自動控制系統(tǒng)概述ppt課件

1、第第1 1章章 自動控制系統(tǒng)概述自動控制系統(tǒng)概述 第第1章章 自動控制系統(tǒng)概述自動控制系統(tǒng)概述 第第1 1章章 自動控制系統(tǒng)概述自動控制系統(tǒng)概述 1.1引言引言1.2 開環(huán)控制和閉環(huán)控制開環(huán)控制和閉環(huán)控制 1.3 自動控制系統(tǒng)的組成自動控制系統(tǒng)的組成 1.4 自動控制系統(tǒng)的分類自動控制系統(tǒng)的分類 1.5 自動控制系統(tǒng)的性能目的自動控制系統(tǒng)的性能目的 1.6 研討自動控制系統(tǒng)的方法研討自動控制系統(tǒng)的方法 第第1 1章章 自動控制系統(tǒng)概述自動控制系統(tǒng)概述 1.1 自動控制實際的開展史及內(nèi)容自動控制實際的開展史及內(nèi)容 在工業(yè)、 農(nóng)業(yè)、 交通運輸和國防各個方面，凡要求較高的場所，都離不開自動控制。 所

2、謂自動控制， 就是在沒有人直接參與的情況下， 利用控制安裝對消費過程、 工藝參數(shù)、 目的要求等進展自動的調(diào)理與控制， 使之按照預(yù)定的方案到達要求的目的。 自動控制系統(tǒng)性能的優(yōu)劣， 將直接影響到產(chǎn)品的產(chǎn)量、 質(zhì)量、 本錢、 勞動條件和預(yù)期目的的完成。 第第1 1章章 自動控制系統(tǒng)概述自動控制系統(tǒng)概述 自動控制技術(shù)的運用可以追溯到18世紀(1788年)瓦特(Watt)利用小球離心調(diào)速器使蒸汽機轉(zhuǎn)速堅持恒定的開創(chuàng)性的突破， 以及19世紀(1868年)麥克斯威爾Maxwell對輪船擺動穩(wěn)定性的研討。 但在初期， 自動控制技術(shù)的運用進展很緩慢。 自動控制技術(shù)的真正開展是在20世紀。 第第1 1章章 自動

3、控制系統(tǒng)概述自動控制系統(tǒng)概述 自動控制實際通常可分為經(jīng)典控制實際、 現(xiàn)代控制實際和智能控制實際。 1、經(jīng)典控制實際 經(jīng)典控制實際產(chǎn)生并開展于20世紀4060年代。 2、現(xiàn)代控制實際 現(xiàn)代控制實際于20世紀60年代中期開展成熟。 3、智能控制實際 智能控制實際是20世紀70年代后， 控制實際向廣度和深度開展的結(jié)果。 第第1 1章章 自動控制系統(tǒng)概述自動控制系統(tǒng)概述 智能控制系統(tǒng)是指具有某些仿人智能的工程控制與信息處置系統(tǒng)， 其中最典型的就是智能機器人。 對自動控制實際的詳細描畫可表示為以下圖。 第第1 1章章 自動控制系統(tǒng)概述自動控制系統(tǒng)概述 對自動控制實際的詳細描畫 第第1 1章章 自動控制系

4、統(tǒng)概述自動控制系統(tǒng)概述 1.2 開環(huán)控制和閉環(huán)控制開環(huán)控制和閉環(huán)控制 1、開環(huán)控制系統(tǒng)(OpenLoop Control System) 假設(shè)系統(tǒng)的輸出量不被引回來對系統(tǒng)的控制部分產(chǎn)生影響， 那么這樣的系統(tǒng)稱為開環(huán)控制系統(tǒng)。 第第1 1章章 自動控制系統(tǒng)概述自動控制系統(tǒng)概述 圖 1 - 1 數(shù)控加工機床表示圖 第第1 1章章 自動控制系統(tǒng)概述自動控制系統(tǒng)概述 圖 1 - 2 為數(shù)控加工機床開環(huán)控制框圖。 此系統(tǒng)的輸入量為加工程序指令， 輸出量為機床任務(wù)臺的位移， 系統(tǒng)的控制對象為任務(wù)臺， 執(zhí)行機構(gòu)為步進電動機和傳動機構(gòu)。 此系統(tǒng)無反響環(huán)節(jié)， 輸出量并不前往來影響控制部分， 因此是開環(huán)控制。 第

5、第1 1章章 自動控制系統(tǒng)概述自動控制系統(tǒng)概述 圖 1 2 數(shù)控加工機床開環(huán)控制框圖 控制器執(zhí)行元件控制對象輸入量(控制脈沖)(脈沖分配器)(步進電動機及傳動機構(gòu))(工作臺)輸出量(位 移)第第1 1章章 自動控制系統(tǒng)概述自動控制系統(tǒng)概述 2、閉環(huán)控制系統(tǒng)(ClosedLoop Control System) 假設(shè)系統(tǒng)輸出量經(jīng)過反響環(huán)節(jié)前往來作用于控制部分， 構(gòu)成閉合環(huán)路， 那么這樣的系統(tǒng)稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)， 又稱為反響控制系統(tǒng)(Feedback Control System)。 第第1 1章章 自動控制系統(tǒng)概述自動控制系統(tǒng)概述 圖 1 - 3 電爐箱恒溫自動控制系統(tǒng) 第第1 1章章 自動控制系

6、統(tǒng)概述自動控制系統(tǒng)概述 圖 1 - 4 電爐箱自動控制系統(tǒng)的組成框圖 第第1 1章章 自動控制系統(tǒng)概述自動控制系統(tǒng)概述 圖 1 5 爐溫自動調(diào)理過程 第第1 1章章 自動控制系統(tǒng)概述自動控制系統(tǒng)概述 1.3 自動控制系統(tǒng)的組成自動控制系統(tǒng)的組成 現(xiàn)以圖 1 - 3和圖 1 - 4 所示的恒溫控制系統(tǒng)來闡明自動控制系統(tǒng)的組成和有關(guān)術(shù)語。 第第1 1章章 自動控制系統(tǒng)概述自動控制系統(tǒng)概述 圖 1 - 6 自動控制系統(tǒng)的組成框圖 第第1 1章章 自動控制系統(tǒng)概述自動控制系統(tǒng)概述 由圖 1 - 6 可以看出， 普通自動控制系統(tǒng)包括： (1) 給定元件Command Element： 由它調(diào)理給定信號U

7、sT， 以調(diào)理輸出量的大小。 (2) 檢測元件Detecting Element： 由它檢測輸出量如爐溫T的大小， 并反響到輸入端。 (3) 比較環(huán)節(jié)Comparing Element： 在此處， 反響信號與給定信號進展疊加， 信號的極性以“+或“-表示。 (4) 放大元件Amplifying Element： 由于偏向信號普通很小， 因此要經(jīng)過電壓放大及功率放大， 以驅(qū)動執(zhí)行元件。 第第1 1章章 自動控制系統(tǒng)概述自動控制系統(tǒng)概述 (5) 執(zhí)行元件Executive Element： 驅(qū)動被控制對象的環(huán)節(jié)。 (6) 控制對象Controlled Plant： 亦稱被調(diào)對象。 (7) 反響環(huán)節(jié)

8、Feedback Element： 由它將輸出量引出， 再回送到控制部分。 第第1 1章章 自動控制系統(tǒng)概述自動控制系統(tǒng)概述 由圖 1 - 6 可見， 系統(tǒng)中的各種作用量和被控制量包括： (1) 輸入量Input Variable： 又稱控制量或調(diào)理量Reference Input Variable， 所以輸入量的角標常用i(或 r)表示。它通常由給定信號電壓構(gòu)成,或經(jīng)過檢測元件將非電輸入量轉(zhuǎn)換成信號電壓。 (2) 輸出量Output Variable： 又稱被控制量Controlled Variable, 所以輸出量角標常用o(或 c)表示。它是被控制對象的輸出，是自動控制的目的。 第第1

9、1章章 自動控制系統(tǒng)概述自動控制系統(tǒng)概述 (3) 反響量Feedback Variable： 經(jīng)過檢測元件將輸出量轉(zhuǎn)變成與給定信號性質(zhì)一樣且數(shù)量級一樣信號電壓。 (4) 擾動量Disturbance Variable: 又稱干擾或“噪聲Noise， 所以擾動量的角標常以d或n表示。 它通常指引起輸出量發(fā)生變化的各種要素。 (5) 中間變量(Semifinisbed Variable)： 系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)之間的作用量。 第第1 1章章 自動控制系統(tǒng)概述自動控制系統(tǒng)概述 【例1-1】 水位控制系統(tǒng)。 圖1-7 水位控制系統(tǒng)表示圖第第1 1章章 自動控制系統(tǒng)概述自動控制系統(tǒng)概述 圖1-8 水位控制系統(tǒng)的

10、組成框圖第第1 1章章 自動控制系統(tǒng)概述自動控制系統(tǒng)概述 2.任務(wù)原理3.自動調(diào)理過程直至Q1=Q2,H=H0，UB=UA，U=0時，電動機停轉(zhuǎn)為止圖1-9 水位控制系統(tǒng)的自動調(diào)理過程 第第1 1章章 自動控制系統(tǒng)概述自動控制系統(tǒng)概述 【例1-2】 位置跟隨系統(tǒng)。1、系統(tǒng)的組成圖1-10 位置跟隨系統(tǒng)表示圖第第1 1章章 自動控制系統(tǒng)概述自動控制系統(tǒng)概述 圖1-11 雷達天線位置跟隨系統(tǒng)框圖第第1 1章章 自動控制系統(tǒng)概述自動控制系統(tǒng)概述 2、任務(wù)原理 圖1-12 雷達天線位置跟隨自動調(diào)理過程第第1 1章章 自動控制系統(tǒng)概述自動控制系統(tǒng)概述 1.4 自動控制系統(tǒng)的分類自動控制系統(tǒng)的分類 自動控

11、制系統(tǒng)可以從不同的角度來進展分類， 常見的有以下幾種。 1、按輸入量變化的規(guī)律分類 自動控制系統(tǒng)按輸入量變化的規(guī)律可分為以下三類。 1) 恒值控制系統(tǒng)(Fixed Set-Point Control System) 恒值控制系統(tǒng)的特點是： 系統(tǒng)的輸入量是恒量， 并且要求系統(tǒng)的輸出量相應(yīng)地堅持恒定。 第第1 1章章 自動控制系統(tǒng)概述自動控制系統(tǒng)概述 2) 隨動系統(tǒng)Follow-Up Control System 隨動控制系統(tǒng)又稱伺服系統(tǒng)Serve-System， 其特點是： 輸入量是變化著的有時是隨機的， 并且要求系統(tǒng)的輸出量能跟隨輸入量的變化而作出相應(yīng)的變化。 第第1 1章章 自動控制系統(tǒng)概述

12、自動控制系統(tǒng)概述 在數(shù)控機床控制系統(tǒng)中,目前國內(nèi)用得較多 得兩種系統(tǒng):德國西門子數(shù)控系統(tǒng)(SINUMER1K 810D)主軸交流高速變頻調(diào)速電機(恒值控制)轉(zhuǎn)速可達15000r/min(銑刀、齒輪)刀架位置隨動系統(tǒng)交流伺服電動機(變頻) 系統(tǒng)如以下圖所示：第第1 1章章 自動控制系統(tǒng)概述自動控制系統(tǒng)概述 第第1 1章章 自動控制系統(tǒng)概述自動控制系統(tǒng)概述 日本FANUC數(shù)控系統(tǒng)以下圖為FANUC數(shù)控系統(tǒng)：交流變頻伺服系統(tǒng)(刀架準確定位)第第1 1章章 自動控制系統(tǒng)概述自動控制系統(tǒng)概述 3) 過程控制系統(tǒng)(Process Control System) 過程控制系統(tǒng)的特點是： 輸入量按照一定的時間

13、函數(shù)變化， 并且要求輸出量隨之變化。對其中的每一個部分，它們能夠是一種隨動控制系統(tǒng)，也能夠是按程序指令變化的恒值控制系統(tǒng)。第第1 1章章 自動控制系統(tǒng)概述自動控制系統(tǒng)概述 食品加工的在線調(diào)和流量控制如消費調(diào)和油 第第1 1章章 自動控制系統(tǒng)概述自動控制系統(tǒng)概述 化工廠中的溫度、壓力、流量的控制 第第1 1章章 自動控制系統(tǒng)概述自動控制系統(tǒng)概述 發(fā)電廠的消費控制木屑發(fā)電原理第第1 1章章 自動控制系統(tǒng)概述自動控制系統(tǒng)概述 2、按系統(tǒng)傳輸信號對時間的關(guān)系分類 自動控制系統(tǒng)按系統(tǒng)傳輸信號對時間的關(guān)系可分為兩類。 1) 延續(xù)控制系統(tǒng)Continuous Control System 延續(xù)控制系統(tǒng)的特點

14、是：各元件的輸入量或輸出量都是延續(xù)量或模擬量， 因此它又稱為模擬控制系統(tǒng)Analogue Control System。延續(xù)控制系統(tǒng)的運動規(guī)律通常可用微分方程來描畫。 第第1 1章章 自動控制系統(tǒng)概述自動控制系統(tǒng)概述 2) 離散控制系統(tǒng)(Discrete Control System) 離散控制系統(tǒng)又稱采樣數(shù)據(jù)控制系統(tǒng)Sampted-Date Control System。 它的特點是： 系統(tǒng)中有的信號是脈沖序列或采樣數(shù)據(jù)量或數(shù)字量。 第第1 1章章 自動控制系統(tǒng)概述自動控制系統(tǒng)概述 3、按系統(tǒng)的輸出量和輸入量間的關(guān)系分類 自動控制系統(tǒng)按系統(tǒng)的輸出量和輸入量間的關(guān)系可分為兩類。 1) 線性系統(tǒng)

15、(Linear System) 線性系統(tǒng)的特點是： 系統(tǒng)全部由線性元件組成， 它輸出量和輸入量間的關(guān)系用線性微分方程來描畫。可運用疊加定理。 第第1 1章章 自動控制系統(tǒng)概述自動控制系統(tǒng)概述 2) 非線性系統(tǒng)(Nonlinear System) 非線性系統(tǒng)的特點是： 系統(tǒng)中存在有非線性元件， 如具有死區(qū)、 出現(xiàn)飽和、 含有摩擦等非線性特性的元件， 要用非線性微分方程來描畫。 第第1 1章章 自動控制系統(tǒng)概述自動控制系統(tǒng)概述 4、按系統(tǒng)中的參數(shù)對時間的變化情況分類 1) 定常系統(tǒng)Time-Invariant System 定常系統(tǒng)(又稱時不變系統(tǒng)) ，其特點是： 系統(tǒng)的全部參數(shù)不隨時間變化， 它

16、用定常微分方程來描畫。 2) 時變系統(tǒng)(Time-Varying System) 時變系統(tǒng)的特點是： 系統(tǒng)中有的參數(shù)是時間t的函數(shù)， 它隨時間變化而改動。 第第1 1章章 自動控制系統(tǒng)概述自動控制系統(tǒng)概述 1.5 自動控制系統(tǒng)的性能目的自動控制系統(tǒng)的性能目的 1、系統(tǒng)的穩(wěn)定性Stability 穩(wěn)定性是保證控制系統(tǒng)正常任務(wù)的先決條件。 一個穩(wěn)定的控制系統(tǒng)， 其被控量偏離期望值的初始偏向應(yīng)隨時間的增長逐漸減小或趨于零。 第第1 1章章 自動控制系統(tǒng)概述自動控制系統(tǒng)概述 圖1-13 穩(wěn)定系統(tǒng)和不穩(wěn)定系統(tǒng) a)穩(wěn)定系統(tǒng) b)不穩(wěn)定系統(tǒng)第第1 1章章 自動控制系統(tǒng)概述自動控制系統(tǒng)概述 2 、系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)

17、性能目的、系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能目的 (Steaty-State Performance Specification) 當系統(tǒng)從一個穩(wěn)態(tài)過渡到新的穩(wěn)態(tài)，或系統(tǒng)受擾當系統(tǒng)從一個穩(wěn)態(tài)過渡到新的穩(wěn)態(tài)，或系統(tǒng)受擾動作用又重新平衡后，系統(tǒng)會出現(xiàn)偏向，這種偏向稱動作用又重新平衡后，系統(tǒng)會出現(xiàn)偏向，這種偏向稱為穩(wěn)態(tài)誤差為穩(wěn)態(tài)誤差(ess)(Steady-State Error)。系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤。系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差的大小反映了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度差的大小反映了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度(或靜態(tài)精度或靜態(tài)精度)(Static Accuracy)，它闡明了系統(tǒng)的準確程度。穩(wěn)態(tài)誤差，它闡明了系統(tǒng)的準確程度。穩(wěn)態(tài)誤差 ess 越小，那么系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度越

18、高。越小，那么系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度越高。 .有靜差系統(tǒng)：有靜差系統(tǒng)：ess0，如圖，如圖1-8a所示。所示。 .無靜差系統(tǒng)：無靜差系統(tǒng)：ess=0，如圖，如圖1-8b所示。所示。 第第1 1章章 自動控制系統(tǒng)概述自動控制系統(tǒng)概述 圖1-14 自動控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能a)有靜差系統(tǒng) b)無靜差系統(tǒng)第第1 1章章 自動控制系統(tǒng)概述自動控制系統(tǒng)概述 3、系統(tǒng)的動態(tài)性能目的(Dynamic Performance Specification) 系統(tǒng)從一個穩(wěn)態(tài)過渡到新的穩(wěn)態(tài)都需求閱歷一段時間，亦即需求閱歷一個過渡過程。表征這個過渡過程性能的目的叫做動態(tài)目的。 第第1 1章章 自動控制系統(tǒng)概述自動控制系統(tǒng)概述 圖

19、圖1-15 系統(tǒng)對突加給定信號的動態(tài)呼應(yīng)曲線系統(tǒng)對突加給定信號的動態(tài)呼應(yīng)曲線第第1 1章章 自動控制系統(tǒng)概述自動控制系統(tǒng)概述 1、最大超調(diào)量( )(Maximum Overshoot) 最大超調(diào)量是輸出量c(t)與穩(wěn)態(tài)值 的最大偏向 與穩(wěn)態(tài)值 之比。即 最大超調(diào)量反映了系統(tǒng)的動態(tài)精度，最大超調(diào)量越小，那么闡明系統(tǒng)過渡過程進展得越平穩(wěn)。m ax100%cc c maxc第第1 1章章 自動控制系統(tǒng)概述自動控制系統(tǒng)概述 2、調(diào)整時間( )(Settling Time) 調(diào)整時間是給定量作用于系統(tǒng)開場，到輸出量進入并不斷堅持在離穩(wěn)態(tài)值的允許誤差帶內(nèi)所需求的時間。 3、振蕩次數(shù)(N)(Order Nu

20、mber) 振蕩次數(shù)是指在調(diào)整時間內(nèi)，輸出量在穩(wěn)態(tài)值上下擺動的次數(shù)。st第第1 1章章 自動控制系統(tǒng)概述自動控制系統(tǒng)概述 結(jié)論：結(jié)論： 在上述目的中，最大超調(diào)量和振蕩次數(shù)反映了系統(tǒng)的穩(wěn)定性能。調(diào)整時間反映了系統(tǒng)的快速性。穩(wěn)態(tài)誤差反映了系統(tǒng)的準確度。普通說來，我們總是希望最大超調(diào)量小一點，振蕩次數(shù)少一點，調(diào)整時間短一些，穩(wěn)態(tài)誤差小一點?？傊?，希望系統(tǒng)能到達穩(wěn)、快、準。以后的分析將闡明，這些目的要求，在同一個系統(tǒng)中往往是相互矛盾的。這就需求根據(jù)詳細對象所提出的要求，對其中的某些目的有所偏重，同時又要留意統(tǒng)籌兼顧。性能目的是衡量自動控制系統(tǒng)技術(shù)質(zhì)量的客觀規(guī)范，它是訂貨、驗收的根本根據(jù)，也是技術(shù)合同的

21、根本內(nèi)容。 第第1 1章章 自動控制系統(tǒng)概述自動控制系統(tǒng)概述 1.6 研討自動控制系統(tǒng)的方法研討自動控制系統(tǒng)的方法 對自動控制系統(tǒng)進展分析研討，首先是對系統(tǒng)進展定性分析。所謂定性分析，主要是搞清各個單元及各個元件在系統(tǒng)中的位置和作用，以及它們之間的相互聯(lián)絡(luò)，并在此根底上搞清系統(tǒng)的任務(wù)原理。然后，在定性分析的根底上，可以建立系統(tǒng)的數(shù)學模型；再運用自動控制實際對系統(tǒng)的穩(wěn)定性、穩(wěn)態(tài)性能和動態(tài)性能進展定量分析。在系統(tǒng)分析的根底上就可以找到改善系統(tǒng)性能，提高系統(tǒng)技術(shù)目的的有效途徑，這也就是系統(tǒng)的校正、設(shè)計和現(xiàn)場調(diào)試。第第1 1章章 自動控制系統(tǒng)概述自動控制系統(tǒng)概述 自動控制實際又分為經(jīng)典控制實際(Cla

22、ssical Control Theory)和現(xiàn)代控制實際(Modern Control Theory)。 經(jīng)典控制實際是建立在傳送函數(shù)(Transfer Function)概念根底之上的，它對單輸入單輸出系統(tǒng)是非常有效的。 現(xiàn)代控制實際是建立在形狀變量(State Variable)概念根底之上的，它適用于復(fù)雜的多輸入多輸出控制系統(tǒng)及變參數(shù)非線性系統(tǒng)，實現(xiàn)自順應(yīng)控制(Adaptive Control)、最正確控制(Optimal Control)等。在經(jīng)典控制實際中，又有時域分析法 (TimeDomain Analysis Method)、頻率呼應(yīng)法(Freguency Response M

23、ethod)和根軌跡法(The Root Locus Method)等幾種分析方法。 第第1 1章章 自動控制系統(tǒng)概述自動控制系統(tǒng)概述 習習 題題 1 - 1 分析比較開環(huán)控制與閉環(huán)控制的特征、 優(yōu)缺陷和運用場所的不同。 第第1 1章章 自動控制系統(tǒng)概述自動控制系統(tǒng)概述 1 - 2 指出以下系統(tǒng)中哪些屬開環(huán)控制， 哪些屬閉環(huán)控制： (1) 家用電冰箱 (2) 家用空調(diào) (3) 家用洗衣機 (4) 抽水馬桶 (5) 普通車床 (6) 電飯煲 (7) 多速電風扇 (8) 高樓水箱 (9) 調(diào)光臺燈 (10) 自動報時電子鐘第第1 1章章 自動控制系統(tǒng)概述自動控制系統(tǒng)概述 1 - 3 衡量一個自動控制系統(tǒng)的性能目的通常有哪些？ 以下圖 為某自動控制系統(tǒng)啟動時的動態(tài)曲線， 其中x(t)為被控量， xo為期望穩(wěn)態(tài)值。 曲線、 對應(yīng)不