01 第一章自动控制的一般概念(第一讲)

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基本概念
• 1 自动控制 •
利用控制装置操纵受控对象,使其被控量按技 术要求变化。 2 对象 是一个设备,它是由一些机器零件有机地组合 在一起的,其作用是完成一个特定的动作。在下面 的讨论中,称任何被控物体(如加热炉、化学反应 器或宇宙飞船)为对象。 称任何被控制的运行状态为过程,其具体例子 如化学过程、经济学过程、生物学过程。
烘烤炉温控制系统
• 被控对象: 烘炉 • 被控量:炉温T • 扰动作用:工件、环 境温度、煤气压力等 • 控制作用:煤气流量 • 测量元件:热电偶
• 给定装置:给定电位计 • 比较装置、计算装置:放大器(Ur、UT反接, △U=Ur-UT) • 执行机构:电动机及传动装置
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历史的回顾
• 20世纪40年代,频率响应法为闭环控制系统提供了一种可 行方法,Evans提出并完善了根轨迹法。
• 20世纪50年代末,控制系统设计问题的重点从设计许多可 行系统中的一种系统,转到设计在某种意义上的最佳系统。 • 20世纪60年代,数字计算机的出现为复杂系统的基于时域 分析的现代控制理论提供了可能。 • 从1960年到1980,确定性系统、随机系统的最佳控制,及 复杂系统的自适应和学习控制,都得到充分的研究。 • 从1980年到现在,现代控制理论进展集中于鲁棒控制、H∞ 控制及其相关课题。
• 电机反转关小阀门,减少供 气量,炉温下降,直至 UT=Ur为止
基本概念
• 控制器----控制装置 • 被控对象----被控制的设备或工作机械 • 被控量(或输出量)----被控对象内要求实现自动控制的物 理量
• 自动控制系统----控制器和被控对象的总体
• 系统的输入量----控制系统中,影响系统输出的外界输 入可分为给定输入量和扰动输入量 • 给定输入(参考输入)----决定系统输出量的变化规律或要 求值 • 扰动输入----系统 不希望但又客观存在的外作用
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控制理论
• 古典控制理论 以传递函数为基础研究单 输入-单输出一类定常控制 系统的分析与设计问题。 • 现代控制 以状态空间法为基础,研
究多输入-多输出、时变、
非线性一类控制系统的分 析与设计问题。系统具有 高精度和高效能的特点。
这些理论由于其发展较早,

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1.4 自动控制系统的分类
• 线性系统 • 非线性系统 • 连续系统
按系统性能分
• 离散系统
• 定常系统 • 时变系统
• 确定性系统 • 不确定性系统
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1.4 自动控制系统的分类
• 恒值控制系统
按参据量变化规律分
自动控制原理
主讲人:李致富 副研究员
广州大学 机械与电气工程学院
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自动控制原理
参考书目
自动控制原理(第二版),吴麒、王诗宓,清华大学出版社 自动控制原理(第五版),胡寿松,科学出版社
考核方式:
1、考试(占70%) 2、平时成绩(占30%)包括作业、课堂问题、考勤等
答疑时间和地点:
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How?
1、打好基础
高等数学(微积分)、积分变换(拉氏变换)
2、做好预习
讲课的速度较快、了解课程内容
3、听好课
掌握基本理论和基本方法
4、做好习题
应用学到的基本理论和基本方法解决实际问题 (要求每个同学两本专用的作业本)
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1.3.1 反馈控制系统
3 闭环控制 凡是系统输出信号对控制作用有直接影响的系 统,都称为闭环系统。输入信号和反馈信号(反 馈信号可以是输出信号本身,也可以是输出信号 的函数或导数)之差,称为误差信号,误差信号 加到控制器上,以减小系统的误差,并使系统的 输出量趋于所希望的值,换句话说,“闭环”这 个术语的涵义,就是应用反馈作用来减小系统的 误差。
• 开环控制系统的特点
顺向作用,没有反向的联系,没有修正 偏差能力,抗扰动性较差。结构简单、调整 方便、成本低。
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1.4 自动控制系统的分类
• 按控制方式分
开环控制 闭环控制(反馈控制) 复合控制
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1.4 自动控制系统的分类
工程北楼410室 每周一3/4节 手机、微信号:15913121019,QQ:84855465 E-mail:lizhifu8@163.com
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Motivation
1、你理解的自动化是什么?
2、哪些地方可以用到自动化技术?
3、本课程学习什么?
1)自动控制系统遵循的基本原理; 2)如何描述一个自动控制系统; 3)如何分析自动控制系统的性能; 4)如何设计或者校正自动控制系统。
第一章 自动控制的一般概念
• • • • • • 1.1 引言 1.2自动控制系统示例 1.3闭环控制和开环控制 1.4自动控制系统的分类 1.5对自动控制系统的基本要求 1.6对本课程的基本要求
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历史的回顾
• 18世纪,James Watt 为控制蒸汽机速度设计的离心调节 器,是自动控制领域的第一项重大成果。 • 1922年,Minorsky研制出船舶操纵自动控制器,并证明了 从系统的微分方程确定系统的稳定性的方法。 • 1932年,Nyquist提出了一种根据系统的开环频率响应(对 稳态正弦输入),确定闭环系统稳定性的方法。 • 1934年,Hezen提出了用于位置控制系统的伺服机构的概 念,讨论了可以精确跟踪变化的输入信号的机电伺服机构。
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1.5 对自动控制系统的基本要求
•快速性:
对过渡过程的形式和快慢提出要求,一般称为动态 性能。 稳定高射炮射角随动系统,虽然炮身最终能跟踪目 标,但如果目标变动迅速,而炮身行动迟缓,仍然抓 不住目标。
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1.3 闭环控制与开环控制
• 反馈控制系统 • 开环控制系统
• 闭环与开环控制系统的比较
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1.3.1 反馈控制系统
1 反馈
把取出的输出量送回输入端,并与输入信号相 比较产生偏差信号的过程,称为反馈。若反馈的信 号与输入信号相减,使产生的偏差越来越小,则称 为负反馈;反之,则称为正反馈。 2 反馈控制系统 能对输入量与输出量进行比较,并且将它们的 偏差作为控制手段,以保持两者之间预定关系的系 统,称为反馈控制系统。由于引入了被反馈量的反 馈信息,整个控制过程成为闭合的,因此反馈控制 也称为闭环控制。
• 随动系统
• 程序控制系统
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1.5 对自动控制系统的基本要求
1.5.1对自动控制系统性能的基本要求 • 可以归结为稳定性(长期稳定性)、准确性(精度) 和快速性(相对稳定性)。

• 稳定性:


1 对恒值系统,要求当系统受到扰动后,经过一定 时间的调整能够回到原来的期望值。 2 对随动系统,被控制量始终跟踪参据量的变化。 稳定性是对系统的基本要求,不稳定的系统不能 实现预定任务。稳定性,通常由系统的结构决定与外 界因素无关。
现已臻成熟。
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1.2 术语
• • • • • • • • • • 自动控制 对象 过程 系统 扰动 反馈控制 反馈控制系统 随动系统 自动调整系统 过程控制系统
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烘烤炉温控制系统
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系统的控制原理分析
1、炉温恰好等于给定值: UT=Ur,△U=0
• 电机不动、煤气流量一定, 炉温处于恒温状态
2、工件增加、炉温下降 UT↓,△U=Ur-UT>0
• 电机将阀门开大,供给煤气 量增加,炉温上升直至 UT=Ur为止 3、工件减少煤气压力突然加大, 炉温升高UT↑,△U=Ur-UT<0
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基本概念
• 6 反馈控制
反馈控制是这样一种控制过程,它能够在存在扰动 的情况下,力图减小系统的输出量与参考输入量(也 称参据量)(或者任意变化的希望的状态)之间的偏 差,而且其工作正是基于这一偏差基础之上的。 • 7 反馈控制系统 反馈控制系统是一种能对输出量与参考输入量 进行比较,并力图保持两者之间的既定关系的系统, 它利用输出量与输入量的偏差来进行控制。 应当指出,反馈控制系统不限于工程范畴,在 各种非工程范畴内,诸如经济学和生物学中,也存 在着反馈控制系统。
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热力系统的例子 热力系统的人工反馈控制
温度计
蒸汽
热水
冷水 排水 图 1-1 热 力 系 统 的 人 工 反 馈 控 制
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热力系统的自动反馈控制
温度测 量装置 自动控制器 热水
控制阀 蒸汽 冷水
排水 图1-2 热力系统的自动反馈控制
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1.3.2 反馈控制系统的基本组成
为改善系统性能 输出量 输入量 串联 补偿元件 放大元件 执行元件 被控对象
局部反馈
反馈 补偿元件
主反馈
测量元件
图1-4反馈控制系统基本组成
• 用“○”号代表比较元件,“—”号代表两者符号相反,“+” 号代表两者符号相同。信号沿箭头方向从输入端到达输出端 的传输通路称前向通路;系统输出量经测量元件反馈到输入 端的传输通路称主反馈通路。前向通路与主反馈通路共同构 成主回路。此外,还有局部反馈通路以及由它构成的内回路。
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基本概念
• 8 随动系统
随动系统是一种反馈控制系统,在这种系统中, 输出量是机械位移、速度或者加速度。因此,随 动系统这个术语,与位置(或速度或加速度)控 制系统是同义语。在现代工业中,广泛采用着随 动系统。
• 9 过程控制
在工业生产过程中,诸如对压力、温度、湿 度、流量、频率以及原料、燃料成分比例等方面 的控制,称为过程控制。
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闭环控制系统
输入量
控制器
对象 或过程
输出量
测量元件
图1-3 闭环控制系统
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1.3.2 反馈控制系统的基本组成
• 被控对象 • 控制装置(由具有一定职能的各种基本元件组成 ) 测量元件:其职能是测量被控制的物理量; 给定元件:其职能是给出与期望的被控量相对应的系统输入量 (即参据量)。 比较元件:把测量元件检测的被控量实际值与给定元件给出的 参据量进行比较,求出它们之间的偏差。 放大元件:将比较元件给出的偏差进行放大,用来推动执行元 件去控制被控对象。 执行元件:直接推动被控对象,使其被控量发生变化。 校正元件:亦称补偿元件,它是结构或参数便于调整的元件, 用串联或反馈的方式连接在系统中,以改善系统性能。
1.3.3 开环控制系统
• 定义 如果系统的输出量与输入量间不存在反馈的 通道,这种控制方式称为开环控制系统。
输入量 控制器 对象 或过程 输出量
图 1-5 开 环 控 制 系 统
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1.3.4 闭环与开环控制系统的比较
• 闭环控制系统的特点
偏差控制,可以抑制内、外扰动对被控制 量产生的影响。精度高、结构复杂,设计、分 析麻烦。
按 元 件 类 型 分
机械系统——恒张力系统
电气系统 机电系统——全自动照相机,光机 电结合 液压系统——伺服液压缸,汽车发 动机,大型的仿真模拟台 气动系统 生物系统
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1.4 自动控制系统的分类
• 温度控制系统
• 按系统功用分
• 压力控制系统
• 位置控制系统
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• 3 过程
基本概念
• 4 系统
完成一定任务的一些元、部件的组合。 自动控制系统是受控对象和控制装置的总和。
• 5 扰动 扰动是一种对系统的输出产生不利影响 的信号。如果扰动产生在系统内部称为内 扰;扰动产生在系统外部,则称为外扰。 外扰是系统的输入量。
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