第1章-自动控制系统的基本概念.ppt

黄高勇jetyhuang@126.com考核方式作业：10％考勤：10％课程设计：20％期末考试：60％总成绩：作业＋考勤＋设计＋期末考试教学内容第1章计算机控制系统的分析基础第2章数据采集系统设计第3章数字程序控制第4章数字控制器的模拟化设计第5章离散控制系统设计第6章计算机控制系统设计与实现第7章工业控制网络第1章计算机控制系统的分析基础1.1自动控制系统的基本原理1.2计算机控制系统的一般构成1.3计算机控制系统的发展1.1自动控制系统的基本原理自动控制对于工农业生产和科学技术的发展具有越来越重要的作用。它不仅在宇宙航行、导弹制导、核技术以及火箭控制等新兴学科领域中是必不可少的，而且在金属冶炼、仪器制造及一般工业生产过程中也具有重要的意义。为实现工业生产过程的自动控制、高产、稳产、安全生产，改善劳动条件，提高经济效益创造了条件。古典控制理论是20世纪40年代发展起来的，直到现在仍然是分析、设计自动控制系统的主要理论基础。它在工程上应用较普遍的是频率法和根轨迹法。这些方法用来处理单输入单输出的线性自动控制系统是卓有成效的。随着科学的发展和技术的进步，控制对象越来越复杂、多样，因此自动控制系统日益复杂，出现了多输入多输出的多变量系统、非线性系统、系统参数随时间变化的时变系统、分布参数控制系统以及最优控制系统等。古典控制理论已经难以分析和设计上述复杂的系统了。到60年代，逐渐形成了以状态空间法为基础的现代控制理论，它的形成和发展为数字计算机应用于自动控制领域创造了条件。生产技术的进步和科学技术的发展，要求有更加复杂、更加完善的控制装置，以期达到更高的精度、更快的速度和更大的效益。然而，若用常规的控制方法，潜力却是有限的，难以满足如此高的性能要求。由于电子计算机出现并应用于自动控制，才使得自动控制发生了巨大的飞跃。计算机具有精度高、速度快、存储量大等特点，并且能够进行逻辑判断，因此可以实现高级复杂的控制算法，获得快速精密的控制效果。本课程目标是阐述自动控制和计算机控制的基础理论，概述计算机控制系统的分析方法，总结计算机控制系统的设计方法和控制规律，同时，联系实际讨论计算机控制系统的实现方法。1.1.1自控系统的工作原理1.速度控制系统图1―1表示用来实现车床主轴变速的直流电动机转速控制系统。系统中③是电枢控制式的直流电动机，它具有恒定的激磁电流。电动机的转速n和电枢电压ua成正比。可以改变给定电位计①的滑臂位置而得到给定电压ug，并通过放大器②放大而获得电枢电压ua。因此，电动机转速n和给定电压ug有一一对应的关系，将电位计滑臂调到适当位置，就可得到所需要的转速。这一系统的控制关系可用图1―2所示的原理图表示。当电动机的负载转矩变化很小，系统元件特性比较稳定时，图1―1所示的控制系统可以满足预期的要求。否则，电动机的实际转速与期望值相比将有较大的误差。为了克服或减小负载转矩变化对转速的影响，可以采用干扰补偿的办法，但是，采用干扰补偿的系统一般不能解决由于元件特性不稳定所产生的输出误差。而图1―3所示的带偏差控制作用的速度控制系统则可以减小或消除由各种因素所引起的转速变化。在这个系统中，电动机的转速是由电压ug和ub共同控制的。测速发电机用来测量实际转速，并将与实际转速对应的电压ub回送到加法器件(比较器)，然后与给定电压ug进行比较。当负载转矩变化或由于其他原因使电动机转速高于(或低于)要求的转速时，电压ub便升高(或降低)。比较器输出的偏差电压Δu＝ug-ub相应减小(或加大)，因而经放大器放大后的电压ua也相应降低(或升高)，从而使电动机的转速下降(或升高)而回复到要求值。图1―4是这一控制系统的原理图。2.随动系统图1―5所示随动控制系统的任务是保证输出轴始终紧紧跟踪输入轴变化，由于输入轴的位置无法预先确定，因此该系统是一个位置随动系统。系统工作原理如下：利用两个电位计①和②，分别把输入轴和输出轴的转角θr和θc变成相应的电压，然后把这两个电压反向串联(相减)，即可以得到与角度偏差θe＝θr-θc成比例的电压ue，该电压经过放大器放大后加到电动机上，电动机的轴经减速器和输出轴相连，并且同时带动电位器②的电刷移动，如果θc≠θr，则ue≠0，放大后的电压ua驱动电机转动，转动方向最终应使θc向θr接近，使θe减小。最后，两者取得一致，θc＝θr，则ue＝0，