反馈控制系统的特性
3.Feedback Control System Characteristics-2014(反馈控制系统的特性)资料
7
• 取微小增量的极限形式,有
2018/10/15
张秦艳
Fundamentals for Control Engineering
控制工程基础
• 对开环系统 :T=G, 灵敏度 = 1. • 对闭环系统: 1. 对 G(s) :由 d ( u ) vdu 2 udv
t b a
G ( s)
Ka Km Kb K a K m Kt G1 ( s) H ( s) Kt Ra Ka Ra
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张秦艳
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( s)
[1/( Js b)] Td ( s) 1 ( K t K a K m / Ra )[1/( Js b)] ( K m K b / Ra )[1/( Js b)] 1 Td ( s) Js b ( K m / Ra )(K t K a K b )
张秦艳
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2018/10/15
Fundamentals for Control Engineering
控制工程基础
提要
• 掌握以下基本概念:
– – – – 偏差信号Deviation signal 误差信号Error signal 灵敏度Sensitivity 稳态误差Steady-state error
a
Y ( s)
2018/10/15
G( s) R( s ) 1 G( s)
E ( s)
张秦艳
1 R( s ) 1 G( s)
5
Fundamentals for Control Engineering
控制工程基础
3.2控制系统对参数变化的灵敏度 (Sensitivity)
自动控制原理反馈线性化知识点总结
自动控制原理反馈线性化知识点总结自动控制原理中,反馈线性化是一种重要的技术手段,用于对非线性系统进行线性化处理,以便于运用线性控制理论进行分析和设计。
本文将对反馈线性化的知识点进行总结。
一、反馈控制的基本原理反馈控制是指系统通过测量输出信号并与期望信号进行比较,从而产生控制信号作用于系统,使其输出信号趋近于期望值。
反馈控制可以提高系统的稳定性、精度和鲁棒性。
二、非线性系统的线性化1. 线性化的概念线性化是指通过近似处理使非线性系统在某一工作点附近表现出线性系统的特性。
线性化可以使非线性系统的分析和设计更加简化。
2. 线性化方法(1)泰勒级数展开法:通过对非线性函数进行泰勒级数展开,并保留一阶或二阶项,得到线性化后的系统模型。
(2)局部仿射变换法:通过适当的仿射变换,将非线性系统线性化为线性系统。
(3)偏微分方程法:对非线性系统的偏微分方程进行线性化处理,得到线性系统的模型。
三、反馈线性化的基本原理1. 概念反馈线性化是指通过设计反馈控制器,将非线性系统转化为线性系统。
2. 反馈线性化的步骤(1)选择工作点:选择一个具有良好控制性能的工作点作为线性化的基准。
(2)线性化建模:使用线性化方法得到系统在工作点附近的线性模型。
(3)设计反馈控制器:设计合适的反馈控制器,使得线性化后的系统具有期望的响应特性。
(4)验证和优化:通过仿真或实验验证线性化的效果,并对控制器进行优化。
四、反馈线性化的应用1. 飞行器控制在飞行器自动控制系统中,应用反馈线性化技术可以将飞行器的动力学模型线性化,从而进行姿态控制、航迹控制等任务。
2. 汽车悬挂系统控制反馈线性化技术可以将汽车悬挂系统的非线性特性线性化,实现对车身姿态的控制,提高汽车行驶的稳定性和舒适性。
3. 机器人控制在机器人的运动控制中,通过反馈线性化技术可以实现对机器人姿态和轨迹的精确控制,提高机器人的定位和导航能力。
五、反馈线性化的优缺点1. 优点(1)能够将非线性系统转化为线性系统,利用线性控制理论进行设计和分析。
反馈控制系统的特性
《现代控制系统》[美] R . C . 多尔夫,R . H . 毕晓普著第四章:反馈控制系统的特性4.1 开环和闭环控制系统既然我们已经能够设计出控制系统组成部分的数学模型,所以这节我们将研究控制系统的特性。
在1.1节,控制系统被定义为组成系统的各部分的互联关系,该系统是能够实现预定响应的。
因为理想系统响应是已知的,所以就会产生和偏差成比例的信号,这个偏差是理想响应和实际响应之间的差值。
在闭环过程中,利用这个偏差信号来控制信号输出的系统就叫做反馈系统。
这个闭环系统的操作过程如图4.1所示。
为了改善控制系统,引入反馈是非常必要的。
有趣的是,在自然环境中也存在这种反馈系统,例如生物和生理系统,在这些系统中反馈是与生俱来的。
例如,心脏控制系统就是一个反馈控制系统。
为了解释引入反馈以后系统的特性和好处,我们将举一个单一回路的反馈例子。
虽然很多控制系统都不是单一反馈的,但是单个回路反馈比较容易解释。
研究单个回路反馈能够最好地说明反馈回路的所有优点,然后我们再把它延伸到多个回路反馈系统。
没有反馈的系统通常被称为直接系统或开环系统,如图4.2所示。
与之相反的是闭环系统,如图4.3所示的负反馈控制系统。
没有反馈的开环{直接}系统就是对应与输入直接产生一个输出。
闭环控制系统就是对输出信号进行测量,然后与理想值进行比较,产生一个偏差信号,最后再把偏差信号送入调节器。
两种形式的控制系统都由相同的的方框图和信号流线图组成,但是,信号流线图对信号输出的结果起了主要作用。
一般情况下,H (s )等于1或者不是1的其他常数。
这个常数包括单位转换,例如,弧度转化为电压。
首先,我们先讨论H (s )=1时的单位反馈。
那么这时Ea(s)=E(s),并且Y(s)=G(s)E(s)=G(s)[R(s)-Y(s)]解出Y(s),得到()()()1()G s Y s R s G s =+ (4.1) 偏差信号是1()()1()E s R s G s =+ 因此,为了减小偏差,在S 的取值范围内,必须使[1+G (s )]的值远大于1。
自动控制题库答案
第一章1.开环控制和闭环控制的主要区别是什么?主要区别是有无输出量的反馈,将输出量和定值比较后形成差值反馈给对象的输入端,就是闭环控制,无此过程就是开环控制。
2. 电加热炉炉温控制中,热电阻丝端电压U及炉内物体质量M的变化,哪个是控制量?哪个是扰动?为什么?U是控制量,改变U可以控制温度的高低;M是扰动,它的增减对温度产生不希望的影响,即影响炉温的高低。
3. 简述自动控制所起的作用是什么?作用是在人不直接参与的情况下,使某些被控量按指定规律变化。
4.恒值调节和随动调节的区别是什么?恒值调节的给定量为一常值,随动调节的给定量是个随时间变化的不能预知的量。
5. 简述自动控制电加热炉炉温控制的原理。
1)由热电偶测得炉温2)和给定温度值比较3)温度差大于0,则减小电炉电压使炉温降低,反之则增大电压。
6.比较被控量输出和给定值的大小,根据其偏差实现对被控量的控制,这种控制方式称为闭环控制。
7.简述控制系统由哪三大部分组成?测量,比较,控制1.反馈控制系统是指:a.负反馈 b.正反馈答案a.负反馈2.反馈控制系统的特点是:答案控制精度高、结构复杂3.开环控制的特点是:答案控制精度低、结构简单4.闭环控制系统的基本环节有:给定、比较、控制、对象、反馈5.自控系统各环节的输出量分别为:给定量、反馈量、偏差、控制量输出量。
6.自控系统的数学模型主要有以下三种:微分方程、传递函数、频率特性7.实际的物理系统都是:a.非线性的 b.线性的 a.非线性的8.线性化是指在工作点附近用代替曲线。
切线9.传递函数等于输出像函数比输入像函数。
10.传递函数只与系统结构参数有关,与输出量、输入量无关。
11.惯性环节的惯性时间常数越大,系统快速性越差。
12.二阶系统阻尼系数>1,系统就不会出现过调。
13.最佳阻尼系数ξ=0.707。
14.小时间迟后环节可近似为惯性环节。
15.分析某一时间的误差可用:a.终值定理 b.误差级数 c.拉氏反变换。
自控所有答案 教材:《现代控制系统》(第八版)谢红卫等译 高等教育出版社,2001.6
被测变量:功率
控制装置:微处理器
#
P1.7[解]
正反馈占优
时间误差
#
P1.11[解]
利用浮球保持水箱的液面高度,使得滴水孔的流水量均衡,从而使得液面高度与时间成线性关系,保持了水钟的准确度。
#
E2.4[解]
#
E2.5[解]
#
E2.8[解]
#
E2.26[解]
#
P2.7[解]
#
P2.8[解]
subplot(2,1,2),step([2,16],[1,6,16],t),
#
P5.4略
AP5.4略
E6.4[解]
令首列不变号的:
#
E6.6[解]
令s1列全为0得
由
#
P6.6[解]
略
#
AP6.3[解]
略
#
E7.1[解]
(a)>> rlocus([1,4,0] ,[1,2,2])
(b)
令
得:
(c)对应闭环极点(特征根)为
#
P9.2[解]
1)像点映射:
K=4;
num=[K];den =[1,1,4,0];
Gs=tf(num,den);nyquist(Gs);
2)围线与实轴负向的交点为:
令虚部为零得 ,
此时,频率特性函数的实部为:
所以,K的最大取值为 #
P9.4[解]略#
10.1、已知系统如下所示, ,
试设计控制器Gc(s),要求系统在单位阶跃输入下性能指标如下:
P180
E4.1、E4.4、P4.8
AP4.8
MP4.2
第五章反馈控制系统的性能
P235
单位负反馈控制系统G
单位负反馈控制系统G(s)=4/s(s+1)引言:单位负反馈控制系统是自动控制理论中的一个重要概念,它广泛应用于各种工程和技术领域。
单位负反馈控制系统的传递函数G(s)描述了系统输出与输入之间的关系,对于分析和设计控制系统具有重要意义。
本文将深入探讨单位负反馈控制系统G(s)=4/s(s+1),分析其特性、应用和优势。
一、单位负反馈控制系统的基本原理单位负反馈控制系统是一种闭环控制系统,其中系统的输出与输入之间存在一个负反馈回路。
这个负反馈回路将系统的输出信号与输入信号进行比较,并调整系统的控制信号,以达到期望的控制效果。
单位负反馈控制系统的传递函数G(s)描述了系统输出与输入之间的关系,它是系统稳定性、响应性和鲁棒性的关键因素。
二、G(s)=4/s(s+1)的特性分析1. 稳定性:传递函数G(s)=4/s(s+1)的零点位于s=-1和s=0,其中s=-1是一个稳定的零点,而s=0是一个不稳定的零点。
这意味着系统在s=-1时具有稳定性,但在s=0时可能存在振荡或发散的行为。
因此,为了确保系统的稳定性,需要采取适当的控制策略来补偿不稳定的零点。
2. 响应性:传递函数G(s)=4/s(s+1)的分母为s(s+1),这意味着系统在低频区域具有较快的响应速度,而在高频区域响应速度较慢。
因此,系统在处理低频信号时能够迅速响应,而在处理高频信号时可能存在延迟或振荡的问题。
3. 鲁棒性:传递函数G(s)=4/s(s+1)的分子为常数4,这表明系统对于输入信号的幅度变化具有一定的鲁棒性。
然而,由于分母包含s(s+1)项,系统对于输入信号的变化频率较为敏感,可能存在频率响应的问题。
三、单位负反馈控制系统的应用1. 工程领域:单位负反馈控制系统广泛应用于各种工程领域,如机械控制、电子电路、化学工艺等。
通过合理设计控制器的传递函数,可以实现系统的稳定控制、精确控制和快速响应。
2. 机器人控制:单位负反馈控制系统在机器人控制中起着重要作用。
线性反馈控制系统的基本结构及其特点
求得ωb≈9.0;综合考虑响应速度和带宽要求,取ωn=10。于是,
闭环主导极点为s1,2=-7.07±j7.07,取非主导极点为s3=-10ωn=100。
第6章 线性定常系统的综合
(3)确定状态反馈矩阵K。状态反馈系统的特征多项式为
第6章 线性定常系统的综合
定理6.6-受控系统(A,B,C)通过状态反馈实现解耦控制的
环极点任意配置的充要条件是该受控系统状态完全可观。
证 根据对偶原理,如果受控系统Σ0(A,B,C)可观,则对偶系
统Σ0(AT,BT,CT)必然可控,因而可以任意配置(AT-CTHT)的特征
值。而(AT-CTHT)的特征值与(A-HC)的特征值是相同的,故当
且仅当Σ0(A,B,C)可观时,可以任意配置(A-HC)的特征值。
减小ζ,这就会使系统最大超调 Mp 增大。可见只靠调整增益
K 无法同时使ζ和ωn 都取最佳值。这从根轨迹来看,由于可调
参数只有 K,故系统特征根,即闭环极点只能在系统的根轨迹
这条线上,而无法在根轨迹以外的s 平面的其他点上实现。
第6章 线性定常系统的综合
方法二:状态反馈法。
第6章 线性定常系统的综合
图6-9 模拟结构图
第6章 线性定常系统的综合
第6章 线性定常系统的综合
第6章 线性定常系统的综合
图6-10 加入状态反馈后的模拟结构图
第6章 线性定常系统的综合
6.2.2 输出反馈极点配置
输出反馈有两种方式
(1)采用从输出到ሶ 反馈,如图6-3所示。
定理6.4 对受控系统采用从输出到ሶ 的线性反馈实现闭
图6-4 控制系统结构图
前馈反馈控制系统
前馈—反馈复合控制系统摘要流量是工业生产过程中重要的被控量之一,因而流量控制的研究具有很大的现实意义。
锅炉的流量控制对石油、冶金、化工等行业来说必不可少。
本论文的目的是锅炉进水流量定值控制,在设计中充分利用自动化仪表技术,计算机技术,自动控制技术,以实现对水箱液位的过程控制。
首先对被控对象的模型进行分析,并采用实验建模法求取模型的传递函数。
然后,根据被控对象模型和被控过程特性并加入PID调节器设计流量控制系统,采用动态仿真技术对控制系统的性能进行分析。
同时,通过对实际控制的结果进行比较,验证了过程控制对提高系统性能的作用。
随着计算机控制技术的迅速发展,组态技术开始得到重视与运用,它能够很好地解决传统工业控制软件存在的种种问题,使用户能根据控制对象和控制目的任意组态,完成最终的自动化控制工程。
关键词:流量定值;过程控制;PID调节器;前馈控制;系统仿真目录一.前馈控制1.前馈控制的定义2.换热器前馈控制二.前馈控制的特点及局限性1.前馈控制的特点2.前馈控制的局限性三.反馈控制1.定义2.反馈控制的特点四.复合控制系统特性1.前馈-反馈复合控制原理2.复合控制系统特点五.小结六.参考文献一、前馈控制1.前馈控制的定义前馈控制(英文名称为Feedforward Control),是按干扰进行调节的开环调节系统,在干扰发生后,被控变量未发生变化时,前馈控制器根据干扰幅值,变化趋势,对操纵变量进行调节,来补偿干扰对被控变量的影响,使被控变量保持不变的方法。
2.换热器前馈控制在热工控制系统中,由于控对象通常存在一定的纯滞后和容积滞后,因而从干扰产生到被调量发生变化需要一定的时间。
从偏差产生到调节器产生控制作用以及操纵量改变到被控量发生变化又要经过一定的时间,可见,这种反馈控制方案的本身决定了无法将干扰对被控量的影响克服在被控量偏离设定植之前,从而限制了这类控制系统控制质量的进一步提高。
考虑到偏差产生的直接原因是干扰作用的结果,如果直接按扰动而不是按偏差进行控制,也就是说,当干扰一出现调节器就直接根据检测到的干扰大小和方法按一定规律去控制。
反馈控制系统的特性
E ( s ) 1 R ( s ) G ( s ) T d ( s ) G c ( s ) G ( s )N ( s ) 1 G c ( s ) G ( s ) 1 G c ( s ) G ( s ) 1 G c ( s ) G ( s )
6
二、系统灵敏度定义
系统灵敏度定义为系统传递函数的变化率与对象传递函数(或参数)的变 化率之比。
S T T lnT GG lnG
显然,对开环系统 S=1。闭环系统灵敏度为:
T(s) G(s) 1G(s)H(s)
SG T G TG T[1G 1 H ]2G(1G GH )1G(1 s)H(s)
关于系统灵敏度和鲁棒性的深入讨论见教材第12章。
第三章反馈控制系统的特性feedbackcontrolsystemcharacteristics本章主要内容本章主要内容工程应用本章目标深刻认识误差在系统分析中的重要地位充分理解反馈对消除干扰噪声和参数变化对系统影响的作用理解系统对动态响应和静态响应控制的区别明白反馈的作用和代价参阅教材第4章p15117931反馈控制系统工程应用中的两大类自动控制系统
S (s) 1 1
灵敏度✓ 函C数(s)+S(s)=1,两者不可能同时小,必须折
F (s) 1 L(s)
中。
C (s) L(s) 1 L(s)
灵敏度补✓偿具函体数讲,要有效消除扰动的影响,需要大 的开环增益L(s)或者大的控制器增益Gc(s);
要有效消除噪声影响,必须有小的开环增益
1
G(s)
第三章 反馈控制系统的特性 Feedback Control System Characteristics
简述控制系统的特点
简述控制系统的特点控制系统是实现过程控制、设备运行管理以及系统优化的重要组成部分,其特点主要包括以下几点:1.目的性:控制系统具有明确的目标,即通过调控手段使被控对象的输出状态达到预期设定值或满足特定性能指标。
无论是工业生产过程还是其他领域,控制系统都旨在保持系统稳定运行,并在变化条件下维持目标性能。
2.反馈机制:控制系统的核心特点是基于反馈原理进行工作,它通过传感器获取系统的实际输出信号(称为反馈信号),并与设定的理想输出值进行比较,产生偏差信号,然后根据偏差采取相应的控制动作以减少误差。
3.动态响应与稳定性:控制系统需具备良好的动态响应特性,能够快速准确地响应外部扰动和内部参数变化,同时确保系统在各种工况下都能保持稳定,不发生振荡或失控现象。
4.自适应性:优秀的控制系统应具有一定的自适应能力,即能随着环境条件、负载需求或系统本身特性的变化而自动调整控制策略,以保证系统始终处于最优或接近最优的工作状态。
5.鲁棒性:鲁棒性是指控制系统在面对不确定性、噪声、参数变化以及未知干扰时仍能保持稳定性和控制性能的能力。
6.可控性与可观测性:一个有效的控制系统需要确保被控对象的状态是可以控制和观测的,这样才能对系统的状态有清晰的认识并实施有效控制。
7.结构化设计:控制系统通常由输入、控制器、执行器及被控对象等组成,它们之间通过合理的连接和算法设计形成一个完整的闭环系统。
8.智能化:现代控制系统越来越多地融入了智能技术,如模糊逻辑控制、神经网络控制、专家系统控制、预测控制等,使得系统不仅能在正常情况下良好运行,还能处理复杂、非线性或不确定性的控制问题。
9.灵活性与可扩展性:好的控制系统应该具有灵活配置和升级扩展的功能,以便随着应用需求的变化进行相应的更新与优化。
电力拖动自动控制系统复习题及答案
一、基础题1、反馈控制系统的作用是:抵抗扰动,服从给定。
2、带比例放大器的反馈控制闭环调速系统是有静差的调速系统,采用比例积分(PI)调节器的闭环调速系统是无静差的调速系统。
3、实际上运算放大器的开环放大系数并不是无穷大,特别是为了避免零点飘移而采用准IP调节器。
4、对于调速系统,最重要的动态性能是抗扰性能,主要是抗负载扰动和抗电网电压扰动的性能。
5、调速系统的动态指标以抗扰性能为主,而随动系统的动态指标则以动态跟随性能为主。
6、超调量的表达式为:δ=(Cmax-C∞)/C∞×100%。
7、在基频以下,磁通恒定时转矩也恒定,属于恒转矩调速性质,而在基频以上,转速升高时转矩降低,属于恒功率调速。
8、当电动机由三相平衡正弦电压供电时,磁链幅值一定时,u S的大小与电压角频率δ1 成正比,其方向则与磁链矢量正交。
9、调速系统的动态性能就是抵抗扰动的能力。
10、抗扰性能是反馈控制系统最突出的特征之一。
11、转速反馈闭环调速系统的精度信赖于给定和反馈检测精度。
12、比例调节器的输出只取决于输入偏差量的现状;而积分调节器的输出则包含了输入偏差量的全部历史。
13、在起动过程中转速调节器ASR经历了快速进入饱和、饱和、退饱和、三种情况。
14、自动控制系统的动态性能指标包括:跟随性能指标和扰动性能指标。
15、动态降落的表达式为:(△Cmax/Cb) ×100%。
16、基频以上变频调速属于恒功率调速。
17、异步电机的动态数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统。
18、两种最基本的直流调速方式为:调压调速方式和弱磁调速方式。
19、在典型II型系统性能指标和参数的关系分析中,引入了h,h 是斜率为–20dB/dec的中频段的宽度,称作中频宽。
20、Ws*+W =W1* 是转差频率控制系统突出的特点或优点。
21、异步电机的数学模型由电压方程、磁链方程、转矩方程和运动方程组成。
22、转速电流双闭环调速系统在起动的恒流升速阶段中,转速调节器是饱和的,电流调节器是不饱和的。
数字反馈PID
六、反馈补偿
• 压电陶瓷的非线性,表现出具有滞后性质, 导致在上坡扫描与下坡扫描的性质不一样, 总体地说,上坡扫描时不偏差信号会大, 而在下坡时偏差信号会比较小。
• 因此,采用补偿的方法,原理如下
七、SPM数字PI控制器流程图
• 增量式的优缺点: 误动作时影响小,算式中不需要累加等; 但积分截断效应大,有静态误差;溢出的 影响大。
四、SPM数字反馈控制器硬件原理
Vin可以是放大 后的探头信号
五、SPM数字PID控制器软件设计
• 两部分:接口程序和反馈程序 接口程序位于DSP程序的功能层,负责
与DSP的实现层通讯,完成反馈参数的初 始化设置;
一、反馈控制系统(1)
• 反馈原理:根据系统输出变化的信息来进
行控制,即通过比较系统行为(输出)与 期望行为之间的偏差,并消除偏差以获得 预期的系统性能。
一、反馈控制系统(2)
• 组成三要素:控制器、受控对象和反馈通
路。
• 作用:具有抑制干扰的能力,改善系统的
响应特性
• 分类: 按效果分类:
①负反馈——维持稳态,但滞后、波动; ②正反馈——加速生理过程
• 要求:采样周期足够短。
• 分类:位置式PID控制算法和增量式PID控 制算法
三、数字PID——位置式(2)
• 输出值:控制量的绝对值
三、数字PID——增量式(3)
• 输出值——控制量的增量
位置式与增量式比较
• 位置式的缺点:
全量输出,每次输出均与过去的状态有关,需 要对e(k)进行累加,运算工作量大;u(k)大幅度变 化时,会引起执行机构位置的大幅度变化。
《反馈与控制》课件
03
控制系统设计
控制系统设计的基本原则
01
02
03
04
稳定性原则
确保系统在各种条件下都能稳 定运行,避免出现振荡或失控
。
准确性原则
在满足稳定性的基础上,尽量 提高系统的控制精度,减小误
差。
鲁棒性原则
设计控制系统时应考虑使其对 参数变化和扰动具有较强的适
应性。
经济性原则
在保证性能的前提下,尽量降 低控制系统的成本。
反馈和控制系统的组成
输入部分
接收外部输入信号,并 将其传输到处理部分。
处理部分
对输入信号进行处理, 计算出控制信号并传输
到输出部分。
输出部分
根据控制信号调统输出信号反馈到 处理部分,形成闭环控
制。
反馈和控制系统的分类
01
02
03
按控制方式分类
开环控制系统和闭环控制 系统。
。
控制系统的优化设计
性能优化
通过调整系统参数或结构,提高系统的动态 性能和稳态性能。
成本优化
在满足性能要求的前提下,降低控制系统的 成本。
鲁棒性优化
增强系统对参数变化和扰动的抵抗能力,提 高系统的稳定性。
可靠性优化
提高控制系统的可靠性和可用性,降低故障 发生的概率。
04
控制系统在实践中的应用
工业控制系统
智能家居控制
总结词
实现家居设备的互联互通、智能化管理和节能控制。
详细描述
智能家居控制系统通过将各种家居设备连接到网络中,实现对设备的远程控制、定时控制和智能推荐等功能,提 高家居生活的便利性和舒适性,同时实现能源的节约利用。常见的智能家居控制系统包括智能音箱、智能插座等 。
自动控制原理闭环系统知识点总结
自动控制原理闭环系统知识点总结一、引言自动控制是现代科学技术的重要组成部分,而闭环系统作为自动控制的基础之一,在工程实践中具有广泛的应用。
本文将对闭环系统的相关知识点进行总结和归纳,旨在帮助读者更好地理解和应用闭环系统。
二、闭环系统的定义与组成闭环系统又称反馈控制系统,是指通过测量被控对象的输出信号,并与期望值进行比较,将比较结果反馈给控制器,根据反馈信息进行调节,从而使被控对象的输出信号接近期望值的一种控制系统。
闭环系统主要由被控对象、传感器、控制器和执行器等组成。
1. 被控对象:闭环系统中需要被控制的物理或数学模型,可以是机械装置、电子电路或工业过程等。
2. 传感器:用于检测和测量被控对象的输出信号,并将其转化为电信号输入到控制器。
常见的传感器有温度传感器、压力传感器等。
3. 控制器:根据传感器测量的反馈信息和期望值,采取相应的控制策略,输出控制信号,调节被控对象的行为。
控制器可以是模拟控制器或数字控制器。
4. 执行器:接收控制器输出的控制信号,并转化为物理效应,对被控对象进行调节。
执行器可以是马达、电动机或阀门等。
三、闭环控制的基本原理闭环控制系统的基本原理是通过比较被控对象的输出信号与期望值的差异,将差异作为反馈信息反馈给控制器,控制器对被控对象进行调节。
闭环控制系统的基本流程如下:1. 传感器测量被控对象的输出信号,将信号转化为电信号。
2. 控制器接收传感器的测量信号,并与期望值进行比较,计算出控制信号。
3. 执行器接收控制信号,并对被控对象进行相应的调节。
4. 传感器再次测量被控对象的输出信号,并将测量结果反馈给控制器。
5. 控制器根据反馈信息与期望值的比较结果,调整控制信号,进一步改变执行器对被控对象的调节。
四、闭环系统的优势闭环控制系统相比于开环控制系统具有以下优势:1. 鲁棒性强:闭环系统通过反馈信息不断对被控对象进行调节,可以有效地抵抗外界干扰和系统参数变化,提高系统的稳定性和鲁棒性。
自动控制理论重点考点归纳
判断1、反馈控制系统具有任何抑制内外扰动对被控量产生影响的能力,能较好的控制精度。
对2、原函数经过拉氏变换后得到象函数。
对3、线性系统的(闭环)极点均位于左半s 平面,系统稳定。
错4、根轨迹可用于分析系统稳态性能和动态性能。
对5、对数幅相曲线是以角频率w(lgw)为横坐标对数幅值与相角(υw)为纵坐标的。
错6、最小相位惯性环节和非最小相位惯性环节,其幅频特性相同,相频特性符号相反。
对7、一反馈控制系统,有五个开环正实部极点,半闭合曲线顺时针(逆时针)包围(-1,j0)点五圈,则系统稳定。
错8、相角裕度和截止频率属于开环频域性能指标。
对9、与连续控制系统一样,在离散控制系统中,变化前向通路中不同环节的相对位置,不会影响系统的开环脉冲传递函数。
错10、不同连续信号得到的采样信号一定不同。
错11、采用(负)反馈并利用偏差进行控制的过程称为反馈控制。
错12、通过拉普拉斯反变换可根据象函数得到原函数。
对13、线性系统在初始条件为零时,受到单位阶跃信号(脉冲信号)作用时,系统输出在t 趋近于正无穷条件下趋于0,即说该系统稳定。
错14、根轨迹是指根轨迹增益(开环系统某一参数)从零变到无穷大时,系统闭环特征根大复平面上变化的轨迹。
错15、幅相曲线是绘制在以角频率w 为横坐标幅值为纵坐标的复平面上的曲线错16、传递函数互为倒数的典型环节,其幅相曲线关于实轴(对数幅频曲线关于0db, 相频关于0°线)对称。
错17、一反馈控制系统,有4 个开环正实部极点,半闭合曲线从上向下穿越(-1,j0)点左侧实轴两次,则该系统稳定。
对18、截止频率和带宽频率(闭环)是两个常用的开怀频域性能指标。
错19、在离散控制系统中,采样开关位置的变化不影响系统的开环脉冲传递函数,但会影响系统的闭环脉冲传递函数。
错20.同一采样信号有可能对应不同的连续信号。
对简答题1,对控制系统的基本要求1.稳定性稳定性是系统正常工作的必要条件。
2 .准确性要求过渡过程结束后,系统的稳态精度比较高,稳态误差比较小.或者对某种典型输入信号的稳态误差为零。
控制系统的特性分析
为了提高控制系统的鲁棒性,可以采用多种措施,例如引入滤波器、采 用鲁棒控制算法等。这些措施能够减小不确定因素对系统性能的影响, 提高系统的鲁棒性。
03 控制系统的性能指标
调节时间
总结词
调节时间是指控制系统达到稳定状态所需的时间。
详细描述
调节时间是评估控制系统性能的重要指标,它反映了系统对外部扰动或变化响应 的快慢。较短的调节时间意味着系统能够更快地达到稳定状态,从而提高生产效 率。在分析调节时间时,通常采用系统的阶跃响应曲线来评估其性能。
02 控制系统的基本特性
稳定性
稳定性的定义
稳定性是控制系统的重要特性,指系统在受到扰动后能否回到原始平衡状态的能力。如果系统受到扰动后能回到原始 平衡状态,则称系统是稳定的。
稳定性的分类
根据系统回到平衡状态的快慢,稳定性可以分为超调和欠调。超调是指系统在达到新的平衡状态之前,其输出值超过 其新的平衡值;欠调则是指系统在达到新的平衡状态之前,其输出值低于其新的平衡值。
稳定性的判定方法
判定系统稳定性的方法有多种,包括劳斯判据、赫尔维茨判据、奈奎斯特判据等。这些方法通过分析系 统的极点和零点,可以判定系统的稳定性。
动态特性
动态特性的定义
动态特性的描述
动态特性的优化
动态特性是指系统在输入信号的作用 下,其输出信号随时间变化的特性。 动态特性反映了系统的响应速度、超 调和调节时间等性能指标。
能源管理
工业控制系统可以对工厂或车间的能源使用进行 监控和调节,通过实时数据采集和反馈控制,实 现能源的有效利用和节约。
质量检测
工业控制系统集成各种传感器和检测设备,对生 产过程中的产品进行实时检测,确保产品质量符 合标准。
控制系统反馈
例:单闭环比值控制系统与串级控制系统的区别
区别: 串级控制系统有两个闭合回路,而单闭环比 值控制系统只有一个回路,其中主变量没有构成回 路,主变量是不受限制的;串级控制系统的副变量 对主变量有影响,而单闭环比值控制系统中的副变 量的变化不影响到主变量;另外,串级控制系统有 两个调节器,单闭环比值控制系统有一个调节器, 一个比值器组成。
如果反馈信号ym不取负值,而取正值.反 馈信号使原来的信号加强,那么就叫做正 反馈。此时偏差信号e= ys + ym。
•负反馈应用
在自动控制系统中都采用负反馈。因为 只有负反馈,才能使被控变量y受到干扰的 影响而升高时,反馈信号ym将升高, 经比较 而到调节器的偏差信号e将降低,此时调节 器发出调节信号而使调节阀的开度发生变 化,变化的方向为负.从而使被控变量下 降回到给定值.这样就达到了控制的目的。
如果采用正反馈,那么控制作用不仅
不能克服干扰的影响,反而是推波助澜, 即当被控变量受到干扰升高时, ym亦升高,
调节阀的动作方向是使被控变量进一步升 高,而且只要有一点微小的偏差。调节作 用就会使偏差越来越大,直至被控变量超 出了安全范围而破坏生产。所以控制系统 绝对不能单独来用正反馈 。
气开阀与气关阀
对于测量元件及变送器.其作用 方向一股都是“正”的,因为当彼控 变量增加时,其输出量一般也是增加 的,所以在考虑整个控制系统的作用 方向时,可不考虑测量元件及变送器 的作用方向(因为它总是“正”的)。
执行器的作用方向
对于执行器.它的作用方向取决于是 气开阀还是气关阀。当控制器输出信号 (即执行器的输入信号)增加时,气开阀 的开度增加,因而流过阀的流体流量也增 加,故气开阀是“正”方向。反之、由干 当气关阀接收的信号增加时,流过阀的流 体流量反而减少,所以是“反”方向。
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• 下列说法正确的是
A、闭环控制都是自动的控制系统 B、开环控制都是人工的控制系统 C、闭环控制一定比开环的好 D、按时间顺序进行的控制都是开环控制
输入量:作用于控制系统的物理量,可分为使系 统具有预定功能的控制输入量(简称控制量)和破 坏系统控制输入量和输出量之间预定规律的干扰 输入量(简称干扰或扰动量)。 输出量:控制系统或被控对象的需要进行控制的 物理量。
锅内的温度
脱粒机
接通电源的 脱粒机脱粒
电信号
的量
红外线自动 红外装置检测到 水龙头 人手发出的信号
.
出水量
一、开环控制系统 1、什么是开环控制系统
定义:控制系统的输出量不对 系统的控制产生任何影响。
.
游泳池注水1
一般情况下,一池水需要很长的时间才能灌满, 如果由人工控制整个注水过程,很费时间 。
• ①压力锅的加热、升温、升压过程
• 把加热炉具与压力锅看成一个系统,压力锅体因外部加 热而升温,分析加热的过程。输入量——接通电源或点 火,输出量——锅体升温、锅内升压以及排气孔排气。 控制过程如下图所示,与用炉火加热普通锅体的过程相 同,属于开环自动控制。 .
②压力锅的恒压、恒温控制过程 压力锅能够保持锅内压力与温度恒定,主要是依靠 了压在排气阀上的重锤的作用,因此还可以分析重 锤对锅内压力的控制过程。输入量——重锤的重量, 输出量——锅内气体的压力(温度),在输入端重 锤重力与锅内压力(反馈量)进行比较,力的差值 通过重锤控制排气孔的排气量,该过程属于闭环自 动控制过程。
• 谁不懂写,请举手。 • 当你 明确“芝麻开门”声控开门系统是开
环控制系统之后方框图 • 你可以把开环控制系统方框图拿出来,想
一想,控制器、执行器、被控对象分别是 什么?
.
• 2、公共汽车车门的开关控制。
.
小试验:闭上眼睛写“控制系统” 要求体验输出、输入、控制器、执行器、被控对象
分别是什么。
.
2、开环控制系统的组成方框图
控制量
输入 控制器 执行器
被控对象 输出
抓罪犯
公安局
法院
罪犯
依法判刑
控制器:对输入信号进行处理并发出 控制命令的装置或元件,如控制电路。
执行器:直接对被控对象进行控制的
装置或元件。
.
《一千零一夜》里的一个故事:阿 里巴巴和四十大盗的故事
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• 请写出“芝麻开门”声控开门系统的控制 方框图,有兴趣的同学课后可以制作模型, 把神话变成现实。
输入量:老师的指令 输出量:所写的字 分析:大脑——控制器,手——执行器,笔——被控对象
输入量:老师的指令 输出量:所写的字 分析:大脑——控制器,手——执行器,笔——被控对象
.
• 请同学们课后去试验:睁开眼睛写“控制系统” 四个字。
• 思考:闭上眼睛写字与睁开眼睛写字的区别在 哪里?为什么?
• 以色列的“定点清除”,能够把炮弹打到几千 公里以外的行驶的汽车,这是为什么?是不是 炮弹长了“眼睛”?对了,正是炮弹长了“眼 睛”,这不是普通炮弹,而是导弹。导弹打得 准是因为它具备了自动修正的能力。
.
.
• 分析这样一个控制问题,首先要界定所考察的系统范 围。从整体效果上看,该控制过程的输入量是加热锅体, 加热锅体导致的三个结果:锅体升温、锅内升压以及排 气孔排气,都是输出量,而输出量并未反馈回来影响输 入量,因此它是一个开环控制系统。而更细致的分析, 应该把升温过程与恒压/恒温过程分别进行分析。分析 时考察的系统范围不同,结论也不同。
统,比如:各种放大电路中的增益控制;环境的
温度、湿度、水位、压力的控制;机械结构的位
置控制、速度控制等等。因此常常使人觉得:闭
环控制是复杂的、精确的、自动的控制方式,而
开环控制相对的简单、粗糙和非自动。这种感觉
常常造成初学者在分析系统时的误判,需要特别
注意。
.
• 以普通家用压力锅的温度控制过程为例,在密 闭状态下,锅内的温度与压力呈对应关系。加热 锅体,锅内温度逐步升高,锅内压力也随之升高; 当锅内的压力达到设定值时,高压将顶开压在排 气阀上的重锤,排出蒸汽,使锅内压力降低,压 力的降低又造成温度的降低。由于重锤的重量是 恒定,因此当温度达到设定值之后,加热量和排 气量将呈动态平衡,锅内压力保持在高于大气压 力的一个恒定值上,锅内温度也保持在高于常压 水的沸点温度的一个恒定值上(一般为110℃左 右),不再继续升高。过程如下图所示:
什么是控制系统
任何一种控制的实现,都应通过若干个环节, 这些环节就构成了一个系统---控制系统。
为了分析的方便,我们一般用框图的形式描述 一个控制系统,这种图称为控制系统方框图。
控制系统方框图的输入和输出之间是有一定的 关系的。
控制系统通常又分为开环控制系统和闭环控制 系统。
.
输入
输出
电饭煲
接通电源的 电信号
如果进水管的进水量是均匀的,游泳池中的 水位高度与进水的时间是一一对应的。我们可以 在注水口处装一个定时器,通过定时器来控制注 水过程(时间)。
设定注 入时间
(输入)
定时器
流水量
进水阀
游泳池
游泳池 的水位
(输出)
.
开环控制系统的例子
红外自动门
.
红外线自动门
人靠近门
红外线 控制
旋转量
电动机
门
打开门
第三章反馈控制系统 的特性
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自行车的速度控制
脚踩的力 (输入)
脚蹬曲柄链轮 中轴链条飞轮
行使的速度 (输出)
一定范围内输入的力与. 输出的速度 是成正比的。
电风扇的风速控制
电风扇风 速的挡位
(输入)
电机
扇叶
电风扇 的风速
(输出)
选择不同的挡位输入,输出的风速不 同,一个挡位对应着一个风速。
.
一、控制系统
• 睁开眼睛写字是否具备自动修正的能力? • :在控制系统中如何才能具备自动修正的能力?
这就是我们下节课程要学习的闭环控制系统
.
• 闭环控制系统
控制过程中有反馈环节可以把控制结果反馈回 来与期望值进闭合回路
特点 实时的 连续的 反馈环节必须对控制作用产生影响 比如空调房间温度的控制,只要房间实际 温度和设定的温度有误差,它就要实施控 制,直到实际温度和设定的温度相等,控 制过程就结束。 .
.
开环控制与闭环控制的区别
.
• “开环控制”与“闭环控制”的区别就在于控制
系统中有无反馈环节,所谓闭环控制就是存在反
馈环节的控制。这样的系统能够适时地检测控制
的输出结果,并将检测到的信息通过反馈环节反
映到输入端,调整输入量,达到修正控制误差、
提高控制精确度的目的。反馈技术被广泛应用在
各种需要精确控制的系统中,尤其是电子控制系