自动控制原理第一章 控制系统导论.ppt

Automatic Control Theory,河南理工电气学院,自 动 控 制 原 理,自动控制理论的内容,2,1、经典控制理论 研究的主要对象是单输入、单输出单变量系统。如：调节电压改变电机的速度。2、现代控制理论 研究的主要对象是多输入、多输出多变量系统。如:汽车看成是一个具有两个输入（驾驶盘和加速踏板）和两个输出（方向和速度）的控制系统。,3,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。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。,3、大系统控制理论,4,4、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。学派：结构派和功能派 它是一门新兴的控制学科，有些问题尚存有争议，然而由于它实用性强，能运用人们的经验与技巧解决许多以往控制中难以解决的棘手问题（如建模等），因此得到了人们极大的重视。,5、其他先进控制理论,鲁棒控制、自适应控制、预测控制、容错控制等等。,先进控制理论,经典控制理论 与 现代控制理论,6,自动控制原理主要内容 第一章 控制系统导论 第二章 控制系统的数学模型 第三章 线性系统的时域分析法 第四章 线性系统的根轨迹法 第五章 线性系统的频域分析法 第六章 线性系统的校正方法 第七章 线性离散系统的分析MATLAB工具 第八章 非线性控制系统分析,自动控制原理参考教材,8,1.自动控制原理简明教程 胡寿松，科学出版社 2.自动控制原理习题集 胡寿松，科学出版社 3.自动控制原理（第一版）张 莲，中国铁道出版社4.自动控制原理的MATLAB实现 黄忠霖，国防工业出版社,9,第 一 章 控制系统导论,10,1-1 自动控制的基本原理1-2 自动控制系统示例1-3 自动控制系统的分类1-4 对自动控制系统的基本要求,本章主要内容,1-1 自动控制的基本原理,11,一、基本概念,12,自动控制,13,自动控制系统 由被控对象和自动控制装置按照一定的方式连接起来，组成一个有机的整体，称为自动控制系统。,自动控制理论 研究自动控制共同规律的技术科学。,二、反馈控制基本原理,14,反 馈：取出输出量送回到输入端，并与输入 信号相比较产生偏差信号的过程。,15,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控制作用，是取自被控量的反馈信息，用来不断修正被控量与输入量之间的偏差，从而实现对被控对象进行控制的任务，即反馈控制原理。,反馈控制本质是按偏差进行控制的过程。,三、反馈控制系统的基本组成,16,控制系统的组成：输入部分、控制系统部分和输出部分。从物理角度上看，自动控制研究的是特定激励作用下的系统响应变化情况；从数学角度上看，研究的是输入与输出之间的映射关系。,17,控制系统的基本组成输入信号系统控制目标的反映，是人的意志的具体体现。控制系统主要完成对有关信号的变换、处理，发出控制 量，驱动执行机构完成控制功能。输出信号系统的控制结果，反映了被控对象的运行状态。,18,例1：A.温度人工控制,19,控制目标：炉子的温度恒定在期望的数值上。,20,B.温度自动控制,21,闭环控制系统的基本组成,22,反馈：取出输出量送回输入端，并与输入信号产生 偏差信号的过程。正反馈、负反馈 开环控制、闭环控制,典型的反馈控制系统的结构图,23,测量元件：测量被控量的实际值或对被控量进行物 理转换。比较元件：将测量值和给定值进行比较，得到偏差。放大元件：放大偏差信号。根据偏差大小产生控制信号。通常包括放大器 和校正装置，控制信号和偏差信号具有一定关 系(称为调节规律)。执行元件：由控制信号产生控制作用，从而使被控 制量达到要求值。阀、电动机、液压马达等。给定元件：给出期望的被控量相对应的系统输入量。校正元件：也叫补偿元件，改善系统的性能。,例2：火炮自动跟踪系统“火炮打飞机”,25,原理用方块图表示。负反馈“-”；“”号即正反馈。信号从输入端沿箭头方向到达输出端的传输通路称前向通路；系统输出量经测量元件反馈到输入端的传输通路称主反馈通路。前向通路与主反馈通路共同构成主回路。此外，还有局部反馈通路以及由它构成的内回路。只包含一个主反馈通路的系统称单回路系统；有两个或两个以上反馈通路的系统称多回路系统。,反馈控制系统基本组成,已知铀235原子核在一个中子的撞击下，可发生核裂变反应，放出大量的能量，同时释放大约2.5个中子，放出的中子有可能再与铀235原子核发生核反应，这就是所谓核裂变的链式反应。,例3：正反馈例子,27,加到反馈控制系统上的外作用有两种类型，一种是有用输入，一种是扰动。有用输入决定系统被控量的变化规律；而扰动是系统不希望有的外作用，它破坏有用输入对系统的控制。在实际系统中，扰动总是不可避免的。如电源电压的波动，环境温度、压力以及负载的变化等。,四、控制系统的基本控制方式,28,1、反馈控制,反馈(闭环)控制：指控制器与控制对象之间既有顺向作用又有反向联系的控制过程。特点是被控量偏离期望值出现偏差时，必会产生一个相应的控制作用去减小或消除这个偏差，使被控量与期望值趋于一致。,2、开环控制,29,1)按给定量控制的开环控制系统 没有自动修正偏差的能力，抗扰动性较差。,2)按扰动控制的开环控制系统,指控制器与控制对象之间只有顺向作用而没有反向联系的控制过程。特点是系统的输出量不会对系统的控制作用发生影响。开环控制系统可以按给定量控制方式组成，也可以按扰动控制方式组成。,3、复合控制,30,把按偏差控制与按扰动控制结合起来，对于主要扰动采用适当的补偿装置实现按扰动控制，同时，再组成反馈控制系统实现按偏差控制，以消除其余扰动产生的偏差，即复合控制。,1-2 自动控制系统示例,31,32,例1-1 水箱水位控制系统,33,34,系统原理方块图,35,被控对象：被控量：控制装置：检测元件：,水箱水位控制系统,水箱,水箱水位,杠杆,浮球,36,例1-2 带钢连扎机架轧辊转速控制系统,37,连轧机在轧钢过程中，通过各机架的带钢必须保持秒流量相等，否则将出现拉钢或叠钢，影响产品质量或造成故障。这就要求各机架轧辊的转速保持一定比例，而对某机架轧辊来说，即要求其转速恒定。,38,受控对象：被控量：检测元件：变换和放大部件：执行机构：,控制系统,轧辊的转速n,轧辊,测速发电机,整流装置,电动机,39,例1-3 二级倒立摆,40,倒立摆设备,41,例1-4 电阻炉微型计算机温度控制系统,例1-5 炉温控制系统,炉温控制系统方框图,例1-6 函数记录仪系统,函数记录仪方框图,例1-7 水温调节系统,水温调节系统方框图,1-3 自动控制系统的分类,48,1.给定信号的形式 恒值系统/随动系统 2.按系统是否满足叠加原理 线性系统/非线性系统3.按系统参数是否随时间变化 定常系统/时变系统4.按信号传递的形式 连续系统/离散系统5.按输入输出变量的多少 单变量系统/多变量系统,控制系统的分类,开环和闭环控制系统的特点1.开环系统 结构简单，稳定性好，容易设计和调整以及成本较低的优点，对那些负载恒定，扰动小，控制精度要求不高的实际系统，是有效的控制方式。2.闭环系统 由于增加了检测装置和反馈环节，结构较复杂，成本有所增加；但它提高了系统的控制精度和抗干扰能力。,一、开环和闭环系统,二、线性连续控制系统,51,这类系统可以用线性微分方程式描述,其一般形式,式中,c(t)是输出量,r(t)是输入量。系数a0,a1,an；b0,b1,bm是常数时,称为定常系统；系数a0,a1,an；b0,b1,bm 随时间变化时,称为时变系统。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。,52,根据给定参考输入信号分类,恒值控制系统,随动控制系统,给定值不变，克服干扰,给定值为未知的时间函数,54,离散系统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.连续信号经采样转换成离散信号。一般,在离散系统中既有连续的模拟信号,也有离散的数字信号。因此，离散系统要用差分方程来描述。线性差分方程的一般形式为,三、线性定常离散系统,式中,mn,n为差分方程的次数,a0,a1,an；b0,b1,bm为常系数,r(k),c(k)分别为输入和输出采样序列。,连续时间系统 离散时间系统,四、非线性控制系统,57,系统中只要有一个元部件的输入-输出特性是非线性的,这类系统就称为非线性系统。这时,要用非线性微分(或差分)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,例如,严格地说,实际的控制系统都是非线性系统。,分类小结,1-4 自动控制系统的基本要求,59,一、基本要求的提法,60,1.稳定性(stability),尽管自控系统有不同的类型,对每个系统也都有不同的特殊要求,但在已知系统的结构和参数时,对全过程提出的共同基本要求都是一样的，即稳定性、快速性和准确性。,系统在受到扰动作用后,自动返回原来的平衡状态的能力。如果系统受到扰动作用（系统内或系统外）后，能自动返回到原来的平衡状态，则该系统是稳定的。稳定系统的数学特征是其输出量具有非发散性；反之，系统是不稳定系统。稳定性是保证系统能正常工作的必要条件，衡量指标有稳定裕度等。,图1.13 稳定性示意图,稳定性示意图,2.快速性(rapidness),62,要求自动控制系统的过渡过程尽量短暂，输出尽快平稳地跟踪上输入的变化。通常在时域中给出瞬态响应指标来衡量快速性。常用单位阶跃信号作用下，系统输出的超调量，上升时间，峰值时间，过渡过程时间（或调整时间）和振荡次数N 等指标表示。,63,当过渡过程结束后，要求输出量最终应准确地达到希望值，否则将产生稳态误差。准确性指标有稳态误差和稳态误差系数，指稳定系统在完成过渡过程后的稳态输出偏离希望值的程度。,3.准确性(accuracy),响应动作要快,动态过程平稳,跟踪值要准确,二、典型外作用,65,1、阶跃函数,在工程实践中，自动控制系统承受的外作用形式多种多样，对不同形式的外作用，系统被控量的变化情况（即响应）各不相同，为了便于用统一的方法研究和比较控制系统的性能，通常选用几种确定性函数作为典型外作用。比如：阶跃、斜坡、脉冲、正弦函数等。,阶跃函数的数学表达式为,66,幅值R1的阶跃函数，称单位阶跃函数，用1(t)表示，幅值为R的阶跃函数便可表示为f(t)R 1(t)。在任意时刻t0出现的阶跃函数可表示为f(t-t0)R 1(t-t0)。,阶跃函数是自动控制系统在实际工作条件下经常遇到的一种外作用形式。如电源电压突然跳动等。在控制系统的分析设计工作中，一般将阶跃函数作用下系统的响应特性作为评价系统动态性能指标的依据。,2、斜坡函数,斜坡函数的数学表达式为,3、脉冲函数,67,定义为,4、正弦函数,68,正弦函数是控制系统常用的一种典型外作用，很多实际随动系统就是常在这种正弦函数外作用下工作的。例如，舰船的消摆系统、稳定平台的随动系统等，就是处于形如正弦函数的波浪下工作的。,数学表达式为,谢谢，再见！,前向通路,反馈,通路,记住这个结构，并用于思维。,