自動控制系統(tǒng)與應用第1章自動控制系統(tǒng)的一般概念ppt課件

第1章 自動控制系統(tǒng)的一般概念,（時間：1次課，2學時）,1,第1章 自動控制系統(tǒng)的一般概念,隨著工業(yè)生產(chǎn)和科學技術的不斷發(fā)展，自動控制技術越來越顯示出它的重要性，為人們所矚目。掌握有關自動控制的知識就顯得尤為重要。本章主要介紹自動控制的含義、基本工作原理、系統(tǒng)的組成以及對系統(tǒng)的基本要求。,2,第1章 自動控制系統(tǒng)的一般概念,1.1 自動控制的含義 1.2 自動控制系統(tǒng)的基本原理 1.3 自動控制系統(tǒng)的基本組成 1.4 自動控制系統(tǒng)的基本類型 1.5 對自動控制系統(tǒng)的基本要求,3,1.1 自動控制的含義,所謂自動控制，就是在沒有人直接參與的情況下，通過控制裝置(或稱控制器)使被控制對象或過程自動地按照預定的規(guī)律運行。 例如程序控制機床能夠按預先排定的工藝程序自動地進刀切削，加工出預期幾何形狀的零件。焊接機器人能自動地跟蹤預期軌線移動，焊出高質(zhì)量的產(chǎn)品?；鹋诟鶕?jù)雷達指揮儀傳來的信息，能夠自動地改變方位角和俯仰角，隨時跟蹤目標，瞄準彈著點。又諸如對壓力、溫度、濕度、流量、轉(zhuǎn)速以及原料、燃料成分比例方面的控制等等。所有這些自動控制系統(tǒng)的例子，盡管它們的結(jié)構(gòu)和功能各不相同，但可以發(fā)現(xiàn)它們有共同的規(guī)律，即它們都是一個或一些被控制的物理量按照另一個物理量，即控制量的變化而變化，或保持恒值。一般地說，如何使被控制量按照給定的控制量的變化規(guī)律而變化，這就是一個控制系統(tǒng)所要解決的最基本的問題。 自動控制技術在各個領域中的廣泛應用，不僅提高了勞動生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量，改善了勞動條件，而且在人類征服自然、探索新能源、發(fā)展空間技術和改善人民物質(zhì)生活等方面都起著越來越重要的作用?？梢哉f，自動控制已成為推動經(jīng)濟發(fā)展，促進社會進步所必不可少的一門技術。,4,1.2 自動控制系統(tǒng)的基本原理,1.2.1 自動控制系統(tǒng)的基本原理 1.2.2 開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng),5,1.2 自動控制系統(tǒng)的基本原理,6,1.2.1 自動控制系統(tǒng)的基本原理,首先我們定義，用以完成一定任務的一些部件(或稱元件)的組合為系統(tǒng)。系統(tǒng)是一個有機集合的整體，具有其目的性。不同的系統(tǒng)所要完成的任務也不同。有的要求某物理量(如溫度、壓力、轉(zhuǎn)速等)保持恒定；有的則要求按一定規(guī)律變化。我們將這些需要控制的物理量定義為系統(tǒng)的被控量或輸出量。用來使系統(tǒng)具有預期性能或預期輸出的激勵信號定義為系統(tǒng)的控制量或輸入量。而將使被控量偏離預期值的各種因素稱為擾動量。設法消除擾動因素影響從而保持被控制量按預期要求變化的過程稱為控制過程。 下面讓我們研究一下圖1.1所示電爐箱恒溫自動控制系統(tǒng)是如何實現(xiàn)恒溫控制的。,7,1.2.1 自動控制系統(tǒng)的基本原理,圖1.1 電爐箱恒溫自動控制系統(tǒng),8,1.2.1 自動控制系統(tǒng)的基本原理,9,1.2.1 自動控制系統(tǒng)的基本原理,現(xiàn)將圖1.1畫成圖1.2所示職能方塊圖形式。圖中方塊代表各個組成部分，代表比較元件，方塊兩邊直線及其標注代表該組成部分在控制過程中相互作用的物理量，箭頭代表作用信號傳遞的方向。采用職能方塊圖可清晰地表明系統(tǒng)各組成部分及其相互作用的情況。還可知，被控制量(爐溫)就是系統(tǒng)的輸出量，給定電壓信號就是系統(tǒng)的輸入量。信號是沿著箭頭所指方向傳遞，從職能方塊圖中不難發(fā)現(xiàn)有兩條信號傳遞的路徑。一條是從輸入端向輸出端方向傳遞，這種傳遞稱為順饋；另一條是從輸出端向輸入端方向傳遞，稱為反饋。也就是說，反饋就是從系統(tǒng)輸出端取出信號，經(jīng)過某種裝置(通常稱為反饋環(huán)節(jié))變換后返回到輸入端，與輸入信號進行比較。這種返回到輸入端的信號稱為反饋信號。輸入信號與反饋信號比較的結(jié)果則為偏差。 通過上面的分析可知，為了對爐溫進行自動控制，控制系統(tǒng)必須具有以下兩項基本的職能，一是必須對被控制量進行檢測并將它反饋到系統(tǒng)的輸入端與控制量相減(即負反饋)，得到偏差信號；二是必須對偏差信號進行適當?shù)淖儞Q和放大，從而產(chǎn)生對被控制量的再控制作用，這種再控制作用應使偏差減小或消除，以使被控制量重新保持在預期 值上。 這種基于反饋基礎上的“檢測偏差用以糾正偏差”的控制原理稱為反饋控制原理。 我們還可舉出許多的例子。盡管不同的系統(tǒng)實現(xiàn)自動控制的裝置各不相同，但反饋控制的原理卻是相同的。反饋控制是實現(xiàn)自動控制的最基本的方法，并得到了廣泛應用。它不僅可以實現(xiàn)對物理量的恒值控制，而且還可以實現(xiàn)被控制量復現(xiàn)控制量的變化規(guī)律的隨動控制。,10,1.2.1 自動控制系統(tǒng)的基本原理,圖1.2 電爐箱恒溫控制系統(tǒng)職能方塊圖,11,1.2.2 開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng),控制系統(tǒng)按照是否設有反饋環(huán)節(jié)，可以分為兩類：一類是開環(huán)控制系統(tǒng)，另一類是閉環(huán)控制系統(tǒng)。 1. 開環(huán)控制系統(tǒng) 如果系統(tǒng)的輸出端和輸入端之間不存在反饋回路，輸出量對系統(tǒng)的控制作用沒有影響時，這樣的系統(tǒng)稱為開環(huán)控制系統(tǒng)。圖1.3為一開環(huán)速度控制系統(tǒng)。它根據(jù)控制信號的大小和方向來控制負載轉(zhuǎn)速的大小和方向。原理很簡單，控制信號通過放大器放大，輸出一電流給伺服閥，伺服閥則供給一定流量的壓力油給液壓馬達，帶動負載以一定的轉(zhuǎn)速運動。這個系統(tǒng)對被控量(轉(zhuǎn)速)不進行任何檢測，因為沒有反饋也就談不上跟控制量進行比較，以產(chǎn)生偏差來對系統(tǒng)進行再控制了。它僅是根據(jù)控制信號對轉(zhuǎn)速加以控制的。因此，開環(huán)控制系統(tǒng)的精度主要取決于系統(tǒng)的校正精度，取決于在工作過程中保持校正值以及組成系統(tǒng)的元件特性和參數(shù)值的穩(wěn)定程度。 一旦系統(tǒng)受到擾動作用，如圖1.3所示的系統(tǒng)當負載力矩增加時，由于閥的流量隨負載壓力的增加而減小，以及液壓系統(tǒng)內(nèi)漏損增加等原因，就會造成液壓馬達轉(zhuǎn)速的降低。因為沒有反饋比較，系統(tǒng)不具備糾偏的能力，因此，使開環(huán)系統(tǒng)的精度降低。對擾動造成的誤差無法自動補償。但是開環(huán)系統(tǒng)一般結(jié)構(gòu)簡單，系統(tǒng)穩(wěn)定性好。一般說來，當系統(tǒng)控制量的變化規(guī)律能預先確知，并且對系統(tǒng)中可能出現(xiàn)的擾動可以做到有效抑制時，采用開環(huán)控制系統(tǒng)有其優(yōu)越性。當無法預計的擾動因素使被控制量產(chǎn)生的偏離超過允許限度時，開環(huán)控制系統(tǒng)便無法勝任了，這時就應考慮采用閉環(huán)控制系統(tǒng)。,12,1.2.2 開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng),2閉環(huán)控制系統(tǒng) 凡是系統(tǒng)的輸出端與輸入端之間存在反饋回路，即輸出量對控制作用能有影響的系統(tǒng)，叫做閉環(huán)控制系統(tǒng)。如果對圖1.3所示開環(huán)控制系統(tǒng)引入反饋回路，即用測速發(fā)電機檢測被控制量(轉(zhuǎn)速)，然后反饋到輸入端則構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)，如圖1.4所示。,13,1.2.2 開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng),(a) 系統(tǒng)原理圖,14,1.2.2 開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng),圖1.3 開環(huán)速度控制系統(tǒng),15,1.2.2 開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng),(a) 系統(tǒng)原理圖,16,1.2.2 開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng),(b)系統(tǒng)方塊圖,圖1.4 閉環(huán)速度控制系統(tǒng),17,1.3 自動控制系統(tǒng)的基本組成,為了組成一個自動控制系統(tǒng)，必須包含以下各類基本元件。 (1) 任何控制系統(tǒng)必定有其控制對象，即系統(tǒng)所要操縱的對象。控制對象的輸出就是系統(tǒng)的被控量。 (2) 系統(tǒng)工作時都要加上一定的激勵信號，用來產(chǎn)生并可調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制量的元件為給定元件。 (3) 為了檢測被控制量，系統(tǒng)需要有檢測元件。由于檢測元件的精度直接影響控制系統(tǒng)的精度，所以應盡可能采用精度高的檢測元件和合理的檢測線路。有的系統(tǒng)檢測元件的輸出就是反饋信號，而有的系統(tǒng)將檢測元件的輸出再經(jīng)分壓和濾波等才形成反饋信號，此時將檢測、分壓和濾波等合并稱為反饋環(huán)節(jié)。 (4) 為了對反饋信號和控制量進行比較，以便產(chǎn)生偏差信號，因此系統(tǒng)必須有比較元件。比較元件在多數(shù)控制系統(tǒng)中常常是和檢測元件(或反饋環(huán)節(jié))或線路結(jié)合在一起的。在比較元件處，控制量和反饋信號進行疊加或者說求和運算，一定要注意兩者的極性關系。 (5) 由于偏差信號一般都比較微弱，需要進行變換放大，使它具有足夠的幅值和功率，因此系統(tǒng)還必須具有放大元件。 (6) 系統(tǒng)需要根據(jù)偏差信號產(chǎn)生的再控制作用，去驅(qū)動控制對象使被控量按控制要求的變化規(guī)律動作，這就要求系統(tǒng)還應具有執(zhí)行元件。 (7) 實踐證明，按反饋原理由上述基本元件簡單組合起來的控制系統(tǒng)往往是不能完成任務的。為了改善系統(tǒng)的控制性能還需要在系統(tǒng)中加進校正元件。校正元件可以加在偏差信號至被控信號間的前向通道中；也可以加在反饋通道中。前者稱為串聯(lián)校正，后者稱為反饋校正。 由上述各基本元件組成的自動控制系統(tǒng)的職能方塊圖如圖1.5所示。 一般說來，盡管自動控制系統(tǒng)的控制任務各不相同，以及所使用元件結(jié)構(gòu)和能源形式均有所不同，但就其信號的傳遞、變換的職能來說，都可抽象成圖1.5所示的職能方 塊圖。,18,1.3 自動控制系統(tǒng)的基本組成,圖1.5 自動控制系統(tǒng)的職能方塊圖,19,1.4 自動控制系統(tǒng)的基本類型,1.4.1 按照輸入量的變化規(guī)律來分 1.4.2 按照系統(tǒng)傳遞信號對時間的關系來分 1.4.3 按照系統(tǒng)輸出量和輸入量的關系來分,20,1.4 自動控制系統(tǒng)的基本類型,自動控制系統(tǒng)的種類很多，應用的范圍也很廣，它們的結(jié)構(gòu)和完成的任務也各不一樣。因此，控制系統(tǒng)的分類方法也很多，其中有以下幾種主要分類法。,21,1.4.1 按照輸入量的變化規(guī)律來分,1恒值控制系統(tǒng) 恒值控制系統(tǒng)的特點是：系統(tǒng)的控制量為恒定的常量，而要求系統(tǒng)的被控制量也保持在相對應的常量上。確切地說，控制量可根據(jù)要求預選某常量。 恒值控制系統(tǒng)是最常見的一類自動控制系統(tǒng)，如自動調(diào)速系統(tǒng)、恒溫控制系統(tǒng)、恒張力控制系統(tǒng)、恒壓力控制系統(tǒng)等。 對恒值控制系統(tǒng)，著重研究各種擾動對被控制量的影響，以及如何克服擾動影響將實際輸出量保持在預期值上。 2隨動系統(tǒng) 隨動系統(tǒng)的特點是：系統(tǒng)的控制量是變化著的(常常還是隨機的)，要求被控量能夠準確、迅速復現(xiàn)控制量的變化。 隨動系統(tǒng)在工業(yè)和國防上有著極為廣泛的應用。如火炮控制系統(tǒng)、雷達自動跟蹤系統(tǒng)、刀架跟蹤系統(tǒng)、各種電信號筆記錄儀等。 對隨動系統(tǒng)，常常著重于跟隨的準確性和跟隨的快速性。 3程序控制系統(tǒng) 輸入量按預定程序變化的系統(tǒng)。例如，數(shù)控機床工作臺移動系統(tǒng)就是程序控制系統(tǒng)。程序控制系統(tǒng)可以是開環(huán)的，也可以是閑環(huán)的。,22,1.4.2 按照系統(tǒng)傳遞信號對時間的關系來分,1連續(xù)控制系統(tǒng) 當系統(tǒng)各元件的輸入信號是時間的連續(xù)函數(shù)，各元件相應的輸出信號也是時間的連續(xù)函數(shù)時，這種系統(tǒng)稱為連續(xù)控制系統(tǒng)。連續(xù)系統(tǒng)的性能一般是用微分方程來描述的。信號的時間函數(shù)允許有間斷點，或者在某一時間范圍內(nèi)為連續(xù)函數(shù)。 2離散控制系統(tǒng) 離散控制系統(tǒng)又稱采樣數(shù)據(jù)系統(tǒng)。它的特點是系統(tǒng)中有的信號是斷續(xù)量，即信號在特定的采樣時刻才取值，而在相鄰采樣時刻的間隔中信號是不確定的。通常，采用數(shù)字計算機控制的系統(tǒng)都是離散控制系統(tǒng)。,23,1.4.3 按照系統(tǒng)輸出量和輸入量的關系來分,1線性控制系統(tǒng) 線性控制系統(tǒng)是由線性元件(即元件的靜特性呈線性關系)構(gòu)成的系統(tǒng)。系統(tǒng)的性能可以用線性微分方程來描述。線性系統(tǒng)的一個重要性質(zhì)就是可以應用疊加原理，即幾個擾動或控制量同時作用于系統(tǒng)時，其總的輸出等于每個單獨作用時的輸出之和。 2非線性控制系統(tǒng) 非線性控制系統(tǒng)就是由具有非線性性質(zhì)(例如飽和、死區(qū)、摩擦、間隙等)元件所構(gòu)成的系統(tǒng)。事實上，只要系統(tǒng)中有一個非線性性質(zhì)的元件，系統(tǒng)就是非線性系統(tǒng)。系統(tǒng)的性能往往要采用非線性方程來描述。疊加原理對非線性系統(tǒng)無效。 當然，除了以上的分類方法外，還有其他一些方法，例如按系統(tǒng)主要組成元件的物理性質(zhì)來分，又可分為電氣控制系統(tǒng)、機械控制系統(tǒng)、液壓控制系統(tǒng)、電氣液壓控制系統(tǒng)等。又如按輸入、輸出信號的數(shù)量來分，又可分為單輸入單輸出系統(tǒng)、多輸入多輸出系統(tǒng)。本書只討論連續(xù)控制的線性系統(tǒng)。,24,1.5 對自動控制系統(tǒng)的基本要求,任何一個自動控制系統(tǒng)的工作必須是穩(wěn)定的，這是對自動控制系統(tǒng)提出的最基本的要求。除此之外，它還需要在阻尼程度、響應輸入信號的速度及控制精度等方面滿足一定的要求。 對自動控制系統(tǒng)的基本要求，通常是通過系統(tǒng)響應特定輸入信號(或稱試驗信號)的過渡過程及穩(wěn)態(tài)的一些特征值來表征。 在本書中，控制量用來表示；被控制量用來表示；偏差量用來表示；擾動量用來表示。 過渡過程是指系統(tǒng)的被控制量，在受到控制量或擾動量作用下，由原來的平衡狀態(tài)(或稱穩(wěn)態(tài))變化到新的平衡狀態(tài)的過程。 自動控制系統(tǒng)響應單位階躍輸入信號(見圖1.6)時的過渡過程的一般形式示于圖1.7。,25,1.5 對自動控制系統(tǒng)的基本要求,圖1.6 單位階躍信號,26,1.5 對自動控制系統(tǒng)的基本要求,圖1.7 單位階躍信號作用下系統(tǒng)的過渡過程,27,1.5 對自動控制系統(tǒng)的基本要求,28,1.5 對自動控制系統(tǒng)的基本要求,29,1.5 對自動控制系統(tǒng)的基本要求,圖1.8 控制系統(tǒng)的過渡過程曲線,30,1.5 對自動控制系統(tǒng)的基本要求,如果系統(tǒng)的過渡過程隨時間的推移而發(fā)散，如圖1.8中的曲線或曲線，此時系統(tǒng)便不可能達到平衡狀態(tài)，我們把這類系統(tǒng)稱為不穩(wěn)定系統(tǒng)。顯然不穩(wěn)定的系統(tǒng)在實際中是不能應用的，因為它不滿足對控制系統(tǒng)提出的最基本的要求。 如將圖1.7所示的多數(shù)系統(tǒng)通常具有的過渡過程曲線一并繪制在圖1.8中，如圖中曲線所示。,31,1.6 習 題,1 試比較開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)的優(yōu)缺點。 2 日常生活中有許多閉環(huán)和開環(huán)控制系統(tǒng)。試舉幾個具體例子，并說明它們的工作原理。 3 組成自動控制系統(tǒng)的主要元件有哪些？它們各起什么作用？ 4 恒值控制系統(tǒng)和隨動系統(tǒng)各自的主要特點是什么？ 5 圖(題1.9)為倉庫大門自動控制系統(tǒng)。試說明自動控制大門開啟和關閉的工作原理。如果大門不能全開或全關，則怎樣進行調(diào)整？畫出系統(tǒng)的職能方塊圖。,32,1.6 習 題,圖1.9 題5圖,33,Q & A? Thanks!,34,