一章节自动控制系统概念.ppt

自动控制原理,第一章 控制系统的一般概念,课程的内容及要求,通过本课程的学习，要求掌握自动控制系统的组成和工作原理；掌握建立简单控制系统数学模型的方法；掌握分析控制系统的三种方法：时域法、根轨迹法和频率法；了解线性系统的校正方法。,课程的内容及要求,掌握系统动态过程及性能。对于一个给定的已存在的具体系统，如何从理论上对系统的动态性能进行定性分析和定量估算系统分析。根据给定的系统的动态性能要求，如何 根据已知的受控对象，合理地确定控制装置的部分结构和参数系统设计。,控制思想的起源,控制的思想与技术的存在至少已有数千年的历史。“控制”这一概念本身即反映了人们对征服自然与外在的渴望，控制理论与技术也自然而然地在人们认识自然与改造自然的历史中发展起来。,自动控制的定义及意义,自动控制是指应用自动化仪器、仪表或自动控制装置代替人自动地对仪器设备或工业生产过程进行控制，使之达到预期的状态或性能指标。对传统的工业生产过程采用自动控制技术，可以有效提高产品的质量和企业的经济效益。对一些恶劣环境下的控制操作，自动控制显得尤其重要。,历史上的三本重要著作,通讯的数学理论（A Mathematical Theory of Communication），目前被作为信息论开端的香农(Claude Elwood Shannon,1916-)的论文。奠定了信息论的基础。控制论，或关于在动物和机器中控制和通讯的科学，控制论创立者维纳（Norbert Wienner,1894-1964）的经典论著。工程控制论 钱学森(Tsien H S,1991-)的著作工程控制论（Engineering Cybernetics.1954）。这三部著作对人类社会有着巨大的影响，产生了新型的综合性基础理论：控制论，信息论和工程控制论。,自动控制系统的常用概念,控制：某个主体使其它对象按照一定的目的动作的过程，“其它对象”可以是一个过程，也可以是器械、生产系统。自动控制：在无人直接参与的情况下，通过控制器使被控对象或过程自动按照预定要求(规律)运行的行为。自动控制系统：实现自动任务的系统,被控对象：以上所指的其它对象，通常称受控对象，即机械或装备，如燃气轮机、锅炉等。被控量：表征被控对象工作状态的物理量，如电压、转速、温度等。输入量：作用与系统输入端，是实现输出量控制的参考物理量。输出量：被控对象中要求实现自动控制的物理量，位于系统输出端。,给定值（参考输入）：在整个过程中，被控量所应保持的理想数值.控制的任务：使受控对象的被控量等于给定值.扰动：不改变控制机构参数而使被控量发生变化的因素.扰动量：妨碍控制量对被控制量按要求进行正常控制的物理量.,开环控制：被控制量只受控于控制量，而对控制量不能反施影响的一类系统成为开环控制系统。系统：用以完成一定任务的一些元、部件的组合为系统。控制过程：消除扰动因素对系统的影响，从而保持被控制量按预期要求变化的过程，称为控制过程。,反馈控制原理,为了实现各种复杂的控制任务，首先要将被控对象和控制装置按照一定的方式连接起来，组成一个有机整体，这就是自动控制系统。,在自动控制系统中，被控对象的输出量，即被控量，是要求严格加以控制的物理量，它们可以被要求保持为某一恒定值，如温度、压力、液位等，也可以要求按某个给定的规律运行（或变化），如飞行轨迹、运行轨迹等。而控制装置则是对被控对象施加影响（即控制作用）的机构的总体。,反馈控制原理,在反馈控制系统中，控制装置对被控对象施加的控制作用，是取自被控量的反馈信息，用来不断修正被控量和输入量之间的偏差，从而实现对被控对象进行控制的任务，这就是反馈控制的原理。,反馈控制,利用通过负反馈产生的偏差所取得的控制作用去消除偏差的控制原理称为反馈控制原理；反馈理论的要素包括三个部分：测量、比较和执行。在控制过程中，测量测量所关心的变量，并与期望值相比较，用这个误差纠正调节控制系统的响应。不管什么原因引起被控制量偏离其期望值而产主偏差时，一定会产生一个相应的控制作用，而该控制作用将尽可能去消除偏差，使被控制量重新恢复到期望值上去。因此，反馈控制系统具有抑制任何内外部干扰对系统输出影响的能力。,按控制方法分类,最优控制（optimal control）使控制系统的性能指标实现最优化的基本条件和综合方法。对一个受控的动力学系统或运动过程，从一类允许的控制方案中找出一个最优的控制方案，使系统的运动在由某个初始状态转移到指定的目标状态的同时，其性能指标值为最优。,这类问题广泛存在于技术领域或社会问题中。例如，确定一个最优控制方式使空间飞行器由一个轨道转换到另一轨道过程中燃料消耗最少(或耗时最短)。最优控制已被应用于综合和设计最优控制系统、最省燃料控制系统、最小能耗控制系统、线性调节器等。,按控制方法分类,系统辨识(System Identification)根据系统的输入输出时间函数来确定描述系统行为的数学模型。通过辨识建立数学模型的目的是估计表征系统行为的重要参数，建立一个能模仿真实系统行为的模型，用当前可测量的系统的输入和输出预测系统输出的未来演变，以及设计控制器。,对系统进行分析的主要问题是根据输入时间函数和系统的特性来确定输出信号。对系统进行控制的主要问题是根据系统的特性设计控制输入，使输出满足预先规定的要求。而系统辨识所研究的问题恰好是这些问题的逆问题。,自适应控制(Self-adaptable control)自适应是指生物能改变自己的习性以适应新的环境的一种特征。自适应控制器应当是这样一种控制器，它能修正自己的特性以适应对象和扰动的动态特性的变化。,自适应控制的研究对象是具有一定程度不确定性的系统，这里所谓的“不确定性”是指描述被控对象及其环境的数学模型不是完全确定的，其中包含一些未知因素和随机因素。,鲁棒控制(Robust control)系统的“鲁棒性”，是指控制系统在一定（结构，大小）的参数摄动下，维持某些性能的特性。以闭环系统的鲁棒性作为目标设计得到的固定控制器称为鲁棒控制器。由于工作状况变动、外部干扰以及建模误差的缘故，实际工业过程的精确模型很难得到，而系统的各种故障也将导致模型的不确定性，因此可以说模型的不确定性在控制系统中广泛存在。如何设计一个固定的控制器，使具有不确定性的对象满足控制品质，就是鲁棒控制的任务。,按控制对象及控制方式分类,单输入-单输出多输入-多输出,按系统数学模型分类,线性连续控制系统 这类系统可以用线性微分方程式描述，其一般形式为,被控量,输入量,系数,系数,线性定常连续系统按其输入量的变化规律不同，又可分为恒值控制系统、随动系统和程序控制系统。,1）恒值控制系统的输入量是一个常值，要求被控量也等于一个常值，故又称为调节器。这类控制系统的分析、设计的重点是研究各种扰动对控制对象的影响以及抗干扰的措施。,2）随动系统的输入量是预先未知的随时间任意变化的函数，要求被控量以尽可能小的误差跟随输入量的变化，故又称跟踪系统。在这类系统中，扰动的影响是次要的，系统分析、设计的重点是研究被控量跟随的快速性和准确性。,3）程序控制系统的输入量是按预定规律随时间变化的函数，要求被控量迅速、准确地加以复现。例如，机械加工中的数控机床。这类控制系统的输入量也是时间的函数，与随动系统的输入量不同的是，其时间函数是已知的，而随动系统的输入量是未知的任意时间函数。恒值控制系统也可视为程序控制系统的特例。,2.线性定常离散控制系统,离散系统是指系统的某处或多处的信号为脉冲序列或数码形式，因而信号在时间上是离散的。,连续信号经过采样开关的采样后，就可以转换成离散信号。一般地，在离散系统中，既有连续的模拟信号，也有离散的数字信号。,离散系统要用差分方程来描述，差分方程的一般形式为：,常系数,常系数,输出采样序列,输入采样序列,差分方程的次数,3.非线性控制系统,系统中只要有一个元件的输入-输出特性是非线性的，这类系统就称为非线性控制系统。,这类系统要用非线性微分方程（或非线性差分方程）来描述其特性。非线性方程的特点是系数与变量有关，或者方程中含有变量及其导数的高次幂或乘积项。,目前，对不同类型的非线性控制系统的研究还没有统一、有效的方法，对于一些非线性程度不太严重的元件，可在一定范围内进行线性化处理，使之近似成为线性系统。,自动控制与人工控制,人工控制过程,分析对策,观察,执行,工作对象,观察,预期,目标,干扰,实际结果,自动控制的方法,测量,执行,测量,比较计算,受控对象,被控量,干扰,工作对象受控对象,实际对象被控量,给定值,开环控制：开环控制：系统的输出量与输入量之间只有顺向作用，而无反向联系，输出量对系统的控制过程不发生影响,计算,执行,受控对象,干扰,给定值,被控量,开环控制的特点：输出量只取决于控制信号和元件特性。当系统元件性能发生变化或出现干扰因素时，被控量将与给定值之间发生发生较大偏差而不能自动校正。输出量的控制精度将取决于控制器及被控对象的参数稳定性。环节简单，容易实现，稳定性好。于是开环系统具有规定的精度，系统各元、部件的参数值，在工作过程中，必须严格保持在事先校准的量值上。,闭环（反馈）控制：需控制的是被控对象的被控量，而测量的也是被控量。并与给定值进行比较计算，求得它们的偏差，通过偏差来自动纠正偏差按偏差调节系统。利用通过负反馈产生的偏差所取得的控制作用去消除偏差的控制原理称为反馈控制原理。,比较计算,执行,受控对象,测量,给定值,被控量,闭环(反馈)控制系统特点：无论是由干扰造成的，还是由结构参数的变化引起的，只要被控量出现偏差，系统则自动纠偏，使被控量重新恢复到期望值上去。结构复杂，精度高，稳定性降低，实现较困难。只有当系统的扰动量无法事先预计的情况下，闭环控制方案才具有明显的优势。,闭环控制系统必须满足的要求,必须对被控制量进行测量，并将其反馈到系统的输入端与控制量相减（即负反馈），得到偏差；对偏差进行适当放大，从而产生对被控对象（如电动机）的控制作用；上述控制作用应使被控制量作消除偏差保持期望值的相应变化。,开环系统与闭环系统的比较,开环控制系统是由输入来控制输出的单向控制,它是单向的控制过程；,闭环控制系统是输出量反馈回输入端参与控制的控制系统,输入量与输出量往往是不同性质的量；其特点为：1、有反馈；2、会调整；3、被控量会被控制在一定的值结果稳定；4、“结果”会影响“结果”；5、给定量与被控量是可比较的同一种性质的量。,b.开环控制系统容易建造，且不必对被控制量进行测量和反馈，因而结构简单。故当系统中可能出现的干扰预先确知，且可做到有效补偿时，采用开环控制具有一定优越性，特别是被控制量难以直接测量时可以考虑采用开环控制方案。只有当系统的扰动量无法事先预计的情况下，闭环控制方案才具有明显的优越性；,c.从系统的稳定性来考虑，开环控制系统在这个问题上容易解决，因而不是一个十分重要的问题；但对闭环控制系统来说，稳定性则是要研究的主要问题之一。,d.对开环控制系统来说，由于不存在被控制量到控制量的负反馈，所以对于扰动给被控制量造成的误差，系统不具有自行修正的能力。对于这类系统的控制精度便完全由采用高精度元件和采取有效的抗干扰措施来保证；在闭环控制系统中，由于采用负反馈因而被控制量对于外部和内部的干扰都不甚敏感，从而有可能采用精度不高，成本低廉的元件来构成控制质量较高的系统；,反馈控制系统与开环控制系统比较,复合控制 在反馈控制系统中，加入开环控制措施（称为前馈），以补偿反馈控制的不足，称为复合控制。常用于对控制性能要求较高的系统中。如下图中（a）、（b）、（c）。,控制系统常用符号及表示方法,r(t)代表控制量或控制信号；c(t)代表被控制量或被控制信号；(t)代表偏差或偏差信号；f(t)代表扰动量或扰动信号；符号代表信号比较，其中“”号表示对反馈信号y(t)取负值，即负反馈。方框图中箭头指示方向代表信号流通方向，箭头进入方框的一侧为方框的输入端，箭头离开方框的一侧为其输出端。对构成系统的每一个方框来说，箭头指示方向是不变的，说明信号在控制系统中是单方向流通的，不可逆的；,控制系统分类举例,随动系统：随动系统又称为 servo system，是一种反馈控制系统。在这种系统中，输出量是机械位移、速度或者加速度。由于随动系统的参考输入不是时间的解析函数，如何变化事先并不知道,因此，控制输入量的变化规律不能预先确定。控制系统的任务是在各种情况下保证输出量以一定精度迅速、准确、平稳地跟随着参考输入的变化而变化。就反馈控制系统来说，其控制信号r(t)为任意时间函数，其变化规律很难预测，若要求系统准确复现这样的控制信号，则称这类反馈控制系统为随动系统或伺服系统。,控制的任务：使工作机械随指令机构同步转动 Qc(t)=Qr(t)举例：,被控对象：工作机械被控量：Qc给定值：Qr测量元件：转角Qc及Qr通过两个相同的电位计测量并转换为相应的电压Uc和Ur；计算比较：两电位计桥式连接，即可完成减法运算Us=（Ur-Uc），Us即代表了被控量Qc对给定值Qr 的偏差；执行机构：电机减速装置；,方框图,控制原理 Qc=Qr，则Uc=Ur，Us=0，电机不转，系统平衡；Qr 增大，Ur增大，若Qc不变、Uc不变则Us=Ur-Uc大于0，电机正转，使Qc增大，直到Qc=Qr，达到新的平衡；Qr减小，Ur减小，若Qc不变、Uc不变则 Us=Ur-Uc小于0，电机反转，使Qc减小，直到Qc=Qr，达到新的平衡。,恒值控制系统,定义 若反馈控制系统控制量取常值，从而要求其被控制量也保持在相应的常值上，则称这类反馈控制系统为恒值控制系统。特点 在恒值控制系统中，由于其控制量取常值，所以使被控制量偏离其期望值的主要因素为扰动量的存在。,举例,分析被控对象：烘炉 被控量：炉温Tc 干扰：工件、环境温度、煤气压力等依靠调节煤气 管道上的阀门改变炉温；测量元件：热电偶，它将炉温转变为相应的电压 给定装置：给定电位计输出电压Ur相当于要求的炉温计算：Ur、U t两电压反接，即完成减法运算输出电压（Ur-Ut）相当于炉温的偏差 执行机构：电动机及传动装置,控制原理：假定炉温恰好等于给定值，事先调整好。这 时：Ut=Ur，电压差等于零，电机不转；煤气流量不变，烘炉处于恒温状态。如果增加工件，烘炉的负荷加大，而煤气流量一时没变，则炉温下降，T减小导致Ut下降，（Ur-Ut）大于0，电机正转带动阀门开大，增加煤气供给量，炉温回升，直到Ut=Ur。若工件减少，则T上升，Ut增大，（Ur-Ut）小于零，电机反转带动阀门关小，减小煤气流量，炉温下降，直到Ut=Ur为止。,数字控制系统 数字控制系统是一类以数字计算机为控制器实现具有连续工作状态被控对象闭环控制的反馈控制系统。由于控制量r(t)，被控制量c(t)和偏差e(t)均为模拟量，而数字计算机只能处理数字的离散信号。因此在数字控制系统中需采用采样开关，模拟-数字转换器（A/D），数字-模拟转换器（D/A）和保持器。,自动控制系统的构成,为测量控制量及被控制量，系统需有测量元件；为实现被控制量到控制量的负反馈以产生偏差信号，系统需有比较元件；由于偏差信号一般比较微弱，为使其具有足够大的幅值和功率，系统需有放大元件；为能使系统偏差经放大形成的控制作用驱动披控制对象以产生按控制信号的变化规律而变化的被控制信号，系统还需有执行元件；为使系统能正常工作，还需在系统中加进能消除或减弱上述振荡从而提高其控制性能的元件，称这类元件为校正元件；,对控制系统的基本要求,任何一个反馈控制系统的工作都必须是稳定的，这是对反馈控制系统提出的最基本要求；阻尼程度及超调；响应速度及控制精度；,对控制系统基本要求的体现,通过系统对特定形式输入信号的响应过程所具有的一些特征值来体现的。响应过程是指反馈控制系统在控制量或扰动量作用下由原平衡状态变化到新平衡状态时的过程来说的。在分析与设计反馈控制系统时，对其提出的基本要求多数情况下是通过系统对单位阶跃信号的响应，即单位阶跃响应的某些特征量体现的。,对控制系统基本要求的具体衡量,超调量,式中：cmax=sup|c(t)|，0tSup|c(t)|代表单位阶跃响应在0 t 区间的上确界。当tts时，若有|c(t)-c()|c()，则定义ts为系统响应过程的调时间。其中为给定的微量，一般常取=0.02或0.05。,调整时间ts 当t ts时，若有|c(t)-c()|c()，则定义ts为系统响应过程的调整时间。其中为给定的微量，一般常取=0.02或0.05。,说明：系统的超调量和调整时间是描述响应过程的两个重要特征量，是在阻尼程度与响应速度方面反映对控制系统的基本要求。超调量小，说明系统的阻尼程度高，其响应过程进行得平稳；而调整时间短，则说明系统从一个稳态过渡到另一个新稳态的响应速度高。反之亦然。,振荡次数N 定义c(t)绕c()完成一峰一谷，即一个振荡周期为振荡一次；峰值时间tp 定义c(t)达到cmax的时间tp为单位阶跃响应的峰值时间。tp的大小反映系统响应速度的高低，它重点体现响应过程在起始阶段的响应速度；,稳态误差 反馈控制系统在控制精度方面的基本要求由c()与被控制信号的预期值之差，即系统的稳态误差来描述；误差信号 定义系统期望输出cr(t)与实际输出c(t)之差为反馈系统响应r(t)误差信号，记为e(t),即 e(t)=cr(t)-c(t),例1.液位自动控制系统如图所示，在任意情 况下，希望水箱中的液面高度Hc保持不变，试说明系统工作原理。,解：设控制系统的输入信号r(Hr)是液位指令信号（连续电压），反馈信号y(Hf)是代表水箱中液面高度Hc的电压信号。分析：当反馈信号Hf与指令信号Hr不相等时，若=Hr-Hf0,放大器输出I0，驱动进水控制阀门开度增大，使进水量Q1增大；经测量装置使Hf逐步增大，直到=0，电机停止工作；阀门开度是偏差信号的积分。本系统是无差系统。当0时，系统工作原理相同，Hf逐步减小，直到=0.液位自动控制系统方框图如下。,例2.仓库大门自动控制系统原理如图所示。试说明系统自动控制大门开启的工作原 理，画出系统方框图。,解：画出系统方框图如下。,控制系统输入信号r为二进制信号（高电位开门、低电位关门），反馈信号y表示门位置的电压信号。当门处于关闭状态、指令信号为开门时，=r-y0，u0，0，门位置向打开方向平稳运动，使y逐步增大，直到=0，电机停止工作。关门过程原理相同。,