自動(dòng)控制原理(培訓(xùn))ppt課件

1、工控機(jī)培訓(xùn)自動(dòng)控制原理2021年3月.工控機(jī)培訓(xùn).工控機(jī)培訓(xùn)引言術(shù)語(yǔ)閉環(huán)控制和開環(huán)控制自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的根本要求線性控制系統(tǒng)的校正.工控機(jī)培訓(xùn)18世紀(jì)，James Watt 為控制蒸汽機(jī)速度設(shè)計(jì)的離心調(diào)理器，是自動(dòng)控制領(lǐng)域的第一項(xiàng)艱苦成果。1922年，Minorsky研制出船舶支配自動(dòng)控制器，并證明了從系統(tǒng)的微分方程確定系統(tǒng)的穩(wěn)定性的方法。1932年，Nyquist提出了一種根據(jù)系統(tǒng)的開環(huán)頻率呼應(yīng)(對(duì)穩(wěn)態(tài)正弦輸入)，確定閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定性的方法。1934年，Hezen提出了用于位置控制系統(tǒng)的伺服機(jī)構(gòu)的概念，討論了可以準(zhǔn)確跟蹤變化的輸入信號(hào)的機(jī)電伺服機(jī)構(gòu)。引言.工控機(jī)培訓(xùn)19世紀(jì)40

2、年代，頻率呼應(yīng)法為閉環(huán)控制系統(tǒng)提供了一種可行方法，Evans提出并完善了根軌跡法。19世紀(jì)50年代末，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)問(wèn)題的重點(diǎn)從設(shè)計(jì)許多可行系統(tǒng)中的一種系統(tǒng)，轉(zhuǎn)到設(shè)計(jì)在某種意義上的最正確系統(tǒng)。19世紀(jì)60年代，數(shù)字計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)為復(fù)雜系統(tǒng)的基于時(shí)域分析的現(xiàn)代控制實(shí)際提供了能夠。從1960年到1980，確定性系統(tǒng)、隨機(jī)系統(tǒng)的最正確控制，及復(fù)雜系統(tǒng)的自順應(yīng)和學(xué)習(xí)控制，都得到充分的研討。從1980年到如今，現(xiàn)代控制實(shí)際進(jìn)展集中于魯棒控制、H控制及其相關(guān)課題。.工控機(jī)培訓(xùn)古典控制實(shí)際 以傳送函數(shù)為根底研討單輸入-單輸出一類定?？刂葡到y(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)問(wèn)題。這些實(shí)際由于其開展較早，現(xiàn)已臻成熟。 現(xiàn)代控制 以形狀

3、空間法為根底，研討多輸入-多輸出、時(shí)變、非線性一類控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)問(wèn)題。系統(tǒng)具有高精度和高效能的特點(diǎn)。.工控機(jī)培訓(xùn).工控機(jī)培訓(xùn).工控機(jī)培訓(xùn)術(shù)語(yǔ)自動(dòng)控制對(duì)象 過(guò)程 系統(tǒng) 擾動(dòng) 反響控制反響控制系統(tǒng) 隨動(dòng)系統(tǒng) 過(guò)程控制系統(tǒng).1 自動(dòng)控制 在無(wú)人直接參與的情況下，經(jīng)過(guò)控制器使被控對(duì)象或過(guò)程自動(dòng)地按照預(yù)定要求進(jìn)展。工控機(jī)培訓(xùn)2 對(duì)象 是一個(gè)設(shè)備，它是由一些機(jī)器零件有機(jī)地組合在一同的，其作用是完成一個(gè)特定的動(dòng)作。.工控機(jī)培訓(xùn)3 過(guò)程 稱任何被控制的運(yùn)轉(zhuǎn)形狀為過(guò)程，其詳細(xì)例子如化學(xué)過(guò)程、經(jīng)濟(jì)學(xué)過(guò)程、生物學(xué)過(guò)程。4 系統(tǒng) 完成一定義務(wù)的一些元、部件的組合。5 擾動(dòng) 擾動(dòng)是一種對(duì)系統(tǒng)的輸出產(chǎn)生不利影響的信

4、號(hào)。假設(shè)擾動(dòng)產(chǎn)生在系統(tǒng)內(nèi)部稱為內(nèi)擾；擾動(dòng)產(chǎn)生在系統(tǒng)外部，那么稱為外擾。外擾是系統(tǒng)的輸入量。.工控機(jī)培訓(xùn)6 反響控制 反響控制是這樣一種控制過(guò)程，它可以在存在擾動(dòng)的情況下，力圖減小系統(tǒng)的輸出量與參考輸入量也稱參據(jù)量或者恣意變化的希望的形狀之間的偏向，而且其任務(wù)正是基于這一偏向根底之上的。7 反響控制系統(tǒng) 反響控制系統(tǒng)是一種能對(duì)輸出量與參考輸入量進(jìn)展比較，并力圖堅(jiān)持兩者之間的既定關(guān)系的系統(tǒng)，它利用輸出量與輸入量的偏向來(lái)進(jìn)展控制。 .工控機(jī)培訓(xùn)8 隨動(dòng)系統(tǒng) 隨動(dòng)系統(tǒng)是一種反響控制系統(tǒng)，在這種系統(tǒng)中，輸出量是機(jī)械位移、速度或者加速度。因此，隨動(dòng)系統(tǒng)這個(gè)術(shù)語(yǔ)，與位置或速度或加速度控制系統(tǒng)是同義語(yǔ)。在現(xiàn)代

5、工業(yè)中，廣泛采用著隨動(dòng)系統(tǒng)。9 過(guò)程控制 在工業(yè)消費(fèi)過(guò)程中，諸如對(duì)壓力、溫度、濕度、流量、頻率以及原料、燃料成分比例等方面的控制，稱為過(guò)程控制。.工控機(jī)培訓(xùn)閉環(huán)控制與開環(huán)控制開環(huán)控制系統(tǒng)例：烤面包機(jī)輸入定時(shí)器設(shè)定的時(shí)間輸出面包的顏色控制對(duì)象烤箱的加熱系統(tǒng)控制器與被控對(duì)象之間只需正向的控制造用。輸出量對(duì)控制量沒(méi)有影響。輸入輸出間沒(méi)有反響回路。.工控機(jī)培訓(xùn).工控機(jī)培訓(xùn)開環(huán)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)：構(gòu)造簡(jiǎn)單、造價(jià)低。系統(tǒng)的控制精度取決于給定信號(hào)的標(biāo)定精度及控制器及被控對(duì)象參數(shù)的穩(wěn)定性。開環(huán)系統(tǒng)沒(méi)有抗干擾的才干。因此精度較低。 運(yùn)用場(chǎng)所：控制量的變化規(guī)律可以預(yù)知。能夠出現(xiàn)的干擾可以抑制。被控量很難丈量。運(yùn)用較為

6、廣泛，如家電、加熱爐、車床等等。.液位控制表示圖 調(diào)理容器內(nèi)液面位置的人工閉環(huán)控制系統(tǒng).工控機(jī)培訓(xùn)閉環(huán)控制系統(tǒng)將輸出量引入到輸入端，使輸出量對(duì)控制造用產(chǎn)生直接的影響。構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。.工控機(jī)培訓(xùn)前向通道：系統(tǒng)輸入量到輸出量之間的通道。反響通道：從輸出量到反響信號(hào)之間的通道。比較環(huán)節(jié)：輸出量為各輸入量的代數(shù)和。輸入量：ur 輸出量：n 反響量：uf 控制量：ua偏向量(ue)給定量 (ur )反響量(uf ) .工控機(jī)培訓(xùn)閉環(huán)控制系統(tǒng)：經(jīng)過(guò)反響回路使系統(tǒng)構(gòu)成閉環(huán)并按偏向的性質(zhì)產(chǎn)生控制造用，以求減小或消除偏向(從而減小或消除誤差)的控制系統(tǒng)。閉環(huán)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)：系統(tǒng)對(duì)外部或內(nèi)部干擾(如內(nèi)部件參數(shù)

7、變動(dòng))的影響不甚敏感。出于采用反響安裝，導(dǎo)致設(shè)備增多，線路復(fù)雜。閉環(huán)系統(tǒng)存在穩(wěn)定性問(wèn)題。由于反響通道的存在，對(duì)于那些慣性較大的系統(tǒng)，假設(shè)參數(shù)配合不當(dāng)，控制性能能夠變得很差甚至出現(xiàn)發(fā)散或等幅振蕩等不穩(wěn)定的情況。留意：對(duì)于主反響必需采用負(fù)反響。假設(shè)采用正反響將使偏向越來(lái)越大。.工控機(jī)培訓(xùn)自動(dòng)控制系統(tǒng)的特征 ：1. 構(gòu)造上必需有反響安裝并按負(fù)反響的原那么構(gòu)成系統(tǒng)。2. 由偏向產(chǎn)生控制造用。 控制的目的是盡量的減小或消除偏向，使輸出量接近于期望值。自動(dòng)控制系統(tǒng)定義： 是一個(gè)帶有反響安裝的動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)。系統(tǒng)能自動(dòng)而延續(xù)地丈量被控制量，并求出偏向，進(jìn)而根據(jù)偏向的大小和正負(fù)極性進(jìn)展控制，而控制的目的是力圖減小

8、或消除所存在的偏向。.工控機(jī)培訓(xùn)控制系統(tǒng)的組成.工控機(jī)培訓(xùn)丈量反響元件用以丈量被控量并將其轉(zhuǎn)換成與輸入量同一物理量后，再反響到輸入端以作比較。比較元件用來(lái)比較輸人信號(hào)與反響信號(hào)。放大元件將微弱的信號(hào)作線性放大。校正元件按某種函數(shù)規(guī)律變換控制信號(hào)，并產(chǎn)生反映兩者差值的偏向信號(hào)。以利于改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)質(zhì)量或靜態(tài)性能。執(zhí)行元件根據(jù)偏向信號(hào)的性質(zhì)執(zhí)行相應(yīng)的控制造用，以便使被控量按期望值變化?？刂茖?duì)象又稱被控對(duì)象或受控對(duì)象，通常是指消費(fèi)過(guò)程中需求進(jìn)展控制的任務(wù)機(jī)械或消費(fèi)過(guò)程。出現(xiàn)于被控對(duì)象中需求控制的物理量稱為被控量。.工控機(jī)培訓(xùn).工控機(jī)培訓(xùn).工控機(jī)培訓(xùn)閉環(huán)與開環(huán)控制系統(tǒng)的比較 閉環(huán)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是采用了反響

9、，因此使系統(tǒng)的呼應(yīng)對(duì)外部干擾和內(nèi)部系統(tǒng)的參數(shù)變化均相當(dāng)不敏感。這樣，對(duì)于給定的控制對(duì)象，有能夠采用不太精細(xì)且本錢較低的元件構(gòu)成精細(xì)的控制系統(tǒng)。在開環(huán)情況下，就不能夠做到這一點(diǎn)。 從穩(wěn)定性的觀念出發(fā)，開環(huán)控制系統(tǒng)比較容易建造，由于對(duì)開環(huán)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，不存在穩(wěn)定性的問(wèn)題。但是在閉環(huán)系統(tǒng)中，穩(wěn)定性那么一直是一個(gè)重要問(wèn)題。由于閉環(huán)系統(tǒng)能夠引起過(guò)調(diào)誤差，從而導(dǎo)致系統(tǒng)做等幅振蕩或變幅振蕩。 工程上常采用的復(fù)合控制方法，就是把兩者結(jié)合起來(lái)運(yùn)用。復(fù)合控制本質(zhì)上是在閉環(huán)控制回路的根底上，附加一個(gè)輸入信號(hào)給定或擾動(dòng)的順饋通路，對(duì)該信號(hào)實(shí)行加強(qiáng)或補(bǔ)償，以到達(dá)準(zhǔn)確的控制效果。 .工控機(jī)培訓(xùn)常見的方式有以下兩種：1.附加給

10、定輸入補(bǔ)償控制器被控對(duì)象補(bǔ)償安裝輸入輸出+- 通常，附加的補(bǔ)償安裝可提供一個(gè)順饋控制信號(hào)，與原輸入信號(hào)一同對(duì)被控對(duì)象進(jìn)展控制，以提高系統(tǒng)的跟蹤才干。.工控機(jī)培訓(xùn)2.附加擾動(dòng)輸入補(bǔ)償 該種復(fù)合控制方框圖。附加的補(bǔ)償安裝所提供的控制造用，主要起到對(duì)擾動(dòng)影響“防患未然的效果?？刂破鞅豢貙?duì)象補(bǔ)償安裝輸入輸出+-+擾動(dòng).工控機(jī)培訓(xùn)自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類按控制方式分開環(huán)控制閉環(huán)控制(反響控制)復(fù)合控制 .工控機(jī)培訓(xùn)按系統(tǒng)性能分線性系統(tǒng)非線性系統(tǒng)延續(xù)系統(tǒng)離散系統(tǒng)定常系統(tǒng)時(shí)變系統(tǒng).工控機(jī)培訓(xùn)按參據(jù)量變化規(guī)律分恒值控制系統(tǒng)隨動(dòng)系統(tǒng)程序控制系統(tǒng).工控機(jī)培訓(xùn)對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)性能的根本要求可以歸結(jié)為穩(wěn)定性長(zhǎng)期穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性

11、精度和快速性相對(duì)穩(wěn)定性。穩(wěn)定性： 1 對(duì)恒值系統(tǒng)，要求當(dāng)系統(tǒng)遭到擾動(dòng)后，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的調(diào)整可以回到原來(lái)的期望值。 2 對(duì)隨動(dòng)系統(tǒng)，被控制量一直跟蹤參據(jù)量的變化。 穩(wěn)定性是對(duì)系統(tǒng)的根本要求，不穩(wěn)定的系統(tǒng)不能實(shí)現(xiàn)預(yù)定義務(wù)。穩(wěn)定性，通常由系統(tǒng)的構(gòu)造決議與外界要素?zé)o關(guān)。.工控機(jī)培訓(xùn)快速性： 對(duì)過(guò)渡過(guò)程的方式和快慢提出要求，普通稱為動(dòng)態(tài)性能。 穩(wěn)定高射炮射角隨動(dòng)系統(tǒng)，雖然炮身最終能跟蹤目的，但假設(shè)目的變動(dòng)迅速，而炮身行動(dòng)緩慢，依然抓不住目的。準(zhǔn)確性： 用穩(wěn)態(tài)誤差來(lái)表示。在參考輸入信號(hào)作用下，當(dāng)系統(tǒng)到達(dá)穩(wěn)態(tài)后，其穩(wěn)態(tài)輸出與參考輸入所要求的期望輸出之差叫做給定穩(wěn)態(tài)誤差。顯然，這種誤差越小，表示系統(tǒng)的輸出跟隨

12、參考輸入的精度越高。穩(wěn)、準(zhǔn)、快是相互制約的！ .工控機(jī)培訓(xùn)1. 開環(huán)控制系統(tǒng)構(gòu)造簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好，但不能自動(dòng)補(bǔ)償擾動(dòng)對(duì)輸出量的影響。當(dāng)系統(tǒng)擾動(dòng)量產(chǎn)生的偏向可以預(yù)先進(jìn)展補(bǔ)償或影響不大時(shí)，采用開環(huán)控制是有利的。當(dāng)擾動(dòng)量無(wú)法估計(jì)或控制系統(tǒng)的精度達(dá)不到預(yù)期要求時(shí)，那么應(yīng)采用閉環(huán)控制。2. 閉環(huán)控制系統(tǒng)具有反響環(huán)節(jié)，它能依托反響環(huán)節(jié)進(jìn)展自動(dòng)調(diào)理，以抑制擾動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的影響。閉環(huán)控制極大地提高了系統(tǒng)的精度。但是閉環(huán)使系統(tǒng)的穩(wěn)定性變差，需求注重并加以處理。結(jié)論. 值得驕傲的是，1954年，中國(guó)科學(xué)家錢學(xué)森全面地歸納總結(jié)了經(jīng)典控制實(shí)際，在美國(guó)出版了國(guó)際上第一本經(jīng)典控制實(shí)際的著作。 工控機(jī)培訓(xùn).工控機(jī)培訓(xùn)線性控制系統(tǒng)

13、的校正方法 在工程實(shí)際中，由于控制系統(tǒng)的性能目的不能滿足要求，需求在系統(tǒng)中參與一些適當(dāng)?shù)脑虬惭b去補(bǔ)償和提高系統(tǒng)的性能，以滿足性能目的的要求。這一過(guò)程我們稱為校正。 目前工程實(shí)際中常用的校正方式有串聯(lián)校正、反響校正、前饋校正和復(fù)合校正四種。.工控機(jī)培訓(xùn) 串聯(lián)校正安裝普通接在系統(tǒng)誤差丈量點(diǎn)之后和放大器之前，串接于系統(tǒng)前向通道之中；反響校正安裝接在系統(tǒng)部分反響通路之中。串聯(lián)校正與反響校正銜接方式如下圖。 .工控機(jī)培訓(xùn) 前饋校正又稱順饋校正，是在系統(tǒng)主反響回路之外采用的校正方式。如下圖。 .工控機(jī)培訓(xùn) 復(fù)合校正方式是在反響控制回路中，參與前饋校正通路，組成一個(gè)有機(jī)整體，如下圖。 .工控機(jī)培訓(xùn)根本控

14、制規(guī)律 1 比例控制規(guī)律 具有比例控制規(guī)律的控制器，稱為P控制器，如下圖。其中 稱為P控制器增益。P控制器本質(zhì)上是一個(gè)具有可調(diào)增益的放大器。在串聯(lián)校正中，加大控制器增益，可以提高系統(tǒng)的開環(huán)增益，減小系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差，提高系統(tǒng)的控制精度，但會(huì)降低系統(tǒng)的相對(duì)穩(wěn)定性，甚至呵斥閉環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定。因此，在系統(tǒng)校正設(shè)計(jì)中，很少單獨(dú)運(yùn)用比例控制規(guī)律。 .工控機(jī)培訓(xùn) 2 比例-微分控制規(guī)律 具有比例微分控制規(guī)律的控制器，稱為PD控制器，PD控制器中的微分控制規(guī)律，能反響輸入信號(hào)的變化趨勢(shì)，產(chǎn)生有效的早期修正信號(hào)，以添加系統(tǒng)的阻尼程度，從而改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在串聯(lián)校正時(shí)，使系統(tǒng)的相角裕度提高，因此有助于系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的改善。 .工控機(jī)培訓(xùn) 3 積分控制規(guī)律 具有積分控制規(guī)律的控制器，稱為控制器。在串聯(lián)校正時(shí)，采用控制器可以提高系統(tǒng)的型別無(wú)差度，有利于系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能的提高，但積分控制使系統(tǒng)使信號(hào)產(chǎn)生的相角滯后，對(duì)系統(tǒng)不利。因此，在控制系統(tǒng)的校正設(shè)計(jì)中，通常不宜采用單一的控制器。 .工控機(jī)培訓(xùn) 4 比例-積分控制規(guī)律 具有比例-積分控制規(guī)律的控制器，稱P控制器。在串聯(lián)校正時(shí)，P控制器可以消除或減小系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能；同時(shí)可以緩和P控制器極點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性及記過(guò)程產(chǎn)生的