自动控制原理胡寿松第一章ppt课件.ppt
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1、自动控制原理,电气工程及其自动化,Principles of Automatic Control,控制理论:自动化学科的重要理论基础,引 言,研究自动控制共同规律的技术科学,自动控制原理控制理论体系,自动控制技术应用,自动控制系统,课程的性质和特点,自动控制是一门技术学科,从方法论的角度来研究系统的建立、分析与设计。自动控制原理是本学科的专业基础课,是自动控制理论的基础课程,该课程与其它课程的关系如下。,微积分(含微分方程),电机与拖动,模拟电子技术,线性代数,电路理论,信号与系统,自动控制理论,复变函数、拉普拉斯变换,大学物理(力学、热力学),课程学习要面临,数学基础宽而深控制原理抽象计算复
2、杂且繁琐绘图困难,计算机数学语言MATLAB数值解/解析解(数学运算),控制理论的内容,二十世纪三项科学革命:控制论、量子论、相对论 控制论: 经典控制理论 现代控制理论(智能控制理论),导 读自动化技术几乎渗透到国民经济的各个领域及社会生活的各个方面,是当代发展最迅速、应用最广泛、最引人注目的高科技,是推动新的技术革命和新的产业革命的关键技术,在某种程度上说,自动化是现代化的同义词。自动控制原理研究分析、设计自动控制系统的基本方法。本章主要讲什么内容?从介绍自动控制的发展历史入手,引出自动控制理论分析、设计自动控制系统的基本思想,然后介绍自动控制的基本概念,以及对自动控制系统的基本要求,使读
3、者对自动控制理论的总的目标有个大致的了解。,恒压供水,蒸压釜的压力检测,保障安全,水产养殖自动测控及投料系统,中草药的硫磺检测,飞机导航系统,制导导弹,现代的高新技术让导弹长上了“眼睛”和“大脑”,利用负反馈控制原理去紧紧盯住目标,哈勃望远镜特殊地卫星,中巴资源卫星,人造地球卫星控制其准确地进入预定轨道运行并回收,雷达技术,雷达操作时,天线就要不停地转动。天线的作用是把雷达中产生的无线电波按照一定的方向向外发射出去,并把被反射回来的无线电波接收下来。正因为天线所起的作用好似人的眼睛一样,因此雷达要注视和侦察整个天空的状况,天线就要不停地转动,用一个驱动马达使天线作360度的旋转,这样它就能在3
4、60度范围内进行“搜索”。,美国的“铺路爪”雷达 相控阵雷达,自动控制理论的开端,1868年英国麦克斯韦尔的“论调速器”论文指出:不应单独研究飞球调节器,必须从整个系统分析控制的不稳定。建立系统微分方程,分析微分方程解的稳定性,从而分析实际系统是否会出现不稳定现象。这样,控制系统稳定性的分析,变成了判别微分方程的特征根的实部的正、负号问题。麦克斯韦尔的这篇著名论文被公认为自动控制理论的开端。,15,经典控制理论的孕育1875年,英国劳斯提出代数稳定判据。1895年,德国赫尔维兹提出代数稳定判据。1892年,俄国李雅普诺夫提出稳定性定义和两个稳定判据。1932年,美国奈奎斯特提出奈氏稳定判据。二
5、战中自动火炮、雷达、飞机以及通讯系统的控制研究直接推动了经典控制的发展。,经典控制理论的形成 1948年,维纳出版控制论,形成完整的经典控制理论,标志控制学科的诞生。 维纳成为控制论的创始人!维纳控制论是关于怎样把机械元件和电气元件组合成稳定的并且具有特定性能的系统的科学。这门新科学的一个非常突出的特点就是完全不考虑能量、热量和效率等因素,可是,在其他各门自然科学中,这些因素是十分重要的。 控制论所讨论的主要问题是一个系统的各个不同部分之间的相互作用的定性性质,以及整个系统的总体运 动状态。,空间技术促使现代控制理论的产生现代控制理论促进了空间技术的发展,二次世界大战结束后,各国大力发展空间技
6、术,经典控制理论不能满足需要,需要研究新的控制理论。现代控制理论在空间技术取得巨大成功,促进了空间技术的发展。,18,现代控制理论在工业过程控制方面遭遇滑铁卢,促使了智能控制技术的诞生,现代控制理论在空间技术取得巨大成功,但由于工业过程控制中普遍存在的不确定性和干扰,难以取得预期的效果。模拟人的控制技术智能控制,虽然不能实现精确的控制,但对各种复杂系统能够做到比较满意的控制。,经典控制理论(古典控制理论),以传递函数为基础,研究单输入-单输出定常控制系统的分析与设计问题:线性控制系统分析:时域分析、稳定性与稳态误差分析、根轨迹分析、频域分析。非线性控制系统分析:相平面分析、描述函数分析。(连续
7、控制系统、离散控制系统),现代控制理论,以状态空间法为基础,研究多输入-多输出时变、非线性、高精度、高效能控制系统的分析与设计问题:(线性系统、自适应控制、最优控制、鲁棒控制、最佳估计、容错控制、系统辨识、集散控制、大系统复杂系统)智能控制(专家系统、模糊控制、神经网络、遗传算法),参考资料,自动控制原理(第五版) 胡寿松自动控制原理实验指导 李秋红 自动控制原理的MATLAB实现 黄忠霖控制数学问题的MATLAB求解 薜定宇自动控制原理习题集 胡寿松现代控制工程(第三版) 卢伯英,实例(示意图),人工(手动)控制:(1)对象:储液系统(2)目标:液位(3)眼睛:观察 液位变化(4)大脑:分析
8、、比 较、判断(5)手/脚:动作执行,第一章 自动控制的一般概念,实例(示意图),自动控制:(1)对象:储液系统(2)目标:液位(3)传感器:检测 液位变化(4)控制器:控制功能(5)执行器:完成控制 动作,传感器,信号,信号驱动设备,控制原理框图(控制理念),1.1 自动控制的概念,自动控制:是指没有人直接参与的情况下,利用控制装置(称控制器),使整个生产过程或工作机械(称被控对象)的某个工作状态或参数(即被控量)自动地按照预定的规律运行。自动控制系统:能够实现自动控制任务的系统,由控制器与控制对象组成。,?,控制对象:要求实现自动控制的机器、设备或生产过程。控制器:对控制对象起控制作用的控
9、制装置总体。输入量:作用于控制系统输入端,并可使系统具有预定功能或预定输出的物理量。输出量:位于控制系统输出端,并要求实现自动控制的物理量。扰动量:破坏系统输入量和输出量之间预定规律的信号。,自动控制系统控制原理方框图,控制器,比较环节,输入量,偏差,测量值,输出量,控制量,扰动量,控制动作,广义对象,自动控制装置,元素:(1) :元件(2) :信号(物理量)及传递方向(3) :比较点(信号叠加)(4) :引出点(分支、信号强度) (5)+/- :符号的意义(正、负反馈),关键点:,工作原理输入输出被控对象 中间环节信号传递(自动控制系统方块图的绘制),控制系统,1.2 控制原理与方式,1.开
10、环控制,开环控制系统是指无被控量反馈的控制系统,即需要控制的是被控对象的某一量(被控量),而测量的只是给定信号,被控量对于控制作用没有任何影响的系统。结构如图所示。,信号由给定值至被控量单向传递。这种控制较简单,但有较大的缺陷,即对象或控制装置受到干扰,或工作中特性参数发生变化,会直接影响被控量,而无法自动补偿。因此,系统的控制精度难以保证。从另一种意义理解,意味着对受控对象和其它控制元件的技术要求较高。如数控线切割机进给系统、包装机等多为开环控制。,2.反馈控制 闭环控制(核心),闭环控制的定义是有被控制量反馈的控制,其原理框如图所示。从系统中信号流向看,系统的输出信号沿反馈通道又回到系统的
11、输入端,构成闭合通道,故称闭环控制系统,或反馈控制系统。,前/正向通道,反/负向通道,这种控制方式,无论是由于干扰造成,还是由于结构参数的变化引起被控量出现偏差,系统就利用偏差去纠正偏差,故这种控制方式为按偏差调节。 闭环控制系统的突出优点是利用偏差来纠正偏差,使系统达到较高的控制精度。但与开环控制系统比较,闭环系统的结构比较复杂,构造比较困难。需要指出的是,由于闭环控制存在反馈信号,利用偏差进行控制,如果设计得不好,将会使系统无法正常和稳定地工作。另外,控制系统的精度与系统的稳定性之间也常常存在矛盾。,开环控制和闭环控制方式各有优缺点,在实际工程中应根据工程要求及具体情况来决定。如果事先预知
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