自动控制系统课件第一章1-3
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电子课件-《自动控制技术》-B02-4260 第一章 自动控制的基本概念
第一章 自动控制的基本概念
在直流电动机转速开环控制系统中，加入一台测速发电机，并对电路稍作改 变，便构成图示的直流电动机转速闭环控制系统。
测速发电机由电动机同轴带动，用于测量电动机的实际转速n（即系统的输出 量），然后转换成电压uf，再反送到系统的输入端，与给定值（即系统的输入量） 进行比较，从而得出电压ue = ugd - uf 。由于该电压能间接地反映出误差的性质 （即大小和正负方向），通常称之为偏差信号，简称为偏差。偏差ue经放大器放 大成ua后，作为电枢电压控制电动机转速n之用。
第一章 自动控制的基本概念
二、自动控制系统中常用的名词术语
系统：自动控制系统是由被控对象和自动控制装置按一定方式组合而成，以 完成某种自动控制任务的有机整体。
输入信号：系统的输入信号又称为参考输入，通常是指给定值，它是控制着 输出量变化规律的指令信号。
输出信号：系统的输出信号是指被控对象中要求按某种规律变化的物理量， 又称被控量，它与输入量之间保持一定的函数关系。
第一章 自动控制的基本概念
一、人工控制
如图所示为一个人工控制水位保持恒定的供水系统。
人工控制的水位系统
第一章 自动控制的基本概念
操作步骤是： （1）将水位的要求值（期望水位值）牢记在操作者的大脑中。 （2）通过眼睛和测量工具测量出水池的实际水位。 （3）将期望水位与实际水位进行比较、计算，从而得出误差值。 （4）按照误差的大小和正负性质由大脑指挥手去正确地调节进水阀门。所谓 正确调节，是要按减小误差的方向来调节进水阀门的开度。
方块图清楚表明：由于采用了反馈回路，致使信号的传送路径形成闭合环路， 使输出量反过来直接影响控制作用。这种通过反馈回路使系统形成闭合环路，并 按偏差ue的性质产生控制作用，以求减小或消除偏差的控制系统，称为闭环控制 系统，或称为反馈控制系统。
自动控制原理课件1
一、开环控制系统、闭环控制系统和复合控制 系统
（一）开环控制系统 例
概念: 如果控制系统的输出量对系统没有 控制作用,这种系统称为开环控制系统.
输入 控制器
被控对象
输出
一、开环控制系统和闭环控制系统 举例：炉温控制系统
uc
特点：
本系统的输入量是自耦变压器的输出电压uc，输 出量是电阻炉的输出温度T； u唯一对应T；
§1-1 控制理论的发展历程
3、本课程与相关课程的关系 现制 代理 控论
过制 程系 控统
后续课程
各业 其 类课 它 专程
自动控制原理 先修课程 大 学 物 理 微 积 分 积 分 变 换 复 变 函 数 电 子 技 术 电 路 理 论 电 机 拖 动
§1-1 控制理论的发展历程
4、课程的理论体系
给定 环节 比较 环节 校正 环节 放大 环节 执行 机构
§1-2 控制系统的基本概念 （三）关于传递方框图的几点说明
执行机构 直接作用于控制对象（调节机构、传 动装置、电机）
给定 环节 比较 环节 校正 环节 放大 环节 执行 机构 被控 对象
§1-2 控制系统的基本概念 （三）关于传递方框图的几点说明
§1-2 控制系统的基本概念 举例: 液位自动控制系统
手臂,手
+
大 脑
M
—
目标液位
放大器
§1-2 控制系统的基本概念 一、基本术语 自动控制：在没有人的直接干预下，利用物理
装置对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按一定的规律变化。
如液位，炉温，轧辊辊速，带钢张力等控制。
古代
在二次世界大战期间，由于军事上 的需要，雷达和火力控制系统有了 较大的发展，N.Winner在总结前 人成果的基础上发表了《控制论》 一书，标志着控制理论学科的诞生。
自动控制系统概述ppt课件
号
号
1 就地安 装仪表
2 集中仪 表盘面 安装仪 表
3 就地仪 表盘面 安装仪 表
4
嵌在管道 中
集中仪表 盘后安装 仪表
5 就地仪表 盘后安装 仪表
第二节 自动控制系统的基本组成及表示形式
对于处理两个或两个以上被测变量，具有相同或不同 功能的复式仪表时，可用两个相切的圆或分别用细实线圆 与细虚线圆相切表示（测量点在图纸上距离较远或不在同 一图纸上），如下图所示。
对于一个稳定的系统（所有正常工作的反馈系统都是稳定系统 ）要分析其稳定性、准确性和快速性，常以阶跃作用为输入时 的被控变量的过渡过程为例，因为阶跃作用很典型，实际上也 经常遇到，且这类输入变化对系统来讲是比较严重的情况。
第四节 自动控制系统的过渡过程和品质指标
信号常见形式 斜坡信号、脉冲信号、加速度信号和正弦信号、阶跃信号等。
执行器
液位自动控制系统方框图
每个方框表示组成系统的一个环节，两个方框之间用带箭 头的线段表示信号联系；进入方框的信号为环节输入，离 开方框的为环节输出。
第二节 自动控制系统的基本组成及表示形式
注意！
方框图中的每一个方框都代表一个具体的装置。 方框与方框之间的连接线，只是代表方框之间的信号联 系，与工艺流程图上的物料线有区别。 “环节”的输入会引起输出的变化，而输出不会反过来直 接引起输入的变化。环节的这一特性称为“单向性” 。 自动控制系统是一个闭环系统
第二节 自动控制系统的基本组成及表示形式
用同一种形式的方框图可以代表不同的控制系统
蒸汽加热器温度控制系统
给定值x
偏差e
控制器输出p
控制器
干扰作用f
操纵变量q 执行器
对 象 被控变量y
第一章 自动控制系统概述
回章首
回节首
11
举例说明开环控制与闭环控制
图1-2是直流电动机转速开环控制示意图。
V+ 电动机 负载
电 位 器
功率
放大器
图1-2 直流电动机转速开环控制
电动机的转速可由调节电位器来给定。但当电动机 受到负载变化影响时，电动机的转速是要发生变化的。 开环控制系统不能做到自动调节，控制的精度是比 较低的。
自动控制系统的基本结构如图1-4所示。
输入量 r
+ -
偏差
控制器Gc
控制量 u
扰动量 n
受控对象Go
输出量 c
反馈量b
反馈环节H
图1-4 自动控制系统的基本结构
回章首
16
1. 控制系统的一些常用术语
受控对象
是指被控制的装置或者设备(如电动机、车床等)，有 时也指受控的物理量。
受控过程
受控物理量的变化过程称为受控过程。例如化学反应 过程、水泥窑炉的生产过程等。
在此，对于系统的性能要求可以简要概括为: 响应动作要快 动态过程平稳 跟踪值要准确 上述三条自动控制系统的基本要求如图1-8所示。
回章首 回节首
30
c(t) 给定值 响应缓慢 响应快速 t
c(t) 变化剧烈
c(t)
跟踪误差
响应平稳
t
t
(a)响应快速性
(b)动态平稳性
(c)跟踪准确性
图1-8 控制系统的基本要求
回章首
回节首
3
自动控制理论的发展与应用
可以改善劳动条件，把人类从繁重的劳动中解放出来； 由于自动控制系统能以某种最佳方式运行，可以提高劳
动生产率，提高产品质量，节约能源，降低成本。
自动控制原理讲义1-3章
第一章自动控制原理的基本概念主要内容：自动控制的基本知识开环控制与闭环控制自动控制系统的分类及组成自动控制理论的发展§1.1 引言控制观念生产和科学实践中，要求设备或装置或生产过程按照人们所期望的规律运行或工作。
同时，干扰使实际工作状态偏离所期望的状态。
例如：卫星运行轨道，导弹飞行轨道，加热炉出口温度，电机转速等控制控制：为了满足预期要求所进行的操作或调整的过程。
控制任务可由人工控制和自动控制来完成。
§ 1.2 自动控制的基本知识1.2.1 自动控制问题的提出一个简单的水箱液面，因生产和生活需要，希望液面高度h维持恒定。
当水的流入量与流出量平衡时，水箱的液面高度维持在预定的高度上。
当水的流出量增大或流入量减小，平衡则被破坏，液面的高度不能自然地维持恒定。
所谓控制就是强制性地改变某些物理量(如上例中的进水量)，而使另外某些特定的物理量（如液面高度h）维持在某种特定的标准上。
人工控制的例子。
这种人为地强制性地改变进水量，而使液面高度维持恒定的过程，即是人工控制过程。
1.2.2 自动控制的定义及基本职能元件1. 自动控制的定义自动控制就是在没有人直接参与的情况下，利用控制器使被控对象(或过程)的某些物理量(或状态)自动地按预先给定的规律去运行。
当出水与进水的平衡被破坏时，水箱水位下降(或上升)，出现偏差。
这偏差由浮子检测出来，自动控制器在偏差的作用下，控制阀门开大(或关小)，对偏差进行修正，从而保持液面高度不变。
2. 自动控制的基本职能元件自动控制的实现,实际上是由自动控制装置来代替人的基本功能，从而实现自动控制的。
画出以上人工控制与动控制的功能方框图进行对照。
比较两图可以看出，自动控制实现人工控制的功能，存在必不可少的三种代替人的职能的基本元件：测量元件与变送器（代替眼睛）自动控制器（代替大脑）执行元件（代替肌肉、手）这些基本元件与被控对象相连接，一起构成一个自动控制系统。
下图是典型控制系统方框图。
自动控制原理课件第一章 胡寿松
4
1.1.3 反馈控制原理 自动控制系统: 为实现各种控制任务, 自动控制系统: 为实现各种控制任务,将被控对象和控制装置按 照一定的方式连接起来的一个有机总体. 照一定的方式连接起来的一个有机总体. 反馈控制: 反馈控制: 在自动控制系统中将被控量以负反馈的形式与输入量 进行比较,并利用偏差来不断消除偏差的控制过程. 进行比较,并利用偏差来不断消除偏差的控制过程. 人本身就是一个具有高度复杂控制能力的反馈控制系统
+
电动机
RW
-
Up
>
K2 SD
i
M
fz
Ua D 减速器 CF n
K1
调速系统（ 调速系统（闭环）
∆U
UCF Ur
E
Ur ＋ UCF －
∆U
＞ K1
USD
SD
Up CF
＞ K2
Ua
D
n
调速系统（ 图1-6 调速系统（闭环）及其职能方块图
11
闭环系统的特点： 闭环系统的特点： 利用偏差消除偏差； ① 利用偏差消除偏差； 能抑制内部或外部扰动对系统的影响， ② 能抑制内部或外部扰动对系统的影响，可用低成本元件构 成高精度系统； 成高精度系统； 稳定性是个重要问题。 ③ 稳定性是个重要问题。 注意： 注意： 在实际系统中，一个元件常兼有两种或两种以上的职能； ① 在实际系统中，一个元件常兼有两种或两种以上的职能； 上述元件不一定都是电气元件，有时可以是机械、气动、 ② 上述元件不一定都是电气元件，有时可以是机械、气动、 液压等元件，从而可以构成机械、气动、液压等控制系统， 液压等元件，从而可以构成机械、气动、液压等控制系统，但其工 作原理都是一致的。 作原理都是一致的。 12
自动控制理论课件(PPT 31张)
11
电气与自动化工程学院
研究生专业外语
Science Citation Index
科学引文索引
Eugene Garfield 尤金· 加菲得 “SCI之父”
Science, 122(3159), p.108-11, July 1955.
电气与自动化工程学院
12
研究生专业外语
引文
在文献甲中提到或描述了文献乙，并以文后参考 书目或脚注的形式列出了文献乙的出处，其目的在于 指出信息的来源、提供某一观点的依据、借鉴陈述某 一事件（实）等。这时，便称文献乙为文献甲的引文， 称文献甲为文献乙的引证文献。引文通常也称为被引 文献或参考文献，引证文献通常也称为来源文献。
xt ( ) e ut ( ) K K K K e ( t ) e I I ( t ) e
式中
8
电气与自动化工程学院
研究生专业外语
作业：某系统的状态矩阵、控制矩阵和输出矩阵为
0.009 0.265 0 9 .8 0 6 .8 0e5 .67e4 0.91 1 0 6 .70e6 8 5 .96e4 5 .02 1 .1 0 0 4 .47e6 A 0 0 1 0 0 0 150 0 150 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 .0 4 6 4 2 .2 4 1 1 B= 0 0 0 6 .2 3 8 5 e 6 2 .5 2 3 0 e 9 1.0 3 5 1 e 9 0 0 0
基于LQR的跟踪控制问题
前述LQR为状态调节器问题，主要实现状态调节， 利用LQR方法实现对参考输入的跟踪控制。
基本思路：将跟踪控制问题转换为状态调节器问题。
电气与自动化工程学院
研究生专业外语
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科学引文索引
Eugene Garfield 尤金· 加菲得 “SCI之父”
Science, 122(3159), p.108-11, July 1955.
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12
研究生专业外语
引文
在文献甲中提到或描述了文献乙，并以文后参考 书目或脚注的形式列出了文献乙的出处，其目的在于 指出信息的来源、提供某一观点的依据、借鉴陈述某 一事件（实）等。这时，便称文献乙为文献甲的引文， 称文献甲为文献乙的引证文献。引文通常也称为被引 文献或参考文献，引证文献通常也称为来源文献。
xt ( ) e ut ( ) K K K K e ( t ) e I I ( t ) e
式中
8
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作业：某系统的状态矩阵、控制矩阵和输出矩阵为
0.009 0.265 0 9 .8 0 6 .8 0e5 .67e4 0.91 1 0 6 .70e6 8 5 .96e4 5 .02 1 .1 0 0 4 .47e6 A 0 0 1 0 0 0 150 0 150 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 .0 4 6 4 2 .2 4 1 1 B= 0 0 0 6 .2 3 8 5 e 6 2 .5 2 3 0 e 9 1.0 3 5 1 e 9 0 0 0
基于LQR的跟踪控制问题
前述LQR为状态调节器问题，主要实现状态调节， 利用LQR方法实现对参考输入的跟踪控制。
基本思路：将跟踪控制问题转换为状态调节器问题。
自控原理课件 第1章-自动控制系统概
2
第1章 自动控制系统概述
第1章 自动控制系统概述
1.1自动控制系统基础知识
3
第1章 自动控制系统概述
4
第1章 自动控制系统概述
开环控制系统是一种最简单的控制系统。下面举例 说明其结构特点和工作原理。 图1.1所示是一个电阻炉温度控制系统，希望电阻炉 的温度T c保持在允许范围内。在该系统中，可以通过调 整自耦变压器滑动端的位置来改变电阻炉的温度，并使 其保持在允许范围内。因而被控对象就是电阻炉，被控 量就是电阻炉的温度。自耦变压器滑动端的位置对应了 一个电压值uc，也就对应了一个电阻炉的温度Tc，改变 M c也就改变了T”在这个控制系统中，没有对电阻炉的实 际温度进行测量，就是说，实际温度Tc是多少不得而知 。当系统中出现外部扰动(如炉门开关频繁变化)或内部 扰动(如电源电压波动)时，了c将偏离“c所对应的数值， 5 结果温度可能比希望值偏高或偏低。
25
第1章 自动控制系统概述
而放大器的输入电压为给定电压与反馈电压比 较后的偏差电压ΔU=Ug-Ufn, 其中Ug是由给定电 位器给定的，Ufn是由测速发电机TG输出电压 经电位器分压获得的。 Ufn的大小取决于转速 的高低。因此,测速发电机和电位器构成检测元 件和反馈单元；由于Ug和Ufn极性相反，所以构 成负反馈。
第1章 自动控制系统概述
6．检测元件 该装置用来检测被控制量，并将其转换成与 给定量相同的物理量。检测元件的精度和特性逐 渐影响控制系统的控制品质，它是构成自动控制 系统的关键部件。在此系统中是热电耦。
20
第1章 自动控制系统概述
由图1.6可见．系统中作用量的被控制量如
下： 给定量：又称为控制量或参考输入量。它通 常由给定信号电压构成，或通过检测元件将非电 量转换成电压信号。如图1.6中的给定电压UsT。 输出量：又称为被控制量。它是控制对象的 输出，是自动控制的目标。如图1.6中的炉温T 。 反馈量：是通过检测元件将输出量转换成与 给定量性质相同且数量级相同的信号。图1.6中 的反馈量是由热电偶将炉温转换来的信号电压 UfT。
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+
- Ud0
Ks
1/Ce Kp
2020/7/19
第1章 单闭环直流调速控制系统
12
2）只考虑扰动作用时的闭环系统
(s) n RI d
1
11 U*n CKee +
KpKsn
∆Un Kp Uc
-Un
1
KCee (1
K
Ks
)
Ud0
1/Ce
n
n RId
KCee
+
KCee (1 K )
-IdR E
-
Utgg
-
图 采用转速负反馈的闭环调速系统
2020/7/19
第1章 单闭环直流调速控制系统
2
➢ 调节原理
在反馈控制的闭环直流调速系统中，与 电动机同轴安装一台测速发电机 TG ，从 而引出与被调量转速成正比的负反馈电压 Un ，与给定电压 U*n 相比较后，得到转 速偏差电压 Un ，经过放大器 A，产生电 力电子变换器UPE的控制电压Uct ，用以控 制电动机转速 n。
8
式中 闭环系统的开环放大系数K为
K KpKsn
Ke
它相当于在测速反馈电位器输出端把反馈回路断 开后，从放大器输入起直到测速反馈输出为止总的 电压放大系数，是各环节单独的放大系数的乘积。
2020/7/19
第1章 单闭环直流调速控制系统
9
• 注意：
闭环调速系统的静特性表示闭环系统电 动机转速与负载电流（或转矩）间的稳态 关系，它在形式上与开环机械特性相似， 但本质上却有很大不同，故定名为“静特 性”，以示区别。
5
以上各关系式中
Kp — 比例调节器的放大系数； Ks — 电力电子变换器的电压放大系数；
n — 转速反馈系数，（V·min/r）；
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第1章 单闭环直流调速控制系统
6
➢ 闭环系统的静态结构框图
- IdR
U*n +
∆Un
Uct Kp
Kss Ud +
E
- Un
1 Ke
n
n
图 转速负反馈闭环直流调速系统稳态结构图
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第1章 单闭环直流调速控制系统
15
➢ 系统特性比较
比较式（1-a）和式（1-b）不难得出以下的论断：
（1）闭环系统特性可以比开环系统机械特 性硬得多。
在同样的负载扰动下，两者的转速降落分别为
nop
RI d Ke
它们的关系是
和
ncl
RI d K e (1
K)
ncl
nop 1 K
比较一下开环系统的机械特性和闭环系统的静 特性，就能清楚地看出反馈闭环控制的优越性。如 果断开反馈回路，则上述系统的开环机械特性为
n
Ud0 IdR Ke
K
p
KsU
* n
Ke
RId Ke
n0op
nop
而闭环时的静特性可写成
n
K
p
KsU
* n
Ke(1 K)
RId Ke(1
K)
n0cl
ncl
(1-a) (1-b)
1.3 单闭环直流调速系统
根据反馈控制原理，要维持哪一个物理量基本不变，就应 该引入那个物理量的负反馈，与恒定给定值相比较，以构成闭 环系统，故引入转速负反馈，构成闭环调速系统。
根据自动控制原理，反馈控制的闭环系统是按被调量的偏 差进行控制的系统，只要被调量出现偏差，它就会自动产生纠 正偏差的作用。
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第1章 单闭环直流调速控制系统
7
➢ 静特性方程
从上述五个关系式中消去中间变量，整 理后，即得转速负反馈闭环直流调速系统 的静特性方程式
n
K
p
KsU
* n
IdR
K
p
KsU
* n
RId
Ke(1 Kp Ksn / Ke) Ke(1 K ) Ke(1 K )
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第1章 单闭环直流调速控制系统
11
1）只考虑给定作用时的闭环系统
KpKs
(s)
n
U
* n
1
KCee
KpKsn
U*n
+ -
∆Un
Un
Kp
Uct
Ks Ud
1 Ke
n
KCee
n
n
K
p
K
sU
* n
+
KCee KpKsn
-IdR E
n
K
p
KsU
* n
KCCeee (1
KpKsn)
KCee
K
p
K
sU
* n
KCCeee (1 K )
1
n
+
- Ud
K1/eCe
Ks
Kp
n
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第1章 单闭环直流调速控制系统
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由于已认为系统是线性的，可以把二者 叠加起来，即得系统的静特性方程式
n
K
p
KsU
* n
RId
Ke(1 K ) Ke(1 K )
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第1章 单闭环直流调速控制系统
14
➢开环系统机械特性和闭环系统静特性的关系
调速系统的转速降落正是由负载引起的转速偏差，显然， 引入转速闭环将使调速系统应该能够大大减少转速降落。
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第1章 单闭环直流调速控制系统
1
1)单闭环有静差调速系统组成及其工作原理
➢系统组成
+
U+*nn
+
IIdd
+
-
∆Unn A UUcct GT
-
UPE Udd
M
-
+
Unn
-
n
+
+
TG
17
➢ 系统特性比较（续）
（3）当要求的静差率一定时，闭环系统可以 大大提高调速范围。
如果电动机的最高转速都是nmax；而对最低速静 差率的要求相同，那么：
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第1章 单闭环直流调速控制系统
10
对于静态结构图中各方块内的符号代表
该环节的放大系数。运用结构图运算法同 样可以推出式所表示的静特性方程式，方 法如下：将给定量和扰动量看成两个独立 的输入量，先按它们分别作用下的系统求 出各自的输出与输入关系式，
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第1章 单闭环直流调速控制系统
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第1章 单闭环直流调速控制系统
3
➢ 稳态分析条件
下面分析闭环调速系统的稳态特性，以确定它 如何能够减少转速降落。为了突出主要矛盾，先 作如下的假定： （1）忽略各种非线性因素，假定系统中各环节的 输入输出关系都是线性的，或者只取其线性工作 段； （2）假定系统只工作在V-M系统开环机械特性的 连续段； （3）忽略控制电源和电位器的内阻。
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第1章 单闭环直流调速控制系统
16
➢ 系统特性比较（续）
（2）如果比较同一的开环和闭环系统，则闭 环系统的静差率要小得多。
l
和
sop
nop n0op
当 n0op =n0cl 时，
scl
sop 1 K
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第1章 单闭环直流调速控制系统
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第1章 单闭环直流调速控制系统
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➢ 稳态关系
转速负反馈直流调速系统中各环节的稳态关系如下：
电压比较环节
U n
U
* n
Un
放大器
Uct KpU n
电力电子变换器 调速系统开环机械特性
Ud KsUct
n Ud IdR Ke
测速反馈环节
Un nn
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第1章 单闭环直流调速控制系统