第一章--自动控制的一般概念讲述

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第一章 自动控制概论,自动化（,Automation,）,是指机器或装置在无人干预的情况下按规定的程序或指令自动地进行操作或运行，脱离具体物理对象而去研究自动化是毫无意义的。,自动化,是延伸人类体能和智能、提高劳动生产率和产品质量的关键技术。,控制,（,Control,）,是人们为实现所要达到的目标而采用的方法与手段，因而可以脱离具体物理对象而去研究控制。,相应的控制论可分为工程控制论、社会控制论、经济控制论、生物控制论等。,2.,自动化的含义,自动控制是一门不断发展的、综合性的技术科学,涉及到的学科,:,物理、化学、数学、计算机、人工智能、信息论、生命科学以及社会科学。,控制技术的运用从工业控制已进入到生物控制、医学、环境控制、社会经济、人口控制等各个领域。,自动化专业,的主干学科为,:,控制科学与工程，并与电气工程、信息与通信工程、计算机科学与技术、仪器科学与技术等学科相关。,我国首批设立的专业：工业电气自动化,国防院校： 自动控制,自动化,我国自动化学科专业领域包括：,1,个一级学科、,5,个二级学科，即,0811,控制科学与工程,081101,控制理论与控制工程,081102,检测技术与自动化装置,081103,系统工程,081104,模式识别与智能系统,081105,导航、制导与控制,自动控制原理,课程介绍,先修课程：,工程数学,/,信号与系统,教学内容：,利用各种数学方法对控制系统进行分析和设计,实践环节：,控制方法的,MATLAB,软件实现,省略数学证明,淡化解题技巧,补充内容：,MATLAB,控制类工具箱的使用,配套教材,:,胡寿松,.,自动控制原理基础教程,科学出版社,2013.,胡寿松,.,自动控制原理简明教程（第,2,版）,科学出版社,2008.,教材,:,胡寿松,.,自动控制原理（第,6,版）,科学出版社,2013.,参考书目,:,王正林,.MATLAB/Simulink,与控制系统仿真,(,第,3,版,) ,电子工业出版社,2012.,薛定宇,.,控制系统计算机辅助设计,MATLAB,语言与应用,(,第,3,版,) ,清华大学出版社,2012.,考核形式,:,上课情况,(20,分,)+,作业,(20,分,)+,实践测试,(30,分,)+,期末考试,(30,分,),古典（经典）控制理论,自动控制原理（理论）,（,1787,1960,）,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。这些理论由于其发展较早，现已臻成熟。,现代（近代）控制理论,（,1960,1980,）,以状态空间法为基础，研究多输入多输出控制系统的分析与设计问题。系统具有高精度和高效能的特点。,最优控制 、自适应控制,计算机控制、系统辨识,智能控制理论（,1980,）,以人工智能为基础，研究复杂对象（车间、工厂、集团）、复杂任务、复杂环境。,管理和控制一体化,:,计算机集成制造系统，复杂控制系统,1.2,自动控制系统的基本概念,自动控制,，是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（称为控制器或控制装置），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（统称被控量）自动地按照预定的规律运行。,自动控制系统,，,是指能够对被控制对象的工作状态进行自动控制的系统。,1.2.1,反馈控制原理,在自动控制系统中，被控量是要求严格加以控制的物理量；而作为对被控对象施加控制作用的控制装置，可以采用不同的原理和方式完成赋予的任务。其中，最基本的控制原理就是,反馈控制原理,。,基于反馈控制原理组成的控制系统被称为,反馈控制系统,。,在反馈控制系统中，控制装置对被控对象施加控制作用，而控制装置接受的信号是取自被控量的反馈信号与给定值相比较生成的偏差，,根据偏差值的大小产生控制作用,，实现控制任务。,实际行驶方向,预期行驶方向,图,1.1,汽车驾驶控制原理框图,测量,预期路线,大脑,方向盘,汽车,实际路线,眼睛和其他感觉器官,手,图,1.2,汽车驾驶控制原理框图,控制系统的基本组成,图,1.3,控制系统职能方框图,比较,执行,测量,被控对象,实测值,干扰,测量,给定值,被控量,控制器,应具有三种基本职能，即,测量,、,比较,和,执行,。,1.,测量元件,的职能是检测被控制的物理量，如果所测量的物理量为非电量，一般要将其转换为电量。,2.,比较元件,的职能,是将测量元件检测到的被控量的实际值与给定值相比较，计算求出二者间的偏差。,3.,放大元件,的职能是,将比较元件给出的偏差信号放大，以驱动执行元件去控制被控对象。,4.,执行元件,的职能是,直接推动被控对象，使被控量发生变化,。,1.2.3,技术术语,1.,被控对象,:,是指要求实现自动控制的机器、设备或生产过程。,3.,控制器：,又称调节器、控制装置，由控制元件组成，它接受指令信号，输出控制作用信号于被控对象。,2.,被控量：,表征被控对象工作状态的物理参量,(,或状态参量,),，如转速、压力、温度、电压、位移等。,4.,给定值或指令信号,r,(,t,),：,要求控制系统按一定规律变化的信号，是系统的输入信号。,5.,干扰信号,n,(,t,),：,又称扰动值，是一种对系统的被控量起破坏作用的信号。,6.,反馈信号,b,(,t,),：,是指被控量经测量元件检测后回馈送到系统输入端的信号。,7.,偏差信号,e,(,t,),：,是指给定值与被控量的差值，或指令信号与反馈信号的差值。,液位控制系统,控制器,减速器,电动机,电位器,浮子,用水开关,Q,2,Q,1,c,i,f,SM,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,控制任务：,维持水箱内水位恒定,控制装置：,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,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,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：,1.3.1,开环控制,1.,按给定值控制,图,1.4,开环控制框图,1.3,自动控制的基本方式,温度计,加热电阻丝,调压器,u,(a),原理图,220V,输出量,(,手柄位置,),输入量,调压器,加热,电阻丝,电炉,恒温箱,受控对象,(,温度,),扰动量,(b),方块图,控制装置,炉温控制系统,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。,1.3.2,闭环控制,图,1.5,闭环控制框图,用“”号代表比较装置，“,”,号代表两者符号相反。信号沿箭头方向从输入端到达输出端的传输通路称,前向通路,；系统输出量经测量装置反馈到输入端的传输通路称,主反馈通路,。前向通路与主反馈通路共同构成主回路。,被控量,偏差,信号,(,-,),参考,输入信号,r,(,t,),调节器,(,或控制器,),u,(,t,),受控系统,e,(,t,),c,(,t,),反馈信号,控制量,扰动,给定,装置,校正,装置,放大,元件,执行,机构,受控,对象,反馈装置,(,测量元件,),给定装置：,产生给定值或输入信号（量）（即参考量或期望值）,测量装置：,测量被控制的物理量（被控量），用于产生反馈信号,各种传感器：测速发电机、电位计、热电偶等。,比较装置：,把测量元件检测的实际值（被控量）与给定元件,给出的参考量进行比较，求出它们之间的偏差。,如差动放大器、自整角机。,放大装置：,将比较元件给出的偏差进行放大，用来推动执行元件,去控制被控对象，如放大器、晶闸管。,执行机构：,直接推动被控对象，使其被控量发生变化。,如步进电机，继电器开关。,补偿装置：,它是结构或参数便于调整的元件或机构，用串联或,反馈的方式连接在系统中，以改善控制系统性能。,工业应用的控制系统：电动、汽（气）动、液动。,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,给定电位器,反馈电位器,例,飞机,-,自动驾驶仪系统,飞机自动驾驶系统原理图,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,函数记录仪原理示意图,R,Q,R,W,u,L,t,u,r,变换器,放大器,绳轮,电机,测速机,减速器,函数记录仪方块图,1.3.3.,复合控制,图,1.6,复合控制框图,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。,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）。,1.4,自动控制系统的基本要求,1,稳定性,稳定性,是保证控制系统正常工作的先决条件。,对于稳定的控制系统，被控量偏离期望值后，经过一段过渡时间后，被控量应恢复到原来状态。,对于不稳定的控制系统，其被控量偏离期望值的偏差将会越来越大，最终发散,。,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。,稳：,指控制系统的稳定性与平稳性,2,快速性,快速性,即动态过程进行时间的长短。,过程时间越短，说明系统的快速性越好，过程时间持续越长，说明系统响应迟钝，难以实现快速变化的指令信号。,稳定性和快速性反映了系统的过渡过程的性能。,控制系统的动态过程,快：,指控制系统的快速性,3,准确性,当系统结束过渡过程后，被控量达到稳定值（平衡状态），这个稳定值与期望值的误差，就是系统的,稳态误差,。,它是衡量系统稳态精度的指标，反映了动态过程后期的性能。,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。,1.,5,控制系统的计算机辅助设计,控制系统的计算机辅助设计发展概况,第一阶段：,60,70,年代，采用一个或者几个控制系统计算程序组成的控制系统计算机辅助设计软件包。,第二阶段：,70,80,年代，功能齐全的用于多变量系统设计的计算机辅助设计软件包。,第三阶段：,80,中期开始，产生,仿真软件,MATLAB,控制系统计算机辅助设计仿真系统。,控制系统计算机辅助设计的主要内容,计算机辅助建立系统模型,数学模型表示方式之间的相互转换,计算机辅助分析和设计控制系统,数字仿真实验采用目前世界上最为流行的计算机仿真软件,MATLAB,。它是一个功能十分强大的系统，是集数值计算、图形管理、程序开发为一体的环境，已经成为一种实用的全新计算机高级编程语言。,在欧美大学里，诸如应用代数、数理统计、自动控制、数字信号处理、模拟与数字通信、时间序列分析、动态系统仿真等课程的教科书都把,MATLAB,作为内容。,MATLAB,更是研究和解决工程计算问题的一种标准软件，被用来解决一些实际课题和数学模型问题。,MATLAB,仿真软件,SIMULINK,在工程实际中，控制系统的结构往往很复杂，如果不借助专用的系统建模软件，则很难准确地把一个控制系统的复杂模型输入计算机，对其进行进一步的分析与仿真。,1990,年，,Math Works,软件公司为,MATLAB,提供了新的控制系统模型图输入与仿真工具，并命名为,SIMULAB,，该工具很快就在控制工程界获得了广泛的认可，使得仿真软件进入了模型化图形组态阶段。但因其名字与当时比较著名的软件,SIMULA,类似，所以,1992,年正式将该软件更名为,SIMULINK,。,SIMULINK,简介,SIMULINK,是,MATLAB,软件的扩展，它是实现动态系统建模和仿真的一个软件包，它与,MATLAB,语言的主要区别在于，其与用户交互接口是基于,Windows,的模型化图形输入。,所谓模型化图形输入是指,SIMULINK,提供了一些按功能分类的基本的系统模块，用户只需知道这些模块的输入输出及模块的功能，而不必考察模块内部是如何实现的，通过对这些基本模块的调用，再将它们连接起来就可以构成所需要的系统模型（以,.mdl,文件进行存取），进而进行仿真与分析。,SIMULINK,是一个进行动态系统建模、仿真和综合分析的集成软件包。它可以处理的系统包括：线性、非线性系统；离散、连续及混合系统；单任务、多任务离散事件系统。,在,SIMULINK,环境中，用户可观察到摩擦、风阻、齿隙、饱和、死区等非线性因素和各种随机因素对系统行为的影响。还可以在仿真进程中改变感兴趣的参数，实时地观察系统行为的变化。,在,MATLAB6.x,版中，可直接在,SIMULINK,环境中运作的工具包很多，已覆盖通信、控制、信号处理、电力系统等诸多领域，所涉内容专业性极强。,本章小结,1,正确理解自动控制的三种基本控制方式，尤其闭环负反馈按偏差控制的原理更要清楚。,2,在已知自动控制系统工作原理图的条件下，熟练地给出该系统的职能方框图，正确标示出系统各职能元件的名称和信号的名称。,