自控原理12課件

閉環(huán)控制過程突出的特點:（被控量）（給定值）輸入量輸出量控制器被控對象控制量圖1-7閉環(huán)控制系統(tǒng)反饋裝置偏差+-定義凡是系統(tǒng)輸出信號對控制作用能有直接影響的系統(tǒng),都叫做閉環(huán)控制系統(tǒng)。①控制作用不是直接來自給定輸入,而是系統(tǒng)的偏差信號,由偏差產(chǎn)生對系統(tǒng)被控量的控制:②系統(tǒng)被控量的反饋信息又反過來影響系統(tǒng)的偏差信號。13.開環(huán)與閉環(huán)控制系統(tǒng)的比較閉環(huán)控制系統(tǒng)的最大特點是檢測偏差,糾正偏差.從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上看,閉環(huán)系統(tǒng)具有反向通道,即反饋.

(1)系統(tǒng)的控制精度得到了提高;(2)可以較好地抑制系統(tǒng)各環(huán)節(jié)中可能存在的擾動和由于器件的老化而引起的結(jié)構(gòu)和參數(shù)的不穩(wěn)定性;(3)同時可較好地改善系統(tǒng)的動態(tài)性能.從功能上看,閉環(huán)控制具有如下特點:為了減小系統(tǒng)所需要的功率,在可能的情況下應(yīng)當采用開環(huán)控制。2實質(zhì):在閉環(huán)控制回路的基礎(chǔ)上,附加一個輸入信號(給定或擾動)的順饋通路,對該信號實行加強或補償,以達到精確的控制效果。1)附加給定輸入補償輸入信號的微分作用,起到超前控制。 輸入量輸出量控制器被控對象控制量圖1-9附加給定輸入補償偏差補償裝置+-常見的方式有：4.復(fù)合控制3輸入量輸出量控制器被控對象控制量圖1-10附加擾動輸入補償補償裝置+-擾動+2.附加擾動輸入補償按照不變性原理來設(shè)計,即保證系統(tǒng)輸出與作用在系統(tǒng)上的擾動完全無關(guān)。附加的順饋通路相當于開環(huán)控制。對其本身補償裝置參數(shù)穩(wěn)定性要求較高;順饋通路對閉環(huán)回路性能影響不大,特別是對穩(wěn)定性無影響,但能大大提高系統(tǒng)控制精度。4組成控制系統(tǒng)的元件可以是電氣的、機械的或液壓的.一般均采用負反饋的基本結(jié)構(gòu)1.2.3反饋控制系統(tǒng)的組成和術(shù)語

系統(tǒng)誤差比較輸入圖1-11典型的自動控制系統(tǒng)方框圖偏差e(t)-+r(t)參考輸入主反饋b(t)參考輸入元件控制元件反饋元件被控量c(t)被控對象執(zhí)行元件理想化系統(tǒng)-+(t)cr(t)由系統(tǒng)的參考輸入元件所產(chǎn)生的輸入信號

由被控量通過反饋元件所產(chǎn)生的信號,它是被控量的函數(shù)

是參考輸入與主反饋之差

將參考輸入與主反饋進行比較所產(chǎn)生的差值e(t)=r(t)-b(t),該差值是系統(tǒng)的作用信號,也稱為作用誤差.所以比較元件也稱作用誤差檢測器。用符號表示。常用的電量比較元件有差動放大器、電橋電路等。反饋系統(tǒng)中被控制的物理量能從參考輸入直接產(chǎn)生理想輸出的系統(tǒng)

5系統(tǒng)誤差比較輸入圖1-11典型的自動控制系統(tǒng)方框圖偏差e(t)-+r(t)參考輸入主反饋b(t)參考輸入元件控制元件反饋元件被控量c(t)被控對象執(zhí)行元件理想化系統(tǒng)-+(t)cr(t)將被控量轉(zhuǎn)換成主反饋量的裝置.它可以對被控量進行測量并轉(zhuǎn)換成能用于與參考輸入進行比較的量值,所以反饋元件也稱測量元件.有時又稱為傳感器。

指系統(tǒng)中被控制的設(shè)備或過程,它能完成特定的動作或生產(chǎn)任務(wù)

是希望的響應(yīng)值(理想輸出)與被控量之差.也稱希望的響應(yīng)值,它是理想化系統(tǒng)所產(chǎn)生的理想響應(yīng)控制元件的輸出作用到執(zhí)行元件,執(zhí)行元件再直接作用于被控對象,使被控對象隨參考輸入而變化如閥門、伺服電動機等也稱校正元件或控制器、調(diào)節(jié)器.由于作用誤差往往十分微弱,一般需要進行幅值和功率的放大,并將它轉(zhuǎn)換成適于執(zhí)行機構(gòu)工作的信號;另外由于對系統(tǒng)性能的要求,需對作用誤差信號進行運算處理.在一般的控制系統(tǒng)中,控制器常采用PID控制器典型的自動控制系統(tǒng)一般都是由參考輸入元件、比較元件、控制元件、執(zhí)行元件、被控對象以及反饋元件六個基本單元組成.每個基本單元都用一個方塊表示,信號傳遞方向用箭頭表示,傳遞方向都是單向不可逆的,指向方塊的箭頭表示輸入信號離開方塊的箭頭表示輸出信號6研究的重點：信息的傳遞與轉(zhuǎn)換。開環(huán)控制與閉環(huán)控制,是從控制信息的傳遞路徑上來劃分的。1.恒值控制系統(tǒng)

參考輸入為常量,要求它的被控制量在任何擾動的作用下能盡快地恢復(fù)(或接近)到原有的穩(wěn)態(tài)值.這類系統(tǒng)能自動地消除各種擾動對被控制量的影響,故它又名為鎮(zhèn)定系統(tǒng)。1.3.1按給定信號的特征劃分1.3自動控制系統(tǒng)分類及基本組成克服擾動的影響是系統(tǒng)設(shè)計中要解決的主要矛盾。72.隨動控制系統(tǒng)

主要特點是給定信號的變化規(guī)律是事先不能確定的隨機信號。系統(tǒng)的任務(wù)是使輸出快速、準確地隨給定值的變化而變化,故稱作隨動控制系統(tǒng)。3.程序控制系統(tǒng)它的給定輸入不是隨機不可知的,

而是按事先預(yù)定的規(guī)律變化.適用于特定的生產(chǎn)工藝或工業(yè)過程,有仿形控制系統(tǒng)、機床數(shù)控加工系統(tǒng)、加熱爐溫度自動變化控制等.自動測量儀器、自動駕駛系統(tǒng)等都屬于典型隨動系統(tǒng)的例子.跟隨性是第一位，系統(tǒng)的抗干擾性在第二位。8按照元件特性方程式的不同,可將系統(tǒng)分成線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)兩大類。1.3.2按系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述劃分疊加原理:當幾個輸入信號同時作用在系統(tǒng)上,產(chǎn)生的總輸出等于各個輸入單獨作用時系統(tǒng)的輸出之和,這稱為疊加性。當系統(tǒng)輸入增大或縮小多少倍時,系統(tǒng)的輸出也增大或縮小相同的倍數(shù),這稱為齊次性。用公式表示為：當

（1-1）則有（1-2）

其中,系數(shù)a、b可以是常數(shù),也可以是時變系數(shù)；r(t)表示輸入;c(t)表示輸出。1.線性系統(tǒng)

當系統(tǒng)各元件輸入輸出特性是線性特性,系統(tǒng)的狀態(tài)和性能可以用線性微分(或差分)方程來描述時,則稱這種系統(tǒng)為線性系統(tǒng)。9線性系統(tǒng)也可細分成兩類：2）微分(或差分)方程的系數(shù)有時間的函數(shù),則稱為線性時變系統(tǒng).至少有一個系統(tǒng)組成元件靜特性是斜率隨時間變化的直線。1）系統(tǒng)微分(或差分)方程的系數(shù)均為常數(shù),稱為線性定常系統(tǒng)。定常特性：系統(tǒng)的響應(yīng)曲線形狀,只取決于具體的輸入,而與輸入的時間起點無關(guān)。102.非線性系統(tǒng)系統(tǒng)中只要存在一個非線性特性的元件,系統(tǒng)就由非線性方程來描述,這種系統(tǒng)稱為非線性系統(tǒng)。

非線性系統(tǒng)一般不具有齊次性,也不適用疊加原理,

它的輸出響應(yīng)和穩(wěn)定性與輸入信號和初始態(tài)有很大關(guān)系.如果系統(tǒng)在某一工作區(qū)域,可以視為線性系統(tǒng),但在大范圍工作區(qū)域則是非線性系統(tǒng)，這可稱為非本質(zhì)非線性?？刂破鞯妮斎胼敵鲫P(guān)系總是非線性的,不分區(qū)域,稱為本質(zhì)非線性。111.3.3按信號傳遞的連續(xù)性劃分連續(xù)系統(tǒng)

特點是系統(tǒng)中各元件的輸入信號和輸出信號都是時間的連續(xù)函數(shù)。系統(tǒng)的運動狀態(tài)是用微分方程來描述的。各元件傳輸?shù)男畔⒃诠こ躺戏Q為模擬量。2.離散系統(tǒng)控制系統(tǒng)中只要有一處的信號是脈沖序列或數(shù)碼時,該系統(tǒng)即為離散系統(tǒng)。系統(tǒng)的狀態(tài)和性能一般用差分方程來描述。A/D數(shù)字控制器圖1-11計算機控制系統(tǒng)檢測元件+-r(t)e(t)D/A對象c(t)放大器計算機e(t)121.3.4按系統(tǒng)輸入與輸出信號的數(shù)量劃分1.單變量系統(tǒng)(SISO)只有一個輸入量和一個輸出量。所謂單變量是從系統(tǒng)外部變量的描述來分類的,不考慮系統(tǒng)內(nèi)部的通路與結(jié)構(gòu)。內(nèi)部變量可稱為中間變量,輸入與輸出變量稱為外部變量。對系統(tǒng)的性能分析,只研究外部變量之間的關(guān)系。

輸入輸出量控制器對象圖1-12多回環(huán)控制系統(tǒng)內(nèi)部反饋元件偏差+-+-執(zhí)行元件主反饋元件132.多變量系統(tǒng)(MIMO)

多變量系統(tǒng)有多個輸入量和多個輸出量。一般地說,當系統(tǒng)輸入與輸出信號高于一個時,就稱為多變量系統(tǒng)。多變量系統(tǒng)的特點是變量多,回路也多,而且相互之間呈現(xiàn)多路耦合。討論多變量、變參數(shù),非線性、高精度、高效能等控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計?？刂破骺刂茖ο髤⒖驾斎霐_動輸出圖1-13多變量系統(tǒng)141.4控制系統(tǒng)的性能要求和分析設(shè)計1.4.1對控制系統(tǒng)性能的要求

(1)使系統(tǒng)的輸出快速準確地按輸入信號要求的期望輸出值變化。(2)使系統(tǒng)的輸出盡量不受任何擾動的影響。

通常把系統(tǒng)受到外加信號(給定值或干擾)作用后,被控量隨時間t變化的全過程稱為系統(tǒng)的動態(tài)過程(或過渡過程),以C(t)表示控制系統(tǒng)中的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)指時間趨于無窮大時的確定的響應(yīng)。(1-3)穩(wěn)態(tài)響應(yīng)所描述的運動規(guī)律屬于強迫運動。若輸入為恒定的,則輸出的強制運動也應(yīng)該是恒定的:若輸入為周期性的,則輸出的強制運動也應(yīng)該是周期性的

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穩(wěn)態(tài)是指一個確定的狀態(tài),而不一定是(隨時間t)不變化的狀態(tài)。有規(guī)律的變化狀態(tài)就是一個完全確定的狀態(tài),自然就屬于穩(wěn)態(tài)的范圍。閉環(huán)控制系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)總存在慣性,系統(tǒng)從一個平衡點到另一個平衡點無法瞬間完成,該過渡過程稱為動態(tài)過程或暫態(tài)過程.暫態(tài)響應(yīng)指隨時間增長而趨于零的那部分響應(yīng)。(1-4)(1-5)16穩(wěn)定性:控制系統(tǒng)被控量要實現(xiàn)輸入期望的相應(yīng)值,必須最終有一個穩(wěn)定的工作狀態(tài),即定態(tài).在有限范圍內(nèi)既不發(fā)散也不收斂的情況,稱為臨界穩(wěn)定狀態(tài)快速振蕩收斂慢速平穩(wěn)收斂誤差t(a)0C(t)圖1-14系統(tǒng)性能指標（a）穩(wěn)定系統(tǒng)（b）不穩(wěn)定系統(tǒng)發(fā)散C(t)臨界t(a)0穩(wěn)定系統(tǒng)中的強迫響應(yīng)稱為穩(wěn)態(tài),

自由響應(yīng)稱為暫態(tài).不論初始條件如何,最終總能實現(xiàn)定態(tài)的系統(tǒng)稱為穩(wěn)定系統(tǒng),反之為不穩(wěn)定系統(tǒng)。17自動控制性能指標:(1)穩(wěn)定性要求系統(tǒng)絕對穩(wěn)定且有一定的穩(wěn)定裕量。從工程的角度,臨界狀態(tài)與不穩(wěn)定同等看待。(2)準確性穩(wěn)態(tài)精度可用它的穩(wěn)態(tài)誤差來表示.

它指系統(tǒng)從暫態(tài)進入穩(wěn)態(tài)后期望輸出與實際輸出之間的偏差.根據(jù)輸入點的不同,一般可分為參考輸入穩(wěn)態(tài)誤差和擾動輸入穩(wěn)態(tài)誤差.對于隨動系統(tǒng)或其他有控制軌跡要求的系統(tǒng),還應(yīng)考慮動態(tài)誤差18(3)瞬態(tài)質(zhì)量要求系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)過程具有一定的快速性和變化的平穩(wěn)性?？焖傩允侵高^渡過程時間長短,反映系統(tǒng)快速復(fù)現(xiàn)信號的能力。平穩(wěn)性反映動態(tài)過程的振蕩程度及偏離量大小,過大的波動可能會使系統(tǒng)運動部件受損.動態(tài)偏離量的大小是對動態(tài)精度的衡量。19

分析是從己知確定系統(tǒng)出發(fā),分析計算系統(tǒng)所具有的性能指標。設(shè)計是根據(jù)要求的性能指標來確定系統(tǒng)應(yīng)具備的結(jié)構(gòu)模式。1.4.2控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計1.系統(tǒng)分析(1)建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。(2)分析系統(tǒng)的性能,計算三大性能指標是否滿足要求(3)分析參數(shù)變化對上述性能指標的影響,決定如何合理地選取。202.系統(tǒng)的設(shè)計步驟如下:(1)根據(jù)要求的性能指標,綜合出系統(tǒng)應(yīng)有的數(shù)學(xué)模型。(2)根據(jù)已知的被控對象,求出對象的數(shù)學(xué)模型,

并畫出系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖.(3)按結(jié)構(gòu)圖與數(shù)學(xué)模型關(guān)系,根據(jù)己知部分和系統(tǒng)應(yīng)有的數(shù)學(xué)模型,求出控制器的數(shù)學(xué)模型和控制規(guī)律。(4)各部分結(jié)構(gòu)確定后,按己定結(jié)構(gòu)求出系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型,進行性能分析,驗證它在各種信號作用下是否滿足要求,以便修正。(5)結(jié)構(gòu)參數(shù)最終確定后,可進行實驗仿真,若效果理想即可制作樣機。211.4.3例題流入流出水箱h液面控制電動機M減速器浮子電位計-+流入流出水箱h液面控制氣動閥門浮子控制器例1：上圖為液位自動控制系統(tǒng)示意圖，在任何情況下希望液面高度維持不變。試說明系統(tǒng)工作原理，并獲出系統(tǒng)原理方框圖。解：1）工作原理：閉環(huán)控制方式2）被控對象是水箱，被控量是水箱液位，給定量是電位器設(shè)定位置（代表液位的希望值），主擾動是流出水量。電位器電動機減速器閥門水箱浮子連桿出水量（擾動）設(shè)定位置實際液位圖1-20液位自動控制系統(tǒng)方框圖221.5小結(jié)1.基本要求明確什么是自動控制,正確理解被控對象、被控量、控制裝置和自控系統(tǒng)等概念。正確理解三種控制方式,特別是閉環(huán)控制。(3)初步掌握由系統(tǒng)工作原理圖畫方框圖的方法,并能正確判別系統(tǒng)的控制方式。(4)明確系統(tǒng)常用的分類方式,掌握各類別的含義和信息特征。(5)明確對自控系統(tǒng)的基本要求,正確理解三大性能指標的含義。232.內(nèi)容提要及小結(jié)(1)幾個重要概念自動控制是指在沒有人直接參與的情況下,利用控制器使被控對象的被控量自動地按預(yù)先給定的規(guī)律去運行。自動控制系統(tǒng)指被控對象和控制裝置的總體。這里控制裝置是一個廣義的名詞,主要是指以控制器為核心的一系列附加裝置的總和，共同構(gòu)成控制系統(tǒng),對被控對象的狀態(tài)實行自動控制,有時又泛稱為控制器或調(diào)節(jié)器。負反饋原理把被控量反送到系統(tǒng)的輸入端與給定量進行比較,利用偏差引起控制器產(chǎn)生控制量,以減小或消除偏差自動控制系統(tǒng)被控對象控制器給定元件