《自动控制原理》课件第1章.pptx
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1、第1章 引论第一章 引论1.1 1.1 自自动控制的基本原动控制的基本原理理1.2 1.2 自自动控制系统示动控制系统示例例1.3 1.3 自自动控制系统的类型动控制系统的类型 1.4 1.4 自自动控制系统的基本要动控制系统的基本要求求1.5 1.5 自自动控制系统的术语和定义动控制系统的术语和定义习题习题习题一习题一第1章 引论本章介绍了自动控制基本概念和自动控制系统基本原理,自动控制系统示例和分类,自动控制系统基本要求和术语。第1章 引论1.1 自动控制的基本原理自动控制的基本原理1.1.1 自动控制和自动控制系统自动控制和自动控制系统18 世纪下半叶,瓦特发明了蒸汽机,使传统的手工业过
2、渡到机器大工业,引起了第一次技术和工业革命的高潮;19 世纪 70 年代,发电机的发明,使电力在生产和生活中得到广泛的应用,第二次工业技术促成了一大批工业部门的诞生;随着现代科学技术的发展,自动控制技术成为当代发展迅速、应用广泛、最引人瞩目的高技术之一,是推动新的技术革命和新的产业革命的核心技术。第1章 引论自动控制是指在没有人直接干预的情况下,控制装置(如机器设备或生产过程)按照预先设定的控制过程(如测量、运动等),对被控对象的工作状态(如被控制量,温度、压力、流量、速度等)进行控制。自动控制系统是指能够对被控对象的工作状态进行自动控制的系统,它一般由控制装置和被控对象组成。第1章 引论自动
3、控制系统已被广泛应用于工业、农业、军事、交通等各个领域。在工业上,冶金、化工、机械制造等生产过程中遇到的各种物理量,如温度、流量、压力、厚度、张力、速度、位置、频率、相位等,都有相应的自动控制系统。在此基础上通过采用数字计算机还建立起了控制性能更好、自动化程度更高的数字控制系统,以及具有控制与管理双重功能的过程控制系统。在农业上,包括水位自动控制系统、农业机械的自动操作系统等。在军事技术上,有各种类型的伺服控制系统、火力控制系统、制导与控制系统等。第1章 引论在航天、航空和航海上,除了各种形式的控制系统外,还包括导航系统、遥控系统和各种仿真器。办公室自动化、图书管理、交通管理乃至日常家务,也离
4、不开自动控制技术。随着控制理论和控制技术的发展,自动控制系统的应用领域还在不断扩大,几乎涉及生物、医学、生态、经济、社会等所有领域。第1章 引论1.1.2 自动控制系统的工作原理自动控制系统的工作原理自动控制系统的组成和工作原理与人体的构成和工作机理有很多相似之处:人体的许多功能可以在不需要有意识地干涉的情况下完成,从而维持我们的生命,如人体的体温恒定调节系统、心跳自动控制系统、自动平衡系统等都是人体内在复杂的控制系统。第1章 引论同时,人的生活和生产等活动也无不体现出自动控制系统的工作,如打羽毛球,运动员要根据对手打过来的球的位置,调整自己的位置接球;水位人工控制系统,通过人工目测水位在目标
5、水位的上或下位置,关闭或打开进水阀,以保证水平面的高度。在人参与的活动中,眼睛作为传感器,人脑和神经系统作为控制装置(或控制器),人的手、腿、肌肉作为执行元件。传感器用来测量被控量的状态信息,并转换为电信号,传送给控制器;控制器计算出控制对象当前状态与目标状态的差值,按一定规律产生控制信号,经信号放大,送给执行机构操作,直到检测到当前状态与目标状态的差值为零为止。这是一种控制和消除偏差的过程,是按偏差控制的反馈控制。第1章 引论如果传感器检测的输出信号与输入信号叠加后,使系统产生的偏差越来越小,则称为负反馈(控制);反之,如果输出信号与输入信号叠加后,偏差信号越来越强,则称为正反馈(控制)。正
6、反馈在自动控制系统中主要用来对小的变化进行放大,从而可以使系统在一个稳定的状态下工作。如核反应就是一个正反馈的例子:在反应堆工作之前,要通过几个触发中子使系统工作起来,一旦反应开始后,系统本身会产生大量的中子来维持反应的进行,利用这种正反馈机制可以形成大规模的核反应。由于正反馈总是起放大作用,会使系统中的作用越来越剧烈,最后可能导致系统损坏。第1章 引论所以一般正反馈都与负反馈配合使用,以使系统的性能更优,有的时候会在正反馈后面加上非线性环节(如限幅环节)。本教材中提到的反馈控制系统如果无特殊说明,一般都指负反馈控制。第1章 引论1.1.3 自动控制系统的基本控制方式自动控制系统的基本控制方式
7、自动控制系统的基本控制方式包括:开环控制、闭环控制、前馈控制、复合控制。自动控制系统大多都是闭环(反馈)控制系统,系统方框图如图 11 所示。其特点是:输出影响输入,所以能削弱或抑制干扰;可由低精度元件组成高精度系统。第1章 引论图 11 闭环控制系统方框图第1章 引论当自动控制系统构成元件的精度较高,或系统本身要求的精度不高时,无需反馈,就构成了如图 11 中虚线部分的开环控制系统。开环控制是指控制器与被控对象之间只有顺向作用而没有反向联系的控制过程。此时,系统构成没有传感器对输出信号的检测部分。开环控制的特点是:输出不影响输入,通常容易实现;系统的精度与组成的元器件精度密切相关;系统的稳定
8、性不是主要问题;系统的控制精度取决于系统事先的调整精度,对于工作过程中受到的扰动或特性参数的变化无法自动补偿。开环控制方式结构简单,成本低廉,多用于系统结构参数稳定和扰动信号较弱的场合,如自动售货机、自动报警器、自动流水线等系统中。第1章 引论还有一种控制方式是按扰动进行补偿的,称为前馈控制,系统方框图如图12 所示。这种控制方式的原理是:利用对扰动信号的测量产生控制作用,以补偿扰动对输出量的影响。前馈控制是直接按扰动而不是按偏差控制,干扰发生后,被测量还未显现出变化之前,控制器就产生了控制作用,所以,前馈控制对干扰的抑制要比反馈控制更及时。由于扰动信号经测量元件、控制器至被控对象的输出量是单
9、向传递的,故按扰动补偿方式是开环控制方式的一种特例,对于不可测扰动以及被控对象及各功能部件内部参数变化给输出量造成的影响,系统自身无法控制,因此控制精度有限,常用于工作机械的恒速控制(如稳定刀具转速)以及电源系统的稳压、稳频控制。第1章 引论图 12 按扰动补偿的系统方框图第1章 引论复合控制方式是指同时包含按偏差的闭环控制和按扰动或输入的开环控制的控制方式。前馈控制用来作为补偿装置,只能补偿一种扰动,而对其他的扰动并不起补偿作用;反馈控制是按偏差确定控制作用以使输出量保持在期望值上。对于滞后较大的控制对象,馈控制作用不能及时影响系统的输出,常引起输出量的过大波动。如果引起输出量变化的外扰是可
10、量测的(例如在汽轮机调速系统中,汽轮机的负荷就是可以量测的),则用外扰信号直接控制输出就能更迅速和有效地补偿外扰对输出的影响。影响输出量变化的扰动因素很多,但可量测并用来进行控制的只能是主扰动。第1章 引论按扰动控制一般不能单独采用,常需与按偏差控制结合使用,构成复合控制。复合控制将按扰动的补偿控制与按偏差的反馈控制结合起来,发挥各自的优点,能显著减小扰动对系统的影响,有利于提高系统控制精度。第1章 引论1.2 自动控制系统示例自动控制系统示例1.2.1 液位控制系统液位控制系统液位控制系统可根据系统的实际需要有不同的构成,如图 13 所示。图(a)为机械式液位自动控制系统,图(b)为电控式液
11、位自动控制系统。从图 13 可见,液位控制是基本的反馈控制。图(a)的工作原理:水箱出水,液位逐渐下降,当液位低于设定的水位高度时,浮球下降,带动控制杠杆使控制阀门打开,增加水流入量;当水位渐渐上升时,控制阀门随之关小,减少水流入量,使水箱内液位保持在设定的高度上。第1章 引论此时,控制杠杆起着液位测量和调节的作用。图(b)的工作原理:自动控制器通过比较实际液位与期望液位,得到两者之间的误差并通过调整气动阀门的开度,对误差进行修正,从而保持液位不变。第1章 引论图 13 液位自动控制系统第1章 引论1.2.2 温度控制系统温度控制系统如图 14 为热处理炉温度自动控制系统。热处理炉需要保持温度
12、在某一恒定值,该目标温度是由给定的电压信号 u 1 控制的。炉内温度由热电偶测量,热电偶把炉内温度转换成电压 u 2 输出,u 2 与 u 1 比较,所得电压偏差 u=u 1-u 2 经放大器放大,驱动电动机。u 改变时,对应的电动机转速和方向也发生改变,通过传动装置拖动调压器触头。当温度偏低时,动触头向着增加电流方向运动;反之,当温度偏高时,动触头向着减小电流方向运动,直到所测实际温度与设定温度相等,u=0,电动机才停转。第1章 引论图 14 热处理炉温度自动控制系统第1章 引论1.2.3 转速自动调节系统转速自动调节系统在直流电动机单闭环转速自动调节系统中,直流电动机电枢电压变化会引起电动
13、机转速的变化,给定电枢电压值,实际上是给定了电动机的输出转速。直流电动机转速自动调节系统如图 15 所示。在电动机轴上安装一台测速发电机 TG,随着电动机转子同速转动,输出与转速成正比的电压 U n,将 U n 与设定值 U*n比较,得到偏差 U n,该偏差经放大器放大为 U ct,U ct 送给调节触发装置 GT,产生一定触发角的触发信号,控制晶体管可控整流器 VT 输出相应电枢电压 U d 驱动直流电动机转动。当电动机转速低时,Utg就小,相应的U n 就小,与设定电压比较后得到偏差 U n 就大,则输出的 U d 就大,电动机转速就提高;反之亦然。第1章 引论图 15 直流电动机转速自动
14、调节系统第1章 引论1.2.4 自整角机位置随动系统自整角机位置随动系统自整角机位置随动系统的功能是使自整角发送机 TX 转子角位移 i 总是跟随着自整角接收机 TR 的转子角位移 o。图 16 为自整角机位置随动系统,该位置随动系统实际上是火炮瞄准系统,初始状态应该是自整角发送机的位置角 i 和自整角接收机的位置角 o相等。当火炮手向某方向摇动手轮时,i o,产生的失调角 =i-o 0,则自整角接收机输出一个与 成正比的电压 U,经放大器放大,加到直流伺服电动机上,伺服电动机转动,带动火炮一起转动,同时,与伺服电动机转子联结的自整角接收机转子也跟着一起转动,则 o增加,值就会减小,当 i=o
15、时,=0,U=0,伺服电动机停转,这时,火炮转过的角度实际上就是火炮手摇动的角度。第1章 引论图 16 自整角位置随动系统第1章 引论1.2.5 热工水温控制系统热工水温控制系统图 17 为热工水温控制系统。冷水在热交换器中由通入的蒸汽加热,得到一定温度的热水,冷水流量变化用流量计测量,温度传感器不断测量热水温度,并在温度控制器中与给定温度比较,当实际水温高于设定温度值时,输出的偏差会控制蒸汽阀门关小,进入热交换器的蒸汽量减少,水温降低,直至偏差为零。在该系统中,冷水流量为扰动量。当冷水流量变大时,热水温度有所降低,流量计测得冷水流量变化,按前馈控制加到温度控制器中加以补偿,使阀门开大,蒸汽量
16、增加,补偿冷水量变大引起的热水温度的降低。第1章 引论图 17 热工水温控制系统第1章 引论1.3 自动控制系统的类型自动控制系统的类型自动控制系统的类型不是单一的,根据不同的分类方法有不同的类型,同一控制系统可能是属于多种类型。自动控制系统分类方法如下。1.3.1 按控制方式分类按控制方式分类自动控制系统控制方式主要指控制系统中信号的流动方向。按控制方式分类,可以分为开环控制、闭环控制、前馈控制和复合控制等 4 种类型。前面已对这 4 种控制方式作了介绍,不再重复。第1章 引论1.3.2 按执行部件分类按执行部件分类按执行部件不同,自动控制系统可以分为机械控制系统、气动控制系统、液压控制系统
17、、机电控制系统和电气控制系统等 5 种。机械控制系统是指用机械方法对元件或系统的工作特性进行调节或操纵的控制系统,前面提到的机械式液位控制系统,是最简单的机械控制系统。第1章 引论气动控制系统和液压控制系统分别是指系统中的动力分别是气压和液压的控制系统。液压控制系统一般是由阀体、电磁阀、油泵及连接所有零部件的流体通道及执行器组成的,如伺服液压缸。气动控制系统一般由压力控制阀、流量控制阀、方向控制阀和逻辑元件、传感元件以及气动辅件连接起来组成。在气动控制系统中,气动发生装置一般为空气压缩机,它将原动机供给的机械能转换为气体的压力能,如公交车的上下乘客的车门控制是常见的气动控制。第1章 引论机电控
18、制系统是指由机械结构和电气控制相结合构成的整个控制系统,包括数控系统、可编程控制系统、生产线控制和物流控制系统等。比如机电控制技术工程应用中的位置控制系统、速度控制系统、过程控制系统及综合机电控制系统。第1章 引论1.3.3 按系统信号特性分类按系统信号特性分类按系统信号特性,控制系统可分为运动控制系统、过程控制系统和顺序控制系统。运动控制系统大都基于伺服电机和步进电机;运动控制就是对机械运动部件的位置、速度等进行实时的控制管理,使其按照预期的运动轨迹和规定的运动参数进行运动。早期的运动控制技术主要是伴随着数控技术、机器人技术和工厂自动化技术的发展而发展的。第1章 引论运动控制是自动化的一个分
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