自动控制系统的工作原理

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,*,*,*,自动控制原理,Automatic Control Theory,刘明俊,国防科技大学出版社,1,1.,人类社会发展的三个时代,人力时代,人类主要依靠自身的肌体来完成能量变换和信息变换，但是人类自身转换的功率和范围都极其有限，纵有九牛二虎之力，也不能昼夜不停地工作着，因此创造的财富有限，最高文明只达到封建社会。,机械化时代,当蒸汽机、发电机出现之后，既使用九牛二虎也不够形容一台电动机之巨大威力了，而且可以不间断地保持着“精力充沛”的状态工作着。人类的“力气”不知被放大多少亿倍！人类的力臂不知不觉被延长到几千公里之外！物质丰富了，农民被改造成为工人，进入资本主义社会。,2,自动化时代,在这个时代中，不仅能量变换、而且信息变换都由机器来完成，在人类活动所见的空间，只要需要用“力”的地方，都会给它配上一个小的脑袋单片机或微处理器之类的小脑袋。不仅工业生产自动化了，农业生产、家务劳动、交通运输、人居环境,凡是已知的规律，都可以用自动化技术来完成。,3,4,2,自动控制原理课程性质与地位,自动控制原理（自动控制理论,自动调节原理,反馈控制理论，简称自控）是研究自动控制系统的共同规律的技术科学。它是一门技术基础理论课，主要研究自动控制系统的组成、分析和设计的理论。,大一 公共基础课：,英语 数学,物理 政治,大二 技术基础课：,电路,电子 电机 计算机编程,大三 专业基础课：,自控,供电 微机 电力电子技术,大四 专业课、设计：调速 计算机控制 毕业设计,自动控制原理是电气工程及其自动化专业的主干课程，也是信电学院平台课程。同时也是一些硕士点考研必修课。,5,上课时间：一共,14,周，每周,2,次,星期一,1,2,星期三,3,4,答疑时间、地点：待定,一共,64,学时，讲课,52,学时，,习题,2,学时，实验,10,学时,讲课地点：教一南,408,，,402,每章学时安排：,第一章,绪论,3,学时,第二章,控制系统的数学描述,8,学时,第三章,时域分析法,11,学时,第四章,根轨迹法,8,学时,第五章,频率响应法,14,学时,第六章,控制系统补偿与综合,8,学时,3,课程学时安排,6,10,学时,5,个实验，各班课代表去联系。,联系方式：汪宁老师,实验内容：,1.,典型环节（比例、积分、惯性）测试,2.,二阶系统单位阶跃响应及性能指标,3.,高阶系统阶跃响应、根轨迹图绘制,4.,频率特性（,Nyquist,图、,Bode,图）绘制,5.,校正环节特性及系统阶跃响应,7,4,成绩评定,出勤,5,作业,10,实验,15,缺一次扣,5,分,允许补齐,考试,70,但是卷面成绩,不得低于,55,分，否则按不及格,处理。作业缺一半不允许参加考试。,5,参考书目,.,刘明俊,自动控制原理,国防科技大学出版社,2.,胡寿松,自动控制原理简明教程,科学出版社,3.,鄢景华,自动控制原理,哈尔滨工业大学出版社,4.,吴,麒,自动控制原理,清华大学出版社,5.,李友善,自动控制原理,国防工业出版社,6.,侯夔龙,自动控制原理,西安交通大学出版社,8,第一章,绪 论,1,-,1,自动控制的基本概念,1,-,2,自动控制系统工作原理,1-3,闭环控制系统的基本组成,1,-4,自动控制系统的基本要求,1,-5,自动控制系统的分类,1-6,控制系统举例,1-7,自动控制理论的发展史,1,-,8,控制系统的计算机辅助设计,9,1,.,1,自动控制的基本概念,被控对象：控制系统要进行控制的受控客体,被控量：控制对象要实现的物理量,如冰箱温度、电机的转速、飞机姿态 角、船的航迹 、电网的电压 、生产过程中的压力、流量 、温度 、湿度等。,应用领域,：冰箱、空调、洗衣机、电梯、汽车、电厂锅炉、 酿酒过程、航空航天等各种机器或生产过程控制以及军事领域。,自动控制的定义：,是指在没有人直接参与的情况下，利用控制装置（控制器），使机器、设备或生产过程（被控对象）的某一工作状态或参数（被控量）自动按照预定的规律运行。,10,1.2,自动控制系统的工作原理,系统：为了达到某一目的，由一些对象相互作用，相互制,约，组成一个具有一 定运动规律的,整体,。,控制系统：,指能够对被控对象的工作状态进行自动控制的系,统，,由被控对象和控制器构成的整体。,自动控制系统的性能，在很大程度上取决于系统中的控制器为了产生控制作用而必须接收的信息，这个信息有两个可能的来源：,1,）来自系统外部，即由系统输入端输入的参考输入信号。,2,）来自被控对象的输出端，即反映被控对象的行为或状态的信息。,11,开环控制,按控制方式,闭环控制 （反馈控制）,复合控制,按对象方式,运动控制 （电机调速、机器人）,过程控制 （锅炉过程、化工过程）,把从被控对象输出端获得的信息通过中间环节（称为反馈环节）再送回控制器的输入端的过程，称为,反馈,。传送反馈信息的载体，称为反馈信号。是否采用反馈，对控制系统的各个指标（即稳定性、快速性、准确性）影响很大。,12,开环控制系统,Open-loop Control System,定义：系统的控制输入量不受输出量影响的控制系统,特点：系统的输出量与输入量间不存在反馈的通道，,这种控制方式称为开环控制,在开环控制系统中，不需要对输出量进行测量，也不需要将输出量反馈到系统输入端与输入量进行比较。因此，开环控制系统又称无反馈控制系统。,控制器,对象或过程,输入量,输出量,图,1.1,开环控制系统方块图,（,按输入量控制方式,）,（被控量）,13,功率,放大,SM,负载,+,+,+,+,u,0,n,u,a,图,1-2,电动机,速度控制系统,14,+,-,+,u,g,u,do,M,i,u,i,n,(,a,),原理图,R,放大,器,负载,给定信号,u,g,被控量,扰动,i,n,u,i,(,b,),方块图,电压,放大,电阻,R,触发,器,晶阐管可,控整流器,电动,机,前馈控制,(,开环,),（,按扰动量控制方式,）,(,参考输入量,),这种控制方式的前提条件：是干扰能够被测量,应用：交通红绿灯、自动洗衣机、生产流水线,15,闭环（反馈）控制系统,Closed-loop Control System,闭环控制系统又称反馈控制系统，是应用最广泛的控制方式。,负反馈,把取出的输出量送回输入端，并与输入信号相比较产生偏差信号的过程，称为负反馈 。,反馈控制,采用,负反馈,(,正反馈较少,),并利用偏差进行控制的过程 （利用偏差修正偏差）。,由于引入了被反馈量的反馈信息，整个控制过程成为闭合的，因此反馈控制也称为闭环控制 。,16,热力系统的人工反馈控制,17,热力系统的自动反馈控制,18,闭环控制的优缺点,优点： 抑制干扰能力强,对参数变化不敏感,能获得满意的动态特性和控制精度,缺点： 增加了系统的复杂性，如果参数选取,不恰当，系统可能会振荡。,所以，,参数选取,是控制理论和系统设计必,须解决的重要问题。,19,反馈控制系统是一种能对输出量与参考输入量进行比较，并力图保持两者之间的既定关系的系统，它利用输出量与输入量的偏差来进行控制。,应当指出，反馈控制系统不限于工程范畴，在各种非工程范畴内，诸如社会学、经济学和生物学中，也存在着反馈控制系统。,反馈控制系统是自动控制原理的主要研究对象,20,反馈在系统可以分正反馈和负反馈,负反馈主要通过输入、输出之间的差值作用于系统的其他部分。这个,差值,反映了我们要求的输出和实际的输出之间的差别。控制器的控制策略是不停减小这个差值，以使差值变小。例如，人打算拿桌上的盒子。目测距离，确定方向，移动，不断测距离，脑判断以消除偏差,正反馈在自动控制系统中主要是用来对小的变化进行,放大,，从而可以使系统在一个稳定的状态下工作。而且正反馈可以与负反馈配合使用，以使系统的性能更优。 例如，铀,235,在中子轰击下，通常会产生两个中等质子数的核，并放出,2,3,个中子和大量能量。放出的中子有的则继续引起重核裂变。这样就会使系统中的作用越来越剧烈。所以一般在核反应堆中通过控制反应堆中铅棒与反应物接触的面积来控制核反应的剧烈程度,21,闭环控制系统框图,输入量,控制器,控制对象,测量元件,输出量,反馈回路,被控量,干扰量,22,给定电压,热电偶,输出电压,23,当炉内实际温度与给定电位计表征的希望高度一致时，热电偶输出电压与给定电压相等，电动机不转动，系统相对平衡。当炉温因扰动出现偏差时（如炉温低于希望值），偏差电压经放大后驱动电动机转动，将调压器电刷向上移动，使电阻丝两端电压增大，从而使炉温升高，趋于希望值。,工作原理：,24,闭环与开环控制系统的比较,开环控制：顺向作用，没有反向的联系，没有修正偏差能力，抗扰动性较差。结构简单、调整方便、成本低。在精度要求不高或扰动影响较小的场合，这种控制方式还有一定的实用价值（步进电机，水泵，风扇）。,闭环控制：为偏差控制，可以抑制内（系统参数变化）、外扰动（负载变化）对被控制量产生的影响，因此，控制精度高。但是结构复杂，成本高（价格成倍增加，车床、洗衣机、小轿车）；系统设计、分析麻烦。,25,复合控制系统,Compound Control System,定义：开环控制和闭环控制相结合的一种控制方式。,是构成高精度控制系统的一种有效控制方式，,使控制系统具有良好的控制性能。,复合控制的两种基本形式,按输入前馈补偿的复合控制,按干扰前馈补偿的复合控制,26,图,1.3,干扰补偿的复合控制系统方块图,输入量,控制器,控制对象,测量元件,输出量,反馈回路,被控量,干扰量,前馈补偿,按干扰前馈补偿的复合控制,27,图,1.4,输入补偿的复合控制系统方块图,输入量,控制器,控制对象,测量元件,输出量,反馈回路,被控量,干扰量,前馈,补偿,按输入前馈补偿的复合控制,28,用“,”,号代表比较元件，“,”,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。此外，还有局部反馈通路以及由它构成的内回路。,图,1.5,闭环控系统基本组成,串联校正,（补偿）元件,放大元件,执行机构,被控对象,反馈校正元件,测量元件,被控量,1.3,闭环控制系统的基本组成,输入量,比较元件,给定装置,负反馈,29,给定装置：,产生给定值或输入信号（量）（即参考量或期望值）,测量元件：,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。,比较元件：,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。,放大元件：,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（校正）元件：,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。,30,1,-,4,自动控制系统的基本要求,自动控制系统性能的基本要求（,三个,方面）,稳定性（先决条件）,系统受到短暂的扰动后其运动性能从偏差平衡点恢复到原来平衡状态的能力。一切自动控制系统必须满足的最基本要求。,由系统的结构,参数,决定与外界因素无关。,31,稳定的控制系统在阶跃信号或扰动信号的作用下，其响应的暂态过程应该是,收敛,的。如果系统设计不当，则在阶跃信号下或扰动信号的作用下，相应的幅值振荡可能成为,等幅振荡,，甚至成为振幅逐渐增大的,发散振荡,，发生这种情况的系统称为,不稳定系统,。,系统稳定性包括两个方面的含义。,（,1,）系统稳定，称为绝对稳定，即通常所说的稳定性。,（,2,）输出响应振荡的强烈程度，称为相对稳定性。,例如系统是绝对稳定的，但是在阶跃信号作用下，响应振荡很强烈，而且振荡的衰减很慢，则该系统虽然属于稳定系统，但相对稳定性差。,32,过渡过程性能（快速性要求）,：,系统受到短暂的扰动后其运动性能从偏差平衡点恢复到原来平衡状态的能力，,由系统的结构,参数,决定与外界因素无关。,描述,过渡过程性能可以用,平稳性,和,快速性,加以衡量，一般称为动态性能。如：上升时间、峰值时间、调整时间、超调量。,稳态误差（控制精度或准确性要求）,：,过渡过程结束后的输出响应,系统过渡过程结束后，期望的稳态输出量与实际的稳态输出量之差叫稳态误差。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。,简单地说：稳、快、准,33,1,-5,自动控制系统的分类,按,工作原理分类,开环控制、闭环控制、复合控制,按数学模型分类,定常系统和时变系统,线性系统和非线性系统,当系统中各元件输入输出特性是线性特性，系统的状态和性能以线性微分方程或差分方程来描述时，这种系统称为线性系统。线性系统的一个突出的特点就是满足,叠加定理,，所以在判别系统是线性或非线性时，可运用叠加定理来判断。,系统中只要存在一个元件为非线性元件，系统的微分方程就由非线性方程来描述，这样的系统称为非线性系统。由于非线性系统的多样性，叠加原理也不成立，研究起来也不方便，所以只有在一定条件下用,近似分析,的方法来处理,。,34,按系统内部的信号特征分类,连续系统和离散系统,连续系统的特点是系统中各元件的输入信号和输出信号都是时间的连续函数，这类系统的运动状态是用,微分方程,来描述的。连续系统中各元件传输的信息在工程上称为模拟量，多数实际物理系统都属于这一类，其输入输出一般用和来表示。,控制系统中只要存在一处的信号脉冲序列或数码时，该系统即为离散系统。这种系统的状态和性能一般用,差分方程,来描述，实际物理系统中，信息的表现形式为离散信号的并不多见，往往是控制上的需要，将连续系统离散化，即采样。采样过程通常是通过采样开关把连续的模拟量变为脉冲序列，这样的系统一般又称为采样控制系统。,35,按输入量变化规律的功能分类,恒值控制系统： 如温度控制系统、调速系统等,随动控制系统： 如、函数记录仪、高射炮等,程序控制系统： 如数控机床、交通灯系统等,随动控制系统的主要特点是输入给定信号的变化规律是事先不能确定的,随机信号,，这类系统的任务是使输出快速、准确地跟随给定信号的变化而变化，故称作随动控制系统。,程序控制系统与随动控制系统不同之处就是它的给定输入不是随机不可知，而是按,事先预定,的规律变化。这类系统往往适用于特定的生产工艺或工业过程，按所需要的控制给定输入，要求输出按预定的规律变化。,36,1.,液位控制系统,图,1.6,（,a,）,是一个液位控制系统原理图。在这里，自动控制器通过比较实际液位与希望液位，并通过调整气动阀门的开度，对误差进行修正，从而保持液位不变。,图,1.6,（,b,）,是该控制系统的方块图。,1.6,自动控制系统示例,37,图,1.6,（,a,）,液位控制系统,38,控制器：比较、放大的作用,浮子：液面高度的反馈元件,Q2,为系统的干扰量,气动阀门：执行机构,被控对象：水箱,图,1.6,（,b,）,液位控制系统,39,希,望,液,位,实,际,液,肌,肉,、,手,阀,门,水,箱,眼,睛,（,I,I,I,）,相,对,应,的,人,工,操,纵,系,统,方,块,图,脑,40,2.,液位控制系统,控制阀,减速器,电动机,电位器,浮子,用水开关,Q,2,Q,1,c,i,f,SM,41,电动机速度控制系统,+,+,+,+,+,电压,放大,u,0,n,u,a,u,e,u,t,功率,放大,负载,SM,TG,3.,电动机速度,闭环,控制系统,42,4.,电动机速度,复合,控制系统,+,+,+,+,+,电压,放大,+,u,0,n,u,a,u,e,u,t,R,电压,放大,功率,放大,负载,SM,TG,43,1.7,自动控制理论的发展简史,人类对控制系统的基本原理（反馈）早有认识，并利用它创造许多装置。如,2000,年前，罗马人：水位控制系统（淋浴） ，神庙（开关门）英雄装置。中国能工巧匠（,技师、,工程师 、科学家 ）：张衡的地震方向测定仪，苏颂的水运仪象台。,1932,年，,Nyquist,提出了一种根据系统的开环频率响应,(,对稳态正弦输入,),，确定闭环系统稳定性的方法。,1868,年，英国,J.C,麦克斯韦首先解释了瓦特速度控制系统中出现的不稳定问题。,1892,年李雅普诺夫用严格的数学分析方法论述了稳定性问题，至今仍然是分析稳定性的重要方法。,1787,年，,James Watt,为控制蒸汽机速度设计的离心调节器，是自动控制领域的第一项重大成果。,44,从,1980,现在，智能控制理论集中于,3C,控制,系统,及其相关课题。,20,世纪,40,年代，频率响应法为闭环控制系统提供了一种可行方法，,Evans,提出并完善了根轨迹法。,1948,年，美国数学家,N.Wiener,出版,Cybernetics,是一个控制科学里程碑。,控制论,的副标题是关于人、动物及其通讯的科学。,20,世纪,50,年代末，控制系统设计问题的重点从设计许多可行系统中的一种系统，转到设计在某种意义上的最佳系统。,20,世纪,60,年代，数字计算机的出现为复杂系统的基于时域分析的现代控制理论提供了可能。,从,1960,1980,，确定性系统、随机系统的最佳控制，及复杂系统的自适应和学习控制，都得到充分的研究。,45,古典（经典）控制理论,（,17871960,）,主要解决单输入单输出定常控制系统分析设计问题。,主要采用传递函数、频率特性、根轨迹为基础的频域分析方法。,此阶段所研究的系统大多是线性定常系统，对非线性系统，分析时采用的相平面法一般也不超过两个变量，经典控制理论能够较好地解决生产过程中的单输入单输出问题。,这一时期的主要代表人物有伯德和伊文思。伯德于,1945,年提出了简便而实用的伯德图法。,1948,年，伊文思提出了直观而又形象的根轨迹法。,46,现代（近代）控制理论（,19601980,）,经典控制理论中的高阶常微分方程可转化为一阶微分方程组，用以描述系统的动态过程，即所谓状态空间法。,这种方法可以解决多输入多输出问题，系统既可以是线性的、定常的，也可以是非线性的、时变的。,系统具有高精度和高效能的特点。,这一时期的主要代表人物有庞特里亚金、贝尔曼（,Bellman,）及卡尔曼（,R.E.Kalman,，,1930,）等人。庞特里亚金于,1961,年发表了极大值原理；贝尔曼在,1957,年提出了动态规化原则；,1959,年，卡尔曼和布西发表了关于线性滤波器和估计器的论文，即所谓著名的卡尔曼滤波。,47,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。是控制理论在深度上的挖掘。,智能控制是研究与模拟人类智能活动及其控制与信息传递过程的规律，研究具有某些仿人智能的工程控制与信息处理系统。,管理和控制一体化,:,计算机集成制造系统，复杂控制系统。,48,1,.,8,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,49,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,50,本课程的主要任务是用,1.,时域法,2.,根轨迹法,3.,频率分析法,来研究古典控制理论中的以下问题,1.,稳定性,2.,动态过程,3.,稳态误差,作业：,1.1 1.2,51,52,53,