自动控制的基本概念.ppt

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1、,自动控制原理,教师：高艳玲联系：134栋108室,Automatic Control Theory,自动控制原理,教材：胡寿松自动控制原理(第5版)科学出版社,理论课：68学时实验课：12学时,考试方式：闭卷考试期末：80%出勤：5%作业：10%(作业+考试)实验：5%,1.胡寿松，自动控制原理习题集，科学出版社2.黄坚，自动控制原理，高等教育出版社3.孙亮，自动控制原理，北京工业大学出版社4.吴麒，自动控制原理，清华大学出版社,参考书,本课程与其它课程的关系：,自动控制原理课程的体系结构,一般概念,系统模型,性能指标,课程的体系结构,时域法,频域法,根轨迹法,课程的目的与任务,（1）对于具

2、体的控制系统，如何从理论上对它的动态性能和稳态精度进行定性的分析和定量计算。,（2）根据对系统性能的要求，如何合理的设计校正装置，使系统的性能能全面的满足技术上的要求。,课程的基本要求,理解自动控制原理的基本概念；掌握建立和简化自控系统的数学模型（难点）着重掌握时域分析法、根轨迹法和频域分析法（重点）理解自动控制系统的校正的一般方法；了解非线性系统和采样控制系统的分析；,本章内容,第一章 自动控制的一般概念,本章要求,1.了解自动控制的基本概念、原理；2.掌握反馈控制系统的组成及各部分作用；3.掌握由系统原理图画方框图的方法（重点）4.掌握自动控制系统的分类、性能指标；5.了解自动控制系统的基

3、本控制方式。,1.1 自动控制的基本原理与方式,一、自动控制的定义及应用,自动控制技术在化工、造纸、电力、汽车、交通运输和钢铁等领域起着越来越重要的作用。近几十年来，计算机技术的发展与应用，自动控制技术在许多高科技领域(航空航天、导弹制导、核动力等)作用更大，且扩展到生物、医学、环境、经济管理和其他许多社会领域。,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(称控制装置或控制器)，使机器、设备或生产过程(统称被控对象)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。,雷达技术,导弹发射和制导系统,应用：1、国防领域：,人造地球卫星,无人驾驶飞机,2、工业领域：自动化生产

4、线：,生产过程自动控制系统控制柜,太中银铁路西安调度中心控制台,太中银铁路太原调度指挥中心,3、交通运输：,自动控制系统：,自动控制系统,控制装置,受控对象,指能够对被控对象的工作状态进行自动控制的系统，它由受控对象和控制装置组成。,自动控制示意图,设计满足要求的自动控制系统并分析其性能。,自动控制原理的主要任务：,二、反馈控制系统原理及组成,被控对象：指需要给以控制的机器、设备或生产过程。被控对象是控制系统的主体，例如火箭、列车等控制装置:指对被控对象起控制作用的设备总体（即除受控对象以 外的其他部分）有测量元件、给定元件、比较元件、放 大元件、执行元件、校正元件被控量：指被控对象中要求保持

5、给定值、要按给定规律变化的物 理量。被控量又称输出量、输出信号。,常用名词,给定值：是作用于自动控制系统的输入端，并作为控制依据的 物理量。给定值又称输入信号、期望值。干扰量：除给定值之外，凡能引起被控量变化的因素，都是 干扰。干扰又称扰动。,测量元件：检测被控制的物理量，并以电量的形式输出。如：测速发电机、电位器、热电偶给定元件：给出与期望的被控量相对应的系统输入信号。比较元件：把测量元件检测的被控量实际值与给定元件给定的参数进行比较，得出它们之间的偏差。如：差动放大器、机械差动装置、电桥电路,控制装置的组成,放大元件：将比较元件给出的偏差信号进行放大，用来推动执行元件去控制被控对象。如：电

6、压放大器、功率放大器执行元件：直接推动被控对象，使其被控量发生变化。如：阀、电动机、液压马达校正元件(补偿元件)：是结构或参数便于调整的元部件，用串联或反馈的方式连接在系统中，以改善系统的性能。如：由电阻、电容组成的无源或有源网络,杠杆长度,例1 液位自动控制系统,h,水箱,杠杆,浮球,阀门,进水,系统组成：,出水,被控制量：,水位高度,工作原理：,通过杠杆机构调节阀门的开度，从而调节进水量以控制液位的高度。,L,被控对象：水箱；被控量：水位控制元件：阀门；检测元件：浮球,设定水位,控制器,水箱,-,测量水位,偏差量,控制量,调节位移,实际水位,液位自动控制系统方框图,被控对象,变送器（浮球）

7、,例2 水温控制系统,系统的构成：,水箱,热传导器件,控制器,电机,阀门,给定信号,显示仪表,蒸汽,冷水,排水,热水,工作原理：,控制器将给定值和检测值比较之后，发出控制信号调节阀门的开度，,检测信号,控制信号,从而调节蒸汽流量，控制水的温度.,实际温度,偏差,反馈量,预期温度,_,系统的结构如图所示:,受控对象：水箱,被控制量：水的温度,测量装置：热敏元件 执行装置：阀门。,常用名词术语,系统：由被控对象和自动控制装置按一定方式联接起来 的，以完成某种自动控制任务的有机整体。输入信号：参考值、给定值、期望值输出信号：被控量反馈信号：由系统的输出端送回到系统的输入端的信号。偏差信号：输入信号和

8、反馈信号之差。扰动信号：一种对系统的输出产生不利影响的信号。,1.2 控制系统基本控制方式,开环控制：控制装置与受控对象之间只有顺向作用 而无反向联系。,一、开环控制方式,特点：没有自动修正偏差的能力，抗扰动性较差；结构简单，调整方便，成本低。应用：自动洗衣机、售货机、自动流水线、包装机等,例3 驱动盘片匀速旋转的转台,转台,电机,电源和放 大装置,速度设置,系统组成：,由图可见：,被控制量速度没有反馈到输入端与给定信号比较,为开环控制系统。,预期速度,实际转速,转台速度开环控制系统结构图:,例4 电炉温度开环控制系统,二、闭环（反馈）控制方式,定义：将检测出来的输出量,反馈到输入端,与给定信

9、号进行比较，产生偏差,此偏差经过控制器产生控制作用,使输出量按照要求的规律变化,负反馈：输出信号与给定信号相减，使偏差越来越小称为负反馈,反之为正反馈,特点：输入控制输出；输出参与控制；检测偏差纠正偏差；抗干扰能力强,例5 转台速度闭环控制系统。,实现对速度的闭环控制。,测速发电机是一种传 感器,测出电动机的速度与给定信号比较产生偏差电压.,当实际速度受扰动的影响发生变化时，通过系统的调节，从而消除扰动对速度的影响。,转台速度闭环控制系统结构图,例6 电炉温度闭环控制系统,例7 教学系统,三、复合控制方式,复合控制是闭环控制和开环控制相结合的一种方式。它是在闭环控制的基础上增加一个干扰信号的补

10、偿控制，以提高控制系统的抗干扰能力。,水温控制系统,控制系统的比较,开环控制系统：1.结构简单、成本低廉；2.调试方便；3.抗干扰能力差，控制精度不高。闭环控制系统：1.系统具有纠正偏差的能力；2.抗扰性好，控制精度高；3.包含元件多，结构复杂，价格高；4.参数应选择适当。复合控制系统开环闭环(兼有两者的优点，精度很高),1.3 自动控制系统的分类,线性定常离散控制系统,分类,线性连续控制系统,非线性控制系统,恒值控制系统 随动系统程序控制系统,一、线性连续控制系统系统全部元件都是由线性元件组成，运动方程可用线性微分方程(或者差分方程)描述。系数是常数时，称定常系统，系数随时间变化时，称时变系

11、统。,特点：（1）式中每一项均与c(t)、r(t)或者其导数有关，但不含高于1 次的项，也不含常数项。,（2）线性系统满足叠加性和奇次性叠加性：如果线性系统对输入信号x1(t)的响应为y1(t),对输入 信号x2(t)的响应为y2(t),则系统对输入信号x1(t)+x2(t)的响应为y1(t)+y2(t)奇次性：如果线性系统对输入信号x(t)的响应为y(t)，k为常 数，则线性系统对输入信号kx(t)的响应为ky(t),、随动系统给定量是预先未知的随时间任意变化的函数。要求被控量以尽可能小的误差跟随给定量的变化。研究的重点：研究被控量跟随的快速性和准确性如果被控量是机械位置或其导数时，称伺服系

12、统,导弹制导系统,、恒值控制系统 给定量是常值，要求被控量也等于常值 研究重点是各种扰动对被控对象的影响，以及抗干扰的措施。例：温度、压力、液位等系统,转台开环控制系统,、程序控制系统给定量是按预先规定规律随时间变化的函数，要求被控量迅速、准确的加以复现。例：机械手,二、离散控制系统系统的一处或几处的信号为脉冲系列或数码的形式，信号在时间上是离散的。连续信号经过采样开关的采样就可以转换成离散信号例：工业计算机控制系统三、非线性系统 系统中只要有一个元件具有非线性特性时,叫做非线性系统。特点：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者乘积项。,1.4 对控制系统的基本要求,1.“稳”

13、定性(stability)-基本要求(先决条件)系统受到扰动后，重新恢复平衡状态的能力。稳定性是对系统的最基本要求，不稳定的系统无法正常工作。稳定性由系统的结构决定与外界因素无关。,1,3,2,1-衰减振荡（稳定）,2-等幅振荡（不稳定）,3-发散（不稳定）,不稳定的系统是无法正常工作的。,不稳定系统的动态过程,(a)给定信号作用下,(b)扰动信号作用下,被控量的稳态值与期望值之差称稳态误差，用ess表示。,2.“准”确性(accuracy)-稳态要求,控制系统的稳态精度,ess是衡量控制系统精度的重要指标,是通过动态过程时间长短来表征的。时间越短，表明快速性越好，反之亦然。,快速性表明了系统

14、输出对输入响应的快慢程度,3.“快”速性(rapidness)-动态要求,r(t),c1(t),c2(t),1.5自动控制理论发展简述,1.经典控制理论(自动控制原理),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专用自动驾驶仪、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()1868年发表论调节器，提出了低阶系统的稳定性代数判据；,1877年劳斯(E.Routh)、1895年赫尔维茨(A.Hurwitz)分别独立地提出了高阶系统的稳定性判据，即Routh和Hu

15、rwitz判据；1932年奈奎斯特(H.Nyquist)提出了频率响应理论；1945年伯德(H.W.Bode)提出了简便而实用的伯德图法(频率法)；1948年伊文斯(W.R.Evans)提出了直观而又形象的根轨迹法；20世纪50年代 非线性系统理论和离散控制理论。,研究对象：单输入单输出(SISO)、线性定常系统,核心概念：输出反馈数学基础：微积分、积分变换系统描述方法：传递函数研究方法：时域法、根轨迹、频率特性,2.现代控制理论,由于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。因而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6

16、0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。,1956年庞特里雅金()提出极大值原理；,1957年贝尔曼(R.Belman)提出动态规划理论；1960年卡尔曼()提出多变量最优控制和最优滤波理论；1960年至今 形成若干分支(如线性系统理论、最优控制理论、动态系统辨识、自适应控制、大系统理论),研究对象：多输入多输出(MIMO)、非线性、时变系统核心概念：状态反馈数学基础：线性代数、矩阵理论系统描述方法：状态空间表达式研究方法：相平面法,本章要求,1.了解自动控制的基本概念、原理；2.掌握反馈控制系统的组成及各部分作用；3.掌握由系统原理图画方框图的方法（重点）4.掌握自动控制系统的分类、性能指标；5.了解自动控制系统的基本控制方式。,