自动控制基础课件

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1、西安电子科技大学航天电子信息研究所航天电子信息研究所IAEI第第1 1章章 自动控制原理的基本概念自动控制原理的基本概念西安电子科技大学航天电子信息研究所航天电子信息研究所IAEI电子信息系统电子信息系统需求需求/约束约束原始原始信息信息信息获取信息获取感官感官器官器官信息传递信息传递传导传导系统系统信息执行信息执行感官感官器官器官信息传递信息传递传导传导系统系统预处理预处理认知认知决策决策知识库知识库思维思维器官器官感知感知信息信息可用可用信息信息知识知识目标目标智能智能策略策略西安电子科技大学航天电子信息研究所航天电子信息研究所IAEI相关领域的学科需求需求/约束约束原始原始信息信息信息获

2、取信息获取传感传感检测检测信息传递信息传递通信通信信息执行信息执行控制控制信息传递信息传递通信通信预处理预处理认知认知决策决策知识库知识库计算计算有序有序信息信息知识知识目标目标智能智能策略策略智能智能智能智能行为行为已获信息已获信息西安电子科技大学航天电子信息研究所航天电子信息研究所IAEI问题问题发出的指令能够被执行吗？（输入控制信发出的指令能够被执行吗？（输入控制信号能够被响应吗）？号能够被响应吗）？指令是如何被执行的？（信号传递关系怎指令是如何被执行的？（信号传递关系怎样？）样？）发出的指令能够按预期执行吗？（响应的发出的指令能够按预期执行吗？（响应的速度和精度怎样？）速度和精度怎样？

3、）发出的指令会激发混乱吗？（系统会变得发出的指令会激发混乱吗？（系统会变得不稳定吗？）不稳定吗？）西安电子科技大学航天电子信息研究所航天电子信息研究所IAEI第1章 自动控制原理的基本概念主要内容开环控制系统与闭环控制系统开环控制系统与闭环控制系统闭环控制系统的组成和基本环节闭环控制系统的组成和基本环节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性能指标自动控制系统的性能指标小结小结西安电子科技大学航天电子信息研究所航天电子信息研究所IAEI第1章 自动控制原理的基本概念学习重点v了解自动控制系统的基本结构和特点及其工作原了解自动控制系统的基本结构和特点及其工作原理；理；v了解闭环控制系

4、统的组成和基本环节；了解闭环控制系统的组成和基本环节；v掌握反馈控制系统的基本要求；掌握反馈控制系统的基本要求；v学会分析自动控制系统的类型及本质特征。学会分析自动控制系统的类型及本质特征。西安电子科技大学航天电子信息研究所航天电子信息研究所IAEI第第1 1章章 自动控制原理的基本概念自动控制原理的基本概念 课程的性质和特点课程的性质和特点 自动控制是一门技术学科，从方法论的自动控制是一门技术学科，从方法论的角度来研究系统的建立、分析与设计角度来研究系统的建立、分析与设计自动自动控制原理控制原理是本学科的技术基础课是本学科的技术基础课。西安电子科技大学航天电子信息研究所航天电子信息研究所IA

5、EI第第1 1章章 自动控制原理的基本概念自动控制原理的基本概念本课程与其它课程的关系：本课程与其它课程的关系：自动控制理论自动控制理论电路理论电路理论电机与拖动电机与拖动大学物理大学物理信号与系统信号与系统复变函数复变函数拉氏变换拉氏变换模拟电子技术模拟电子技术线性代数线性代数微积分微积分各各 类类专业课专业课线性系统线性系统现代控现代控制理论制理论西安电子科技大学航天电子信息研究所航天电子信息研究所IAEI1.1 1.1 开环控制系统和闭环控制系统开环控制系统和闭环控制系统自动控制自动控制自动控制是在没有人的直接干预下，利用物理装置对自动控制是在没有人的直接干预下，利用物理装置对生产设备和

6、工艺过程进行合理的控制，使被控制的物理量生产设备和工艺过程进行合理的控制，使被控制的物理量保持恒定，或者按照一定的规律变化，例如矿井提升机的保持恒定，或者按照一定的规律变化，例如矿井提升机的速度控制、轧钢厂加热炉温度的控制等等。速度控制、轧钢厂加热炉温度的控制等等。自动控制系统自动控制系统自动控制系统是为实现某一控制目标所需要的所有物自动控制系统是为实现某一控制目标所需要的所有物理部件的有机组合体。理部件的有机组合体。西安电子科技大学航天电子信息研究所航天电子信息研究所IAEI1.1 1.1 开环控制系统和闭环控制系统开环控制系统和闭环控制系统1.开环控制系统例例1-1 1-1 温度控制系统温

7、度控制系统 性能指标性能指标 工作过程工作过程西安电子科技大学航天电子信息研究所航天电子信息研究所IAEI1.1 1.1 开环控制系统和闭环控制系统开环控制系统和闭环控制系统12扰动量扰动量给定量给定量输出量输出量 1-控制器控制器(自耦变压器自耦变压器)2-被控对象被控对象(电阻炉电阻炉)图中：图中：西安电子科技大学航天电子信息研究所航天电子信息研究所IAEI1.1 1.1 开环控制系统和闭环控制系统开环控制系统和闭环控制系统（1 1）开环控制）开环控制 只有输入量对输出量产生控制作用，输出量只有输入量对输出量产生控制作用，输出量不参与对系统的控制。不参与对系统的控制。（2 2）开环控制特点

8、）开环控制特点输入控制输出输入控制输出输出不参与控制输出不参与控制系统没有抗干扰能力系统没有抗干扰能力西安电子科技大学航天电子信息研究所航天电子信息研究所IAEI1.1 1.1 开环控制系统和闭环控制系统开环控制系统和闭环控制系统2.闭环控制系统例例1-2 1-2 温度闭环控制系统温度闭环控制系统（1 1）人工闭环控制）人工闭环控制220V12uc西安电子科技大学航天电子信息研究所航天电子信息研究所IAEI1.1 1.1 开环控制系统和闭环控制系统开环控制系统和闭环控制系统（2 2）自动闭环控制）自动闭环控制西安电子科技大学航天电子信息研究所航天电子信息研究所IAEI 图图1-11-1表表示示

9、采采用用空空调调器器的的室室内内温温度度控控制制系系统统的的元元件件框框图图。图图中中方方块块表表示示元元部部件件,方方框框之之间间的的有有向向线线段段代代表表信信号号(或或变变量量)及及其其传传递递方方向向。室室内内温温度度是是要要被被控控制制的的物物理理量量,它它由由空空调调器器直直接接控控制制。电电位位器器的的输输入入电电压压r r代代表表设设定定的的室室内内温温度度。实实际际温温度度c c由由热热敏敏电电阻阻组组成成的的温温度度传传感感器器检检测测并并转转换换成成电电压压y y。电电子子放放大大器器的的输输出出电电压压e e代代表表设设定定温温度度与与实实际际温温度度之之差差。当当这这

10、个个温温度度差差大大于于某某个个规规定定值值时时,空空调调器器开开始始运运行行,缩缩小小室室内内温温度度与与设设定定温温度度之之间间的的差差值值。一一旦旦室室内内温温度度达达到到设设定定值值后后,放放大大器器输输出出电电压压e e使使空空调调断断电电而而停停止止运运行行。于于是是室内温度就被控制在设定值的附近。室内温度就被控制在设定值的附近。室内温度控制系统室内温度控制系统西安电子科技大学航天电子信息研究所航天电子信息研究所IAEI图图 1-1 室温控制系统元件框图室温控制系统元件框图 西安电子科技大学航天电子信息研究所航天电子信息研究所IAEI图图 1-2 室温控制系统功能框图室温控制系统功

11、能框图 西安电子科技大学航天电子信息研究所航天电子信息研究所IAEI图 1-3 开环控制系统 1.1 1.1 开环控制系统和闭环控制系统开环控制系统和闭环控制系统开环控制系统是一种最简单的控制系统开环控制系统是一种最简单的控制系统,在控制器在控制器和控制对象间只有正向控制作用和控制对象间只有正向控制作用,系统的输出量不系统的输出量不会对控制器产生任何影响会对控制器产生任何影响,西安电子科技大学航天电子信息研究所航天电子信息研究所IAEI1.1 1.1 开环控制系统和闭环控制系统开环控制系统和闭环控制系统给定量给定量 闭环闭环控制控制结结构构图图 1-控制器控制器 2-控制控制对对象象 3-检测

12、检测装置装置西安电子科技大学航天电子信息研究所航天电子信息研究所IAEI1.1 1.1 开环控制系统和闭环控制系统开环控制系统和闭环控制系统 反馈控制反馈控制把输出量的一部分检测出来把输出量的一部分检测出来,反馈到输入端反馈到输入端,与给定信号与给定信号进行比较，产生偏差进行比较，产生偏差,此偏差经过控制器产生控制作用此偏差经过控制器产生控制作用,使输使输出量按照要求的规律变化出量按照要求的规律变化反馈信号与给定信号极性相反为负反馈反馈信号与给定信号极性相反为负反馈,反之为正反馈反之为正反馈 反馈控制特点反馈控制特点输入控制输出输入控制输出输出参与控制输出参与控制检测偏差纠正偏差检测偏差纠正偏

13、差具有抗干扰能力具有抗干扰能力西安电子科技大学航天电子信息研究所航天电子信息研究所IAEI1.2 1.2 闭环控制系统的组成和基本环节闭环控制系统的组成和基本环节1.1.闭环控制系统的结构图闭环控制系统的结构图 1-1-给定环节；给定环节；2-2-比较环节；比较环节；3-3-校正环节；校正环节；4-4-放大环节；放大环节；5-5-执行机构；执行机构；6-6-被控对象；被控对象；7-7-检测装置检测装置西安电子科技大学航天电子信息研究所航天电子信息研究所IAEI1.2 1.2 闭环控制系统的组成和基本环节闭环控制系统的组成和基本环节2.闭环控制系统的基本环节闭环控制系统的基本环节（1 1）控制对

14、象或调节对象）控制对象或调节对象要进行控制的设备或过程。要进行控制的设备或过程。（2 2）执行机构）执行机构一般由传动装置和调节机构组成。执行机构直一般由传动装置和调节机构组成。执行机构直接作用于控制对象，使被控制量达到所要求的数值。接作用于控制对象，使被控制量达到所要求的数值。（3 3）检测装置或传感器）检测装置或传感器该装置用来检测被控制量，并将其转换为与给该装置用来检测被控制量，并将其转换为与给定量相同的物理量。定量相同的物理量。西安电子科技大学航天电子信息研究所航天电子信息研究所IAEI1.2 1.2 闭环控制系统的组成和基本环节闭环控制系统的组成和基本环节（4 4）给定环节）给定环节

15、设定被控制量的给定值的装置。设定被控制量的给定值的装置。（5 5）比较环节）比较环节将所检测的被控制量与给定量进行比较，确定将所检测的被控制量与给定量进行比较，确定两者之间的偏差量。两者之间的偏差量。（6 6）中间环节）中间环节一般包括比较环节和校正环节。一般包括比较环节和校正环节。西安电子科技大学航天电子信息研究所航天电子信息研究所IAEI1.2 1.2 闭环控制系统的组成和基本环节闭环控制系统的组成和基本环节(1)(1)被控对象被控对象 (2)(2)被控量或输出量被控量或输出量 (3)(3)控制量控制量 (4)(4)设定量或输入设定量或输入 (5)(5)扰动量扰动量 (6)(6)反馈量反馈

16、量 (7)(7)偏差量偏差量3.3.闭环控制系统中的基本术语闭环控制系统中的基本术语 (8)(8)前向通道或正向通道前向通道或正向通道 (9)(9)反馈通道或反向通道反馈通道或反向通道 (10)(10)理想输出理想输出 (11)(11)实际输出实际输出西安电子科技大学航天电子信息研究所航天电子信息研究所IAEI图图 1-2 室温控制系统功能框图室温控制系统功能框图 闭环控制系统中的基本术语闭环控制系统中的基本术语西安电子科技大学航天电子信息研究所航天电子信息研究所IAEI1.3 1.3 自动控制系统类型自动控制系统类型1.1.按照主要元件的特性方程的输入输出特按照主要元件的特性方程的输入输出特

17、征划分征划分1 1）线性系统）线性系统由线性元件组成的系统，其微分方程中输出由线性元件组成的系统，其微分方程中输出量及其各阶导数都是一次的，并且各系数与输量及其各阶导数都是一次的，并且各系数与输入量（自变量）无关。入量（自变量）无关。例如例如:反馈放大器反馈放大器2 2）非线性系统）非线性系统由非线性元件组成的系统，其微分方程式的由非线性元件组成的系统，其微分方程式的系数与自变量有关。系数与自变量有关。例如例如:饱和反馈放大器饱和反馈放大器西安电子科技大学航天电子信息研究所航天电子信息研究所IAEI1.3 1.3 自动控制系统类型自动控制系统类型2.按照信号传递方式划分按照信号传递方式划分1

18、1）连续数据系统）连续数据系统系统各部分的信号都是模拟的连续函数。系统各部分的信号都是模拟的连续函数。2 2）离散数据系统）离散数据系统系统的一处或几处，信号是以脉冲系列或数系统的一处或几处，信号是以脉冲系列或数码的形式传递。码的形式传递。西安电子科技大学航天电子信息研究所航天电子信息研究所IAEI 控控制制系系统统中中各各部部分分的的信信号号若若都都是是时时间间t t的的连连续续函函数数,则则称称这这类类系系统统为为连连续续控控制制系系统统。在在控控制制系系统统各各部部分分的的信信号号中中只只要要有有一一个个是是时时间间t t的的离离散散信信号号,则则称称这这类类系系统统为为离离散散控控制制

19、系系统统。离离散散模模型型是是计计算算机机控控制制的的最最主主要要模型。模型。西安电子科技大学航天电子信息研究所航天电子信息研究所IAEI1.3 1.3 自动控制系统类型自动控制系统类型3.按照输入量的变化规律划分按照输入量的变化规律划分1）恒值系统（）恒值系统（自稳定系统）自稳定系统）给定量是恒定不变的。给定量是恒定不变的。2）随动系统）随动系统给定量是按照一定的时间函数变化的。给定量是按照一定的时间函数变化的。3）程序控制系统）程序控制系统给定量按照事先未知的时间函数变化。给定量按照事先未知的时间函数变化。西安电子科技大学航天电子信息研究所航天电子信息研究所IAEI单位阶跃单位阶跃 U(t

20、),U(t),位置信号位置信号斜线信号斜线信号,速度信号速度信号抛物线信号，抛物线信号，加速度信号加速度信号1.4 1.4 线性系统中信号类型线性系统中信号类型西安电子科技大学航天电子信息研究所航天电子信息研究所IAEI1.5 1.5 自动控制系统的性能指标自动控制系统的性能指标 稳定性（稳定性（稳稳）、快速性（）、快速性（快快）、准确性（）、准确性（准准）“稳稳”与与“快快”是说明系统动态（过渡过程）品质。是说明系统动态（过渡过程）品质。系统的过渡过程产生的原因系统的过渡过程产生的原因 ：系统中储能元件的能量：系统中储能元件的能量不可能突变。不可能突变。“准准”是说明系统的稳态（静态）品质。

21、是说明系统的稳态（静态）品质。稳定性稳定性 是保证控制系统正常工作的先决条件。线性控是保证控制系统正常工作的先决条件。线性控制系统的稳定性由系统本身的结构与参数所决定的，与制系统的稳定性由系统本身的结构与参数所决定的，与外部条件和初始状态无关。外部条件和初始状态无关。1.对自动控制系统基本要求对自动控制系统基本要求西安电子科技大学航天电子信息研究所航天电子信息研究所IAEI1.5 1.5 自动控制系统的性能指标自动控制系统的性能指标2.稳态性能指标稳态误差稳态误差 当系统从一个稳态过渡到新的稳态，或系当系统从一个稳态过渡到新的稳态，或系统受扰动作用又重新平衡后，系统可能会出统受扰动作用又重新平

22、衡后，系统可能会出现偏差，这种偏差称为现偏差，这种偏差称为稳态误差稳态误差。系统稳态误差的大小反映了系统的稳态系统稳态误差的大小反映了系统的稳态精精度度，它表明了系统控制的准确程度。稳态误它表明了系统控制的准确程度。稳态误差越小，则系统的稳态精度越高。差越小，则系统的稳态精度越高。西安电子科技大学航天电子信息研究所航天电子信息研究所IAEI1.5 1.5 自动控制系统的性能指标自动控制系统的性能指标无差系统（无差系统（图图a a）若稳态误差不为零，则系统称为若稳态误差不为零，则系统称为有差系统有差系统。有差系统有差系统（图（图b b）若稳态误差为零，则系统称为若稳态误差为零，则系统称为无差系统

23、无差系统。西安电子科技大学航天电子信息研究所航天电子信息研究所IAEI1.5 1.5 自动控制系统的性能指标自动控制系统的性能指标3.暂态性能指标暂态性能指标西安电子科技大学航天电子信息研究所航天电子信息研究所IAEI（1 1）最大超调量最大超调量输出最大值与输出稳态值的相对误差。输出最大值与输出稳态值的相对误差。反映了系统的反映了系统的平稳性平稳性。最大超调量越小，则。最大超调量越小，则说明系统过渡过程越平稳。说明系统过渡过程越平稳。（2 2）上升时间）上升时间 指系统的输出量第一次到达输出稳态值所对指系统的输出量第一次到达输出稳态值所对应的时刻应的时刻。1.5 1.5 自动控制系统的性能指

24、标自动控制系统的性能指标西安电子科技大学航天电子信息研究所航天电子信息研究所IAEI（3 3）过渡过程时间（调节时间）过渡过程时间（调节时间）系统的输出量进入并一直保持在稳态输出值附近的允系统的输出量进入并一直保持在稳态输出值附近的允许误差带内所需的时间。允许误差带宽度一般取稳态许误差带内所需的时间。允许误差带宽度一般取稳态输出值的输出值的2%2%或或5%5%。调节时间的长短反映了系统的调节时间的长短反映了系统的快速性快速性。调节时间越小，。调节时间越小，系统的快速性越好。系统的快速性越好。（4 4）振荡次数）振荡次数在调节时间内，输出量在稳态值附近上下波动的次数。在调节时间内，输出量在稳态值

25、附近上下波动的次数。它也反映系统的平稳性。振荡次数越少，说明系统的它也反映系统的平稳性。振荡次数越少，说明系统的平稳性平稳性越好。越好。1.5 1.5 自动控制系统的性能指标自动控制系统的性能指标西安电子科技大学航天电子信息研究所航天电子信息研究所IAEI小小 结结1.1.开环控制系统结构简单、稳定性好，但不能自开环控制系统结构简单、稳定性好，但不能自动补偿扰动对输出量的影响。当系统扰动量产动补偿扰动对输出量的影响。当系统扰动量产生的偏差可以预先进行补偿或影响不大时，采生的偏差可以预先进行补偿或影响不大时，采用开环控制是有利的。当扰动量无法预计或控用开环控制是有利的。当扰动量无法预计或控制系统

26、的精度达不到预期要求时，则应采用闭制系统的精度达不到预期要求时，则应采用闭环控制。环控制。2.2.闭环控制系统具有反馈环节，它能依靠反馈环闭环控制系统具有反馈环节，它能依靠反馈环节进行自动调节，以克服扰动对系统的影响。节进行自动调节，以克服扰动对系统的影响。闭环控制极大地提高了系统的精度。但是闭环闭环控制极大地提高了系统的精度。但是闭环使系统的稳定性变差，需要重视并加以解决。使系统的稳定性变差，需要重视并加以解决。西安电子科技大学航天电子信息研究所航天电子信息研究所IAEI3.3.自动控制系统通常由给定环节、检测环节、自动控制系统通常由给定环节、检测环节、比较环节、放大元件、被控对象、和反馈环

27、比较环节、放大元件、被控对象、和反馈环节等部件组成。系统的作用量和被控量有：节等部件组成。系统的作用量和被控量有：给定量、反馈量、扰动量、输出量和各中间给定量、反馈量、扰动量、输出量和各中间变量。变量。4.4.结构图（又简称框图）可直观地表达系统各结构图（又简称框图）可直观地表达系统各环节（或各部件）间因果关系，可以表达各环节（或各部件）间因果关系，可以表达各种作用量和中间变量的作用点和信号传递情种作用量和中间变量的作用点和信号传递情况以及它们对输出量的影响。况以及它们对输出量的影响。小小 结结西安电子科技大学航天电子信息研究所航天电子信息研究所IAEI5.5.在不同输入量作用下，对系统的输出

28、量的要求，在不同输入量作用下，对系统的输出量的要求，揭示出反馈控制系统的本质特征：输出跟随输揭示出反馈控制系统的本质特征：输出跟随输入。入。6.6.对自动控制系统的性能指标要求有：对自动控制系统的性能指标要求有：稳定性稳定性系统能工作的首要条件；系统能工作的首要条件；快速性快速性用用系统在暂态过程中的系统在暂态过程中的 响应速度和被控量的波响应速度和被控量的波动程度描述；动程度描述；准确性准确性用稳态误差来衡量。用稳态误差来衡量。小小 结结西安电子科技大学航天电子信息研究所航天电子信息研究所IAEI作业作业书本书本 PP.16,Proble.1.2西安电子科技大学航天电子信息研究所航天电子信息研究所IAEI谢谢！谢谢！问题与讨论问题与讨论