自動控制系統(tǒng)的基本概念

自動控制系統(tǒng)的基本概念第1頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)自動控制系統(tǒng)的一般概念第二節(jié)開環(huán)控制和閉環(huán)控制第三節(jié)自動控制系統(tǒng)的類型第四節(jié)控制系統(tǒng)性能的基本要求

和本課程的主要任務????本章研究內容第一章引論第五節(jié)自動控制系統(tǒng)實例?返回第2頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月自動控制系統(tǒng)自動控制本章返回1.1

自動控制系統(tǒng)的一般概念相關概念第3頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月舉例：

對路燈的控制有兩種方式：依靠肉眼觀察路面亮度——對開關進行控制依靠檢測元件自動檢測路面亮度——對開關進行控制兩者控制目的相同，但控制手段不同手動完成自動完成本章返回1.1

自動控制系統(tǒng)的一般概念第4頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月★

自動控制就是指在沒有人直接參與的情況下，利用控制器使被控對象(如機器、設備和生產過程)的某些物理量(或工作狀態(tài))能自動地按照預定的規(guī)律變化(或運行)

★

自動控制系統(tǒng)完成自動控制過程的所有元件與裝置組成的整體就稱為自動控制系統(tǒng)。1.1

自動控制系統(tǒng)的一般概念第5頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月自動控制系統(tǒng)由各種控制裝置被控制對象組成圖1.1直流電動機轉速控制系統(tǒng)(V-M系統(tǒng))

給定裝置被控對象控制器給定量或輸入量n被控量輸出量控制量擾動量TL第6頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月直流電動機轉速控制系統(tǒng)結構框圖輸出量與輸入量之間沒有直接的聯(lián)系，對擾動所引起的輸出的變化，系統(tǒng)沒有調節(jié)或控制作用。干擾輸入量輸出量單方向控制第7頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月圖1.3有人直接參與調節(jié)時的方塊圖1.1

自動控制系統(tǒng)的一般概念干擾手動調節(jié)第8頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月測速發(fā)電機放大器給定裝置圖1.4無人直接參與的電機調速系統(tǒng)自動調節(jié)反饋量偏差n第9頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月圖1.5閉環(huán)控制的電機調速系統(tǒng)方塊圖輸入量輸出量控制影響負反饋反饋量干擾偏差反饋控制系統(tǒng)第10頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月1.2

開環(huán)控制和閉環(huán)控制閉環(huán)控制閉環(huán)控制系統(tǒng)的基本組成開環(huán)控制第11頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月1.2.1開環(huán)控制

?220V電阻爐（受控對象）自偶變壓器（控制器）溫度

Tc(被控量）uc控制量控制目標uc→Tc擾動量n

自耦變壓器電阻爐控制量uc輸出量Tc電阻爐溫度控制系統(tǒng)第12頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月★開環(huán)控制只有輸入量對輸出量產生控制作用，而沒有輸出量參與對系統(tǒng)的控制；當出現(xiàn)擾動時，如果沒有人工干預，給定量與輸出量之間的對應將被改變，即系統(tǒng)輸出量（實際輸出）將偏離給定量所要求的數(shù)值（理想輸出）。單方向控制開環(huán)控制的特點：結構簡單、成本低、工作易穩(wěn)定、抗干擾能力差（精度不高）。開環(huán)控制適用范圍：精度要求不高的場合。第13頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月1.2.2閉環(huán)控制M-+-+

-+uguf△uuc反饋量給定量

控制量偏差放大器加熱器

爐溫閉環(huán)控制系統(tǒng)自偶變壓器變速器被控量爐溫Tc熱電偶檢測裝置可逆伺服電動機第14頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月比例積分調節(jié)器圖1.7實現(xiàn)比例積分控制規(guī)律的電機調速系統(tǒng)U0nUnUd0第15頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月圖1.8閉環(huán)控制系統(tǒng)方塊圖前向通道反向通道對反饋環(huán)內前向通道上的各種擾動都具有控制作用反饋環(huán)反饋量第16頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月★

閉環(huán)控制（又稱反饋控制或偏差控制）不僅存在輸入到輸出的控制，也存在輸出經(jīng)檢測裝置反饋到輸入端形成閉環(huán)，參與系統(tǒng)的控制，稱此系統(tǒng)為閉環(huán)控制系統(tǒng)。

※閉環(huán)控制的實質：

控制的過程——

不斷地進行檢測偏差、糾正偏差的過程第17頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月

★自動控制系統(tǒng)的任務：

克服各種擾動的影響，使系統(tǒng)按照給定量所設定的規(guī)律運行。閉環(huán)控制的特點：精度高、抗干擾能力強結構復雜、成本高閉環(huán)控制的適用范圍：高精度控制系統(tǒng)中第18頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月

1.2.3閉環(huán)控制系統(tǒng)的基本組成第19頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月本章返回第三節(jié)自動控制系統(tǒng)的類型連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)單輸入單輸出系統(tǒng)與多輸入多輸出系統(tǒng)線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)定常系統(tǒng)和時變系統(tǒng)第20頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)自動控制系統(tǒng)的類型按信號流向分開環(huán)系統(tǒng)閉環(huán)系統(tǒng)恒值系統(tǒng)

按輸入量變化規(guī)律分隨動系統(tǒng)程序控制系統(tǒng)

按系統(tǒng)輸入量和輸出量的關系分線性系統(tǒng)非線性系統(tǒng)本章返回本節(jié)返回★★★★第21頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月按系統(tǒng)傳輸信號與時間的關系分

連續(xù)系統(tǒng)離散系統(tǒng)按系統(tǒng)參數(shù)隨時間的變化情況分

定常系統(tǒng)時變系統(tǒng)按系統(tǒng)輸入輸出信號個數(shù)分

單輸入單輸出系統(tǒng)多輸入多輸出系統(tǒng)第三節(jié)自動控制系統(tǒng)的類型本章返回本節(jié)返回★★★第22頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月本章返回本節(jié)返回同時滿足疊加性與均勻性的系統(tǒng)。一、線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)

⒈線性系統(tǒng)

疊加性：是指當幾個輸入信號共同作用于系統(tǒng)時，總的輸出等于每個輸入單獨作用時產生的輸出之和。均勻性：是指當輸入信號增大若干倍時，輸出也相應增大同樣的倍數(shù)。第23頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月線性系統(tǒng)T()r(t)

c(t)

均勻性和疊加性：疊加性：均勻性：第24頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月式中：r(t)

——系統(tǒng)的輸入量an(t)

——系統(tǒng)參數(shù)

c(t)

——系統(tǒng)的輸出量bm(t)

——系統(tǒng)參數(shù)線性系統(tǒng)運動規(guī)律用線性微分方程描述：第25頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月本章返回本節(jié)返回線性定常系統(tǒng)：

線性微分方程各項系數(shù)為常數(shù)的系統(tǒng)。2、非線性控制系統(tǒng)不滿足疊加性與均勻性的系統(tǒng)。第26頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月

繼電器特性飽和特性不靈敏區(qū)特性輸入輸入輸入輸出輸出輸出本章返回本節(jié)返回系統(tǒng)中只要有一個元件的特性是非線性的，該系統(tǒng)即為非線性的控制系統(tǒng)系統(tǒng)中含有非線性元件第27頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月二、定常系統(tǒng)和時變系統(tǒng)定常系統(tǒng)：系統(tǒng)的參數(shù)不隨時間的變化而變化時變系統(tǒng)：系統(tǒng)的參數(shù)隨時間的變化而變化性質：在同樣的起始狀態(tài)下，系統(tǒng)的輸出(響應)

與輸入信號作用于系統(tǒng)的時刻無關

性質：在同樣的起始狀態(tài)下，系統(tǒng)的輸出(響應)

與輸入信號作用于系統(tǒng)的時刻有關

第28頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月本章返回本節(jié)返回三、連續(xù)數(shù)據(jù)系統(tǒng)和離散數(shù)據(jù)系統(tǒng)連續(xù)信號：時間上連續(xù)。離散信號：時間上離散。模擬信號：時間連續(xù)，幅值連續(xù)。采樣信號：時間離散，幅值連續(xù)。數(shù)字信號：時間離散，幅值也離散。連續(xù)系統(tǒng):系統(tǒng)中的各變量都是連續(xù)信號。離散系統(tǒng)：系統(tǒng)中一處或幾處存在離散信號。第29頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月四、單輸入單輸出系統(tǒng)與多輸入多輸出系統(tǒng)單輸入單輸出系統(tǒng)(SISO)：單變量系統(tǒng)系統(tǒng)的輸入量與輸出量各為一個理論基礎：古典控制理論多輸入多輸出系統(tǒng)(MIMO)：多變量系統(tǒng)系統(tǒng)的輸入量與輸出量多于一個理論基礎：現(xiàn)代控制理論第30頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月本課程的主要任務控制系統(tǒng)性能的基本要求本章返回第四節(jié)控制系統(tǒng)性能的基本要求和本課程的主要任務第31頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月

穩(wěn)性能好的自動控制系統(tǒng)應該具備

準特點

快穩(wěn)——穩(wěn)定性——自動控制系統(tǒng)首要考慮的問題準——準確性——反映系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能（精度）快——快速性——反映系統(tǒng)過渡過程的暫態(tài)性能一、控制系統(tǒng)性能的基本要求第32頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月擾動c(t）tc(t）t穩(wěn)定系統(tǒng)不穩(wěn)定系統(tǒng)本章返回本節(jié)返回★穩(wěn)定性第33頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月本章返回本節(jié)返回控制系統(tǒng)穩(wěn)定是系統(tǒng)正常工作的首要條件穩(wěn)定性還包含有過渡過程的平穩(wěn)性的含義——相對穩(wěn)定性擾動c(t）t穩(wěn)定系統(tǒng)相對穩(wěn)定性高第34頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月本章返回本節(jié)返回負載擾動負載擾動

ess≠0

ess=0有差系統(tǒng)無差系統(tǒng)ttc(t)★

準確性（穩(wěn)態(tài)性能）用穩(wěn)態(tài)誤差ess衡量c(t)第35頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月系統(tǒng)的暫態(tài)過程有以下幾種情況：

otot

給定突然變化負載突然變化

⑴單調過程本章返回本節(jié)返回★快速性（暫態(tài)性能）c(t)c(t)c2(t)c1(t)第36頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月

給定突然變化負載突然變化⑶持續(xù)振蕩狀態(tài)

n

n

o

t

o

t

給定突然變化負載突然變化n2n1本章返回本節(jié)返回

o

t

o

t

⑵衰減振蕩過程c(t)c(t)c2(t)c1(t)c0(t)第37頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月⑷發(fā)散振蕩狀態(tài)

給定突然變化負載突然變化系統(tǒng)的暫態(tài)性能指標系統(tǒng)的暫態(tài)性能由暫態(tài)性能指標衡量最大超調量上升時間過渡過程時間(或調節(jié)時間)振蕩次數(shù)。本章返回本節(jié)返回第38頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月5%或2%c()r(t)

ts

tr

t系統(tǒng)對突加給定信號的動態(tài)響應曲線0階躍輸入階躍響應本章返回本節(jié)返回cmax

cmax-c()

c(t)

第39頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月1、建立數(shù)學模型：時域——微分方程復域、頻域——傳遞函數(shù)

z域——差分方程2、系統(tǒng)分析穩(wěn)定性分析、動態(tài)分析、穩(wěn)態(tài)性能分析3、系統(tǒng)綜合（設計、校正）★

自動控制原理研究的主要內容——基礎——目的第40頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月第五節(jié)自動控制系統(tǒng)實例例：烘烤爐溫度控制系統(tǒng)的原理圖熱電偶被控對象被控量給定量偏差反饋量執(zhí)行元件控制量第41頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月烘烤爐溫度控制系統(tǒng)的結構圖閥門開度第42頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月