自控简明讲义1-3
更新时间:2023-10-23 07:31:01 阅读量: 综合文库 文档下载
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自动控制原理:以自动控制系统为对象,学习研究从各类控制系统所抽象出来的,具有共性的规律(组成原理,数学模型,各种分析方法及基本设计方法)。抽象性、综合性较强,用较多的数学工具解决应用问题。
第一章
1.1 引言
1.1.1 基本概念
(1)自动控制:不需要人直接参与,而使被控量自动的按预定规律变化的过程,叫自动控制。
①不需要人直接参与;②被控量按预定规律变化。
(2)自动控制系统:为实现某一控制目标所需要的所有物理部件的有机组合体
①实体;②有机组合
1.1.2 自动控制技术及应用
自动控制应用极为广泛,在工业、国防、航空航天、交通、农业、经济管理、以及人们的日常生活,处处可见。
1.1.3 自动控制理论的发展 一般可分为三个阶段:
(1)第一阶段。时间为本世纪40~60年代,称为“经典控制理论”时期。
三大分析方法:时域分析法、根轨迹分析法、频域分析法.
(2)第二阶段。时间为本世纪60~70年代,称为“现代控制理论”时期。
(3)第三阶段。时间为本世纪70年代末至今。70年代末,控制理论向着“智能控制”方向发展。
1.1.4 术语 给定信号 e(t) 扰动信号 输出信号c(t) 控制器 执行机构 对象 _ f(t) 检测仪表 (1)被控对象(2)被控量(被调参数,输出量)(3)给定量(参考输入量,给定信号)(4)扰动量(扰动输入量,扰动信号,干扰量)(5)测量信号(6)偏差信号(详见课本)
1.2 自动控制技术中的基本控制方式
系统的基本控制方式按有无反馈,即按结构分为三大类:开环控制、闭环控制、复合控制。
开环控制系统 闭环控制系统
复合控制系统 1.2.1 开环控制系统 (1)定义
开环控制是一种最简单的控制方式,在控制器与被控对象之间只有正向控制作用而没有反馈控制作用,即系统的输出量对控制量没有影响。示意图:
输入量 控制量 输出量
被控对象 控制器
优点:结构简单、调整方便、成本低
缺点:控制精度低、对扰动没有控制能力。
用于输出精度要求低的场合。若出现扰动,只能靠人工操作,使输出达到期望值 1.2.2 闭环控制系统——重点
控制装置与被控对象之间既有正向作用,又有反向联系的控制过程,也称为反馈控制系统,如图。 给定量 偏差量e(t) 输出量 控制量 控制器 对象 _ 反馈量f(t) 测量元件 (1)特点: ①系统的输出参与控制,系统结构图构成回路
②依靠偏差进行控制的系统,只要偏差存在,就有控制作用,其结果试图使偏差减小 ③控制精度高
④对系统内部除反馈通道和给定通道外的一切扰动都有抑制作用 ⑤引起振荡
1.2.3 复合控制系统
将开环控制和闭环控制系统结合在一起,构成复合控制系统。(按偏差控制和按扰动控制的结合)
1-3闭环系统的组成和基本环节 1.3.1 系统组成
(1)环节:构成系统的基本组成部分,用一个方块表示
(2)结构图:将构成系统的所有环节用有向线段连接起来,构成结构图 1.3.2 基本环节
输入 1 2 3 4 5 6 输出 7 控制系统结构图
(1)给定环节(2)比较环节(3)校正环节(4)放大环节(5)执行机构(6)被控对象(7)检测装置(8)控制器(详见课本) 主反馈:系统输出量的反馈
局部反馈:在前向通道里,如果实际环节中存在输出对输入的影响,那么这一影响可以用反馈的形式表示出来,这种反馈叫局部反馈。
校正环节 放大环节 执行机构 对象 _ _ 反馈补偿元件 检测仪表 前向通路+主反馈通路=主回路
局部反馈回路+前向通路的一部分=内回路
1-4自动控制系统的类型 1.4.1 按输出输入特性分 线性系统
非线性系统
(1)线性系统 定义:
若控制系统的所有环节或元件的状态(特性)都可以用线性微分方程(或线性差分方程)描述,则该系统为线性系统。分为以下两种:
线性定常(时不变)系统:描述系统运动规律的微(差)分方程的系数不随时间变化 线性时变系统:描述系统运动规律的微(差)分方程的系数随时间变化。 性质
①满足叠加定理
②系统的输出随输入按比例变化 判断方法
给出一般方程
dny(t)dn?1y(t)dmx(t)dm?1x(t)a0?a1???any(t)?b0?b1???bmx(t)dtndtn?1dtmdtm?1
其中:x(t)为输入量;y(t)为输出量
若方程中,输出、输入量及各阶导数均为一次幂,且各系数均与输入量无关
线性定常系统:各项系数为常数 线性时变系统:系数是时间t的函数 (2)非线性系统
定义:
组成系统的环节或元件中至少一个具有非线性特性。 性质
本质非线性:输出输入曲线上存在间断点、折断点或非单值。否则为非本质非线性。本质非线性只能作近似的定性描述、数值计算。
非本质非线性:可在一定信号范围内线性化。 特点
暂态过程与初始条件有关,直接影响系统稳定性。 1.4.2 按传输信号与时间的关系分 连续系统
离散系统
(1)连续系统 若系统各环节的输入、输出信号都是时间的连续函数,则系统为连续系统。可用微分方程描述 (2)离散系统 定义:
各环节中至少有一个是离散信号为输入或输出的。分为两种: 脉冲控制系统:离散信号为脉冲形式 数字控制系统:离散信号为数字形式
1.4.3 按传输信号与时间的关系分
恒值系统:给定输入量为常值 随动系统:给定量随时间任意变化
程序控制系统:给定量按照事先给定的时间函数变化
1-5 自动控制系统的性能指标
稳态:被控量(输出)处于相对稳定状态。静态
暂态过程:被控量(输出)变化状态的过程。动态过程,过渡过程 自动控制系统的性能指标通常指:
系统的稳定性 稳态性能 暂态性能 1.5.1 稳定性 当扰动量或给定量发生变化时,输出量将偏离原来的稳定值。由于反馈的作用,通过系统内部的自动调节,系统可能回到原来的稳定值或随新的给定值稳定下来。也可能由于内部的相互作用,使系统发散而处于不稳定状态。
稳定是系统正常工作的首要条件。 1.5.2 稳态性能
描述系统稳态时的稳定程度 (1)性能指标:稳态误差
无差系统:稳态无差为零
有差系统:~ 1.5.3 暂态性能
描述系统从一个稳态到达另一个稳态期间所表现出的能力 性能指标
上升时间,超调量,过渡过程时间(调节时间),振荡次数等 以阶跃信号(给定信号)的动态响应为例,其动态响应曲线为
xc(t) xcmax
误差带5%或2% ? 1.0 0 xc(?)
tr tp ttts tt t①上升时间tr:为响应从零第一次上升到稳态值所需时间。 ②超调量?%:输出最大值与输出稳态值的相对误差,即
?%?xcmax?x(?)?100%x(?)
③调节时间ts:系统的输出量进入允许误差范围对应的时间。。
④振荡次数?:在调节时间内,输出量在稳态值附近上下波动的次数。反应系统的过渡过程的平稳性。
1.5.4 对控制系统的基本要求
对控制系统的基本要求应包括三方面。 (1)稳定性
当系统受到扰动或给定量变化后,经过一段时间仍能恢复到原状或达到新的平衡状态。
(2)快速性
很好完成控制任务,仅仅满足稳定性要求是不够的,须对过渡过程的形势和快慢提出要求。
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