自动控制原理高国燊ch1课件

自动控制原理与其它课程的关系,微积分,电机与拖动,模拟电子技术,电路分析,信号与系统,复变函数与积分变换,大学物理,（力学、热力学）,自动控制原理,各类控制系统课程,1.胡寿松，自动控制原理(第4版)，科学出版社,2.涂植英，自动控制原理(第二版)，重庆大学出版社,4.孙亮，自动控制原理，北京工业大学出版社,参考书,主要教学环节,1.课堂教学,认真听课，积极思考，主动学习，理解基本概念、基本理论，掌握分析、设计简单自动控制系统的方法、技巧。,2.课后自学、独立完成作业,培养自学能力和分析与处理问题的能力。,考试方式：闭卷,总成绩=平时成绩30+期末成绩70%,考试方式及成绩评定,第一章 绪论,1.1 引言,1.2 自动控制的基本概念,1.3 自动控制系统的组成,1.4 自动控制系统的分类,1.6 对自动控制系统的基本要求及本课程的研究内容,1.1 引言,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)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，利用控制装置使被控对象自动地按照预定的规律运行。,锅炉设备的压力和温度自动保持恒定；,数控机床按照预定的程序自动地切削工件；,导弹发射与制导系统，自动地使导弹攻击敌方目标；,无人驾驶飞机能按预定轨道自动飞行；,人造地球卫星能够发射到预定轨道并能准确回收；,人造地球卫星,无人驾驶飞机,雷达技术,制导导弹,二、,自动控制理论的发展,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船用自动驾驶仪、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。,两千年前我国发明的,指南车,，就是一种开环自动调节系统。,公元,1086-1092,年,(,北宋,),，我国发明的,水运仪象台,，就是一种闭环自动调节系统。水运仪象台是集观测天象的浑仪、演示天象的浑象、计量时间的漏刻和报告时刻的机械装置于一体的大型综合性观测仪器。,随着科学技术与工业生产的发展，到,十八世纪,，自动控制技术逐渐应用到现代工业中。,1765,年,瓦特,(,J.Watt,),发明蒸汽机，,1788,年,瓦特,利用反馈原理发明蒸汽机用的离心调速器。,1868,年,马克斯威尔,(,),发表,论调节器,，提出了低阶系统的稳定性代数判据，,解决了蒸汽机调速系统中出现的剧烈振荡的不稳定问题。,1877,年,劳斯,(,Routh,),、,1895,年,赫尔维茨,(Hurwitz),把马克斯韦尔的思想扩展到高阶微分方程描述的更复杂的系统中，分别独立地提出了两个著名的稳定性判据,劳斯判据,和,赫尔维茨判据,，基本上满足了二十世纪初期控制工程师的需要。,赫尔维茨(Hurwitz),由于第二次世界大战需要控制系统具有准确跟踪与补偿能力，,1932,年,奈,魁,斯特,(,H.Nyquist,),提出了频域内研究系统的,频率响应法,，为具有高质量的动态品质和静态准确度的军用控制系统提供了所需的分析工具。,奈,魁,斯特(H.Nyquist),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,伊文思,(,),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、,根轨迹法、频率特性法,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60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。,五十年代后期，,贝尔曼,(Bellman),等人提出了状态分析法，在,1957,年提出了动态规划。,1960,年,卡尔曼,(,Kalman,),成功地应用了状态空间法，提出了可控性和可观测性的新概念。,卡尔曼,1965,年,罗森布洛克,(,),提出了寻求最优控制的动态规划方法。,1961,年,庞特里亚金,(,俄国人,),证明了最优控制中的极大值原理。,庞特里亚金(L.S.Pontryagin),与此同时，关于,系统辨识,、,最优控制,、,离散时间系统,和,自适应控制,的发展大大丰富了现代控制理论的内容，形成若干分支。,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：时域法,1.2 自动控制的基本概念,一、人工控制与自动控制,人工控制的恒值水位系统,水池,进水,出水,实际水位,要求水位,阀门,被控对象,-,水池,被控量,-,水池中的水位,简单的水位自动控制系统,水池,出水,浮子,连杆,进水阀,二、,控制系统的两种基本形式,1.,开环控制系统,输入量,被控对象,输出量,控制器,特点：,(1),只有正向作用，没有反馈作用；,(2),结构简单，,成本低，调试方便；,(3),抗干扰能力差，控制精度不高。,应用：自动售货机、自动洗衣机、自动流水线、包装机等,直流电动机转速开环控制系统,+,电压,放大器,功率,放大器,+,-,+,-,+,-,+,-,+,E,R,W,u,r,u,a,M,C,n,电动机,负载,给定量,u,r,电压,放大器,功率,放大器,输出量,n,(对象),直流,电动机,M,C,干扰,(控制装置),u,a,2.闭环控制系统,特点：,(1),既有正向作用，又有反馈控制；,(2),系统具有纠正偏差的能力；,(3),具有较高的控制精度和较强的抗干扰能力；,(4),包含元件多，结构复杂，成本相对较高。,输入量,被控对象,输出量,控制器,测量元件,+,-,偏差量,反馈量,直流电动机转速闭环控制系统,+,电压,放大器,功率,放大器,+,-,+,-,+,-,+,-,+,E,R,W,u,r,u,a,M,C,n,电动机,负载,u,f,+,-,+,-,u,1,u,e,测速发电机,开环与闭环,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,。,开环闭环复合控制系统,(,兼有两者的优点，精度很高,),三、自动控制系统的特征和定义,特征：,1.必须要有,负反馈,；,2.由,偏差,产生控制作用；,3.控制的作用是使被控量尽量接近期望值。,自动控制系统：,为实现某种自动控制，需要把一些相互关联的部件按一定的模式组合起来，构成一个系统，来实现自动控制。,1.3 自动控制系统的组成,一、基本组成,串联,校正元件,放大,元件,执行,元件,并联,校正元件,反馈元件,输出,r,(,t,),c,(,t,),输入,信号,+,+,偏差,信号,e,主反馈信号,测量反馈元件,主反馈,局部反馈,比较,元件,扰动,控制对象,基本元部件,测量反馈元件：,测量被控制量并将其转换成与输入相同的物理量后，再反馈到输入端以作比较。,测速发电机、电位器、热电偶,比较元件：,用来比较输入信号与反馈信号，并产生反映两者差值的偏差信号。,差动放大器、机械差动装置、电桥电路,放大元件：,将微弱的信号作线性放大，用来推动执行元件去控制被控对象。,电压放大级、功率放大级,执行元件：,根据偏差信号的性质执行相应的控制作用，以便被使被控量按期望值变化。,阀、电动机、液压马达,校正环节：,用于改善系统性能，校正环节可加于偏差信号与输出信号之间的通道内，也可加于某一局部反馈通道内。,由电阻、电容组成的无源或有源网络,控制对象：,生产过程中需要进行控制的工作机械或生产过程。,被控量：,出现于被控对象中需要控制的物理量。,二、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：,参考输入、给定值、期望值,输出信号：,被控制量,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：,参考输入与主反馈之差。,误差信号：,输出量的实际值与期望值之差。,在单位反馈下：误差信号偏差信号,扰动信号：,一种对系统的输出产生不利影响的信号。,1.4 自动控制系统的分类,一、按参考输入信号分,1.,恒值控制系统,-,输入信号为,常数,(,恒值,),如温度、流量、,液位、,压力控制,t,r,(t),2.,程序控制系统,-,输入信号为预知的随时间变化函数,如数控机床、热处理炉温控制,3.,随动控制系统,(,伺服系统,),-,输入信号是未知的随时间变化任意函数,如火炮控制、雷达天线控制,二、,按系统数学性质分,1.线性系统,-,可用线性微分方程(差分方程)描述。,2.非线性系统,-,需,用非线性微分方程(或差分方程)描述。,三、,按系统传递的信号分,1.,连续系统,2.,离散系统,四、,按时间信号分,1.,定常系统,2.时变,系统,1.6 对自动控制系统的基本要求及本课程的研究内容,1.,“,稳,”定性(stability),-,基本要求,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，通常由系统的结构决定与外界因素无关。,一、基本要求,C(,),C(t),t,0,1,3,2,1-衰减振荡,2-等幅振荡,3-发散,2.,“,快,”速性(rapidness),-,动态要求,对过渡过程的形式和快慢提出要求，,一般来说，都希望系统的快速性要好。,C(,),C(t),t,0,1,3,2,