自动控制原理胡寿松版课件下载.ppt

30/4/2009,06/ec/C180/,黄山学院信息工程学院,自动化专业,自动控制原理,课程的性质和特点,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。 自动控制原理是本学科的专业基础课，是自动控制理论的基础课程，该课程与其它课程的关系如下。,微积分（含微分方程）,电机与拖动,模拟电子技术,线性代数,电路理论,信号与系统,自动控制理论,复变函数、拉普拉斯变换,大学物理（力学、热力学）,1-1 自动控制的基本原理与方式,1-2 自动控制系统示例,1-3 自动控制系统的分类,1-4 对控制系统的基本要求,第一章 自动控制的一般概念,第一章 自动控制的一般概念,第一节 自动控制的基本原理与方式,一、自动控制技术与应用,1969年7月20日，“阿波罗11号”飞船首次登陆月球时的珍贵图片,第一节 自动控制的基本原理与方式,2008年9月25日至28日,中国成功实施了神舟七号载人航天飞行（新化社报道）,第一节 自动控制的基本原理与方式,图 一列CRH3“和谐号”动车组停靠在改扩建的新北京南站站台（中国政府网 陈涛 摄）,第一节 自动控制的基本原理与方式,图 RH炼钢设备,第一节 自动控制的基本原理与方式,苏格兰科学家展示新近研制成功的高仿真仿生学假肢。,第一节 自动控制的基本原理与方式,图1-7 1989年，人工智能模糊控制全自动洗衣机在三洋研制成功 （引自人民网）,第一节 自动控制的基本原理与方式,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：,在无人直接参与下，利用控制装置（或控制器）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。,第一节 自动控制的基本原理与方式,控制量:阀门开度（蒸汽流量）,例 水温人工控制系统,受控对象:水箱,系统的构成：,被控制量:水温,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.,第一节 自动控制的基本原理与方式,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.,第一节 自动控制的基本原理与方式,第一节 自动控制的基本原理与方式,二、反馈控制原理,反馈控制是这样的一种控制过程，它能构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）之间的偏差，而其工作正是基于这一偏差基础之上的，这就是反馈控制的原理。 如人取桌上书的过程（见下图）：,第一节 自动控制的基本原理与方式,系统方框图符号组成：“ ”,下图为反馈控制原理方框图,第一节 自动控制的基本原理与方式,龙门刨床速度控制系统原理图,在工业控制中，龙门刨床速度控制系统就是按照反 馈控制原理进行工作的。当负载波动时，必然会引起速 度变化，由于龙门刨床不允许速度变化过大，因此必须 对速度进行控制。,下图示为龙门刨床速度控制系统。当负载发生变化时，如和控制速度。 例如：,第一节 自动控制的基本原理与方式,第一节 自动控制的基本原理与方式,下图为龙门刨床速度控制系统的方框图,第一节 自动控制的基本原理与方式,三、反馈控制系统的基本组成,典型的反馈控制系统基本组成框图：,信号从输入端到达输出端的传输通路称为前向通路；系统输出量经测量元件反馈到输入端的传输通路称为主反馈通路。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。只包含一个主反馈通路的系统称为单回路系统，有两个或两个以上反馈通路的 系统称为多回路系统。,第一节 自动控制的基本原理与方式,四、自动控制系统基本控制方式,1、反馈控制方式,特点：通过计算被控量和给定值的差值来控制被控对象。,优点：可以自动调节由于干扰和内部参数的变化 而引起 的变动。,计算比较,执行,被控对象,测量,按偏差调节的系统原理方框图,第一节 自动控制的基本原理与方式,如上图所示，反馈回来的信号与给定值相减，即根据偏差进行控制，称为负反馈，反之称为正反馈。,这种控制方式控制精度较高，因为无论是干扰的作用，还是系统结构参数的变化，只要被控量偏离给定值，系统就会自行纠偏。但是闭环控制系统的参数如果匹配得不好，会造成被控量的较大摆动，甚至系统无法正常工作。,第一节 自动控制的基本原理与方式,飞机自动驾驶系统原理图,控制任务：系统在任何扰动作用下，保持飞机俯仰角不变。 被控对象：飞机。 被控量： 飞机的俯仰角 。,俯仰角控制系统原理方框图,第一节 自动控制的基本原理与方式,第一节 自动控制的基本原理与方式,2、开环控制方式,计算,执行,受控对象,给定值,干扰,被控量,按给定值操纵的开环控制系统原理方框图,开环控制系统的输出端与输入端之间不存在反馈回路，输出量对系统的控制作用没有影响。,第一节 自动控制的基本原理与方式,炉温控制系统,炉温控制系统原理方框图,定时开关,炉子,电阻丝,第一节 自动控制的基本原理与方式,特点：控制装置只按给定值来控制受控对象,优点：控制系统结构简单，相对来说成本低。,缺点：对可能出现的被控量偏离给定值的偏差没有任何修正能力，抗干扰能力差，控制精度不高。,第一节 自动控制的基本原理与方式,定义：利用干扰信号产生控制作用，以及时补偿干扰对被控量的直接影响。,计算,测量,受控对象,执行,干扰,被控量,特点：只能对可测干扰进行补偿，对不可测干扰以及受控对象、各功能部件内部参数变化对被控量的影响，系统自身无法控制。 适用于：存在强干扰且变化比较剧烈的场合。,水位高度控制系统原理图,水位高度控制系统原理方框图,第一节 自动控制的基本原理与方式,3、复合控制方式,复合控制就是开环控制和闭环控制相结合的一种控制。实质上，它是在闭环控制回路的基础上，附加了一个输入信号或扰动作用的顺馈通路，来提高系统的控制精度。,复合控制系统,第一节 自动控制的基本原理与方式,第一章 自动控制的一般概念,第三节 自动控制系统的分类,一、按变量的数学关系来分,自动控制系统的分类方法较多，常见的有以下几种,二、按控制系统的输入作用来分,第三节 自动控制系统的分类,一、线性系统和非线性系统,由线性微分方程或线性差分方程所描述的系统。,由非线性方程描述的系统。,线性系统：,非线性系统：,第三节 自动控制系统的分类,二、定常系统和时变系统,定常系统:,若系统微分方程的系数为常数，则称之为线性定常系统。此类系统为本书主要讨论对象。,系统数学模型微分方程的系数不是时间变量的函数。,否则称为时变系统。,第三节 自动控制系统的分类,三、连续系统和离散系统,连续系统：,系统中各部分的信号都是时间的连续函数即模拟量。,离散系统：,系统中有一处或多处信号为时间的离散函数，如脉冲或数码信号。,若系统中既有模拟量也有离散信号，则又可称之为采样系统。,第三节 自动控制系统的分类,四、恒值系统、随动系统和 程序控制系统 (按控制系统的输入作用来分 ）,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。,恒值系统：,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。,第三节 自动控制系统的分类,程序控制系统,系统的参据量时按预定规律随时间变化的函数，要求被控量迅速、准确地加以复现。程序控制系统和随动系统的参据量都是时间函数，不过前者是已知的时间函数，后者是未知的任意时间函数，而恒值控制系统也可视为程序控制系统的特例。,第四节 对自动控制系统的基本要求,常见的评价系统优劣的性能指标是从动态过程中定义出来的。对系统性能的基本要求有三个方面。,第一章 自动控制的一般概念,工程上常从稳、快、准三个方面来评价控制系统。 稳： 指动态过程的平稳性。 快： 指动态过程的快速性。 准： 指动态过程的最终精度。,第四节 对自动控制系统的基本要求,稳： 指动态过程的平稳性,控制系统动态过程曲线,如上图所示，系统在外力作用下，输出逐渐与期望值一致，则系统是稳定的，如曲线所示；反之，输出如曲线所示，则系统是不稳定的。,第四节 对自动控制系统的基本要求,快： 指动态过程的快速性,快速性即动态过程进行的时间的长短。过程时间越短，说明系统快速性越好，反之说明系统响应迟钝，如曲线所示。,稳和快反映