,54,由输入给定值与输出响应的终值之间的差值,e,ss,大小表征。,三、准确性,r(t),t,0,c(t),r(t),c(t),e,ss,55,过渡过程结束后，输出量的期望值与实际值之差。,数控机床的加工误差小于,0.02,mm,。,一般恒速、恒温控制系统的稳态误差都在给定值的,1%,以内。,同一个系统，稳、快、准是相互制约的。,提高快速性，可能会引起系统强烈振动。,改善了平稳性，控制过程又可能很迟缓，甚至精度也会变差。,分析和解决这些矛盾，将是本学科讨论的重要内容。,56,1-6,自动控制系统的发展简史,经典控制理论（,19,世纪初）,时域法；,复域法（根轨迹）；,频域法,现代控制理论（,20,世纪,50,年代）,线性控制,最优控制,最佳估计,系统识别,自适应控制,鲁棒控制,容错控制,集散控制,大系统复杂系统,智能控制理论（,20,世纪,70,年代）,专家控制 模糊控制,神经网络 遗传算法,57,14001900,工业机器时代,亚历山大的,希罗,发明开闭庙门和分发圣水等自动装置,(100,年,),。,中国,张衡,发明水运浑象，研制出自动测量地震的候风地动仪,(132,年,),。,自动控制的发展简史,58,中国,马钧,研制出用齿轮传动的自动指示方向的,指南车,(235,年,),中国明代,宋应星,所著,工开物,记载有程序控制思想的,提花织机,结构图,(1637,年,),59,英国,J.Watt,用离心式调速器控制蒸汽机的速度,(1788,年,),60,钱学森,的,工程控制论,(,Engineering Cybernetics),(1954),61,62,美国,MIT,研制出第一台数控机床,(1952),63,美国研制出第一台,工业机器人样机,(1954),64,计算机集成制造,的概念,(1969),65,由加工中心和工业机器人组成的,柔性制造,单元,(1976),66,中国批准,863,高技术计划，包括自动化领域的计算机集成制造系统和智能机器人两个主题,(1986),67,世界第一颗人造地球卫星由苏联发射成功,(1957),68,苏联东方,-,号飞船载着加加林进入人造地球卫星轨道,人类宇航时代开始,了,(1961),。,69,苏联发射,“,月球,”,9,号探测器，,成功,(1966),。,三年后,(1969),，,美国,“,阿波罗,”,11,号把宇航员送上月球。,70,火箭部分,-2077,个传感器,阿波罗,10,（,1969,年,5,月,18,日）,飞船部分,-1218,个传感器，,对,3295,个测量参数进行检测。,阿波罗,11,(1969.7.16-24),阿波罗,10,阿波罗,11,71,“,勇气号,”,火星车留下的轮辙的照片,“,勇气号,”,拍摄的火星玄武岩的照片,2003,年,6,月,10,日,“,机遇号,”,拍摄的火星沙丘,2003,年,6,月,25,日,2004,年,1,月,3,日和,24,日分别登上火星,72,第一台火星探测器在火星表面软着陆,(1996),73,74,75,76,工业机器人,简单移物,77,军用机器人,美国,78,人形机器人操作机,79,小车跷跷板,2007,年全国电子设计大赛,80,本章小结,本章介绍了自动控制理论的应用领域、发展过程、基本方式和组成、分类以及基本要求等相关基本概念。通过一些控制系统实例讨论了手动控制、自动控制的工作原理、方框图。,81,掌握自动控制系统的基本概念、术语，了解自动控制系统的组成和分类。,掌握自动控制系统的基本控制方式（开环、闭环（反馈）控制、复合控制）及特点。,了解对自动控制系统的基本要求。,了解自动控制系统的定性分析方法。,了解本门课程的意义与作用。,82,重点：,自动控制系统中的有关概念名词及术语；自动控制系统开环控制与闭环控制的区分,;,自动控制系统的组成及工作原理。,83,1.,液位控制系统,图（,a,）是一个液位控制系统原理图。在这里，自动控制器通过比较实际液位与希望液位，并通过调整气动阀门的开度，对误差进行修正，从而保持液位不变。,图（,b,）是该控制系统的方块图。,自动控制系统习题,84,图（,a,）液位控制系统,85,控制器：比较、放大的作用,浮子：液面高度的反馈元件,Q2,为系统的干扰量,气动阀门：执行机构,被控对象：水箱,图（,b,）液位控制系统,86,希,望,液,位,实,际,液,肌,肉,、,手,阀,门,水,箱,眼,睛,（,I,I,I,）,相,对,应,的,人,工,操,纵,系,统,方,块,图,脑,87,给定电压,热电偶,输出电压,习题,88,当炉内实际温度与给定电位计表征的希望温度一致时，热电偶输出电压与给定电压相等，电动机不转动，系统相对平衡。当炉温因扰动出现偏差时（如炉温低于希望值），偏差电压经放大后驱动电动机转动，将调压器电刷向上移动，使电阻丝两端电压增大，从而使炉温升高，趋于希望值。,工作原理：,89,作业,1-3,1-4,90,