自动控制系统的基本的概念.ppt

自动控制理论,计控学院 田晴,章节目录,第一章 自动控制系统概述第二章 控制系统数学模型第三章 自动控制系统的时域分析第四章 自动控制系统的频域分析第五章 线性控制系统的校正与综合第六章 非线性控制系统第七章 离散控制系统的理论基础,经典控制理论 目录,第一章 自动控制系统概述,教学内容：1-1控制系统的基本概念1-2控制系统分类1-3控制系统的性能指标1-4控制理论的发展历程,第一章 自动控制系统概述,举例:液位自动控制系统,第一章 自动控制系统概述,目标水位,人眼,大脑,手臂,手,第一章 自动控制系统概述,控制对象,被控制量,目标水位,给定信号,扰动信号,测量信号,偏差信号,执行机构,液位自动控制系统,1-1 控制系统的基本概念,一、基本术语,自动控制：所谓自动控制，就是指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、设备或生产过程自动的按照给定的规律运行，使被控对象的一个或几个物理量按照预定的要求变化。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称为自动控制系统。,1-1 控制系统的基本概念,控制对象：（控制对象、调节对象、对象）是指被控的设备或过程。被控制量：（被调参数、输出量）是指被控制的物理量。常常是表征设备或过程的运行情况或状态，且需要加以控制的参数给定信号：（参考输入量）设定的与被控参数期望值成比例的信号，其作用是为了保证输出量达到所要求的目标,一、基本术语,（上例中的水槽）,（上例中的实际水位）。,（上例中要求的液位）。,扰动信号：（扰动输入量）是一种妨碍被控参数达到期望值的外部作用。对系统工作不利。测量信号：检测仪表的输出经变送器变换后的与被控信号实际值成比例的信号。偏差信号：给定信号与测量信号的差值信号。控制信号：调节器（或控制器（内含算法，控制率）输出的信号。执行机构：传动机构+调节机构,一、基本术语,上例中，将系统按基本组成部分分解：,二、控制系统的传递方框图,水槽,注水阀,减速器,电动机,放大器,电位器,浮子,输入,输出,给定信号,被控量,测量信号,F,被控对象,扰动信号,偏差信号,执行机构,（二）传递方框图：将构成系统的所有环节用有向线段连接起来所构成的系统结构图。,有向线段：表示信号传递，指向环节的作用线表示输入；背向环节的作用线表示输出。测量信号与给定信号通过相加点叠加，符号代表信号的极性。整个系统的输出为被控参数；整个系统的输入为给定信号或扰动信号。,二、控制系统的传递方框图,（一）环节：构成系统的基本组成部分。用一个方块表示。,二、控制系统的传递方框图,（三）关于传递方框图的几点说明,信号传递单向性；作用线只表示信号的传递方向，不表示物流方向；方框图可简可繁；尽管实际控制系统元器件各不相同，但概括起来，一般都应包括以下几个基本环节：,给定环节,比较环节,校正环节,放大环节,执行机构,被控对象,检测装置,二、控制系统的传递方框图,主要环节介绍,1.给定环节 设定被控量的给定装置,其精度直接影响对控制量的控制精度.如电位器,自整角机等模拟信号,还有精度更高的数字给定装置。2.比较环节 将检测到的被控量与给定量比较得到偏差信号,该信号功率较小或物理性能比较时不同,不能直接作用执行机构,需要增加中间环节3、4。,二、控制系统的传递方框图,3.校正环节 是为改善系统动态品质或稳态性能而加入的装置,他可以对偏差信号按照某种规律进行运算.比例、积分、微分等。4.放大环节 将偏差信号转换成适合于执行器工作的信号(功放,SCR)。注意:2、3、4合为一体控制器(装置)。5.执行机构 直接作用于控制对象（调节机构、传动装置、电机）,二、控制系统的传递方框图,6.控制对象 要控制的机器,设备,或生产过程(水槽控制量水位；炉体炉温；轧辊辊速压下量.)。7.检测装置 测量控制量并转换成与给定量同物理量信号，要求：精度高、反映灵敏、性能稳定的传感器(测速发电机、热电偶、自整角机)。,二、控制系统的传递方框图,主反馈：输出量引回到输入端的反馈为主反馈。,局部反馈：在正向通道里，后面环节的输出对前面环节的返回影响称为局部反馈。,注意：,主反馈一定是负反馈，局部反馈可正可负。,二、控制系统的传递方框图,综上所述，控制系统的工作原理可归纳如下：,（1）通过测量元件检测输出量的实际值。（2）将输出量的实际值与给定值进行比较，得到偏差信号。（3）用偏差产生控制调节作用去消除偏差。,注意，研究控制系统应首先解决以下四个问题。（1）控制目的（2）受控对象（3）被控制量（4）输出信号的检测,二、控制系统的传递方框图,三、控制系统举例,三、控制系统举例,（1）人手拿书（2）汽车行驶的位置控制（3）温度自动控制系统，例如空凋、冰箱。,1-2 控制理论的发展历程,一、自动控制理论是研究“自动控制”共同规律的一门技术科学。,数控机床按照预定程序自动的对工件进行切削加工；化学反应釜的温度或流量及压力自动的维持恒定；雷达和计算机组成的火炮或导弹的发射和制导系统，自动的将炮弹或导弹引导到敌方目标；,1-2 控制理论的发展历程,轧钢机按照预定的轧制速度和板材厚度自动的变化轧辊速度和压下装置的位移；人造卫星准确的进入预先计算好的轨道和位置，自动的保持正确的姿态运行并准确回收。,这些都是以高水平的自动控制技术为前提的。,1-2 控制理论的发展历程,二、控制理论学科的发展具有自动功能的装置自古有之，例如古希腊的“水钟”，中国古汉代的“指南车”控制理论的产生可追述到18世纪中叶英国的第一次工业革命。1765年，Jams Watt发明的蒸汽机上的离心式飞锤调速器应用了反馈原理进行设计的。之后，麦克斯韦对它的稳定性进行分析，并于1868年发表论文，当属最早的理论工作。1872年E.J.Routh,1890年Hurwitz先后找到了系统稳定性的代数判据,1-2 控制理论的发展历程,1892年在其“论运动稳定性 的一般问题”的博士论文中给出了基于广义能量函数的系统稳定性的一般判据。1932年H.Nyquist给出了基于频率特性的关于系统稳定性的Nyquist判据。在二次世界大战期间，由于军事上的需要，雷达和火力控制系统有了较大的发展，N.Winner在总结前人成果的基础上发表了控制论一书，标志着控制理论学科的诞生。,1-2 控制理论的发展历程,控制理论发展经过了三个时期：第一阶段：经典控制理论（20世纪40年代末到50年代）。研究对象:线性定常单输入单输出系统主要数学工具:微分方程、传递函数、结构框图、频率特性等主要研究方法:时域法、频域法、根轨迹法主要解决的问题:单机装置的稳定性、快速性、准确性。,1-2 控制理论的发展历程,第二阶段：现代控制理论（形成于20世纪60年代）。研究对象：机组自动化等的多输入多输出系统。主要数学工具：一阶微分方程组、矩阵论、状态空间法。主要方法：变分法、极大值原理等等重点问题：最优控制、随机控制和自适应控制。核心控制装置：计算机,1-2 控制理论的发展历程,第三阶段：大系统理论和智能控制理论（形成于上世纪70年代）。大系统理论是控制理论在广度上的拓展，例如控制对象延伸到了社会、经济、管理系统，以及生态环境系统等复杂系统。智能控制理论是控制理论在深度上的挖掘，为解决模拟人脑功能，形成了新的学科模拟人脑思维 形成 模糊控制、专家系统等模拟人脑结构或功能 形成 人工神经网络,1-2 控制理论的发展历程,三.自动控制技术的作用,自动控制技术的应用不仅使生产过程实现了自动化，极大地提高了劳动生产率，而且减轻了人的劳动强度。2.自动控制使工作具有高度的准确性，大大地提高了武器的命中率和战斗力，例如火炮自动跟踪系统必须采用计算机控制才能打下高速高空飞行的飞机。3.某些人们不能直接参与工作的场合就更离不开自动控制技术了，例如原子能的生产、火炮或导弹的制导等等。,1-2 控制理论的发展历程,三.自动控制技术的作用,自动控制技术的应用不仅使生产过程实现了自动化，极大地提高了劳动生产率，而且减轻了人的劳动强度。2.自动控制使工作具有高度的准确性，大大地提高了武器的命中率和战斗力，例如火炮自动跟踪系统必须采用计算机控制才能打下高空高速飞行的飞机。3.某些人们不能直接参与工作的场合就更离不开自动控制技术了，例如原子能的生产、火炮或导弹的制导等等。,1-2 控制理论的发展历程,自动控制理论来源于生产实践，正随着技术和生产的发展而不断发展，而它反过来又指导实践，成为高新技术发展的重要理论依据。,本课程的内容是该理论中最基本也最重要的内容，即经典控制理论部分。它在工程实践中用的最多，也是进一步学习自动控制理论的基础。,1-2 控制理论的发展历程,1、授课对象：工业自动化专业、测控技术与仪器本科专业 2、本课程的性质和任务：自动控制理论是工业自动化专业和测控技术与仪器专业的一门重要的专业基础课。通过本课程的教学（讲课、实验、答疑和习题），使学生了解自动控制系统的组成、特点及专业术语，学习并掌握经典控制理论的基本分析方法和设计方法，掌握实验技能，为设计和调试工业自动控制系统打下理论基础。并为进一步的理论学习和研究打下坚实的基础。,四、课程介绍,1-2 控制理论的发展历程,3、本课程与相关课程的关系,1-2 控制理论的发展历程,4、课程的理论体系,理论体系：系统描述、系统分析、系统综合,1-2 控制理论的发展历程,5、选用教材：自动控制原理，顾树生、王建辉，冶金工业出版社。主要参考书目：1杨自厚，自动控制原理，冶金工业出版社，2003.6。2胡寿松，自动控制原理，国防工业出版社，2000年。3绪方胜彦，卢伯英等译，现代控制工程，科学出版 社，1981年。4李友善，自动控制原理，国防工业出版社 5孙虎章主编，自动控制原理，北京：中央广播电视大学出 版社，1984 6李光泉主编，自动控制原理，北京：机械工业出版社，1987 6、学时安排：60学时,1-2 控制理论的发展历程,1-3 控制系统的分类,1-3 控制系统的分类,控制系统的种类很多，在实际工程中，可以从不同角度对控制系统进行分类。,一、开环控制系统和闭环控制系统,（一）开环控制系统,1.概念:如果控制系统的输出量对系统没有控制作用,这种系统称为开环控制系统.,举例：炉温控制系统,特点：本系统的输入量是自耦变压器的输出电压u，输出量是电阻炉的输出温度T；u唯一对应T；电阻炉的输出温度T对自耦变压器的输出电压u没有控制作用。,开环控制系统与闭环控制系统,开环控制系统与闭环控制系统,2.特点:(1)系统输出量不参与控制，系统结构图不形成闭合回路；(2)输入输出一一对应；(3)控制精度取决于各组成环节的精度；(4)最适用于传递关系已知，对输出精度无要求,且不含扰动的场合；如系统起动、制动过程。自动售货机,洗衣机,数控机床，红绿灯转换系统中。(5)系统有扰动时只能靠人工操作,使输出达到期望值。例:直流电动机速度控制系统。,3.前馈控制 当系统受到的扰动信号可以测量时,可根据扰动信号的大小对控制作用作相应补偿,以提高系统精度。这种按开环补偿原则建立起来的系统成为开环补偿系统或前馈控制。,开环控制系统与闭环控制系统,按给定补偿的前馈控制,按扰动补偿的前馈控制,输入量,输出量,输出量,输入量,+,+,开环控制系统与闭环控制系统,（二）闭环控制系统,上例：炉温控制系统,开环控制系统与闭环控制系统,1.闭环控制概念:利用检测仪表将系统输出检测出来,经物理量的转换后,馈送到系统的输入端与给定信号比较(相减)得到偏差信号,并利用偏差信号经控制器对控制对象进行控制,抑制扰动对输出量的影响,减小输出量的误差。,开环控制系统与闭环控制系统,2.特点:(1)系统输出参与控制。(2)系统结构图构成闭合回路。(3)是一种依偏差进行控制的系统,只需偏差存在,就有控制作用,其结果试图使偏差减小。(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。,开环控制系统与闭环控制系统,单变量与多变量控制系统,二、单变量与多变量控制系统SISOMIMO,(从输入/输出变量的个数),1.在单变量控制系统中,可以进行单回路或多回路控制,还可以进行串级控制.它是经典控制论研究的对象.,2.在多变量控制系统中,控制回路之间有耦合关系,它是现代控制理论研究的对象，当耦合关系较弱时,常常简化成单变量系统。,单变量与多变量控制系统,线性与非线性系统,三、线性与非线性系统,(一)线性系统 1.定义:若控制系统的所有环节或元件的状态(特性)都可用线性微分方程(差分方程)来描述。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。,3.判断方法对方程,其中x(t)为输入量,Y(t)为输出量.若方程中,输入、输出量及各阶导数均为一次幂,且各系数均与输入量(自变量)x(t)无关.就可定义为,用拉氏变换可求出输入输出关系函数(传递函数,动态数模)。,2.线性控制系统的性质 满足叠加原理 齐次定理,线性与非线性系统,(二)非线性系统,1定义：组成系统的环节或元件中至少有一个 是非线性的。典型非线性环节特性如下图,线性与非线性系统,2.本质非线性1、输入输出曲线上存在间断点,折断点,或非单值,否则为非本质。2、非本质非线性可在一定信号变化范围(小信号)内线性化。本质非线性只能定性描述和数值计算。3、非线性理论还远不成熟,客观讲,实际系统都是非线性的,只是在误差允许范围内可进行线性处理。、特点：暂态过程与初始条件有关,直接影响其稳定性。,线性与非线性系统,连续离散控制系统,三、连续离散控制系统,(一)连续系统 若系统各组成环节的输入,输出信号都是时间的连续函数,则为连续系统,可用微分方程描述.(二)离散系统 1.环节中有一个是以离散信号为输入或输出的即是.2.离散信号在离散瞬时有意义.3.离散信号可以通过采样开关对连续信号采样得到信号以脉冲序列或数码形势传递.4.离散(采样)控制系统通常用差分方程描述.,四、恒值、随动及程序控制系统,1.恒值:输入给定值为常值.如恒温、恒压、恒速系统.2.随动:给定值随时间任意变化,该系统使输出跟随输入的变化(以一定精度)如雷达、导弹瞄准及拦截位置(前例),过程控制的副回路.又如自动平衡电子电位差计.3.程序控制系统:给定量按照事先指定的时间函数变化,如程控机床.,恒值、随动及程序控制系统,系统的状态行为 是指输出量受输入量的影响在时间方向上表现出来的不同状态。具体的讲是指当扰动量或给定量的变化规律发生变化时,输出量偏离输入量,其产生的偏差经反馈作用,使系统经历一个短暂的过渡过程,又将趋于原来给定量或按照新的给定值稳定下来.即系统经历了由原来平衡状态过渡到新的平衡状态的过程,这里,我们把控制量(输出)处于相对稳定的状态称为静态或稳定,而把控制量处于变化状态的过程称为动态或暂态,瞬态.,1-4自动控制系统的性能指标,1-4自动控制系统的性能指标,y1,y2,稳态（静态）,暂态（动态）,1-4自动控制系统的性能指标,一、稳态性能 描述了系统稳态时的稳定程度。用稳态误差表示,它是指系统达到稳态时输出量的实际值与期望值(给定值)之间的误差。稳态误差越小，稳定精度越高。稳态误差为零，称为无差系统。,二、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的能力。,1-4自动控制系统的性能指标,由于实际系统中,各元器件都存在着不同程度的滞后,是系统受干扰后呈现的过渡过程不可避免,情况各异:,单调过程,1、各种不同情况的过渡过程,衰减振荡,(a)给定突增(b)扰动突变,(a)给定突增(b)扰动突变,1-4自动控制系统的性能指标,持续振荡,(a)给定突增(b)扰动突变,发散振荡,(a)给定突增(b)扰动突变,1-4自动控制系统的性能指标,2、暂态性能指标,下图给出了系统对突加给定信号的动态响应。,1-4自动控制系统的性能指标,1.最大超调量：%指输出量的最大值 与稳态值 的相对误差。,即：,它反映系统的暂态过程的平稳性。,2上升时间：tr,指输出量第一次到达稳态值所需的时间。,1-4自动控制系统的性能指标,3调节时间：ts 指输出量与稳态值之间的偏差达到所允许范围并维持在此范围内所需的时间。,4振荡次数：指在ts内，输出量在稳态值附近上下波动的次数。,1-4自动控制系统的性能指标,三、对控制系统的基本要求,1.稳定性 当系统受到干扰后,经过一段时间仍能恢复到原状态或新的平衡状态。2 快速性 当系统受到扰动后能迅速做出响应，恢复到原状态或达到新的平衡状态。3.准确性 稳态时，系统输出量跟随给定量(输入量)的精度。有时在满足系统暂态品质与稳态精度之间存在矛盾，在实际应用中还需二者兼顾。,1-4自动控制系统的性能指标,小结,掌握组成控制系统的基本环节，重要的变量，及结构图表示的基本概念。开环系统和闭环系统的概念和特点。自动控制系统的性能指标的概念。控制系统分类,小结：,作业：习题1-2，1-3，1-5,