第1章-自動控制理論的一般概念_第1頁
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文檔簡介

1、自動控制原理,教學課件 紅河學院 徐紹坤 gjxusk5712@163.c0m,第一章 自動控制理論的一般概念,1-1 自動控制發(fā)展簡史1-2 自動控制的基本方式1-3 典型控制系統(tǒng)1-4 對于自動控制系統(tǒng)的要求,1765年,瓦特發(fā)明蒸汽機,用離心式調(diào)速器控制蒸氣機1948年,維納《控制論-或關于在動物和機器中控制和通 信的科學》產(chǎn)生40-60年代 經(jīng)典控制理論(頻域法為

2、主)60-70年代 現(xiàn)代控制理論(時域法為主)70年代以后 大系統(tǒng)控制理論,自動控制: 在沒有人直接參與的情況下,采用控制裝置或機械使被控制對象達到預期的目標 。,1-1 自動控制發(fā)展簡史,,發(fā)展簡史:,自動控制研究的內(nèi)容: 經(jīng)典控制理論 現(xiàn)代控制理論經(jīng)典控制理論 主要研究對象:對單輸入單輸出線性定常系統(tǒng)的分析和設計問題。現(xiàn)代控制理論 主要研究對象:多輸入、多輸出、時變參

3、數(shù)、高精度復雜系統(tǒng)的分析和設計問題。,閉環(huán)控制,復合控制,開環(huán)控制,1-2 自動控制的基本方式,,一、開環(huán)控制,控制裝置與被控對象之間只有順向作用而沒有反向聯(lián)系的控制。,給定值,控制方式: 按給定值操縱。信號由給定值至輸出量單向傳遞。一定的給定值對應一定的輸出量。系統(tǒng)的控制精度取決于系統(tǒng)事先的調(diào)整精度。對于工作過程中受到的擾動或特性參數(shù)的變化無法自動補償。結構簡單,成本低廉,多用于系統(tǒng)結構參數(shù)穩(wěn)定和擾動信號較弱的場合.,開環(huán)控制

4、系統(tǒng)特點: 信號從輸入到輸出無反饋,單向傳遞. 結構簡單. 控制精度不高,無法抑制擾動.,例: 直流電動機轉速開環(huán)控制系統(tǒng)。,輸出量對輸入量沒有影響的系統(tǒng)稱為開環(huán)系統(tǒng),控制任務:保持工作機械恒速運行.,控制過程:,二、閉環(huán)控制,反 饋: 輸出量送回至輸入端并與輸入信號比較的過程負反饋: 反饋的信號與輸入信號相減而使偏差越來越小,典型閉環(huán)系統(tǒng)方框圖,閉環(huán)控制: 是指控制器與控制對象之間既

5、有順向 作用有反向聯(lián)系的控制過程。,特點: 輸出影響輸入,所以能削弱或抑制干擾;低精度元件可組成高精度系統(tǒng);因為可能發(fā)生超調(diào),振蕩,所以穩(wěn)定性很重要,開環(huán) 優(yōu)點:結構簡單,成本低廉,工作穩(wěn)定,當輸入信號和 擾動能預先知道時,控制效果較好。,缺點:不能自動修正被控制量的偏離,系統(tǒng)的元件參 數(shù)變化以及外來的未知擾動對控制精度影響較大。,閉環(huán) 優(yōu)點:具有自動修正被控制量出現(xiàn)偏離的能力,可以修 正元件參

6、數(shù)變化及外界擾動引起的誤差,控制精度高。,缺點:被控量可能出現(xiàn)振蕩,甚至發(fā)散。,三、開環(huán)控制與反饋控制的比較,主 反 饋 — 與輸出成正比或某種函數(shù)關系,但量綱與給定信號相同;偏 差 — 給定信號與主反饋信號之差的信號;控制單元 — 接受偏差信號,通過轉換與運算,產(chǎn)生期望的控制量;擾 動 — 對系統(tǒng)輸出產(chǎn)生不利影響的信號;反饋環(huán)節(jié) — 檢測輸出信號并轉換與給定輸入信號相同量綱的信號。,四、閉環(huán)控制系統(tǒng)的術語和定義,閉

7、環(huán)控制系統(tǒng)的方框圖,方框圖的組成:,五、復合控制,它是把按偏差控制與按擾動控制結合起來,對于主要擾動采用適當?shù)难a償裝置實現(xiàn)按擾動控制,同時再組成反饋控制系統(tǒng)實現(xiàn)按偏差控制,以消除其余擾動產(chǎn)生的偏差。,按擾動補償,也稱鎮(zhèn)定系統(tǒng)。輸出量以一定的精度等于給定值,而給定值一般不變化或變化很緩慢,擾動可隨時變化的系統(tǒng)稱為恒值系統(tǒng),在生產(chǎn)過程中,這類系統(tǒng)非常多。例如,冶金部門的恒溫系統(tǒng),石油部門的恒壓系統(tǒng)等。,1-3 典型控制系統(tǒng),恒值系統(tǒng):,輸

8、出量能以一定精度跟隨給定值變化的系統(tǒng)稱隨動系統(tǒng),又稱為跟蹤系統(tǒng)。這類系統(tǒng)的特點是系統(tǒng)的給定值變化規(guī)律完全取決于事先不能確定的時間函數(shù)。例如,火炮系統(tǒng),衛(wèi)星控制系統(tǒng)等。,隨動系統(tǒng):,例:一位置隨動系統(tǒng)的工作原理圖。,控制任務:要求工作機械能夠跟隨指令機構同步轉動,即要使工作機械的角位置跟隨給定指令轉角,亦即使:,首先確定以下基本問題:(1)受控對象: 工作機械;(2)被 控 量: 角位置;(3)指令轉角: 給定值;(4)測量元件:

9、 通過兩個相同的電位計測量轉角及,并轉換為 相應的電壓及;(5)計算比較: 兩個測量電位計的橋式連接,即完成了減法運算, 兩電刷之間的電壓代表了被控量對給定量的誤差;(6)執(zhí)行機械: 電機減速裝置。,系統(tǒng)的工作原理: 如果工作機械轉角等于指令轉角,則經(jīng)事先整定,即電機不動,系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)。當指令轉角改變,隨之改變,而工作機械仍處于原位,則從而使電動機拖動工作機械朝所要求

10、的方向快速偏轉,直至電機停轉,此時系統(tǒng)在新的位置上處于與指令同步的平衡工作狀態(tài),即完成了跟隨的任務。,自動控制系統(tǒng)的被控制量如果是根據(jù)預先編好的程序進行控制的系統(tǒng)稱程序控制系統(tǒng)。例如,煉鋼爐中的微機控制系統(tǒng),洲際彈道導彈的程序控制系統(tǒng)等。,程序控制系統(tǒng):,穩(wěn)定性 被控制信號能跟蹤已變化的輸入信號,從一種狀態(tài)到另一種狀態(tài),如果能做到,我們就認為該系統(tǒng)是穩(wěn)定的,這是對反饋控制系統(tǒng)提出的最基本要求。 快速性  對過渡過程的形式

11、和快慢提出要求,一般稱為動態(tài)性能。  穩(wěn)定高射炮射角隨動系統(tǒng),雖然炮身最終能跟蹤目標,但如果目標變動迅速,而炮身行動遲緩,仍然抓不住目標。準確性  用穩(wěn)態(tài)誤差來表示?! ≡趨⒖驾斎胄盘栕饔孟拢斚到y(tǒng)達到穩(wěn)態(tài)后,其穩(wěn)態(tài)輸出與參考輸入所要求的期望輸出之差叫做給定穩(wěn)態(tài)誤差。顯然,這種誤差越小,表示系統(tǒng)的輸出跟隨參考輸入的精度越高。,1-4 對自動控制系統(tǒng)系統(tǒng)的要求,.穩(wěn)定性:是保證控制系統(tǒng)正常工作的先決條件。.快速性:動態(tài)性能,有

12、指標。.準確性:穩(wěn)態(tài)(過度結束后的)值應盡量與期望值一致。,t,n,n1,(a),0,(b),n,t,0,n0,,,,,,,n1,t,0,n,(c),,,n,0,t,(e),n1,n,0,t,(d),n0,,,,,,,n1,n,0,t,(f),,,,,,,,,,(a)、(b)非周期振蕩;(c)發(fā)散振蕩;(d)、(e)收斂振蕩;(f)等幅振蕩。,控制系統(tǒng)的分析典型信號下的響應 (階躍響應,頻率特性)數(shù)學模型 (傳遞函數(shù),狀態(tài)方程)

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