第1章自动控制系统概述.ppt

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1、第第1 1章章 自动控制系统概述自动控制系统概述 第第1章章 自动控制系统概述自动控制系统概述 第第1 1章章 自动控制系统概述自动控制系统概述 1.1引言引言1.2 开环控制和闭环控制开环控制和闭环控制 1.3 自动控制系统的组成自动控制系统的组成 1.4 自动控制系统的分类自动控制系统的分类 1.5 自动控制系统的性能指标自动控制系统的性能指标 1.6 研究自动控制系统研究自动控制系统的方法的方法 第第1 1章章 自动控制系统概述自动控制系统概述 1.1 自动控制理论的发展史及内容自动控制理论的发展史及内容 在工业、农业、交通运输和国防各个方面，凡要求较高的场合，都离不开自动控制。所谓自动

2、控制，就是在没有人直接参与的情况下，利用控制装置对生产过程、工艺参数、目标要求等进行自动的调节与控制，使之按照预定的方案达到要求的指标。自动控制系统性能的优劣，将直接影响到产品的产量、质量、成本、劳动条件和预期目标的完成。第第1 1章章 自动控制系统概述自动控制系统概述 自动控制技术的应用可以追溯到18世纪(1788年)瓦特(Watt)利用小球离心调速器使蒸汽机转速保持恒定的开创性的突破，以及19世纪(1868年)麦克斯威尔（Maxwell）对轮船摆动（稳定性）的研究。但在初期，自动控制技术的应用进展很缓慢。自动控制技术的真正发展是在20世纪。第第1 1章章 自动控制系统概述自动控制系统概述

3、自动控制理论通常可分为经典控制理论、现代控制理论和智能控制理论。1、经典控制理论 经典控制理论产生并发展于20世纪4060年代。2、现代控制理论 现代控制理论于20世纪60年代中期发展成熟。3、智能控制理论 智能控制理论是20世纪70年代后，控制理论向广度和深度发展的结果。第第1 1章章 自动控制系统概述自动控制系统概述 智能控制系统是指具有某些仿人智能的工程控制与信息处理系统，其中最典型的就是智能机器人。对自动控制理论的具体描述可表示为下图。第第1 1章章 自动控制系统概述自动控制系统概述 对自动控制理论的具体描述 第第1 1章章 自动控制系统概述自动控制系统概述 1.2 开环控制和闭环控制

4、开环控制和闭环控制 1、开环控制系统(OpenLoop Control System)若系统的输出量不被引回来对系统的控制部分产生影响，则这样的系统称为开环控制系统。第第1 1章章 自动控制系统概述自动控制系统概述 图 1-1 数控加工机床示意图 第第1 1章章 自动控制系统概述自动控制系统概述 图 1-2 为数控加工机床开环控制框图。此系统的输入量为加工程序指令，输出量为机床工作台的位移，系统的控制对象为工作台，执行机构为步进电动机和传动机构。此系统无反馈环节，输出量并不返回来影响控制部分，因此是开环控制。第第1 1章章 自动控制系统概述自动控制系统概述 图 1 2 数控加工机床开环控制框图

5、 控制器执行元件控制对象输入量(控制脉冲)(脉冲分配器)(步进电动机及传动机构)(工作台)输出量(位 移)第第1 1章章 自动控制系统概述自动控制系统概述 2、闭环控制系统(ClosedLoop Control System)若系统输出量通过反馈环节返回来作用于控制部分，形成闭合环路，则这样的系统称为闭环控制系统，又称为反馈控制系统(Feedback Control System)。第第1 1章章 自动控制系统概述自动控制系统概述 图 1-3 电炉箱恒温自动控制系统 第第1 1章章 自动控制系统概述自动控制系统概述 图 1-4 电炉箱自动控制系统的组成框图 第第1 1章章 自动控制系统概述自动

6、控制系统概述 图 1 5 炉温自动调节过程 第第1 1章章 自动控制系统概述自动控制系统概述 1.3 自动控制系统的组成自动控制系统的组成 现以图 1-3和图 1-4 所示的恒温控制系统来说明自动控制系统的组成和有关术语。第第1 1章章 自动控制系统概述自动控制系统概述 图 1-6 自动控制系统的组成框图 第第1 1章章 自动控制系统概述自动控制系统概述 由图 1-6 可以看出，一般自动控制系统包括：(1)给定元件（Command Element）：由它调节给定信号（UsT），以调节输出量的大小。(2)检测元件（Detecting Element）：由它检测输出量（如炉温T）的大小，并反馈到输

7、入端。(3)比较环节（Comparing Element）：在此处，反馈信号与给定信号进行叠加，信号的极性以“+”或“-”表示。(4)放大元件（Amplifying Element）：由于偏差信号一般很小，因此要经过电压放大及功率放大，以驱动执行元件。第第1 1章章 自动控制系统概述自动控制系统概述 (5)执行元件（Executive Element）：驱动被控制对象的环节。(6)控制对象（Controlled Plant）：亦称被调对象。(7)反馈环节（Feedback Element）：由它将输出量引出，再回送到控制部分。第第1 1章章 自动控制系统概述自动控制系统概述 由图 1-6 可见

8、，系统中的各种作用量和被控制量包括：(1)输入量（Input Variable）：又称控制量或调节量（Reference Input Variable），所以输入量的角标常用i(或 r)表示。它通常由给定信号电压构成,或通过检测元件将非电输入量转换成信号电压。(2)输出量（Output Variable）：又称被控制量（Controlled Variable）,所以输出量角标常用o(或 c)表示。它是被控制对象的输出，是自动控制的目标。第第1 1章章 自动控制系统概述自动控制系统概述 (3)反馈量（Feedback Variable）：通过检测元件将输出量转变成与给定信号性质相同且数量级相同信

9、号电压。(4)扰动量（Disturbance Variable）:又称干扰或“噪声”（Noise），所以扰动量的角标常以d（或n）表示。它通常指引起输出量发生变化的各种因素。(5)中间变量(Semifinisbed Variable)：系统中各环节之间的作用量。第第1 1章章 自动控制系统概述自动控制系统概述 【例1-1】水位控制系统。图1-7 水位控制系统示意图第第1 1章章 自动控制系统概述自动控制系统概述 图1-8 水位控制系统的组成框图第第1 1章章 自动控制系统概述自动控制系统概述 2.工作原理3.自动调节过程直至Q1=Q2,H=H0，UB=UA，U=0时，电动机停转为止图1-9 水

10、位控制系统的自动调节过程 第第1 1章章 自动控制系统概述自动控制系统概述 【例1-2】位置跟随系统。1、系统的组成图1-10 位置跟随系统示意图第第1 1章章 自动控制系统概述自动控制系统概述 图1-11 雷达天线位置跟随系统框图第第1 1章章 自动控制系统概述自动控制系统概述 2、工作原理 图1-12 雷达天线位置跟随自动调节过程第第1 1章章 自动控制系统概述自动控制系统概述 1.4 自动控制系统的分类自动控制系统的分类 自动控制系统可以从不同的角度来进行分类，常见的有以下几种。1、按输入量变化的规律分类 自动控制系统按输入量变化的规律可分为以下三类。1)恒值控制系统(Fixed Set

11、-Point Control System)恒值控制系统的特点是：系统的输入量是恒量，并且要求系统的输出量相应地保持恒定。第第1 1章章 自动控制系统概述自动控制系统概述 2)随动系统（Follow-Up Control System）随动控制系统又称伺服系统（Serve-System），其特点是：输入量是变化着的（有时是随机的），并且要求系统的输出量能跟随输入量的变化而作出相应的变化。第第1 1章章 自动控制系统概述自动控制系统概述 在数控机床控制系统中,目前国内用得较多 得两种系统:德国西门子数控系统(SINUMER1K 810D)主轴交流高速变频调速电机(恒值控制)转速可达15000r/

12、min(铣刀、齿轮)刀架位置随动系统交流伺服电动机(变频)系统如下图所示：第第1 1章章 自动控制系统概述自动控制系统概述 第第1 1章章 自动控制系统概述自动控制系统概述 日本FANUC数控系统下图为FANUC数控系统：交流变频伺服系统(刀架精确定位)第第1 1章章 自动控制系统概述自动控制系统概述 3)过程控制系统(Process Control System)过程控制系统的特点是：输入量按照一定的时间函数变化，并且要求输出量随之变化。对其中的每一个局部，它们可能是一种随动控制系统，也可能是按程序指令变化的恒值控制系统。第第1 1章章 自动控制系统概述自动控制系统概述 食品加工的在线调和流

13、量控制如生产调和油 第第1 1章章 自动控制系统概述自动控制系统概述 化工厂中的温度、压力、流量的控制 第第1 1章章 自动控制系统概述自动控制系统概述 发电厂的生产控制木屑发电原理第第1 1章章 自动控制系统概述自动控制系统概述 2、按系统传输信号对时间的关系分类 自动控制系统按系统传输信号对时间的关系可分为两类。1)连续控制系统（Continuous Control System）连续控制系统的特点是：各元件的输入量或输出量都是连续量或模拟量，因此它又称为模拟控制系统（Analogue Control System）。连续控制系统的运动规律通常可用微分方程来描述。第第1 1章章 自动控制系

14、统概述自动控制系统概述 2)离散控制系统(Discrete Control System)离散控制系统又称采样数据控制系统（Sampted-Date Control System）。它的特点是：系统中有的信号是脉冲序列或采样数据量或数字量。第第1 1章章 自动控制系统概述自动控制系统概述 3、按系统的输出量和输入量间的关系分类 自动控制系统按系统的输出量和输入量间的关系可分为两类。1)线性系统(Linear System)线性系统的特点是：系统全部由线性元件组成，它输出量和输入量间的关系用线性微分方程来描述。可应用叠加定理。第第1 1章章 自动控制系统概述自动控制系统概述 2)非线性系统(No

15、nlinear System)非线性系统的特点是：系统中存在有非线性元件，如具有死区、出现饱和、含有摩擦等非线性特性的元件，要用非线性微分方程来描述。第第1 1章章 自动控制系统概述自动控制系统概述 4、按系统中的参数对时间的变化情况分类 1)定常系统（Time-Invariant System）定常系统(又称时不变系统)，其特点是：系统的全部参数不随时间变化，它用定常微分方程来描述。2)时变系统(Time-Varying System)时变系统的特点是：系统中有的参数是时间t的函数，它随时间变化而改变。第第1 1章章 自动控制系统概述自动控制系统概述 1.5 自动控制系统的性能指标自动控制系

16、统的性能指标 1、系统的稳定性系统的稳定性（Stability）稳定性是保证控制系统正常工作的先决条件。一个稳定的控制系统，其被控量偏离期望值的初始偏差应随时间的增长逐渐减小或趋于零。第第1 1章章 自动控制系统概述自动控制系统概述 图1-13 稳定系统和不稳定系统 a)稳定系统 b)不稳定系统第第1 1章章 自动控制系统概述自动控制系统概述 2、系统的稳态性能指标系统的稳态性能指标(Steaty-State Performance Specification)当系统从一个稳态过渡到新的稳态，或系统受扰动作用又重新平衡后，系统会出现偏差，这种偏差称为稳态误差(ess)(Steady-State Error)。系统稳态误差的大小反映了系统的稳态精度(或静态精度)(Static Accuracy)，它表明了系统的准确程度。稳态误差 ess 越小，则系统的稳态精度越高。.有静差系统：ess0，如图1-8a所示。.无静差系统：ess=0，如图1-8b所示。第第1 1章章 自动控制系统概述自动控制系统概述 图1-14 自动控制系统的稳态性能a)有静差系统 b)无静差系统第第1 1章章 自动控制系