自动控制原理与系统-总结.ppt

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1、自动控制原理与系统总结一、绪论 n1、自动控制：自动控制：是指在没有人直接参与的情况下，利用控制装置使被控对象（如机器、设备或生产过程）的一个或数个物理量（如电压、电流、速度、位置、温度、流量、化学成分等）自动的按照预定的规律运行（或变化）n2、自动控制系统：、自动控制系统：是指能够对被控对象的工作状态进行自动控制的系统。它一般由控制装置和被控对象组成。被控制对象是指那些要求实现自动控制的机器、设备或生产过程。控制装置是指对被控对象起控制作用的设备总体。n3、开环控制：、开环控制：开环控制是指系统的被控制量（输出量）只受控于控制作用，而对控制作用不能反施任何影响的控制方式。n4、闭环控制、闭环

2、控制：指系统的被控制量（输出量）与控制作用之间存在着负反馈的控制方式。n5、反馈：、反馈：把输出量送回到系统的输入端并与输入信号比较的过程。若反馈信号是与输入信号相减而使偏差值越来越小，则称为负反馈；反之，则称为正反馈。显然，负反馈控制是一个利用偏差进行控制并最后消除偏差的过程，又称偏差控制。同时，由于有反馈的存在，整个控制过程是闭合的，故也称为闭环控制。n6、闭环系统的组成：、闭环系统的组成：参考输入、比较环节、控制调节器、控制对象、反馈环节n7、反馈的类型：、反馈的类型：恒值系统和随动系统（按参考输入形式分类）n 线性系统和非线性系统（按照组成系统的元件特性分类）n 连续系统和离散系统（按

3、照系统内信号的传递形式分类）n8、控制系统的性能指标、控制系统的性能指标：稳定性、稳态误差、瞬态响应指标。2、控制系统的数学模型1、传递函数的定义：线性定常系统在零初始条件下，输出量的拉氏变换与输入量的拉氏变换之比，称为该系统的传递函数。2、系统的数学模型：是描述系统输入、输出变量以及系统内部各物理量之间关系的数学表达。3、动态模型：在动态过程中，系统各变量之间的关系可用微分方程来描述，称为动态模型。4、常用的动态模型有：微分方程、传递函数、动态结构图以及状态空间表达式。（1）.传递函数表示系统传递输入信号的能力，反映系统本传递函数表示系统传递输入信号的能力，反映系统本身的动态特性，它只与系统

4、的结构和参数身的动态特性，它只与系统的结构和参数有关有关，与输入信号和，与输入信号和初始条件初始条件无关。无关。（2）.传递函数是复变量传递函数是复变量s 的有理分式函数，其分子多项式的有理分式函数，其分子多项式的次数低于的次数低于m或等于分母多项式的次数或等于分母多项式的次数n，即即mn。且系数均。且系数均为实数。为实数。（3）.在同一系统中，当选取不同的物理量作为输入、输出在同一系统中，当选取不同的物理量作为输入、输出时，其传递函数一般也不相同。传递函数不反映系统的物理结时，其传递函数一般也不相同。传递函数不反映系统的物理结构，物理性质不同的系统，可以具有相同的传递函数。构，物理性质不同的

5、系统，可以具有相同的传递函数。4.传递函数的定义只适用于线性定常系统。传递函数的定义只适用于线性定常系统。5、传递函数的性质6、典型环节这些环节是1）比例环节：2）惯性环节：3）积分环节：4）振荡环节：5）微分环节：6）滞后环节：（一）、质量、弹簧、阻尼器系统（1）惯性力：）惯性力：（3）弹性力：）弹性力：（2）阻尼力：）阻尼力：一）、质量、弹簧、阻尼器系统(二)、齿轮链系统旋转物体：(三）电系统传递函数解：设回路电流i1、i2如图中所示，从输入端开始，按信号传递顺序写出各变量间的微分方程式如下：由所得方程组消去中间变量得：1.阶跃函数：2.斜坡函数：3.抛物线函数：4.脉冲函数：5.正弦函数

6、：几种常用典型函数拉氏变换的目的 1、将微分、积分、三角函数、滞后等时域变量经过拉氏变换转换成象函数的分式形式，进行计算、化简；2、再将象函数分解后，反变换得到时域变量。3、也可由初值定理或终值定理直接求解初值、终值。使求解简便化。第三章第三章 控制系统的时域分析控制系统的时域分析1 1 1 1、经典控制理论中常用的工程方法有：、经典控制理论中常用的工程方法有：、经典控制理论中常用的工程方法有：、经典控制理论中常用的工程方法有：1 1 1 1）时域分析法，）时域分析法，）时域分析法，）时域分析法，2 2 2 2）根轨迹法，）根轨迹法，）根轨迹法，）根轨迹法，3 3 3 3）频率特性法频率特性法

7、频率特性法频率特性法2 2 2 2、系统性能系统性能分析分析分析分析的的内容：内容：内容：内容：1)1)1)1)瞬态性能瞬态性能瞬态性能瞬态性能,2),2),2),2)稳态性能稳态性能稳态性能稳态性能,3),3),3),3)稳定性稳定性稳定性稳定性3 3 3 3、输出响应输出响应:瞬态分量和稳态分量。瞬态分量和稳态分量。瞬态分量瞬态分量:由于输入和初始条件引起的，随时间的推移而由于输入和初始条件引起的，随时间的推移而趋向消失的响应部分，它提供了系统在过渡过程中的趋向消失的响应部分，它提供了系统在过渡过程中的各项动态性能的信息。各项动态性能的信息。稳态分量稳态分量:是过渡过程结束后是过渡过程结束

8、后,系统达到平衡状态，其输系统达到平衡状态，其输入输出间的关系不再变化的响应部分，它反映了系统入输出间的关系不再变化的响应部分，它反映了系统的稳态性能或误差。的稳态性能或误差。3-1 典型输入信号及性能指标三三.速度函数速度函数(斜波函数斜波函数)：一一.阶跃函数：阶跃函数：四四.加速度函数加速度函数(抛物线函数抛物线函数)：二二.脉冲函数：脉冲函数：五五.正弦函数：正弦函数：阶跃响应的性能指标1、峰值时间：、峰值时间：tp:2、超调量：、超调量：3、调节时间：、调节时间：ts4、稳态误差：、稳态误差：ess5、上升时间：、上升时间：tr6、穿越次数：、穿越次数：Nh(t)h(t)1.01.0

9、t tr rt tp pt ts s误差带误差带h(h()o ot th(th(tp p)总结二阶系统的阶跃响应二阶系统的阶跃响应(一一)过阻尼过阻尼(11)的情况：的情况：(二二)欠阻尼欠阻尼(0(010N0），则），则闭环系统不稳定（闭环系统不稳定（Z=P-N0Z=P-N0）。）。(i)(i)当系统开环传递函数当系统开环传递函数G(s)H(s)G(s)H(s)的全部极点都位于的全部极点都位于S S平面左半部平面左半部 时时(P=0),(P=0),如果系统的奈氏曲线如果系统的奈氏曲线 不包围不包围GHGH平面的平面的(-1,j0)(-1,j0)点点(N=0)(N=0)，则闭环系统是稳定的（，

10、则闭环系统是稳定的（z=p-N=0z=p-N=0），否则是不稳定的；），否则是不稳定的；(ii)(ii)当系统开环传递函数当系统开环传递函数 有有p p个位于个位于S S平面右半部的极点时，平面右半部的极点时，如果系统的奈氏曲线如果系统的奈氏曲线 逆时针包围逆时针包围(-1,j0)(-1,j0)点的周数等于位于点的周数等于位于S S平面平面右半部的开环极点数（右半部的开环极点数（N=PN=P），则闭环系统是稳定的（），则闭环系统是稳定的（Z=P-N=0Z=P-N=0），），否则是不稳定的；否则是不稳定的；综上，奈氏曲线综上，奈氏曲线 是否包围是否包围GHGH平面的（平面的（-1,j0)-1,j

11、0)点是判别系统是点是判别系统是否稳定的重要依据否稳定的重要依据 当然还须考虑是否存在当然还须考虑是否存在S S平面右半部的开环极点平面右半部的开环极点和曲线和曲线 包围点包围点(-1,j0)(-1,j0)的方向的方向。当曲线。当曲线 恰好通过恰好通过GHGH平面的平面的(-(-1,j0)1,j0)点（注意不是包围），此时如果系统无位于点（注意不是包围），此时如果系统无位于S S平面右半部的开平面右半部的开环极点，则系统处于临界稳定状态。环极点，则系统处于临界稳定状态。图图5-50 例例5-8系统的奈氏曲线系统的奈氏曲线图图5-51 例例5-8系统的根轨迹图系统的根轨迹图根据对数频率特性图判断

12、系统的稳定性根据对数频率特性图判断系统的稳定性考虑考虑s平面上单位圆与对数坐标平面的关系：平面上单位圆与对数坐标平面的关系：s平面上的单位圆平面上的单位圆单位圆内单位圆内单位圆外单位圆外负实轴负实轴顺时针绕顺时针绕(-1,j0)点点逆时针绕逆时针绕(-1,j0)点点利用对数频率特性图判断系统稳定性的奈氏判据为利用对数频率特性图判断系统稳定性的奈氏判据为:0dB线线0dB线以下线以下0dB线以上线以上 线线由上至下穿越由上至下穿越线（负穿越）线（负穿越）由下至上穿越由下至上穿越线（正穿越）线（正穿越）在对数幅频特性大于零的频段内，相频特性曲线穿越在对数幅频特性大于零的频段内，相频特性曲线穿越 线

13、的次数线的次数 ，满足，满足 ，则系统稳定。，则系统稳定。稳定性判断一、极坐标判断稳定性：1、曲线穿越单位圆时，相角大于-系统稳定；2、曲线穿越单位圆时，相角等于-系统临界稳定；3、曲线穿越单位圆时，相角小于-系统不稳定。二、Bode图判断稳定性：1、L()=0db时,相位()-系统稳定；2、L()=0db时,相位()=-系统临界稳定；3、()=-时,幅值L()0db系统不稳定。n通常用稳定裕度来衡量系统的相对稳定通常用稳定裕度来衡量系统的相对稳定性或系统的稳定程度，其中包括系统的性或系统的稳定程度，其中包括系统的相角裕度和幅值裕度。相角裕度和幅值裕度。第六章 线性系统的校正方法校正装置的连接

14、方式校正装置的连接方式:(1)串联校正串联校正 (2)顺馈校正顺馈校正 (3)反馈校正反馈校正常用校正装置：常用校正装置：(1)超前校正网络超前校正网络 (2)滞后校正网络滞后校正网络(3)滞后滞后-超前校正网超前校正网络络本章小结本章小结 (1)(1)系系统统的的综综合合与与校校正正问问题题 为了使原系统在性能指标上的缺陷得到改善或补偿而按照一定的方式接入校正装置和选定校正元件参数的过程就是控制系统设计中的综合与校正问题。从某中意义上讲,系统的综合与校正是系统分析的逆问题。系统分析的结果具有唯一性,而系统的综合与校正是非唯一的。(2)(2)校正方式校正方式 根据校正装置与原系统的连接方式可分

15、为串联校正,顺馈校正和反馈校正三种方式;根据校正装置的特性可分为超前校正和滞后校正。(3)(3)超超前前校校正正 超超前前校校正正装装置置具具有有相相位位超超前前作作用用,它它可可以以补补偿偿原原系系统统过过大大的的滞滞后后相相角角，从从而而增增加加系系统统的的相相角角裕裕度度和和带带宽宽，提提高高系系统统的的相相对对稳稳定定性性和和响响应应速速度度。超超前前校校正正通通常常用用来来改改善善系系统统的的动动态态性性能能，在在系系统统的的稳稳态态性性能能较较好好而而动动态态性性能能较较差差时时，采采用用超超前前校校正正可可以以得得到到较较好好的的效效果果。但但由由于于超超前前校校正正装装置置具具

16、有有微微分分的的特特性性，是是一一种种高高通通滤滤波波装装置置，它它对对高高频频噪噪声声更更加加敏敏感感,从从而而降降低低了了系系统统抗抗干干扰扰的的能能力力，因因此此在在高高频噪声较大的情况下，不宜采用超前校正。频噪声较大的情况下，不宜采用超前校正。(4)(4)滞滞后后校校正正 滞滞后后校校正正装装置置具具有有相相位位滞滞后后的的特特性性,它它具具有有积积分分的的特特性性，由由于于积积分分特特性性可可以以减减少少系系统统的的稳稳态态误误差，因此滞后校正通常用来改善系统的稳态性能。差，因此滞后校正通常用来改善系统的稳态性能。滞滞后后校校正正装装置置具具有有低低通通滤滤波波的的特特性性，利利用用

17、它它的的高高频频衰衰减减特特性性降降低低系系统统的的剪剪切切频频率率,可可以以提提高高系系统统的的相相角角裕裕度度，改改善善系系统统的的动动态态性性能能。但但同同时时减减小小了了系系统统的的带带宽宽，降降低低了了系系统统的的响响应应速速度度。因因此此对对响响应应速速度度要要求求较较高高的的系系统统不不宜宜采采用用滞滞后后校校正正，高高频频衰衰减减特特性性可可以以降降低低高高频频噪噪声声对对系系统统的的影影响响，从从而而提提高高系系统统抗抗干干扰扰能能力力，这是滞后校正的一大优点。这是滞后校正的一大优点。(5)(5)滞后滞后-超前校正超前校正 利利用用校校正正装装置置的的滞滞后后特特性性改改善善

18、系系统统的的稳稳态态性性能能提提高高系系统统精精度度,而而利利用用它它的的超超前前作作用用来来改改善善系系统统的的动动态性能提高系统的相角裕度和响应速度等。态性能提高系统的相角裕度和响应速度等。(6)(6)反馈校正反馈校正 反馈校正除了可以达到与串联校正相同的效果反馈校正除了可以达到与串联校正相同的效果外。还可以抑制来自系统内部和外部扰动的影响外。还可以抑制来自系统内部和外部扰动的影响,因因此对那些工作环境比较差和系统参数变化幅度较大的此对那些工作环境比较差和系统参数变化幅度较大的系统系统,采用反馈校正效果会更好些。采用反馈校正效果会更好些。(7)(7)混合校正混合校正 对对于于某某些些系系统

19、统，有有时时为为了了达达到到全全面面改改善善系系统统性性能能的的目目的的，也也可可以以同同时时采采用用多多种种校校正正方方式式。但但这这并并不不意意味味着着校校正正装装置置用用得得越越多多,方方法法越越复复杂杂就就越越好好,在在这这个个问问题题上上应应本本着着删删繁繁就就简简的的原原则则，用用一一种种方方法法一一个个校校正正装装置置能能解解决决问问题题的的就就决决不不采采用用两两种种方方法法或或两两个个校校正正装装置置，因因为为系系统统接入的装置越多接入的装置越多,就越容易引入干扰信号。就越容易引入干扰信号。第八章第八章 8.1 直流调速系统直流调速系统有三种方法调节电动机的转速：有三种方法调

20、节电动机的转速：（1）调节电枢供电电压）调节电枢供电电压 U。（2）减弱励磁磁通）减弱励磁磁通 。（3）改变电枢回路电阻）改变电枢回路电阻 R。常用的可控直流电源有以下三种：常用的可控直流电源有以下三种：n旋转变流机组旋转变流机组用交流电动机和直流发用交流电动机和直流发电机组成机组，获得可调的直流电压。电机组成机组，获得可调的直流电压。n静止式可控整流器静止式可控整流器用静止式的可控整用静止式的可控整流器获得可调的直流电压。流器获得可调的直流电压。n直流斩波器或脉宽调制变换器直流斩波器或脉宽调制变换器用恒定用恒定直流电源或不控整流电源供电，利用电力直流电源或不控整流电源供电，利用电力电子开关器

21、件斩波或进行脉宽调制，产生电子开关器件斩波或进行脉宽调制，产生可变的平均电压。可变的平均电压。本节提要本节提要n转速控制的要求和调速指标转速控制的要求和调速指标n开环调速系统及其存在的问题开环调速系统及其存在的问题n闭环调速系统的组成及其静特性闭环调速系统的组成及其静特性n开环系统特性和闭环系统特性的关系开环系统特性和闭环系统特性的关系n反馈控制规律反馈控制规律n限流保护限流保护电流截止负反馈电流截止负反馈1.控制要求控制要求1）调速）调速在一定的最高转速和最低转速范在一定的最高转速和最低转速范 围内，分挡地（有级）或围内，分挡地（有级）或 平滑地（无级）平滑地（无级）调节转速；调节转速；2）

22、稳速）稳速以一定的精度在所需转速上稳定以一定的精度在所需转速上稳定 运行，在各种干扰下不允许有过大的转速运行，在各种干扰下不允许有过大的转速 波动，以确保产品质量；波动，以确保产品质量；3）加、减速）加、减速频繁起、制动的设备要求加、频繁起、制动的设备要求加、减速尽量快，以提高生产率；不宜经受剧减速尽量快，以提高生产率；不宜经受剧 烈速度变化的机械则要求起，制动尽量平稳。烈速度变化的机械则要求起，制动尽量平稳。结论1 一个调速系统的调速范围，是指在最低一个调速系统的调速范围，是指在最低速时还能满足所需静差率的转速可调范围。速时还能满足所需静差率的转速可调范围。n例例题题8-1 某某直直流流调调

23、速速系系统统电电动动机机额额定定转转速速为为，额额定定速速降降 nN=115r/min，当当要要求求静静差差率率s30%时时，允允许许多多大大的的调调速速范范围围？如如果果要要求求静静差差率率s 20%，则则调调速速范范围围是是多多少少？如如果果希希望望调调速速范范围围达达到到10，所所能能满满足足的静差率是多少？的静差率是多少？解解:要求要求s 30%时，调速范围为时，调速范围为:若要求若要求s 20%，则调速范围只有，则调速范围只有:若调速范围达到若调速范围达到10，则静差率只能是，则静差率只能是:n 系统组成系统组成图8-2 带转速负反馈的闭环直流调速系统原理框图+-AMTG+-+-+-

24、UtgUdIdn+-+UnUn U*nUcUPE+-MTGIdUnUdUctgn 扰动作用与影响扰动作用与影响图8-5 闭环调速系统的给定作用和扰动作用 励磁变化励磁变化Id变化变化US电源波动电源波动Kp变化变化电阻变化电阻变化检测误差检测误差KpKs 1/CeU*nUcUnEnUd0Un+-R 结论结论结论1:1:一个调速系统的调速范围，是指在最低速时还一个调速系统的调速范围，是指在最低速时还能满足所需静差率的转速可调范围。能满足所需静差率的转速可调范围。结论结论2:2:闭环调速系统可以获得比开环调速系统硬得多闭环调速系统可以获得比开环调速系统硬得多的稳态特性，从而在保证一定静差率的要求下

25、，能的稳态特性，从而在保证一定静差率的要求下，能够提高调速范围，为此所需付出的代价是，须增设够提高调速范围，为此所需付出的代价是，须增设电压放大器以及检测与反馈装置。电压放大器以及检测与反馈装置。结论结论3:3:反馈控制系统的规律是：反馈控制系统的规律是：一方面能够有效地抑一方面能够有效地抑制一切被包在负反馈环内前向通道上的扰动作用；制一切被包在负反馈环内前向通道上的扰动作用；另一方面，则紧紧地跟随着给定作用，对给定信号另一方面，则紧紧地跟随着给定作用，对给定信号的任何变化都是唯命是从的。的任何变化都是唯命是从的。第第 八章八章 8.2转速、电流双闭转速、电流双闭环直流调速系统环直流调速系统n

26、问题的提出问题的提出 第第8.1中表明，采用转速负反馈和中表明，采用转速负反馈和PI调调节器的单闭环直流调速系统可以在保证节器的单闭环直流调速系统可以在保证系统稳定的前提下实现转速无静差。但系统稳定的前提下实现转速无静差。但是，如果对系统的动态性能要求较高，是，如果对系统的动态性能要求较高，例如：要求快速起制动，突加负载动态例如：要求快速起制动，突加负载动态速降小等等，单闭环系统就难以满足需速降小等等，单闭环系统就难以满足需要。要。1.主要原因主要原因 是因为在单闭环系统中不能随心所欲是因为在单闭环系统中不能随心所欲地控制电流和转矩的动态过程。地控制电流和转矩的动态过程。在单闭环直流调速系统中

27、，电流截止在单闭环直流调速系统中，电流截止负反馈环节是专门用来控制电流的，但负反馈环节是专门用来控制电流的，但它只能在超过临界电流值它只能在超过临界电流值 Idcr 以后，靠以后，靠强烈的负反馈作用限制电流的冲击，并强烈的负反馈作用限制电流的冲击，并不能很理想地控制电流的动态波形。不能很理想地控制电流的动态波形。b)理想的快速起动过程理想的快速起动过程IdLntIdOIdma)带电流截止负反馈的单闭环调速系统带电流截止负反馈的单闭环调速系统图图8.2-1 直流调速系统起动过程的电流和转速波形直流调速系统起动过程的电流和转速波形2.理想的起动过程理想的起动过程IdLntIdOIdmIdcrnn

28、性能比较性能比较n带电流截止负反馈的带电流截止负反馈的单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统起动过程如图起动过程如图 所示，所示，起动电流达到最大值起动电流达到最大值 Idm 后，受电流负反后，受电流负反馈的作用降低下来，馈的作用降低下来，电机的电磁转矩也随电机的电磁转矩也随之减小，加速过程延之减小，加速过程延长。长。图图8.2-1 a)带电流截止负反馈带电流截止负反馈的单闭环调速系统的单闭环调速系统IdLntIdOIdmIdcrn性能比较（续）性能比较（续）n理想起动过程波形理想起动过程波形如图所示，这时，如图所示，这时，起动电流呈方形波，起动电流呈方形波，转速按线性增长。转速按线性增长。这是

29、在最大电流这是在最大电流（转矩）受限制时（转矩）受限制时调速系统所能获得调速系统所能获得的最快的起动过程。的最快的起动过程。图图8.2-1 b)理想的快速起动过程理想的快速起动过程IdLntIdOIdmn+TGnASRACRU*n+-UnUiU*i+-UcTAM+-UdIdUPE-MTG图8.2-2 转速、电流双闭环直流调速系统结构 2.系统的组成系统的组成ASR转速调节器 ACR电流调节器 TG测速发电机TA电流互感器 UPE电力电子变换器内环外 环ni系统原理图系统原理图图图8.2-3 双闭环直流调速系统电路原理图双闭环直流调速系统电路原理图+-TG+-+-RP2U*nR0R0UcUiRi

30、Ci+-R0R0RnCnASRACRLMRP1UnU*iLM+MTAIdUdMTGUPE+-+-3.系统稳态结构框图系统稳态结构框图图8.2-4 双闭环直流调速系统的稳态结构框图转速反馈系数 电流反馈系数 Ks 1/CeU*nUcIdEnUd0Un+-ASR+U*i-IdR R ACR-UiUPE图图8.2-7 双闭环直流调速系统起动时的转速和电流波形双闭环直流调速系统起动时的转速和电流波形 n OOttIdm IdL Id n*IIIIIIt4 t3 t2 t1 4.起动过程起动过程 由于在起动过程中转速调节器由于在起动过程中转速调节器ASR经历经历了不饱和、饱和、退饱和三种情况，整个了不饱和、饱和、退饱和三种情况，整个动态过程就分成图中标明的动态过程就分成图中标明的I、II、III三三个阶段。个阶段。5.分析结果分析结果 综上所述，双闭环直流调速系统的起动综上所述，双闭环直流调速系统的起动过程有以下三个特点：过程有以下三个特点：（1）饱和非线性控制）饱和非线性控制 （2）转速超调）转速超调 （3）准时间最优控制）准时间最优控制