自动控制原理第一章杨兴明修改.ppt

1,自控控制原理,理论讲课36学时，实验4个学时考试形式：闭卷，专业必修课平时成绩占30%，包括作业、考勤和实验,杨兴明,2,建议选用教材：程鹏编，自动控制原理（第二版），高等教育出版社（“十一五”国家级规划教材），2010年4月主要参考资料：自动控制原理（第四版），胡寿松主编，科学出版社，2008年自动控制原理习题集（第二版），胡寿松，科学出版社，2008年MATLAB与控制系统仿真实践集,赵广元主编,北京航空航天大学出版社,2009年自动控制原理(第2版):学习辅导与习题解答 程鹏、王艳东、邱红专等主编，高等教育出版社，2011年。,3,目 录,第1章 自动控制原理的一般概念(3),第2章 自动控制系统的数学模型(8),第3章 时域分析法(7),第7章 非线性系统分析,第4章 根轨迹法(5),第5章 频域分析法(6),第6章 控制系统的校正(7),第8章 采样系统理论,第9章 状态空间分析方法,4,手动控制,人在控制过程中起三个作用：（1）观测：用眼睛去观测温度计和转速表的指示值；（2）比较与决策：人脑把观测得到的数据与要求的数据相比较，并进行判断，根据给定的控制规律给出控制量；（3）执行：根据控制量用手具体调节，如调节阀门开度、改变触点位置。,控制：操纵，节制使不超出范围或随意活动。,5,第一章 自动控制的一般概念,1-1 自动控制的任务,1-自动控制的基本方式,1-对控制系统的性能要求,返回主目录,通常，在自动控制技术中，把工作的机器设备称为被控对象，把表征这些机器设备工作状态的物理参量称为被控量，而对这些物理参量的要求值称为给定值或希望值（或参考输入）。则控制的任务可概括为：使被控对象的被控量等于给定值。即,6,1-1 自动控制的任务,返回子目录,7,下面通过具体例子来说明自动控制和自动控制系统的概念,水位自动控制系统,8,控制任务：,维持水箱内水位恒定,控制装置：,气动阀门、控制器,受控对象：,水箱、供水系统,被控量：,水箱内水位的高度,9,给定值：,控制器刻度盘指针标定的预定水位高度,测量装置：,浮子,比较装置：,控制器刻度盘,干扰：,水的流出量和流入量的变化都将破坏水位保持恒定,10,自动控制，即没有人直接参与的控制。其基本任务是：在无人直接参与的情况下，利用控制装置操纵被控对象，使被控制量等于给定值。,自动控制系统：指能够完成自动控制任务的设备，一般由控制装置和被控对象组成。,由此可见：,11,自动控制理论的发展,自动控制理论是研究自动控制共同规律的技术科学。既是一门古老的、已臻成熟的学科，又是一门正在发展的、具有强大生命力的新兴学科。从1868年马克斯威尔（）提出低阶系统稳定性判据至今一百多年里，自动控制理论的发展可分为四个主要阶段：第一阶段：经典控制理论（或古典控制理论）的产生、发展和成熟；第二阶段：现代控制理论的兴起和发展；第三阶段：大系统控制兴起和发展阶段；第四阶段：智能控制发展阶段。,12,经典控制理论,控制理论的发展初期，是以反馈理论为基础的自动调节原理，主要用于工业控制。第二次世界大战期间，为了设计和制造飞机及船用自动驾驶仪、火炮定位系统、雷达跟踪系统等基于反馈原理的军用装备，进一步促进和完善了自动控制理论的发展。,1868年，马克斯威尔（）提出了低阶系统的稳定性代数判据。1875年和1896年，数学家劳斯（Routh）和赫尔威茨（Hurwitz）分别独立地提出了高阶系统的稳定性判据，即Routh和Hurwitz判据。二战期间（1938-1945年）奈奎斯特（H.Nyquist）提出了频率响应理论 1948年，伊万斯（）提出了根轨迹法。至此，控制理论发展的第一阶段基本完成，形成了以频率法和根轨迹法为主要方法的经典控制理论。,13,经典控制理论的基本特征,（1）主要用于线性定常系统的研究，即用于常系数线性微分方程描述的系统的分析与综合；（2）只用于单输入，单输出的反馈控制系统；（3）只讨论系统输入与输出之间的关系，而忽视系统的内部状态，是一种对系统的外部描述方法。基本方法：根轨迹法，频率法，PID调节器（频域）,反馈控制是一种最基本最重要的控制方式，引入反馈信号后，系统对来自内部和外部干扰的响应变得十分迟钝，从而提高了系统的抗干扰能力和控制精度。与此同时，反馈作用又带来了系统稳定性问题，正是这个曾一度困扰人们的系统稳定性问题激发了人们对反馈控制系统进行深入研究的热情，推动了自动控制理论的发展与完善。因此从某种意义上讲，古典控制理论是伴随着反馈控制技术的产生和发展而逐渐完善和成熟起来的。,14,现代控制理论,经典控制理论只适用于单输入、单输出的线性定常系统，只注重系统的外部描述而忽视系统的内部状态。在实际应用中有很大局限性。随着航天事业和计算机的发展，20世纪60年代初，在经典控制理论的基础上，以线性代数理论和状态空间分析法为基础的现代控制理论迅速发展起来。1954年贝尔曼（R.Belman)提出动态规划理论1956年庞特里雅金（）提出极大值原理1960年卡尔曼（R.K.Kalman)提出多变量最优控制和最优滤波理论 在数学工具、理论基础和研究方法上不仅能提供系统的外部信息（输出量和输入量），而且还能提供系统内部状态变量的信息。它无论对线性系统或非线性系统，定常系统或时变系统，单变量系统或多变量系统，都是一种有效的分析方法。基本方法：状态方程（时域）,大系统理论,20世纪70年代开始，现代控制理论继续向深度和广度发展，出现了一些新的控制方法和理论。如（1）现代频域方法 以传递函数矩阵为数学模型，研究线性定常多变量系统；（2）自适应控制理论和方法 以系统辨识和参数估计为基础，在实时辨识基础上在线确定最优控制规律；（3）鲁棒控制方法 在保证系统稳定性和其它性能基础上，设计不变的鲁棒控制器，以处理数学模型的不确定性。,16,随着控制理论应用范围的扩大，从个别小系统的控制，发展到若干个相互关联的子系统组成的大系统进行整体控制，从传统的工程控制领域推广到包括经济管理、生物工程、能源、运输、环境等大型系统以及社会科学领域。大系统理论是过程控制与信息处理相结合的系统工程理论，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。大系统理论目前仍处于发展和开创性阶段。,智能控制,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。智能控制的概念和原理主要是针对被控对象、环境、控制目标或任务的复杂性提出来的，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。被控对象的复杂性体现为:模型的不确定性，高度非线性，分布式的传感器和执行器，动态突变，多时间标度，复杂的信息模式，庞大的数据量，以及严格的特性指标等。智能控制是驱动智能机器自主地实现其目标的过程,18,智能控制是从“仿人”的概念出发的。其方法包括学习控制、模糊控制、神经元网络控制和专家控制等方法。,19,1-自动控制的基本方式,被控量,给定值H,自动控制方框图,返回子目录,20,在上图中，除被控对象外的其余部分统称为控制装置，它必须包含以下三种职能部件。,测量元件：用以测量被控量或干扰量。比较元件：将被控量与给定值进行比较。执行元件：根据比较后的偏差，产生执行作用，去操纵被控对象,参与控制的信号来自给定值、干扰量、被控量。,开环控制按给定值操纵的开环控制按干扰补偿的开环控制按偏差调节的闭环控制复合控制,21,下面根据不同的信号源来分析自动控制的几种基本控制方式,22,一、按给定值操纵的开环控制,计算,执行,受控对象,给定值,干扰,被控量,按给定值操纵的开环控制系统原理方框图,开环控制系统的输出端与输入端之间不存在反馈回路，输出量对系统的控制作用没有影响。,23,炉温控制系统,炉温控制系统原理方框图,定时开关,炉子,电阻丝,24,按给定值操纵的开环控制,特点：控制装置只按给定值来控制受控对象。,优点：控制系统结构简单，相对来说成本低。,缺点：对可能出现的被控量偏离给定值的偏差没有任何修正能力，抗干扰能力差，控制精度不高。,定义：利用干扰信号产生控制作用，以及时补偿干扰对被控量的直接影响。,25,二、按干扰补偿的开环控制,计算,测量,受控对象,执行,干扰,被控量,特点：只能对可测干扰进行补偿，对不可测干扰以及受控对象、各功能部件内部参数变化对被控量的影响，系统自身无法控制。适用于：存在强干扰且变化比较剧烈的场合。,26,水位高度控制系统原理图,水位高度控制系统原理方框图,27,三、按偏差调节的闭环控制,特点：通过计算被控量和给定值的差值来控制被控对象。,优点：可以自动调节由于干扰和内部参数的变化 而引起的变动。,计算比较,执行,被控对象,测量,按偏差调节的系统原理方框图,28,如上图所示，反馈回来的信号与给定值相减，即根据偏差进行控制，称为负反馈，反之称为正反馈。,这种控制方式控制精度较高，因为无论是干扰的作用，还是系统结构参数的变化，只要被控量偏离给定值，系统就会自行纠偏。但是闭环控制系统的参数如果匹配得不好，会造成被控量的较大摆动，甚至系统无法正常工作。,29,控制任务：保持转台的实际转速等于期望转速。被控对象：转台。被控量：转台转速。,例 转台速度控制系统,转台速度闭环控制系统原理方框图,30,飞机自动驾驶系统原理图,例 飞机-自动驾驶仪系统,31,控制任务：系统在任何扰动作用下，保持飞机俯仰角不变。被控对象：飞机。被控量：飞机的俯仰角。,俯仰角控制系统原理方框图,32,四、复合控制,复合控制就是开环控制和闭环控制相结合的一种控制。实质上，它是在闭环控制回路的基础上，附加了一个输入信号或扰动作用的顺馈通路，来提高系统的控制精度。,a.按输入作用补偿,b.按扰动作用补偿,定义：通常把系统受到外作用后，被控量随时间变化的全过程，称为动态过程或过渡过程。,33,1-对控制系统的性能要求,工程上常从稳、快、准三个方面来评价控制系统。稳：指控制系统的稳定性与平稳性。快：指控制系统的快速性。准：指控制系统的最终精度（稳态精度）。,返回子目录,34,稳：指控制系统的稳定性与平稳性,控制系统动态过程曲线,如上图所示，系统在外力作用下，输出逐渐与期望值一致，则系统是稳定的，如曲线所示；反之，输出如曲线所示，则系统是不稳定的。,35,快：指控制系统的快速性,快速性即动态过程进行的时间的长短。过程时间越短，说明系统快速性越好，反之说明系统响应迟钝，如曲线所示。,稳和快反映了系统动态过程性能的好坏。既快又稳，表明系统的动态精度高。,36,准：指系统在动态过程结束后，其被控量（或反馈量）与给定值的偏差，这一偏差称为稳态误差，是衡量稳态精度的指标，反映了系统后期稳态的性能。,以上分析的稳、快、准三方面的性能指标往往由于被控对象的具体情况不同，各系统要求也有所侧重，而且同一个系统的稳、快、准的要求是相互制约的。,