自动控制理论第一章绪论.ppt

自动控制理论基础,北京理工大学机械与车辆学院2011年3月,主讲：陈 漫电话：68918637手机：,教材：自动控制理论基础 北京理工大学出版社参考书目：控制工程基础 清华大学出版社,平时成绩：30考试成绩：70,平时成绩：1 课堂回答问题；2 课堂测验成绩；3 作业。,1 不影响他人听讲；2 不得带耳机，吃零食；3 请将手机关闭或设为静音。,课堂纪律：,1.1 引言1.2控制系统基本工作原理1.3控制系统分类1.4闭环控制系统的基本组成1.5控制系统的基本要求1.6控制理论的发展历程,1 自动控制理论概述,1.1 引言,什么是自动控制？,第1章 自动控制理论概述,自动控制，就是在没有人直接参与的情况下，利用附加装置使被控对象自动的按照某种规律运行，使被控对象的一个或几个物理量按照预定的要求变化。,第1章 自动控制理论概述,自动控制系统所要解决的基本任务是：如何使被控制量按照给定的变化规律而变化。,第1章 自动控制理论概述,学习自动控制这门学科要解决两方面的问题：,1）如何分析某个给定的控制系统的工作原理、动态特性，分析该系统的稳定性、准确性、快速性等；,2）如何根据实际需要进行控制系统的设计，并通过机、电、光、液压等元件或设备来实现这一系统。,你身边的自动控制系统,全自动洗衣机电冰箱 电饭煲 电梯控制系统温度控制系统水位控制系统速度控制系统,ABS 刹车防抱死系统,EBD 电子制动力分配系统,EBA 电子刹车辅助系统,TCS 遁迹控制系统,ESP 牵引力控制系统,坦克火控系统,第1章 自动控制理论概述,1.2 控制系统基本工作原理,恒温控制系统示意图,第1章 自动控制理论概述,反馈，就是指输出量通过适当的测量装置将信号的全部或一部分返回输入端，使之与输入量进行比较。若反馈信号是与输入信号相减，使差值越来越小，称为负反馈，反之称为正反馈。反馈是实现自动控制最基本的方法。,第1章 自动控制理论概述,1.3 控制系统分类按照有无反馈测量装置，控制系统可分为开环控制系统和闭环控制系统,第1章 自动控制理论概述,1)开环控制系统：若系统的输入量和输出量之间只有顺作用，而没有反向联系（反馈），则称该系统为开环系统。,特点：开换控制系统具有结构简单、价格便宜、容易维修等优点，但由于它不能修正被控制量的偏差，因而在有扰动时，控制精度降低。,第1章 自动控制理论概述,应用：广泛应用的开环控制系统，如自动售货机、自动洗衣机、产品自动生产流水线及交通指挥的红绿灯转换等。,第1章 自动控制理论概述,开环控制系统示意图,第1章 自动控制理论概述,2)闭环控制系统：输入量和输出量之间不仅有顺作用，而且具有反向作用（反馈），则为闭环控制系统。,特点：闭环控制系统都是利用负反馈原理进行工作的，能够自动修正输出量的偏差，能够修正扰动引起的误差，其控制精度较高，但结构复杂，成本较高。,第1章 自动控制理论概述,闭环控制系统示意图,第1章 自动控制理论概述,按照控制系统的运动特性分类，可分为线性系统和非线性系统。,第1章 自动控制理论概述,1)线性系统：如果系统的运动特性能够用线性方程来描述，则该系统是线性系统。线性系统的特点是满足叠加原理：叠加性和均匀性。叠加性：指系统同时存在有几个输入量时，其输出等于各输入量单独作用所引起的输出量之和。均匀性：即指若输入增加或缩小若干倍时，其输出也随之增加或减小若干倍。,第1章 自动控制理论概述,线性系统的叠加原理表明：各个外作用在线性系统内部引起的输出互不影响，所以作用于线性系统的各个外力作用可以分别处理，然后把它们的输出叠加。,第1章 自动控制理论概述,2)非线性系统 其运动特性需用非线性方程描述。它不满足叠加原理,第1章 自动控制理论概述,注意：在实际中，绝大多数对象都具有非线性特性，而大多数仪器仪表也是非线性的，所以很少有真正意义上线性系统，一般是采用线性化措施将非线性系统处理成线性系统，这样就可简化分析和运算。（本质非线性除外）,第1章 自动控制理论概述,按照信号处理技术的不同，分为模拟控制系统和数字控制系统。,第1章 自动控制理论概述,随动系统和自动调整系统随动系统：给定值未知，系统被控量尽可能小的跟随给定值；自动调整系统：给定值不变，被控量以一定的准确度保持在要求值附近。,调速系统,位置伺服系统,伺服阀控制,第1章 自动控制理论概述,此外，按照描述微分方程的系数是否随时间可变可以分为定常系统和时变系统；按照系统结构参数是否确定分为确定系统和不确定系统；按照变量的变化是否是连续进行的可分为连续控制系统和离散控制系统。,第1章 自动控制理论概述,1.4 闭环控制系统的基本组成,第1章 自动控制理论概述,1)基本输入元件：产生基准输入信号，一般使输入与输出成比例，主要是使输入便于与反馈进行比较2)反馈元件：对系统的输出进行测量，产生反馈信号，与基准输入进行比较。反馈信号与输出量成一定的函数关系。3)比较元件：比较基准输入与反馈信号，产生偏差信号。,第1章 自动控制理论概述,4)放大变换元件：将偏差信号进行放大和变换，以适应执行元件的需要。5)执行元件：直接对被控对象进行控制。如步进电机、伺服阀等。6)被控对象：控制系统所要进行控制的对象。7)前向通道：信号从输入端，沿箭头方向到达输出端所经过的路径。8)反馈通道：信号从输入端、主反馈元件到达输入端所经过的路径。,柴油机控制原理图,第1章 自动控制理论概述,1.5控制系统的基本要求 1)稳定性：指动态过程的振荡倾向和系统能够恢复平衡状态的能力。输出量偏离平衡状态后应该随着时间收敛并起最后回到初始的平衡状态。稳定性要求是系统工作的首要条件。,第1章 自动控制理论概述,2)快速性：这是在系统稳定的前提下提出的。快速性是指当系统输出量与给定的输入量之间产生偏差时，消除这种偏差过程的快速程度。,第1章 自动控制理论概述,3)准确性：是指在调整过程结束后输出量与给定的输入量之间的偏差，或称为静态精度。,第1章 自动控制理论概述,由于受控对象的具体情况不同，各种系统对稳、准、快的要求各有侧重，例如，随动系统对快速性要求较高，而调速系统对稳定性提出比较严格要求。同一系统稳、准、快有时是相互制约的。快速性好，可能会有强烈振荡；改善稳定性，控制过程又可能过于迟缓，精度也可能变差。,第1章 自动控制理论概述,1.6控制理论的发展历程,第1章 自动控制理论概述,1.萌芽：18世纪第一次技术革命（机械化）时域分析俄国人波尔佐诺夫发明锅炉水位调节器英国人瓦特发明蒸汽机离心飞锤式调速器，萌生了自动控制的基本原理1877年，劳斯，1895年，赫维茨分别提出了系统稳定的代数判据（19世纪末）,第1章 自动控制理论概述,2.奠定基础（20世纪）经典控制论30-40年代，奈奎斯特提出系统稳定性的频率判据，即奈氏图、奈氏判据，从时域分析转到频域分析1940年，伯德在频率法中引入对数坐标系，伯德图1942年，哈里斯引入传递函数概念1948年，伊万恩提出根轨迹分析方法1949年，英国人维纳在火炮控制中发现了反馈的概念，出版了控制关于在动物和机器中控制和通讯的科学，奠定了控制论的基础 50年代中期，添加了非线性系统理论和离散控制理论，形成了完整的理论体系。,第1章 自动控制理论概述,3.发展 迅速渗透到许多学科，应用于火炮、导弹控制系统，数控、电力、冶金，自动化技术 钱学森，1954年首创“工程控制论”，推广到其它领域：生物控制论：生命系统 经济控制论：经济运行与发展问题 社会控制论：社会管理与社会服务问题 随着计算机技术的发展，控制论无论在内涵上，还是在深度上和广度上都发展变化着，对促进生产的发展和社会进步产生深远的影响。,第1章 自动控制理论概述,自动控制的发展过程可分为两个阶段：经典控制论阶段 现代控制论阶段,第1章 自动控制理论概述,1.经典控制理论 40-50年代，高阶常微分方程 以传递函数为基础，研究单输入、单输出系统的分析和设计，针对线性定常系统，主要研究方法有时域分析法、根轨迹法和频率特性法。2.现代控制理论 60-70年代至今 以矩阵理论等近代数学方法作为工具，主要研究方法是状态空间法，把高阶常微分方程转化为一阶常微分方程组来描述系统，解决多输入多输出的问题，可处理多变量、非线性、时变系统。,经典控制理论与现代控制理论比较,现代控制理论的发展,最优控制、系统辨识、多变量控制、自适应控制、专家系统、人工智能、神经网络控制、模糊控制、大系统理论等等。,现代控制理论的发展,大系统控制理论 大系统控制理论是一种过程控制与信息处理相结合的动态系统工程理论，研究的对象具有规模庞大、结构复杂、功能综合、目标多样、因素众多等特点。它是一个多输入、多输出、多干扰、多变量的系统。如：人体，我们就可以看作为一个大系统，其中有体温的控制、情感的控制、人体血液中各种成分的控制等等。大系统控制理论目前仍处于发展阶段。,现代控制理论的发展,智能控制 这是近年来新发展起来的一种控制技术，是人工智能在控制上的应用。它的指导思想是依据人的思维方式和处理问题的技巧，解决那些目前需要人的智能才能解决的复杂的控制问题。,第1章 自动控制理论概述,问题：为什么要学习经典控制理论？,课程内容,控制系统基本概念物理系统建模方法时域分析方法频域分析方法根轨迹法,本章小结,1、通过自动控制系统的实例了解自动控制的定义，并了解控制对象，系统输入量、被控量、控制装置以及控制系统等概念。2、控制系统按是否存在反馈分为开环控制系统和闭环控制系统。闭环控制系统即反馈控制系统，其主要特点是系统输出量经测量后返送到系统输入端构成闭环，并由偏差产生控制作用使被控量朝减少偏差，消除偏差的方向运动。因而有较高的控制精度。3、根据控制系统的工作原理及各元件信号的传送方向，可画出控制系统的方块图。方块图是分析控制系统的基础。,本章小结,4、自控系统有各种分类方法。5、对自控系统的基本要求：系统必须是稳定的；系统的稳态控制精度要高，即稳态误差要小；系统的动态性能要好，即系统的单位接阶跃响应过程要平稳，响应过程要快。,作业：试画出液压阀控马达调速系统职能图,