自动控制系统的基本概念.ppt
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1、自动控制系统的基本自动控制系统的基本概念概念现在学习的是第1页,共69页连续控制系统的基本理论知识以及计算机控制实现的基本程序;以经典控制算法PID为基础,介绍由连续控制器到离散控制器的设计方法,较深入地分析了PID算法性能和参数整定;讲述控制器的直接设计方法,给出最少拍无波纹控制器的设计方法;计算机控制系统的设计与实现主要内容主要内容现在学习的是第2页,共69页第第1章章 自动控制系统的基本概念自动控制系统的基本概念 第第2章章 自动控制系统分析基础自动控制系统分析基础 第第3章章 连续控制系统的分析与设计连续控制系统的分析与设计第4章数据采集系统设计第5章顺序与数字程序控制第第6章章 数字
2、控制器的模拟化设计数字控制器的模拟化设计 第第7章章 离散控制系统设计离散控制系统设计 第第8章章 计算机控制系统设计与实现计算机控制系统设计与实现主要内容主要内容现在学习的是第3页,共69页第第1章章 自动控制系统的基本概念自动控制系统的基本概念 1.1 自动控制系统的基本原理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计算机控制系统的一般构成 1.3 计算机控制系统的发展计算机控制系统的发展 现在学习的是第4页,共69页背景介绍背景介绍 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。应应用用领领域域:宇宙航行、导弹制导、核技术以及火箭控制等新兴学科领域以及金属冶炼
3、、仪器制造及一般工业生产过程中目目的的: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,提高经济效益现在学习的是第5页,共69页古典控制理理论论是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频率率法法和根根轨轨迹迹法法。这些方法用来处理单单输输入入单单输输出出的的线线性性自自动动控控制制系系统统是卓有成效的。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,出现了多多输输入入多多输输出出的的多多变变量量系系统统、非非线线性性系系统统、系系统统参参数数随随时时间间变变化化的的时时变变系系统
4、统、分分布布参参数数控控制制系系统统以以及及最最优优控控制系统制系统等。等。现在学习的是第6页,共69页因此,古古典典控控制制理理论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状态态空空间间法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。状态空间法:不仅可以描述系统输入输出之间的关系,而且还可以描述系统的内部特性,是一种内部描述,特别适用于多输入输出系统,它采用状态空间表达式作为描述系统的模型。是对系统的一种完全描述。现在学习的是第7页,共69页常规的控制方法难以满足更高的精度、更快的速度和更大的效益的要求。计计算算机机的的特特点点:精度高、
5、速度快、存储量大,能够进行逻辑判断、具有强大的信息处理能力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、能够把过程控制和生产管理有机地结合起来,从而对工厂、企业或企业体系的管理实现自动化。现在学习的是第8页,共69页微电子技术和计算机技术的发展,为计算机控制的发展和应用奠定了坚实的基础。电子计算机在经历了电子管、晶体管、集成电路等阶段之后,现已到了第五代计算机研制阶段。计算机的发展是异常神速的。无论在速度、性能、可靠性、能耗、性能价格比等方面,现在的计算机都有了突飞猛进的变化,其运算速度已经达到了1000万次每秒到1亿次每秒。现在学习的是第9页,共69页计算机信息处理技术的发展,也从
6、数字发展到文字,从黑白发展到彩色,从无声发展到有声,从本地发展到远程。正如有关专家预测的,计算机将向微型化、巨型化、网络化、多媒体以及智能化方向发展。计算机控制是以自自动动控控制制理理论论与计计算算机机技技术术为基础的。计算机控制既是一门新兴的学科,又与自动控制有着密切的关系。现在学习的是第10页,共69页本书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(包括硬件和软件实现),并介绍了一些计算机控制系统的应用实例。现在学习的是第11页,共69页1.1.1自控系统的工作原理1.速度控制系统1.
7、1 自动控制系统的基本原理自动控制系统的基本原理 控制目标:控制车床主轴速度电位器放大器直流电动机现在学习的是第12页,共69页当电动机的负载转矩(也称扭矩)变化很小,系统元件特性比较稳定时,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,可以采用干干扰扰补补偿偿的办法,但是,采用干扰补偿的系统一般不能解决由于元元件件特特性性不不稳稳定定所产生的输出误差。而下图所示的带偏差控制作用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。图图12 直流电动机转速控制系统原理图直流电动机转速控制系统原理图
8、现在学习的是第13页,共69页电动机的转速由ug和ub共同控制Ub与实际转速相对应当转速低于理论转速时u=ug-ub会增大,从而电动机转速升高,而回复到要求值。现在学习的是第14页,共69页图14带偏差控制作用的速度控制系统原理图现在学习的是第15页,共69页2.随动系统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(如雷达导引系统),因此该系统是一个位置随动系统。现在学习的是第16页,共69页系统工作原理如下:电位计和,分别把输入轴和输出轴的转角r和c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er-c成比例的电压ue该电压经过放
9、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的电刷移动,如果cr,则ue0,放大后的电压ua驱动电机转动,转动方向最终应使c向r接近,使e减小。最后,两者取得一致,cr,则ue0,电机停止转动,系统进入平衡状态。这样就保证了输出轴紧紧地跟随着输入轴变化。在随动系统中,当指令信号变化时,输出轴便精确地复现着输入轴的变化规律。这个系统的原理如图16所示。2.随动系统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(如雷达导引系统),因此该系统是一个位置随动系统。现在学习的是第17页,共69页图16随动系
10、统的原理图现在学习的是第18页,共69页由上面两种系统的讨论可知:(1)自动控制系统是由控控控控制制制制装装装装置置置置和被被被被控控控控对对对对象象象象(或被控过程)两大部分组成的。对被控对象(或被控过程)产生控制调节作用的设备或装置称为控制装置。图1-7现在学习的是第19页,共69页一般的控制装置包括如下环节:检检测测装装置置。检测装置的任务是对系统被控量进行检测,并把它转换成与参考输入相同的物理量后,送入比较环节。前述系统中的测速发电机和测量电位计等就是检测反馈元件。比比较较器器。比较器的作用是将检测反馈装置送来的信号与参考输入进行比较,得出两者偏差(误差)信号。比较器往往是由综合电路或
11、检测装置兼而完成的,一般用符号表示;“-”表示输入信号与反馈信号相减,即负反馈;“+”表示正反馈。现在学习的是第20页,共69页放大元件放大元件。将比较环节输出的微弱信号进行放大。如电压放大器和功率放大器。执执行行机机构构。将放大元件的输出信号转变成机械运动,从而对受控对象施加控制调节作用。如电机构。校校正正装装置置。校正装置(或称控制器、调节器)是对偏差信号进行比例、积分、微分等运算的元件,参数或结构便于调整,用于改善系统性能。被控对象被控对象。接受控制的设备(或过程),如工作机械。现在学习的是第21页,共69页(2)自动控制系统含义:是在没有人直接参与的情况下,利用控制装置对受控对象进行控
12、制操纵,使被控量按照参考输入保持常值或者跟随参考输入的变化规律而变化的。被被控控量量:指系统的输出,它是受控对象中被控制的一个物理量,如速度控制系统中工作机械的速度、随动系统中的转角等。参参考考输输入入:又称给定值,如速度控制系统中的给定电压ug、随动系统中的角度r等。现在学习的是第22页,共69页(3)由图可见,对系统参与控制或施加影响的信号可能来自三个方面,除了参考输入量参考输入量还有干扰干扰和偏差偏差。干干扰扰:指除参考输入和反馈信号以外的对系统被控量产生影响的其他因素。干扰可能来自系统的内部或外部。来自系统外部的干扰,是环境对系统的一种作用,所以它也是系统的一种输入。偏偏差差:又称为误
13、差信号,就是比较环节的输出,即被控量经过检测反馈环节之后与给定参考输入量进行比较所得的差值。现在学习的是第23页,共69页(4)前面讨论的几种系统,可分别归属于如下类型:恒恒值值系系统统。图11和图13所示的速度控制系统,它们的给定值都是恒定值,故这类系统称为恒值系统。随随动动系系统统。给定值(控制指令)是事先未知的时间函数的系统称为随动系统。在随动系统中,当指令信号变化时,工作机械便精确地复现着指令信号的变化规律。图15所示的系统为随动系统。程序控制系统程序控制系统。控制指令已预先知道的系统,称为程序控制系统。自自动动调调节节系系统统或或镇镇定定系系统统。图13所示的带偏差控制作用的速度控制
14、系统是根据偏差产生控制作用,对系统进行自动调节,使被控量保持恒定的。故这类系统又常称为自动调节系统或镇定系统。现在学习的是第24页,共69页1.1.2自动控制的基本方式1.开环控制定义:被控量(输出)不影响系统控制的控制方式称为开环控制。特点:不对被控量进行任何检测在输出端和输入端之间不存在反馈联系。信号传递是单向进行的。现在学习的是第25页,共69页开环控制方式缺缺点点:当被控对象或控制装置受到干扰,或者在工作过程中元件特性发生变化而影响被控量时,系统不能进行自动补偿,被控制精度难以保证。优点优点:结构比较简单适适用用场场合合:控制精度要求不高或者元件工作特性比较稳定而干扰又很小。现在学习的
15、是第26页,共69页2.闭环控制定义:被控量参与系统控制的控制方式称为闭环控制。结构特点:在给定值和被控量之间,除了有一条从给定值到被控量方向传递信号的前向通道外,还有一条从被控量到比较元件传递信号的反馈通道。控制信号沿着前向通道和反馈通道循环传递,故闭环控制又称反馈控制。另外,只要闭环控制系统出现偏差,系统都能自行调节以减小偏差。故闭环控制系统又称按照偏差调节的控制系统。偏差偏差现在学习的是第27页,共69页闭环控制优优点点:从原理上提供了实现高精度控制的可能性,对控制元件的要求比开环控制的低。缺缺点点:设计比较麻烦,结构也比较复杂,因而成本较高。适用场合适用场合:控制精度要求较高,干扰影响
16、较大时。图13所示的速度控制系统及图15所示的随动系统都是闭环控制系统。现在学习的是第28页,共69页1.1.3对控制系统的基本要求控制系统工作的场合不同,对它的性能要求也就不同。控制系统的任务是使被控量按参考输入保持常值或跟随参考输入变化。但要在任何时间做到这一点并不容易。例如,当图15所示的随动系统的指令电位计,在瞬间转动一个单位角度时,由于系统惯性的存在,以及能源功率的限制,工作机械不可能立即跟随转动相等的角度。现在学习的是第29页,共69页当偏差产生的控制作用使工作机械转过与给定值相等的角度时,由于惯性关系,工作机械将仍以一定速度继续旋转,因而出现反向偏差,控制系统又产生反向控制作用,
17、使工作机械反向转动。如此周而复始,出现了振荡的跟踪过程。控制系统的这一运动过程称为动动态态过过程程(或瞬态过程、暂态过程、过渡过程等)。当系统结构及其参数匹配合理时,经过一定时间后,被控量将趋于希望值,称为进入稳态进入稳态。图110表示了在阶跃输入信号作用下,几种系统的被控量的变化过程。图中x(t)表示输入,y(t)表示输出。现在学习的是第30页,共69页系统要能正常工作,必须满足如下基本要求:(1)稳稳定定性性。被控量偏离给定值而振荡时,系统抑制振荡的能力。对于稳定的系统,随着时间的增长,被控量将趋近于希望值。可见,稳定性是保证系统正常工作的先决条件。图110(b)和(c)所示的系统是不稳定
18、的,这种系统不能工作。(2)快快速速性性。指被控量趋近希望值的快慢程度。快速性好的系统,它的过渡过程时间短,能复现快速变化的控制信号,因而具有较高的动态精度。图110(d)所示的系统1,其快速性要比系统2好。稳定性和快速性是反映动态过程好坏的尺度。(3)精精确确性性。指过渡过程结束后,被控量与希望值接近的程度。也就是当系统过渡到新的平衡工作状态后,被控量对希望值的偏差的大小。系统的这一性能指标称为稳态精度。现在学习的是第31页,共69页1.2 计算机控制系统的一般构成计算机控制系统的一般构成1.2.1一般概念计算机控制系统的结构与前面介绍的反馈控制系统十分相似,只是将控制器由数字控制数字控制器
19、器来实现,如图所示。给定量和反馈量都是二进制数,为了信号的匹配,计算机的输入/输出两侧分别带有模/数(A/D)转换器和数/模(D/A)转换器:反馈量经过模/数转换器送入计算机,计算机接收了给定量和反馈量后,运用计算机中微处理器的各种指令,就能对该偏差值进行运算(如PID运算),再经过数/模转换器输出到执行机构,便完成了对被控制量的控制作用。现在学习的是第32页,共69页从本质上看,计算机控制系统的控制过程可以归纳为以下四个方面:(1)实实时时数数据据采采集集。对被控制量的瞬时值进行检测,并且将采样结果输入到计算机。(2)实实时时决决策策。对输入的实时给定值与被控量的数值进行处理后,按照预先规定
20、的控制规律进行运算,则称实时决策,或简称决策。(3)实实时时控控制制。根据实时决策结果,适时地对执行装置发出控制信号。(4)信信息息管管理理。随着网络技术和控制策略的发展,信息共享和管理也介入到控制系统之中。现在学习的是第33页,共69页上述几个过程不断重复,使整个系统能按一定的动态(过渡过程)指标进行工作,且可对被控制量和设备本身所出现的异常状态及时进行监督并迅速做出处理,这就是计算机控制系统最基本的功能计算机控制系统最基本的功能。控制过程中的实实时时概念,是指信号的输入、计算和输出都要在一定的时间(采样间隔)内完成。如果计算机能够在工艺要求的时间范围内及时对被控参数进行测量、计算和控制输出
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