自动控制原理-第1章 绪论

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2020/09/14 发布于 教育 分类

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1. 自动控制原理 李晓秀 机械工业出版社 2018年10月 1
2. 第1章 绪论 l 1.1 自动控制理论及其发展简史 l 1.2 自动控制系统的基本原理和组成 l 1.3 自动控制系统的分类 l 1.4 对自动控制系统性能的基本要求 2
3. 1.1 自动控制理论及其发展简史 l 自动控制技术是一种运用自动控制理论、仪器仪表、计算 机和其它信息技术,通过自动控制系统对各类机械设备、 各种物理参量、工业生产过程等实现检测、控制、优化、 调度、管理和决策,达到增加产量、提高质量、降低消耗、 确保安全等目的的综合性技术。 l 自动控制理论是研究关于自动控制系统组成、分析和设计 的一般性理论。 l 1765年瓦特在他发明的蒸汽机上设计的离心调速器,被公 认是首例最成功应用反馈调节器的自动控制装置。英国的 麦克斯韦对它的稳定性进行分析,于1868年发表的论文被 公认为是自动控制理论的开端。 3
4. 古典控制理论——自动控制原理 自动控制理论 现代控制理论 20世纪20年代到50年代——古典控制理论。它以传递函数 为基础,以时域法,频率法和根轨迹法为主要内容的一门独 立学科。研究单输入-单输出一类定常控制系统的分析与设计 问题。 20世纪50年代中期后——现代控制理论。它是以状态空 间法为基础,研究多输入-多输出、时变参数、高精度复杂系 统的控制问题,并形成了如最优控制、最佳滤波、系统辨识、 自适应控制等学科分支。 4
5. 1.2 自动控制的基本概念 1.2.1 自动控制系统的基本原理 自动控制系统——离开人的直接干预,利用控制装置操纵受 控对象,使受控对象的被控制量自动地按预定的规律运行。 ◆ 受控对象:控制系统要进行控制的受控客体 如冰箱、电梯、飞机、汽车等各种机器或某一生产过程。 ◆ 被控制量:控制对象要实现的某一物理量 如冰箱的温度、电机的转速、飞机姿态角、船的航迹 、电 网的电压 、生产过程中的压力、流量 、温度 、湿度等。 5
6. 温度人工控制系统: 温度仪 T 热电偶 工件 热处理炉 混 合 器 燃气 阀门 空气 受控对象—— 热处理炉 被控制量—— 温度 6
7. 温度自动控制系统 : ug ut 放大 比较 u 放 大 热电偶 T ud 工件 M 热处理炉 燃气 混 合 器 阀门 空气  u  u g (t )  u t (t ) 7
8. 温度自动控制系统控制原理: 若实际温度小于给定温度,u  0 ,它放大后控制电 动机开大阀门,调高炉温; 若实际温度大于给定温度,u  0 ,使电动机反转关 小阀门,调低炉温。 只要实际温度和设定温度不等,系统就会进行自动调 节,直到实际温度与给定温度相等,即,u  0,电动机 停转为止,实现了温度的自动控制。 8
9. 温度自动控制系统框图: ug u 放大 电动机 阀门 加热炉 T 输出量 输入量 受控对象 ut 放大 热电偶 反馈 温度自动控制系统通过对温度信号的测量反馈,再由比 较器产生误差信号 u 对系统产生控制作用,炉温未达到设 定值时误差信号 u  0 ,电动机转动,控制调节阀门朝减 小的方向转动,而当炉温达到设定值时,误差信 u  0 ,控 制作用消失,实现了温度的自动控制。 9
10. 1.2.2 自动控制系统的组成 典型自动控制系统框图 : 10
11. 基本组成部分: 给定环节、测量装置、比较装置、放大环节、执行 机构 、校正装置 、被控对象。 参与控制的信号: 输入信号、反馈信号、偏差信号、输出信号(被控量)、 扰动信号 。 信号传递通道 : 前向通道 、反馈通道 。 控制回路 : 主反馈回路(主回路)局部反馈回路。 11
12. 1.3 自动控制系统的分类 1.3.1 按控制系统的结构分类 ——开环控制、闭环控制 、复合控制 开环控制系统 : ◆不存在反馈回路,输出量对系统的控制作用不产生影响。 特点:无反馈, 抗扰能力差;一 个输入对应一个 输出;系统的控 制精度取决于组 12 成部件的精度。
13. 闭环控制系统: l 闭环控制系统又称反馈控制系统 l 系统中不但存在从输入端到输出端的信号,还有将输出信 号通过测量元件送到系统输入端的反馈信号 13
14. 闭环控制系统的特点是: 1) 闭环控制的实质就是负反馈控制。负反馈控制具有 自动修正被控制量偏离给定值(或期望值)的能力,较好地 实现了自动控制的功能。 2)闭环控制有较强的抗干扰能力。引入负反馈后,不论 是输入信号、或是作用在被反馈包围的前向通道的扰动、或 是系统内部参数变化引起的被控制量偏离,都会通过负反馈 形成偏差,从而产生相应的控制去减小或消除这些偏差。 3)闭环控制的结构和控制相对复杂,如果结构或参数选 取不当,系统控制过程可能变得很差,甚至产生振动或不稳 定。 复合控制:将闭环控制与开环控制(补偿控制)相结合的 控制,称为复合控制。 14
15. 1.3.2 按系统输处信号的变化规律分类 —— 恒值系统、随动系统、程序控制系统 ◆恒值系统——输出信号保持恒值 ◆随动系统——输出信号随输入信号变化 ◆程序控制系统——输出信号按照预先确定的规律变化 随动系统—— 火炮发射架方 位控制系统 15
16. 1.3.3 按系统传输信号的特性分类 ——线性系统、非线性系统 1.3.4 按系统传输信号的时间性质分类 ——连续系统、离散系统 16
17. 1.4 对自动控制系统的基本要求 稳定性 ——稳定性是系统能够正常工作的首要条件, 指系统受到短暂的扰动后重新恢复平衡工作的能力 。 17
18. 暂态性能 ——指输入作用改变后系统重新达到平衡 状态前的特性 ,暂态性能包括响应的平稳性(相对稳定 性)和快速性。 稳态性能 ——系统的稳态输出与给定输入所要求的 期望输出之间的误差称为稳态误差。控制系统的稳态性 能是由稳态误差来表征的,它反映了系统的稳态精度。 18