自动控制原理孟庆明PPT学习教案

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1、会计学1自动控制原理孟庆明自动控制原理孟庆明一、技术术语一、技术术语1. 被控对象被控对象:是指要求实现自动控制的机器、设备或生产过程。是指要求实现自动控制的机器、设备或生产过程。3. 控制器：又称调节器、控制装置，由控制元件组成，它接受指令信号，输出控制作用信号于被控对象。控制器：又称调节器、控制装置，由控制元件组成，它接受指令信号，输出控制作用信号于被控对象。2. 被控量：表征被控对象工作状态的物理参量被控量：表征被控对象工作状态的物理参量(或状态参量或状态参量)，如转速、压力、温度、电压、位移等。，如转速、压力、温度、电压、位移等。第1页/共27页4. 给定值或指令信号给定值或指令信号r

2、(t)：要求控制系统按一定规律变化的信号，是系统的输入信号。要求控制系统按一定规律变化的信号，是系统的输入信号。5. 干扰信号干扰信号n(t)：又称扰动值，是一种对系统的被控量起破坏作用的信号。又称扰动值，是一种对系统的被控量起破坏作用的信号。6. 反馈信号反馈信号b(t)：是指被控量经测量元件检测后回馈送到系统输入端的信号。是指被控量经测量元件检测后回馈送到系统输入端的信号。7. 偏差信号偏差信号e(t)：是指给定值与被控量的差值，或指令信号与反馈信号的差值。是指给定值与被控量的差值，或指令信号与反馈信号的差值。第2页/共27页二、自动控制的任务二、自动控制的任务控制器被控对象r(t)c(t

3、)在没有人直接参与下，利用控制装置操纵被控对象，使被控量按照给定值的规律变化。或在没有人直接参与下，利用控制装置操纵被控对象，使被控量按照给定值的规律变化。或( )( )c tr t上式是自动控制任务的数学表达式。上式是自动控制任务的数学表达式。第3页/共27页三、反馈控制原理三、反馈控制原理在自动控制系统中，被控量是要求严格加以控在自动控制系统中，被控量是要求严格加以控制的物理量；而作为对被控对象施加控制作用制的物理量；而作为对被控对象施加控制作用的控制装置，可以采用不同的原理和方式完成的控制装置，可以采用不同的原理和方式完成赋予的任务。其中，最基本的控制原理就是赋予的任务。其中，最基本的控

4、制原理就是反反馈控制原理馈控制原理。基于反馈控制原理组成的控制系。基于反馈控制原理组成的控制系统被称为统被称为反馈控制系统反馈控制系统。 在反馈控制系统中，控制装置对被控对象施加在反馈控制系统中，控制装置对被控对象施加控制作用，而控制装置接受的信号是取自被控控制作用，而控制装置接受的信号是取自被控量的反馈信号与给定值相比较生成的偏差，根量的反馈信号与给定值相比较生成的偏差，根据偏差值的大小产生控制作用，实现控制任务据偏差值的大小产生控制作用，实现控制任务。 第4页/共27页实际行驶方向预期行驶方向图图1.2 汽车驾驶控制原理框图汽车驾驶控制原理框图第5页/共27页测量测量预期预期路线路线大脑大

5、脑方向方向盘盘汽车汽车实际实际路线路线眼睛和其他眼睛和其他感觉器官感觉器官手手图图1.3 汽车驾驶控制原理框汽车驾驶控制原理框图图 第6页/共27页四、控制系统的职能方框图四、控制系统的职能方框图 执行被控对象比较、放大给定值测量测量被控量干扰+-图图1.4 控制系统职能方框图控制系统职能方框图 第7页/共27页控制器控制器应具有三种基本职能，即应具有三种基本职能，即测量测量、比较比较和和执行执行。 1. 测量元件测量元件的职能是检测被控制的物理量，如果所测量的物理量为非电量，一般要将其转换为电量。的职能是检测被控制的物理量，如果所测量的物理量为非电量，一般要将其转换为电量。 2. 比较元件比

6、较元件的职能的职能是将测量元件检测到的被控量的实际值与给定值相比较，计算求出二者间的偏差。是将测量元件检测到的被控量的实际值与给定值相比较，计算求出二者间的偏差。第8页/共27页4. 执行元件执行元件的职能是的职能是直接推动被控对象，使被控量发生变化直接推动被控对象，使被控量发生变化 。3. 放大元件放大元件的职能是的职能是将比较元件给出的偏差信号放大，以驱动执行元件去控制被控对象。将比较元件给出的偏差信号放大，以驱动执行元件去控制被控对象。第9页/共27页1.2 自动控制的基本方式自动控制的基本方式 一、闭环控制一、闭环控制 图图1.7 闭环控制框图闭环控制框图 执行被控对象比较、计算给定值

7、测量被控量干扰+-第10页/共27页闭环控制有三大特点：闭环控制有三大特点：信号按箭头方向传递是封闭的信号按箭头方向传递是封闭的( (闭环闭环) )、负反馈负反馈和和按偏差控制按偏差控制。因此，闭环控制也被称作反馈控制或按偏差控制。因此，闭环控制也被称作反馈控制或按偏差控制。 闭环控制的主要优点：控制精度高，抗干扰能力强。闭环控制的主要优点：控制精度高，抗干扰能力强。缺点是使用的元件多，线路复杂，系统的分析和设计都比较麻烦。缺点是使用的元件多，线路复杂，系统的分析和设计都比较麻烦。 第11页/共27页二、开环控制二、开环控制 1. 按给定值控制按给定值控制 执行被控对象计算给定值被控量干扰+图

8、图1.8 开环控制框图开环控制框图第12页/共27页2.按干扰补偿按干扰补偿 图图1.9 按干扰补偿框图按干扰补偿框图 执行被控对象计算被控量干扰+测量第13页/共27页3.3.复合控制复合控制 执行被控对象计算给定值测量被控量干扰+-测量计算图图1.10 复合控制框图复合控制框图 第14页/共27页 1.3 对控制系统的性能要求对控制系统的性能要求 一、稳定性一、稳定性 稳定性稳定性是保证控制系统正常工作的先决条件。是保证控制系统正常工作的先决条件。对于稳定的控制系统，被控量偏离期望值后，经过一段过渡时间后，被控量应恢复到原来状态。对于稳定的控制系统，被控量偏离期望值后，经过一段过渡时间后，

9、被控量应恢复到原来状态。对于不稳定的控制系统，其被控量偏离期望值的偏差将会越来越大，最终发散对于不稳定的控制系统，其被控量偏离期望值的偏差将会越来越大，最终发散。第15页/共27页Otc(t)r(t)12 控制系统动态过程曲线控制系统动态过程曲线第16页/共27页二、快速性二、快速性 快速性即动态过程进行时间的长短。快速性即动态过程进行时间的长短。过程时间越短，说明系统的过程时间越短，说明系统的快速性快速性越好，过程时间持续越长，说明系统响应迟钝，难以实现快速变化的指令信号。越好，过程时间持续越长，说明系统响应迟钝，难以实现快速变化的指令信号。稳定性和快速性反映了系统的过渡过程的性能。稳定性和

10、快速性反映了系统的过渡过程的性能。 第17页/共27页Otc(t)r(t)12 控制系统的动态过程控制系统的动态过程第18页/共27页三、准确性三、准确性 当系统结束过渡过程后，被控量达到稳定值（平衡状态），这个稳定值与期望值的误差，就是系统的当系统结束过渡过程后，被控量达到稳定值（平衡状态），这个稳定值与期望值的误差，就是系统的稳态误差稳态误差。它是衡量系统稳态精度的指标，反映了动态过程后期的性能。它是衡量系统稳态精度的指标，反映了动态过程后期的性能。第19页/共27页1.4 自动控制系统示例自动控制系统示例 在分析自动控制系统时，首先应明确下面的一些问题在分析自动控制系统时，首先应明确下面

11、的一些问题: : 1. 被控对象是什么？被控量是什么？作用在对象上的主要干扰信号有哪些？被控对象是什么？被控量是什么？作用在对象上的主要干扰信号有哪些？ 2. 通过操纵哪个机构来改变被控量？即确定执行元件。通过操纵哪个机构来改变被控量？即确定执行元件。 第20页/共27页3. 有哪些测量元件？测量的是被控量还是干扰信号？测量元件的确定对分析系统起关键作用。有哪些测量元件？测量的是被控量还是干扰信号？测量元件的确定对分析系统起关键作用。 4. 指令信号或给定值是由哪个装置提供的？指令信号或给定值是由哪个装置提供的？ 5. 如何实现各信号的综合比较、计算和判断偏差？如何实现各信号的综合比较、计算和

12、判断偏差？ 第21页/共27页一、涡轮喷气发动机转速控制系统一、涡轮喷气发动机转速控制系统 图图 涡轮喷气发动机转速控制系统原理图涡轮喷气发动机转速控制系统原理图第22页/共27页首先应明确：首先应明确：1. 被控对象：涡轮喷气发动机被控对象：涡轮喷气发动机2. 被控量：涡轮转速被控量：涡轮转速nc3. 执行元件：即是改变供油量的机构，系统中与柱塞泵的斜盘以及和斜盘相连接的油缸活塞。斜盘倾角不同，泵在同样转速下供油量就不同。执行元件：即是改变供油量的机构，系统中与柱塞泵的斜盘以及和斜盘相连接的油缸活塞。斜盘倾角不同，泵在同样转速下供油量就不同。4. 转速测量：靠离心块（转速传感器）来完成转速测

13、量，离心块产生的离心力不同，作用在滑阀上（分油活门）的力的大小就代表了转速的大小。转速测量：靠离心块（转速传感器）来完成转速测量，离心块产生的离心力不同，作用在滑阀上（分油活门）的力的大小就代表了转速的大小。第23页/共27页5. 转速给定：由油门的位置给定，油门位置不同，作用在滑阀上的起始弹簧力也不同，起始弹簧力的大小就代表了给定转速的大小。转速给定：由油门的位置给定，油门位置不同，作用在滑阀上的起始弹簧力也不同，起始弹簧力的大小就代表了给定转速的大小。6. 比较元件：就是滑阀，离心力和弹簧力在阀芯上进行比较，若两个作用力不相等，则推动阀芯打开油路，输出高压燃油到燃烧室。比较元件：就是滑阀，

14、离心力和弹簧力在阀芯上进行比较，若两个作用力不相等，则推动阀芯打开油路，输出高压燃油到燃烧室。 第24页/共27页柱塞泵发动机滑阀离心块干扰+-油缸油门nrnc比较、放大执行给定对象测量图图2 涡轮喷气发动机转速控制系统职能框图涡轮喷气发动机转速控制系统职能框图 第25页/共27页本章小结本章小结1正确理解自动控制的三种基本控制方式，尤其闭环负反馈按偏差控制的原理更要清楚。正确理解自动控制的三种基本控制方式，尤其闭环负反馈按偏差控制的原理更要清楚。2在已知自动控制系统工作原理图的条件下，熟练地给出该系统的职能方框图，正确标示出系统各职能元件的名称和信号的名称。在已知自动控制系统工作原理图的条件下，熟练地给出该系统的职能方框图，正确标示出系统各职能元件的名称和信号的名称。第26页/共27页