《自动控制原理及其应用》 课件 第1章概述.ppt

*自动控制，指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（控制装置或控制器），使机器、设备或生产过程（统称被控对象）的某个工作状态或参数（被控量）自动地按照预定规律运行。（P1）为了实现各种复杂的控制任务，首先要将被控对象和控制装置按照一定的方式连接起来，组成一个有机总体，称为自动控制系统。（P2）1.2自动控制的一般概念1.3.1自动控制系统的结构与反馈控制理论图中为放水阀，为进水阀，水箱希望的液位高度为。当放水使得水箱液位降低而被人眼看到，人就会打开进水阀，随着液位的上升，人用大脑比较并判断水箱液位达到时，就会关掉。若判断进水使得实际液位略高于，则需要打开放水而保证液位高度。1.3自动控制系统的组成*1.3自动控制系统的组成实例：水位控制系统——人工控制在这个过程中，人参与了以下三个方面的工作：用眼睛观察到实际液面的下降（实际液面高度）用大脑将实际液面与要求液面高度进行比较（与产生偏差）；根据比较的结果（与偏差的正负），用手操作阀的开启或闭合。显然，在这个控制系统中，用人工控制不能保证系统所需的控制精度，并且需要人全程的参与。为减轻人的劳动强度，因此可将上述系统改换为下图所示的液位自动控制系统。*实例：水位控制系统——自动控制被控对象：水池，其中水池液位是被控对象中的被控量；检测：浮子，它的位置代表水箱实际液位高度；比较环节：浮子的位置与连杆；控制装置：浮子和连杆连接到进水阀上；执行机构：进水阀根据连杆动作，改变水箱液位高度，从而自动控制水箱液位，使其满足给定值的要求。1.3.2开环控制与闭环控制一、开环控制系统是指系统的被控量只受控于控制量，而对控制量不能反过来施加影响的系统，即输出量与输入量间不存在反馈的通道。这种系统既不需要对输出量进行测量，也不需要将输出量反馈到系统输入端与输入量进行比较。控制装置与被控对象之间只有顺向作用，没有反向联系。二、闭环控制系统闭环控制系统是指在控制器与被控对象之间不仅有正向控制作用，而且输出端与输入端之间还存在反馈控制作用的系统。反馈有正反馈和负反馈之分。当反馈量极性与输入量同相时为正反馈。正反馈应用较少，只是在补偿控制中偶尔使用。当反馈量极性与输入量反相时，则称为负反馈。闭环控制的实质就是利用负反馈，使系统具有自动修正被控量（输出量）偏离参考给定量（输入量）的控制功能。因此，闭环控制又称反馈控制，闭环控制系统又称为反馈控制系统。闭环控制系统的优点是抑制干扰的能力强，对元件特性变化不敏感，能改善系统的响应，适用范围广。在闭环控制系统中，无论是由于外部扰动还是系统内部扰动，只要使被控制量偏离给定值，闭环控制就会利用反馈产生的控制作用去消除偏差。但也正由于反馈的引入增加了系统的复杂性。另外由于闭环系统是检测偏差用以消除偏差来进行控制的，在工作过程中，系统总会存在偏差，由于元件惯性等因素，很容易引起系统的振荡，从而使系统不能稳定工作。因此控制精度和稳定性之间的矛盾始终是闭环控制系统存在的主要矛盾。1.3.3自动控制系统举例调速控制系统恒温箱控制系统导弹发射架方位角控制系统1.4自动控制系统的分类自动控制系统多种多样，按照不同的标准可以分成不同的类型。前面已经介绍过开环控制系统和闭环控制系统，这是按照控制原理来分的。下面再介绍几种常见的分类方法。根据给定的参考输入信号的不同，可将自动控制系统分为恒值控制系统和随动控制系统。若系统的参考输入信号为恒值或者波动范围很小，系统的输出量也要求保持恒定，这类控制系统称为恒值控制系统。例如恒温控制系统、转速控制系统等。随动控制系统又称伺服控制系统，其参考输入量不断地变化，而且变化规律未知。控制的目的是使得系统的输出量能够准确地跟随输入量而变化。随动控制系统常用于军事上对于机动目标的跟踪，例如雷达跟踪系统、坦克炮塔自稳系统等。根据系统数学性质的不同，可将自动控制系统分为线性系统和非线性系统。线性系统的主要特征是满足叠加原理。即当输入信号分别为、时，系统的输出分别为、，如果输入信号满足，则系统的输出为。其中系数、可以是常数，也可以是时变参数、。这样的系统称为线性系统，否则称为非线性系统。由于线性系统的理论比较成熟，其中特别是线性定常系统，可以方便地用于系统的分析与设计，因此本书主要研究和讨论的是线性定常系统。根据信号的传递方式的不同，可将自动控制系统分为连续系统和离散系统。若系统的输入信号与输出信号均是由连续时间函数与来表示，则称