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1、反馈控制系统的基本概念第1页，本讲稿共32页第第 一一 节节 概概 论论1.1.1 控制的含义1.1.2 人工控制与自动控制1.1.3 自动控制学科的特点1.1.4 自动控制理论的内容1.1.5 自动控制理论的基本问题第2页，本讲稿共32页1.1.1 控制的含义控制的含义l控制（CONTROL）-某个主体主体使某个客体客体按照一定的目的动作n主体-人：人工控制；机器：自动控制n客体-指一件物体，一套装置，一个物化过程，一个特定系统。n物体-飞船，电炉。（飞船控制）n装置-锅炉，汽机。（锅炉控制）n过程-燃烧，传动。（燃烧控制）n系统-电力，化工，冶金。（电力控制）第3页，本讲稿共32页1.1.
2、2 人工控制与自动控制人工控制与自动控制n煤气灶上油煎鸡蛋时的油温控制n自行车速度控制n汽车驾驶n收音机音量调节X电饭煲X空调X抽水马桶X汽轮机转速控制X导弹飞行控制X声控光控路灯第4页，本讲稿共32页1.1.3 自动控制学科的特点自动控制学科的特点n应用广泛n小至电子表,大至人造卫星,几乎包括各个领域.我院6个专业有4个学“自控原理”课n日益重要n很难想象现代生活和生产过程没有自动控制装置如何能够继续?你敢让大型发电机组用人工控制来运行吗?你愿意使用不能自动控制温度的电冰箱吗？第5页，本讲稿共32页1.1.4 控制科学与工程学科的内控制科学与工程学科的内涵控制科学与工程控制理论与控制工程检测
3、技术与自动化装置模式识别与智能系统系统工程第6页，本讲稿共32页1.1.5 自动控制理论的基本问题自动控制理论的基本问题n控制系统的分析n典型信号下的响应(阶跃响应,频率特性)n数学模型 (传递函数,状态方程)n性能指标 (稳态误差,超调量)n控制系统的设计n性能要求 (性能指标,约束条件)n控制器的结构和参数设计和整定n性能校核 (计算,仿真,实验)第7页，本讲稿共32页第二节第二节 反馈控制系统的基本概念反馈控制系统的基本概念v信息反馈-最基本的自动控制原理v反馈控制系统的中的常用术语：n给定值（参考输入值）n偏差值n控制量n被控量n扰动量(内扰,外扰)n自动控制装置=传感器+控制器+给定
4、器+执行器n受控过程（受控对象）n控制系统=受控过程控制装置第8页，本讲稿共32页例1.1 锅炉汽包水位控制系统工业过程中的反馈控制系统例子-调节器汽包变送器主蒸汽过热器省煤器执行器给水调节阀给水泵给水第9页，本讲稿共32页例1.2 水箱水位控制日常生活过程中的反馈控制系统例子-第10页，本讲稿共32页第三节第三节 自动控制系统的组成及方框图自动控制系统的组成及方框图v自动控制系统：控制装置受控对象v方框图(方框+箭头+求和圆+线条)：分析系统内各部分之间关系的图解法v自动控制系统的组成(如锅炉水位控制系统)：给定值 SV Setpoint-Value 偏差值 DV Deviation-val
5、ue 操作值 MV Manipulation-Value 过程变量值 PV Process-Value 给定器调节器执行器受控过程传感器SVSVDVDV反馈反馈PVPVMVMV被控量被控量PVPV第11页，本讲稿共32页调节器执行器调节阀汽包变送器+-例1.3 锅炉水位控制系统测量水位PV偏差量DV控制量调节位移MV给水量反馈元件实际水位设定水位SV第12页，本讲稿共32页第四节自动控制系统的分类第四节自动控制系统的分类设定器控制器被控对象扰动被控量设定器被控过程传感器控制器一一.按系统环节连接形式分类按系统环节连接形式分类闭环控制系统:开环开环控制系统控制系统：第13页，本讲稿共32页开环控
6、制系统举例开环控制系统举例电热丝加热炉220v调压器功率放大器负载电位器M例1.4.1 开环温度控制系统 开环控制系统特点：开环控制系统特点：1.信号从输入到输出无反馈信号从输入到输出无反馈,单向传递单向传递.2.结构简单结构简单.3.控制精度不高控制精度不高,无法抑制扰动无法抑制扰动.例1.4.2 开环转速控制系统第14页，本讲稿共32页 闭环控制系统举例闭环控制系统举例 M电压放大器功率放大器测速发电机负载M减速器温度控制器热电偶调压器220V例1.4.3 闭环温度控制系统例1.4.4 闭环转速控制系统闭环控制系统特点闭环控制系统特点:1.有反馈回路有反馈回路;2.结构复杂结构复杂;3.控
7、制精度高控制精度高,自动纠偏自动纠偏第15页，本讲稿共32页二二.按控制依据信号性质分类按控制依据信号性质分类控制器控制器被控过程控制器被控过程控制器被控过程反馈控制系统：前馈控制系统：前馈-反馈控制系统第16页，本讲稿共32页三三.按给定值变化规律分类按给定值变化规律分类tttrrr恒值控制系统：恒值控制系统：给定值不随时间变化 例 恒温，恒压系统随动控制系统：随动控制系统：给定值按需求随机变化 例 雷达跟踪，靠模加工系统程序控制系统：程序控制系统：给定值按条件（时间或流程）变化例 金属热处理，化学水处理第17页，本讲稿共32页四四.按输入输出变量数分类按输入输出变量数分类电加热炉电加热炉电
8、站锅炉电站锅炉单变量控制系统单变量控制系统 单入-单出 SISO（Single Input Single Output）例 电加热炉温度控制系统电流温度多变量控制系统多变量控制系统 多入-多出 MIMO（Multiple-）例 锅炉燃烧控制系统燃料量 送风量 引风量工质温度工质压力炉膛压力第18页，本讲稿共32页五五.按系统特性分类按系统特性分类 线性控制系统线性控制系统 输入与输出成正比，可用叠加原理 用线性数学模型描述例 弹簧秤（在工作区）非线性控制系统非线性控制系统 输入与输出不成正比，不可用 叠加原理 用非线性数学模型描述 例 弹簧秤（不在工作区）位移位移力力第19页，本讲稿共32页六
9、六.按变量的时间特性分类按变量的时间特性分类 连续时间控制系统连续时间控制系统 系统中的变量可随时变化，连续，不间断 例 重锤式转速控制系统 离散时间控制系统离散时间控制系统 系统中存在离散变量，它们只在 固定时刻存在和变化 例 计算机控制系统 变量变量时间时间第20页，本讲稿共32页七七.按变量的变化特性分类按变量的变化特性分类 模拟量控制系统模拟量控制系统 系统中的变量是反映物理量的模 拟变量，可以是任意数值 例 热电偶测得电势，反映温度 开关量控制系统开关量控制系统 系统中变量只有两个状态，0或1，开或关 例 全自动洗衣机 变量变量时间时间第21页，本讲稿共32页八八.按变量的统计特性分
10、类按变量的统计特性分类 确定性变量控制系统确定性变量控制系统 系统中的变量被认为是无噪声的 确定性变量 随机性变量控制系统随机性变量控制系统 系统中的变量被认为是有噪声的 随机性变量 变量时间变量时间第22页，本讲稿共32页九九.按控制规律分类按控制规律分类v 常常 规规 控控 制（制（PID）v 智智 能能 控控 制制v 预预 测测 控控 制制v 最最 优优 控控 制制v 自自 适适 应应 控控 制制v 鲁鲁 棒棒 控控 制制v 模模 糊糊 控控 制制v 神神 经经 元元 控控 制制第23页，本讲稿共32页 第五节第五节 控制系统性能分析概论控制系统性能分析概论一一.典型试验信号典型试验信号
11、n阶跃信号n斜坡信号n抛物线信号n脉冲信号n正弦信号二二.系统性能分析方法系统性能分析方法n动态特性分析n稳态特性分析第24页，本讲稿共32页阶跃信号（阶跃信号（Step Function）阶跃信号含宽频带谐波分量，产生容易，是最常用系统性能测试信号。时间r（t）R-单位阶跃 函 数第25页，本讲稿共32页 斜坡信号（斜坡信号（Ramp Function）斜坡信号为匀速信号，适于测试匀速系统。时间 tr（t）R tt g（）=R-单位阶跃函数第26页，本讲稿共32页抛物线信号（抛物线信号（Parabolic Function）u（t）-单位阶跃函数抛物线信号为匀加速信号，适于测试匀加速系统。时
12、间 tr（t）0.5 R t 2第27页，本讲稿共32页脉冲信号（脉冲信号（Pulse Function）t=0 理想情况理想情况:r（t）=(t)=(t)-单位脉冲函数 0 t 0 A/h 0=t=h 实际情况实际情况:r（t）=0 t h 可用于测试系统抗冲击能力时间 tr（t）Ah第28页，本讲稿共32页正弦信号（正弦信号（Sine Function）r（t）=Asin(t+)A-幅值 -频率 -初相位 正弦信号为单频率信号，适于测试系统频率特性。时间 tr（t）第29页，本讲稿共32页q 动动 态态 特特 性性 分分 析析 y（t）=f(x（t）)y(t)-输出 x(t)-输入 动态响应:系统输出在典型测试信号下随时间变化的特性 f(x(t)x(t)y(t)xytt第30页，本讲稿共32页q 稳稳 态态 特特 性性 分分 析析 y（t=）=f(x)y()-稳态输出 x -输入 稳态特性:平衡状态下系统输出与输入的关系 线性 饱和非线性 死区非线性 继电非线性x(t)y(t)txy第31页，本讲稿共32页 第六节第六节 自动控制系统性能要求自动控制系统性能要求五个字：稳、准、快、壮、省五个字：稳、准、快、壮、省n稳：扰动下不发散n准：与设定值的偏差小n快：用最少的时间达到要求n壮：适应宽范围工况n省：控制能量最省，波动小，效率高第32页，本讲稿共32页