《北理工自动化》PPT课件.ppt

自动控制原理,信息控制类专业最重要的专业基础课之一,盛立信息与控制工程学院自动化系,第一章 自动控制系统的基本概念,1-1 认识自动控制的概念1-2 自动控制的基本原理1-3 自动控制系统分类1-4 控制系统性能要求,1.基本概念自动控制在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置，使机器、设备或生产过程的某个工作状态或参数自动地按照预定规律运行。,1-1自动控制技术介绍,1.基本概念自动控制在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置，使机器、设备或生产过程的某个工作状态或参数自动地按照预定规律运行。锅炉温度控制、化工过程流量、温度、液位的控制 自动控制系统实现某一控制目标的所有物理部件的有机组合体。,控制装置,被控对象,被控变量,我们身边的自动控制系统与装置,现代生活离不开自动控制！,空调,冰箱,电热水器,2.自动控制技术的直观认识,1788年英国Watt发明的控制蒸汽机速度的离心式调速器,自动控制技术发展过程中的例子,1913年美国建成最早的汽车装配流水线,1952年美国MIT研制出第一台数控机床,自动控制技术发展过程中的例子,1959年第一台工业机器人,1981年美国“哥伦比亚”号航天飞机首次发射成功,自动控制技术发展过程中的例子,机器人足球比赛,月球车,大型化工企业自动控制装置,3.自控系统与自控原理,自动控制原理是分析各种自动控制装置的统一理论，是其内在的共通规律自动控制装置不需要人参与就能完成任务,“自动控制”是自动化系统的核心,自动控制技术的两个方面：,人手（脚）的延伸动力方面的自动化技术：工业化,人脑的延伸信息处理方面的自动化技术:信息化,自动控制技术已经成为现代社会中的不可缺少的一部分比人工作的更好、更快、更准把人从繁重危险的任务中解放出来完成人无法完成的工作工业生产、军事装备、航空航天、生物医学、经济运行、社会管理、日常生活等诸多领域都有自动控制系统自动控制原理这门课程就是来研究这些自动控制装置或系统的基本工作规律和原理,4.自动控制理论研究简史,经典控制理论：20世纪40-50年起源：二战军工技术的需求目标：反馈控制系统的稳定性方法：微分方程、传递函数、根轨迹、频域分析应用系统:单输入单输出系统（SISO）现代控制理论：20世纪60年代起源：冷战时期，空间技术发展的需求目标：最优控制,方法：状态空间方程应用系统:多输入多输出系统（MIMO）智能控制理论：20世纪80年代起源：智能技术和计算机技术的迅速发展目标：智能控制方法：专家系统、模糊控制技术、神经网络、智能进化算法等等重要的人物：1948，维纳控制论1954，钱学森工程控制论,自动控制理论的发展历程,1769，瓦特，飞球调节器调节蒸汽机流量1868，麦克斯韦，猎振现象1877/1895,劳思/赫尔维茨稳定性判据1932，乃奎斯特，频域稳定性分析1948，维纳，控制论1956，苏联，庞特里亚金，极大值原理1956，贝尔曼，动态规划1960，卡尔曼，最优滤波器1954，钱学森，工程控制论20世纪80年代至今，智能控制技术,1-2 自动控制的基本原理,【例】水箱系统入口流量Qi取决于阀门开度u，出口流量与液位H和出口阀门有关,问题：如何使得实际液位 H 控制在期望液位不变,期望液位：Hs,1.人工控制眼：测量实际液位H 检测过程。脑：将实际液位H和期望液位Hs比较，根据两者偏差正负及大小作出决策。比较、分析、决策过程。手：执行大脑命令，调节阀门开度。执行过程。,人工控制原理方块图,2.自动控制,变送器(眼）：测量实际液位H并进行物理转换。,控制器（大脑）：也叫调节器，将测量值mv和给定值sv相比较，根据两者的偏差进行运算，输出控制信号u。,执行器（手）：也叫调节阀，改变阀门开度。,自动控制原理方块图：,人工控制原理方块图：,3.反馈控制原理,反馈 通过测量变换装置将系统或元件的输出量反送到输入端，与输入信号相比较。反送到输入端的信号称为反馈信号。负反馈 反馈信号与输人信号相减，其差为偏差信号负反馈控制原理将系统的输出信号引回输入端，与输入信号相减，形成偏差信号。然后根据偏差信号产生相应的控制作用，力图消除或减少偏差的过程。,4.自动控制系统结构,反馈，反馈通道，前向通道，闭环,输入变量：扰动输入d，给定输入r（参考输入）,输出变量c，,广义被控对象+控制器,自动控制装置+被控对象,几个概念,被控制量c：在控制系统中按规定的任务需要加以控制的物理量。控制量u：作为被控制量的控制指令而加给系统的输入量也称控制输入。扰动量d：干扰或破坏系统按预定规律运行的输入量，也称扰动输入。,自动控制系统的特点,存在反馈，输出量参与控制；基于偏差进行控制,反馈（偏差、闭环）控制系统,5.控制系统方框图,用方框和箭头表示的控制系统元件作用图,方框图中的几种表示法：,6.基本控制方式,1）开环控制2）闭环控制（反馈控制）3）复合控制,按干扰进行控制（即前馈控制，对干扰进行补偿）,按给定值进行控制,开环控制（按干扰进行控制）,闭环控制,6.基本控制方式,1）开环控制：不存在输出到输入的反馈，输出量不参与控制,按干扰进行控制（即前馈控制，对干扰进行补偿）,扰动必须可测！,按给定值进行控制,例,M,电动机,例,例2：电机系统,2）闭环控制系统,期望转速：,存在输出到输入的反馈，输出量参与控制,测速 发电机,例,3）复合控制系统,方块图：,为何要采用复合控制？反馈控制只有当转速发生偏差时才进行控制，反应较慢按扰动进行补偿的开环控制只要负载发生变化就能进行控制 反应较快3)主要扰动(可测量)按扰动补偿的开环控制 其余扰动(不可测量)反馈控制,自动控制系统示例,1-3自动控制系统分类,线性定常连续系统 线性微分方程描述特点：各变量及其导数以一次幂形式出现，且无交叉相乘线性各系数ai(i=0,1,n),bj(j=0,1,m)都是常数 定常系统中各信号随着时间连续变化 连续,1）恒值控制系统给定输入为常数，系统克服扰动影响例：液位控制系统、温度控制系统等工业系统2）随动控制系统给定输入是随机时间变化的函数（未知）例：函数记录仪、火炮、自动跟踪系统在随动系统中，如果被控量是机械位置或其导数时，称为伺服系统3）程序控制系统给定输入是预知的时间函数例：机床加工系统,2 线性定常离散控制系统 线性差分方程描述r(k)和c(k)分别为输入和输出采样序列例：工业计算机控制系统3 非线性控制 系数与变量有关,按控制方式：开环控制、闭环控制、复合控制按元件类型：机械、电气、机电、气动按系统功用：压力控制系统、温度控制系统、速度控制系统按参据量的变化规律：恒值控制系统、随动控制系统、程序控制系统按系统性能：线性系统系统中所有元件特性都是线性的 非线性系统 定常系统系统结构和参数不随时间变化 时变系统 连续系统系统中各部分信号均随时间连续变化 离散系统 确定性系统本课程只涉及确定性系统 不确定性系统,1-4 对控制系统性能的基本要求,1.稳定性（最基本要求）,系统在扰动消失后，由初始偏差状态恢复到平衡状态的能力。,、稳定,、不稳定,稳定性：(1)对恒值系统，要求当系统受到扰动后，经过一定时间的调整能够回到原来的期望值。(2)对随动系统，被控制量始终跟踪参据量的变化。稳定性是对系统的基本要求，不稳定的系统不能实现预定任务。线性系统稳定性，通常由系统的结构决定与外界因素无关。,2.快速性动态性能:调节时间、上升时间对过渡过程的形式和快慢提出要求，一般称为动态性能。稳定高射炮射角随动系统，虽然炮身最终能跟踪目标，但如果目标变动迅速，而炮身行动迟缓，仍然抓不住目标。3.准确性稳态性能：稳态误差在参考输入信号作用下，当系统达到稳态后，其稳态输出与参考输入所要求的期望输出之差叫做给定稳态误差。显然，这种误差越小，表示系统的输出跟随参考输入的精度越高。,1、阶跃函数,单位阶跃函数：,0,1-5 控制系统的典型输入信号,2、理想脉冲函数（或冲击函数）,且,等价于：,单位脉冲函数：,3、斜坡函数（或速度阶跃函数）,4、抛物线函数（或加速度阶跃函数）,5、正弦函数,1-6 自动控制系统的分析与设计工具,Matlab草稿纸式编程语言良好的人机界面结论可做一定等级的理论依据Simulink工具箱,小结,控制系统的基本原理：反馈控制原理要求能够针对具体系统进行控制原理的分析如何正确的画出系统方块图（方框图）？控制系统的基本结构典型的控制系统由哪几部分组成？控制系统的输入，输出？广义被控对象？控制装置？被控量？控制系统的分类如何区分线性与非线性系统开环控制系统与闭环控制系统各自的特点？自动控制系统的性能指标？,