自动控制原理：第一章 课程基本概念简介

自动控制原理自动控制原理胥布工等编著胥布工等编著.自动控制原理自动控制原理电子工业出版社，电子工业出版社，20112011年，年，第三次印刷第三次印刷第一章：课程基本概念简介第一章：课程基本概念简介 基础主干课程：基础主干课程：为后续过程控制、运动控制、自适应控制等课程提为后续过程控制、运动控制、自适应控制等课程提供基础概念和通用方法。供基础概念和通用方法。介绍哪些最基本的概念和最常用的方法？介绍哪些最基本的概念和最常用的方法？一、控制系统的通用机制及工作原理一、控制系统的通用机制及工作原理 通用机制通用机制 工作原理分析工作原理分析 自动控制：自动控制：机器或装置在无人干预的机器或装置在无人干预的情况下自动进行操作。情况下自动进行操作。P1 发展简史发展简史P1：1.1.1 发展简史发展简史(部分图片摘自互联网部分图片摘自互联网)大量不同的系统都能大量不同的系统都能用同样的计算机来控用同样的计算机来控制。制。通用的方法通用的方法 原原理理自动控制：自动控制：机器或装置在无人干预的情况下自动进行操作。机器或装置在无人干预的情况下自动进行操作。自动控制原理自动控制原理自动控制：自动控制：机器或装置在无人干预的机器或装置在无人干预的情况下自动进行操作。情况下自动进行操作。放学后，宿舍用水量迅速放学后，宿舍用水量迅速变化，楼顶水箱水位变化会变化，楼顶水箱水位变化会影响水压。请管理员按水位影响水压。请管理员按水位调整阀门开度是否合适？调整阀门开度是否合适？“定时注水，以保持水位定时注水，以保持水位”的做法是否合理？的做法是否合理？为什么不能有人干预？为什么不能有人干预？自动操作存在何种困难？自动操作存在何种困难？如何简单实现自动操作？如何简单实现自动操作？如何理解？如何理解？成本等成本等干扰不确定干扰不确定P1：1.1.1 发展简史发展简史(部分图片摘自互联网部分图片摘自互联网)宽广领域、不同对象宽广领域、不同对象 共性：以低成本方式克服干扰，实现预定目标。共性：以低成本方式克服干扰，实现预定目标。问题问题1：如何以低：如何以低成本方式克服干扰，成本方式克服干扰，实现预定目标？实现预定目标？反馈反馈 以消除偏差为目的。以消除偏差为目的。是一种克服不确定因是一种克服不确定因素影响的有效机制。素影响的有效机制。下图为什么起作用？下图为什么起作用？为什么能克服出水量为什么能克服出水量变化的干扰，维持水变化的干扰，维持水位基本恒定？位基本恒定？题外话题外话为什么哺乳动物能克服干扰，维持体温恒定？为什么哺乳动物能克服干扰，维持体温恒定？(图片摘自互联网图片摘自互联网)(图片摘自互联网图片摘自互联网)反馈反馈题外话题外话 采用反馈，可使机器的行为能采用反馈，可使机器的行为能在众多不确定干扰的存在下表现在众多不确定干扰的存在下表现出如同人一样的出如同人一样的“目的性目的性”。维纳维纳人有人的用处人有人的用处、控制论控制论关于在动物和机器关于在动物和机器中控制和通讯的科学中控制和通讯的科学定性分析系统工作原理定性分析系统工作原理如何分析系统工作原理（基于反馈的观点）？如何分析系统工作原理（基于反馈的观点）？1.1、从信号传递的角度看反馈、从信号传递的角度看反馈1.2.2 开环控制与闭环控制开环控制与闭环控制n开环：开环：单向控制，输入和输出间没单向控制，输入和输出间没有联系，系统输入与输出间没有反有联系，系统输入与输出间没有反馈回路。馈回路。n闭环：闭环：将输出量返回到输入端，形将输出量返回到输入端，形成成偏差偏差，基于偏差产生控制基于偏差产生控制以以减少减少或消除偏差或消除偏差。正常：正常：ur,ua,n；ur,ua,n 扰动：（扰动：（ur 恒定）恒定）Mc,n；Mc,n 缺点：抗干扰能力弱缺点：抗干扰能力弱l如何实施反馈控制？如何实施反馈控制？1.需要何种元器件？需要何种元器件？2.元器件如何配合？元器件如何配合？（各器件功能）（各器件功能）将输出量返回到输入端，形将输出量返回到输入端，形成成偏差偏差，基于偏差产生控制基于偏差产生控制以以减少或消除偏差减少或消除偏差。1.2、从系统构成的角度看反馈、从系统构成的角度看反馈1.3 基本结构与特征基本结构与特征l如何实施反馈控制？如何实施反馈控制？1.1.需要何种元器件？需要何种元器件？2.2.元器件如何配合？元器件如何配合？（各器件功能）（各器件功能）按构成系统的基本元件划分：按构成系统的基本元件划分：测量元件、比较元件、放大测量元件、比较元件、放大元件、校正元件、执行元件、被控对象。元件、校正元件、执行元件、被控对象。按系统内部基本功能环节划分按系统内部基本功能环节划分：传感器、控制器、执行机传感器、控制器、执行机构、被控对象（广义被控对象：构、被控对象（广义被控对象：执行机构执行机构+被控对象）、被控对象）、控制控制变量（广义被控对象的控制变量）变量（广义被控对象的控制变量）。各信号强弱特点如何？各信号强弱特点如何？信号处理的角度信号处理的角度：输入信号、输出信号、扰动信号、反馈信号、偏差信号输入信号、输出信号、扰动信号、反馈信号、偏差信号（误差信号）、控制信号；（误差信号）、控制信号；控制变量、被控变量；控制变量、被控变量；反馈通道、前馈通道；反馈通道、前馈通道；控制通道、干扰通道。控制通道、干扰通道。1.3、结合信号与系统构成看反馈、结合信号与系统构成看反馈1.41.4、反馈控制系统的工作原理（必考）、反馈控制系统的工作原理（必考）如何说明一个反馈控制系统的工作原理？如何说明一个反馈控制系统的工作原理？1.目的：稳定目的：稳定/跟踪什么？跟踪什么？2.影响该目的实现的可能因素有哪些？（干扰等）影响该目的实现的可能因素有哪些？（干扰等）3.如何克服这些因素的影响？如何克服这些因素的影响？n工作原理：工作原理：蒸汽机带动负载转动蒸汽机带动负载转动圆锥齿轮减速带动一对飞圆锥齿轮减速带动一对飞锤作水平旋转锤作水平旋转飞锤通过铰链带动套筒上、飞锤通过铰链带动套筒上、下滑动拨动杠杆的一端下滑动拨动杠杆的一端杠杆另一端通过连杆调节杠杆另一端通过连杆调节供汽阀门的开度供汽阀门的开度 蒸汽机：蒸汽机的转速保持在期望值附近蒸汽机：蒸汽机的转速保持在期望值附近 平衡平衡：飞锤旋转，套筒保持某高度，阀门处于一个平衡位置：飞锤旋转，套筒保持某高度，阀门处于一个平衡位置当出现不平衡时当出现不平衡时：负载负载,转速转速，圆锥齿轮转动圆锥齿轮转动 ,飞锤速度飞锤速度 ,套筒位置套筒位置 ,杠杆右杠杆右端端,蒸汽阀门蒸汽阀门，转速转速。负载负载,转速转速，圆锥齿轮转动圆锥齿轮转动 ,飞锤速度飞锤速度 ,套筒位置套筒位置 ,杠杆右杠杆右端端,蒸汽阀门蒸汽阀门 ，转速转速。加热炉温度控制系统加热炉温度控制系统 保持炉温保持炉温T恒定：恒定：由于扰动，当炉温由于扰动，当炉温T，uf ,ue,u1,ua,加热加热电阻丝电压电阻丝电压 ,T.角位置随动系统角位置随动系统 旋转负载的角位置旋转负载的角位置 o快速跟随期望角快速跟随期望角位置位置 i:i ，ur,ur-uf=ue,u1,ua,o.(图片摘自互联网图片摘自互联网)第一部分小结第一部分小结系统组成、工作原理与信号特点系统组成、工作原理与信号特点1.1.基本概念：基本概念：l反馈控制、开环控制、正反馈、负反馈反馈控制、开环控制、正反馈、负反馈l干扰、给定、噪声干扰、给定、噪声l调节、跟随、伺服调节、跟随、伺服l反馈通道、前馈通道反馈通道、前馈通道2.2.基本组成基本组成:l放大、校正、反馈、执行等元器件及其功能。放大、校正、反馈、执行等元器件及其功能。l各器件在图中位置。各器件在图中位置。3.3.会画方块图说明反馈控制系统工作原理。会画方块图说明反馈控制系统工作原理。n第一章作业第一章作业n试说明飞球调速器的工作原理，要求：试说明飞球调速器的工作原理，要求：n说明系统的目的（是稳定或者跟踪什么量）说明系统的目的（是稳定或者跟踪什么量）n指出主要干扰源。指出主要干扰源。n画出方框图，并说明系统构成（参考画出方框图，并说明系统构成（参考1.3.1节）节）n结合方框图说明信号之间关系及其传递方向、强弱特点。结合方框图说明信号之间关系及其传递方向、强弱特点。n如果速度曲线分别出现右下图中两种形状，可能是如果速度曲线分别出现右下图中两种形状，可能是哪里出了问题？你觉得该如何改进？哪里出了问题？你觉得该如何改进？n第一章作业第一章作业n1-4（改为（改为“试判断图试判断图1-2、图、图1-3两系统中哪一两系统中哪一个可使偏差减小至个可使偏差减小至0？”）n1-6n1-11n思考题思考题n1-2n1-3二、系统性能的评价二、系统性能的评价 仅仅引入负反馈是否就仅仅引入负反馈是否就能实现预定目标？能实现预定目标？反馈控制的细化反馈控制的细化引入负反馈是否就能实现目标？引入负反馈是否就能实现目标？用力过猛用力过猛 振荡振荡用力不足用力不足 缓慢缓慢如何实现效果良好的反馈控制？如何实现效果良好的反馈控制？反馈主要问题：反馈主要问题：稳定性稳定性如何评价控制效果的好坏？如何评价控制效果的好坏？系统性能要求系统性能要求为定量分析反馈系统性能作准备。为定量分析反馈系统性能作准备。有哪几方面常见的系统性能要求？有哪几方面常见的系统性能要求？实现好的反馈控制实现好的反馈控制确定优劣标准确定优劣标准n 如何评价控制效果的好坏？如何评价控制效果的好坏？n用力过猛用力过猛 振荡（振荡（曲线曲线）平稳性平稳性 稳定性稳定性n用力不足用力不足 缓慢（缓慢（曲线曲线）快速性快速性n准确性准确性 试根据各种不同应用讨论试根据各种不同应用讨论“可能从可能从哪些方面评价控制效果的优劣哪些方面评价控制效果的优劣”1.2.3 对反馈控制系统的对反馈控制系统的基本要求基本要求 稳定衰稳定衰减过程减过程临界稳定临界稳定振荡过程振荡过程不稳定发不稳定发散过程散过程n1 1稳定性稳定性 n指系统受扰动后重新恢指系统受扰动后重新恢复平衡的能力。复平衡的能力。不稳定的系统一旦失不稳定的系统一旦失去平衡就无法重新恢复，去平衡就无法重新恢复，由于实际应用中扰动是由于实际应用中扰动是不可避免的，因此不稳不可避免的，因此不稳定的系统无法正常运行。定的系统无法正常运行。n2快速性快速性 n一个稳定的系统对平衡状态的一个稳定的系统对平衡状态的恢复或跟随的速度。恢复或跟随的速度。n影响系统平衡状态的因素：影响系统平衡状态的因素：n扰动使系统偏离平衡，扰动使系统偏离平衡，n因控制任务的需要而改变因控制任务的需要而改变系统的平衡状态。系统的平衡状态。n过渡过程越短，说明系统恢复过渡过程越短，说明系统恢复平衡或跟随新的平衡状态的能平衡或跟随新的平衡状态的能力越强，快速性就越好。力越强，快速性就越好。n3准确性准确性 n过渡过程结束后系统就进入过渡过程结束后系统就进入稳态，此时稳态，此时系统输出量的期系统输出量的期望值与实际值之差称为稳态望值与实际值之差称为稳态误差误差。n稳态误差越小，控制系统的稳态误差越小，控制系统的稳态精度越高。稳态精度越高。无差系统、无差系统、有差系统有差系统说明存在不同的方案相应存在不同的性能控制规律的复杂程度不同 车辆跟踪、数控机床、船舵控制等。车辆跟踪、数控机床、船舵控制等。信号跟踪信号跟踪 Track.mdl10.1s+1Transfer Fcn11s+1Transfer FcnSine WaveScope1ScopePulseGenerator1sIntegrator5Gain 性能（快与稳）之间的制约（留意曲线细节）。性能（快与稳）之间的制约（留意曲线细节）。动态行为分析的重要性。动态行为分析的重要性。信号跟踪信号跟踪 Track.mdl10.1s+1Transfer Fcn11s+1Transfer FcnSine WaveScope1ScopePulseGenerator1sIntegrator5Gain 车辆跟踪、数控机床、船舵控制等。车辆跟踪、数控机床、船舵控制等。稳定性、快速性和准确性三个方面往往是相互制稳定性、快速性和准确性三个方面往往是相互制约的。稳定裕度过大可能引起系统的快速性变差、约的。稳定裕度过大可能引起系统的快速性变差、过渡过程变长；而单纯追求快速性，则可能加剧振过渡过程变长；而单纯追求快速性，则可能加剧振荡，甚至引起不稳定。荡，甚至引起不稳定。信号跟踪信号跟踪 Track.mdl10.1s+1Transfer Fcn11s+1Transfer FcnSine WaveScope1ScopePulseGenerator1sIntegrator5Gain基本概念基本概念控制系统的基本要求控制系统的基本要求1.1.基本要求：基本要求：l稳定性稳定性l平稳性平稳性l快速性快速性l准确性准确性2.2.存在不同的自动控制方案（设计的艺术性）；存在不同的自动控制方案（设计的艺术性）；而不同性能往往要求不同控制规律。而不同性能往往要求不同控制规律。二、本课程所需要解决的主要问题二、本课程所需要解决的主要问题所介绍的内容和方法是为了解决什么问题？所介绍的内容和方法是为了解决什么问题？掌握分析系统动态行为的常用方法。掌握分析系统动态行为的常用方法。学会用反馈的观点分析系统工作原理。（定性）学会用反馈的观点分析系统工作原理。（定性）能借助已有的数学工具分析系统性能。（定量）能借助已有的数学工具分析系统性能。（定量）能改造系统以改善其性能。（定性、定量）能改造系统以改善其性能。（定性、定量）第二章预习：动态行为第二章预习：动态行为 实现反馈控制所需考虑的最关键因素之一。实现反馈控制所需考虑的最关键因素之一。仅仅引入负反馈是否就仅仅引入负反馈是否就能实现预定目标？能实现预定目标？问题问题2：反馈的实现需要考虑哪些：反馈的实现需要考虑哪些关键问题？有没有难易之分？关键问题？有没有难易之分？(图片摘自互联网图片摘自互联网)棍子和鞭子哪个更容易击中目标？棍子和鞭子哪个更容易击中目标？为什么？为什么？动态特性动态特性 反馈控制应重点考虑的反馈控制应重点考虑的关键因素。关键因素。飞球调速器的故事飞球调速器的故事（补充知识）（补充知识）如何既快又稳又准确？如何既快又稳又准确？17881788年，瓦特为实现蒸汽机的速度控制，将离心式调速器年，瓦特为实现蒸汽机的速度控制，将离心式调速器与蒸汽机阀门连接起来，构成蒸汽机转速调节系统。与蒸汽机阀门连接起来，构成蒸汽机转速调节系统。飞球式调速器飞球式调速器 比例控制，存在稳态误差。比例控制，存在稳态误差。为减小误差，不得不改变杠杆为减小误差，不得不改变杠杆到阀门之间的杆长，来重新设到阀门之间的杆长，来重新设置期望的速度值。该过程可能置期望的速度值。该过程可能造成系统的不稳定造成系统的不稳定使蒸汽机使蒸汽机产生剧烈的振荡。产生剧烈的振荡。什么因素影响了转速，如何影响？找到其量化的关系。什么因素影响了转速，如何影响？找到其量化的关系。当时都关注调节器本身，有的当时都关注调节器本身，有的认为调节器重量太小；有的认为认为调节器重量太小；有的认为调节部分应该有个弹簧，有的又调节部分应该有个弹簧，有的又说这有弹簧也不好；更有的认为说这有弹簧也不好；更有的认为是因为摩擦力影响。是因为摩擦力影响。飞球式调速器飞球式调速器 18681868年英国物理学家年英国物理学家J.C.J.C.麦克斯韦发表麦克斯韦发表论调论调速器速器,总结了无静差调速器的理论。总结了无静差调速器的理论。18761876年俄国机械学家年俄国机械学家.维什涅格拉茨基发维什涅格拉茨基发表表论调节器的一般理论论调节器的一般理论，进一步总结了调，进一步总结了调节器的理论。节器的理论。用微分方程来描述整个系统，即调节器与蒸气用微分方程来描述整个系统，即调节器与蒸气机组成的系统，并将其在工作点附近线性化。机组成的系统，并将其在工作点附近线性化。你会求解吗？你会求解吗？xbdtdxbdtxdbdtxdbyadtdyadtydadtydammmmmmnnnnnn0111101111 本书大部分方法和工具就是为了解决这类动态方程的分析问题。本书大部分方法和工具就是为了解决这类动态方程的分析问题。飞球式调速器飞球式调速器 麦克斯韦和维什涅格拉茨基麦克斯韦和维什涅格拉茨基不直接求解微分方程，而是把不直接求解微分方程，而是把问题变成求其齐次方程的通解问题变成求其齐次方程的通解，根据通解位置分析运动情，根据通解位置分析运动情况（稳定性、快速性、平稳性等）。由此推得系统的稳定况（稳定性、快速性、平稳性等）。由此推得系统的稳定条件，把参量平面划分成稳定域和不稳定域条件，把参量平面划分成稳定域和不稳定域(后称维什涅格后称维什涅格拉茨基图拉茨基图)。微分方程微分方程代数方程代数方程00111 asasasannnn5 5阶以上代数方程无解析解。阶以上代数方程无解析解。麦克斯韦无法解决。麦克斯韦无法解决。18771877年英国数学家年英国数学家E.J.E.J.劳思提出代数稳定判据，即著名的劳劳思提出代数稳定判据，即著名的劳思稳定判据。思稳定判据。18951895年德国数学家年德国数学家A.A.胡尔维茨提出代数稳定判据的另一种形胡尔维茨提出代数稳定判据的另一种形式，即著名的胡尔维茨稳定判据。式，即著名的胡尔维茨稳定判据。xbdtdxbdtxdbdtxdbyadtdyadtydadtydammmmmmnnnnnn0111101111 n最终解决了飞球调速器稳定性设计的问题。最终解决了飞球调速器稳定性设计的问题。n纵观其发展过程，可以发现：纵观其发展过程，可以发现：n系统的观点看问题系统的观点看问题n用线性微分方程近似建立系统模型用线性微分方程近似建立系统模型（求解微分方程麻烦）（求解微分方程麻烦）n避开微分方程求解避开微分方程求解转化为求代数方程的根（求高阶代数转化为求代数方程的根（求高阶代数方程根麻烦）方程根麻烦）n避开代数方程求解避开代数方程求解劳斯劳斯-胡尔维茨判据胡尔维茨判据n？什么是线性？什么是线性？n？为什么用线性微分方程描述系统？为什么用线性微分方程描述系统？n？如何避开求解线性、非线性微分方程？如何避开求解线性、非线性微分方程？结论二结论二n主线：常微分方程，特别是线性方程，的近似主线：常微分方程，特别是线性方程，的近似解法解法n传递函数传递函数n劳斯判据劳斯判据n低阶系统近似高阶系统（时域分析方法）低阶系统近似高阶系统（时域分析方法）n根轨迹法、频率响应法根轨迹法、频率响应法n相平面法、描述函数法相平面法、描述函数法3)-(2)()()()(00202tutudttduRCdttudLCi )6-2()(1)()()(22tFktydttdykdttydkm 基本概念（小结）基本概念（小结）1、反馈、反馈 feedback（非常重要）（非常重要）2、动态行为、动态行为 dynamic（非常重要）（非常重要）第二章第二章3、模拟、模拟/仿真仿真 simulation4、数字计算机的应用、数字计算机的应用 反馈、动态行为分析和改善贯穿全书，以及后反馈、动态行为分析和改善贯穿全书，以及后续课程。续课程。小结小结1.反馈反馈：克服不确定干扰和模型参数变化等：克服不确定干扰和模型参数变化等因素的影响。因素的影响。目的、主要干扰源、目的、主要干扰源、工作原理（借助框工作原理（借助框图说明）图说明）系统组成：系统组成：控制（校正）、反馈、执行、控制（校正）、反馈、执行、对象对象 动态行为的描述和分析动态行为的描述和分析 避开微分方程求解避开微分方程求解 本书以及后本书以及后续课程的大部分方法均为解决该问题。续课程的大部分方法均为解决该问题。动态行为优劣分类动态行为优劣分类 稳、快、准稳、快、准2.仿真仿真/模拟，数字计算机模拟，数字计算机 相似的动态行相似的动态行为为 动态过程动态过程