自动控制原理第1章自动控制系统的基本概念.ppt

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1、自动控制原理,信息控制类专业最重要的专业基础课之一,主讲教师：王钊联系方式：Email：电话：QQ:408758520(班级+姓名验证)答疑地点：基础实验楼B318答疑时间：周五9:00-11:00,教材：自动控制原理（第五版）作者：胡寿松出版：科学出版社考核方式：平时成绩+期末考试,参考文献：胡寿松，自动控制原理习题集，科学出版社高国燊,余文恷.自动控制原理,华南理工大学出版社,2002年.吴麒.自动控制原理.清华大学出版社，2006戴忠达.自动控制理论基础。清华大学出版社，2005.各类相关期刊杂志，网上资料自动化学报，控制与决策，控制理论与应用计算机测量与控制，控制工程,本课程与其他课程

2、的关系,其他信息与控制系统课程,电工技术,模拟电子技术,线性代数,高等数学 微积分,复变函数、拉普拉斯变换,电路基础分析,大学物理（力学、热力学）,第一章 自动控制系统的基本概念,1-1 自动控制技术介绍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自动控制原理及技术介绍,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

3、程流量、温度、液位的控制，等等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体。,2.自动控制技术的直观解释,手动控制,自动控制,手,眼睛,大脑,3.自动控制技术介绍,自动控制原理是分析各种自动控制装置的统一理论，是其内在的共同规律自动控制装置不需要人参与就能完成任务,自动化的核心是“控制”,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,公元235年马钧研制出能自动指示方向的指南车,自动控制技术发展过程中的例子,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

4、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,装配机器人,汽车自动焊接生产线,自动控制技术发展过程中的例子,自动立体仓库,自动控制技术发展过程中的例子,注塑机,自动搬运车,自动控制技术发展过程中的例子,机器人足球比赛,月球车,机器人干活,机器人跳舞,自动控制技术发展过程中的例子,大型化工企业自动控制装置,火星旅行者,SONY AIBO,身边的自动控制系统实例有哪些？,现代生活离不开自动控制！,空调,冰箱,电热水器,自动控制技术已经成为

5、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年代起源：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）

6、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,Cybernetics：or the Control and Communication in the Animal and the Machine,Engineering Cybernetics,5.自动控制理论溯源,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，奈奎斯特，频域稳定性分析1948，维纳，控制论1956，苏联，

7、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,控制理论目前还在向更纵深、更广阔的领域发展，在信息与控制学科研究中注入了蓬勃的生命力，启发并扩展了人的思维方式，引导人们去探讨自然界更为深刻的运动机理。近二十年来，由于信息技术、计算机技术的迅猛发展，工业领域自动化要求更加迫切，更使自动控制系统进入了黄金时代。我们应能深切体会，日常的工作和生活己经处在“一切”尽在自动控制的时代。,1-2 自动控制的基本原理,1.人工控制原理眼：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

8、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。,例：液位控制系统,基本原理：使得实际液位h控制在期望液位不变,期望液位：Hs,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 反馈信号与输入信号相减，其差为偏差信号负

9、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，给定输入（参考输入）,输出变量,广义被控对象,自动控制装置,被控制量：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：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：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,b

10、,(b),方框图中的几种表示法：,电炉温度控制系统,1、控制器设定温度与冰箱比较，产生偏差值，当偏差电压达到使继电器接通时，压缩机工作，将蒸发器中高温低压气态制冷液送制冷却器散热，降温后的低温低压制冷液压缩成高压液态进入蒸发器，急速降压扩散成气体，吸收箱体内热量，使冰箱温度下降，如此循环操作，使箱体温度达到希望温度，此时继电器断开，压缩机停止工作。,家用电冰箱温控系统,电冰箱温控系统方块图,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

11、,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：,1-3自动控制系统分类,1.按输入信号特征分类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.按描述元件特性分类1）线性系统组成系统的元件都是线性元件，输入输出的静态特性为线性关系用线性微分方程描述2）非线性系统只要系统中有一个元部件是非线性的用非线性微分方程描述如何区分一个系统是线性的还是非线性的呢？,3.按照

12、传递信号类型分类连续系统各个环节间的信号均为时间t的连续函数，可用微分方程描述例：水箱系统离散系统只要有一处信号是脉冲信号或者数字信号，定义在离散时刻上，用差分方程描述例：计算机控制系统,4.按照参数是否随时间变化分类定常系统时变系统5.其他分类单输入输出系统与多输入输出系统确定性系统与不确定性系统集中参数系统与分布参数系统,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

13、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、理想脉冲函数（或冲击函数）,且,1-5 控制系统的典型输入信号,等价于：,单位脉冲函数：,时刻的脉冲函数：,采样性：,2、阶跃函数,单位阶跃函数：,0,3、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,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？,