《控制系统理论基础》PPT课件.pptx

一、自动控制系统的发展历史二、自动控制系统的工作原理三、对控制系统的要求四、自动控制系统的分类,第五章,一、自动控制系统的发展历史,自动控制的基本概念,现代科学技术中的自动控制技术得到了广泛的应用,航天器,工业控制,机器人,家用电器,自动控制的特征：,通过对各类机器、各种物理参量、工业生产过程等的控制直接造福于社会。,自动控制：,在无人直接参与下，利用控制装置操纵受控对象，使受控对象的被控量按给定信号变化规律去变化。,自动控制示意图,控制器,给定值,被控量,自动控制系统,控制装置:,受控对象:,机器、设备、生产过程等,控制器、检测元件等,下面通过一些实例来说明自动控制和自动控制系统的基本概念,一、自动控制系统的发展历史,自动控制的基本概念,例水温人工控制系统,受控对象:水箱,热传导器件,系统的构成：,被控制量:水温,阀门,显示仪表,蒸汽,排水,冷水,热水,工作过程：,蒸汽通过热传导器件把热量传递给水,水的温度与蒸汽的流量成正比.,手动调节阀门的开度，从而调节蒸汽的流量,来控制水的温度.,但人工难以实现稳定的高质量控制.,一、自动控制系统的发展历史,自动控制的基本概念,例水温自动控制系统,系统中增加了：,控制器,电机,加入给定信号,工作原理：,检测实际温度,产生控制信号,通过电机调节阀门的开度,从而调节蒸汽流入，控制水的温度.实现没有人直接参入的自动水温控制.,一、自动控制系统的发展历史,自动控制的基本概念,为了方便地分析系统性能，一般用框图来表示系统的结构，水温自动控制系统可用框图表示为：,要使自动控制系统满足工程实际的需要,必须研究自动控制系统的结构参数与系统性能之间的关系。,实际温度,偏差,反馈量,预期温度,_,一、自动控制系统的发展历史,自动控制的基本概念,杆杠长度,例液位自动控制系统,h,水箱,杆杠,浮球,阀门,进水,系统组成：,出水,被控制量：,水位高度,工作原理：,调节杠杆长度L，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,一、自动控制系统的发展历史,自动控制的基本概念,系统结构框图,浮球,hr(s),h(t),阀门,水箱,L,h,一、自动控制系统的发展历史,控制理论的产生和发展要分为以下几个发展阶段：经典控制理论阶段现代控制理论阶段鲁棒控制理论阶段,一、自动控制系统的发展历史,1.经典（自动）控制理论,它的发展大致经历了萌芽、起步、发展、标志等几个过程。,萌芽阶段早在两千年前中国就有了自动控制技术的萌芽。,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10861089年（北宋哲宗元祐初年），我国发明的水运仪象台就是一种闭环自动调节系统。,一、自动控制系统的发展历史,1.经典控制理论,起步阶段,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。其中最卓越的代表是瓦特发明的蒸汽机离心调速器，加速了第一次工业革命的步伐。,一、自动控制系统的发展历史,1.经典控制理论,发展阶段,1868年马克斯韦尔解决了蒸汽机调速系统中出现的剧烈振荡的不稳定问题，提出了简单的稳定性代数判据。,1895年劳斯（Routh）与赫尔维茨（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,各自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。,一、自动控制系统的发展历史,1.经典控制理论,发展阶段,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年奈奎斯特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。,1948年伊万斯提出了复数域内研究系统的根轨迹法。建立在奈奎斯特的频率响应法和伊万斯的根轨迹法基础上的理论，称为经典（古典）控制理论（或自动控制理论）。,一、自动控制系统的发展历史,1.经典控制理论,标志阶段,1947年控制论的奠基人美国数学家韦纳把控制论引起的自动化同第二次产业革命联系起来，并与1948年出版了控制论关于在动物和机器中控制与通讯的科学，书中论述了控制理论的一般方法，推广了反馈的概念，为控制理论这门学科奠定了基础。,我国著名科学家钱学森将控制理论应用于工程实践，并与1954年出版了工程控制论。,一、自动控制系统的发展历史,1.经典控制理论,从四十年代到五十年代末，经典控制理论的发展与应用使整个世界的科学水平出现了巨大的飞跃，几乎在工业、农业、交通运输及国防建设的各个领域都广泛采用了自动化控制技术。（可以说工业革命和战争促使了经典控制理论的发展）。,一、自动控制系统的发展历史,2.现代控制理论,科学技术的发展不仅需要迅速地发展控制理论，而且也给现代控制理论的发展准备了两个重要的条件现代数学和数字计算机。现代数学，例如泛函分析、现代代数等，为现代控制理论提供了多种多样的分析工具；而数字计算机为现代控制理论发展提供了应用的平台。在二十世纪五十年代末开始，随着计算机的飞速发展，推动了核能技术、空间技术的发展，从而对出现的多输入多输出系统、非线性系统和时变系统。,一、自动控制系统的发展历史,2.现代控制理论,五十年代后期，贝尔曼等人提出了状态分析法；在1957年提出了动态规划。,1959年卡尔曼和布西创建了卡尔曼滤波理论；1960年在控制系统的研究中成功地应用了状态空间法，并提出了可控性和可观测性的新概念。,一、自动控制系统的发展历史,2.现代控制理论,罗森布洛克、欧文斯和麦克法轮研究了使用于计算机辅助控制系统设计的现代频域法理论，将经典控制理论传递函数的概念推广到多变量系统，并探讨了传递函数矩阵与状态方程之间的等价转换关系，为进一步建立统一的线性系统理论奠定了基础,1961年庞特里亚金（俄国人）提出了极小（大）值原理。,一、自动控制系统的发展历史,2.现代控制理论,20世纪70年代奥斯特隆姆（瑞典）和朗道（法国）在自适应控制理论和应用方面作出了贡献。,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。,朗道,一、自动控制系统的发展历史,2.现代控制理论,现代控制理论与经典控制理论的差异,一、自动控制系统的发展历史,3.鲁棒控制理论,由于现代数学的发展，结合着H2和H等范数而出现了H2和H控制，还有逆系统控制等方法。20世纪70年代末，控制理论向着“大系统理论”、“智能控制理论”和“复杂系统理论”的方向发展：,一、自动控制系统的发展历史,3.鲁棒控制理论,大系统理论：用控制和信息的观点，研究各种大系的结构方案、总体设计中的分解方法和协调等问题的技术基础理论。,一、自动控制系统的发展历史,3.鲁棒控制理论,智能控制理论：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，研制具有某些拟人智能的工程控制与信息处理系统的理论。,洗衣机智能模糊控制,机器人神经网络控制,一、自动控制系统的发展历史,3.鲁棒控制理论,复杂系统理论：把系统的研究拓广到开放复杂巨系统的范筹，以解决复杂系统的控制为目标。,回顾控制理论的发展历程可以看出，它的发展过程反映了人类由机械化时代进入电气化时代，并走向自动化、信息化、智能化时代。,复杂航天器控制,二、自动控制系统的工作原理,1开环控制,有顺向作用而无反向联系.,不同的被控对象和不同的控制装置构成了不同的控制系统，所以自动控制系统的种类是很多的。自动控制系统一般有两种基本控制方式.,开环控制,控制装置与受控对象之间只,二、自动控制系统的工作原理,例转台速度开环控制系统,转台,电机,电源和放大装置,速度设置,系统组成：,由图可见：,速度设置信号通过功率放大以后，提供给电动机驱动电源，电动机带动转台旋转。,由于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。,系统结构图:,给定速度,实际转速,这种转台在CD机、计算机磁盘驱动器等许多现代装置中广泛应用.,开环控制的特点：,结构和控制简单，抗扰能力差，控制精度低，一般用于对控制性能要求不高的场合。,二、自动控制系统的工作原理,2闭环控制,闭环控制:,闭环控制又称为反馈控制或按偏差控制。,控制装置与受控对象之间，不但有顺向作用，还有反向联系。,例转台速度闭环控制系统,系统中增加了测速发电机作为反馈装置,测出电动机的速度反馈给控制器。,与给定信号比较产生偏差电压，经过功率放大后对电动机的速度进行闭环控制.,当速度受扰动发生变化时，偏差电压也随之变化，通过闭环调节能消除干扰。,系统结构图,测速机,偏差,预期速度,实际转速,_,二、自动控制系统的工作原理,放大装置,例位置随动系统,环型电位器,电机,电源,齿轮,系统组成：,负载,输入,r,输出,c,工作过程：,r=c,Ud=0,Ud,rc,Ud0,电动机带动齿轮转动,调节c,使r=c,电动机静止,系统结构图,r,_,m,c,ue,ud,二、自动控制系统的工作原理,例直流调速系统,直流电机,测速发电机,电源和控制装置,负载,系统组成：,Un,Uf,输入,反馈电压,e=Un-Uf,转速取决于：,n,输出,电枢电压,Ud,Ud=Ke,当干扰引起转速变化时，系统自动调整：,n,Uf,e,Ud,n,系统结构图,un,uf,e,ud,n,_,二、自动控制系统的工作原理,（3）能减小或消除由扰动形成的偏差，具有较高的控制精度和较强的抗扰能力。,通过以上的实例分析可得出闭环控制系统具有的特点：,（1）系统的控制信号是给定值与反馈量的差值，故称为按偏差控制或反馈控制。,（2）闭环系统有两种传输通道：前向通道和反馈通道。,自动控制原理中主要讨论闭环控制系统。,二、自动控制系统的工作原理,3复合控制,测量出外部作用，形成与外部作用相反的控制量与外部作用共同使被控量基本不受影响。,前馈补偿控制,复合控制具有两种基本形式.,前馈补偿控制：,复合控制：,反馈控制,+,在外部作用下，由系统被控制量的变化产生调节和控制作用。,反馈控制：,二、自动控制系统的工作原理,(a)按输入前馈补偿的复合控制,给定值,被控制量,_,前馈补偿控制,反馈控制,主通道,二、自动控制系统的工作原理,(b)按扰动前馈补偿的复合控制,给定值,被控制量,_,前馈补偿控制,反馈控制,主通道,扰动,三、对控制系统的要求,常见的评价系统优劣的性能指标是从动态过程中定义出来的。对系统性能的基本要求有三个方面。,2、快速性,1、稳定性,3、准确性,三、对控制系统的要求,系统受外作用力后,其动态过程的振荡倾向和系统恢复平衡的能力。,1、稳定性,稳定性：,系统受外作用力经过一段时间，其被控量达到某一稳定状态，则系统是稳定的。,否则为不稳定的。,r(t),c(t),不稳定的系统是无法正常工作的。,扰动信号作用下的不稳定系统:,c(t),d(t),一个能在生产实际中应用的系统,不仅应具有稳定性,而且在动态过程中的震荡也不能过于强烈.,三、对控制系统的要求,通过动态过程时间长短表征快速性。,2、快速性,r(t),c1(t),c2(t),快速性表明了系统输出对输入响应的快慢程度,过渡过程时间越短，表明快速性越好。,反之亦然。,t1,t2,三、对控制系统的要求,由输入给定值与输出响应的终值之间的差值ess大小表征。,3、准确性,ess,它反映了系统的稳态精度。若系统最终的误差为零，则称为无差系统，否则为有差系统。,c(t),r(t),三、对控制系统的要求,稳定性、快速性和准确性往往是互相制约的。在设计与调试的过程中,若过分强调某方面的性能,则可能会使其他方面的性能受到影响.,怎样根据工作任务的不同,分析和设计自动控制系统，使其对三方面的性能有所侧重，并兼顾其它是自控原理要解决的问题。,四、自动控制系统的分类,1、线性系统和非线性系统,自动控制系统的分类方法较多，常见的有以下几种：,由线性微分方程或线性差分方程所描述的系统。,由非线性方程描述的系统。,线性系统：,非线性系统：,四、自动控制系统的分类,2、定常系统和时变系统,定常系统:,若系统微分方程的系数为常数，则称之为线性定常系统。此类系统为主要讨论对象。,系统数学模型微分方程的系数不是时间变量的函数。,否则称为时变系统。,四、自动控制系统的分类,3、连续系统和离散系统,连续系统：,系统中各部分的信号都是时间的连续函数即模拟量。,离散系统：,系统中有一处或多处信号为时间的离散函数，如脉冲或数码信号。,若系统中既有模拟量也有离散信号，则又可称之为采样系统。,四、自动控制系统的分类,4、恒值系统、随动系统和程序控制系统,系统的给定值为一定值，而控制任务就是克服扰动，使被控量保持恒值。,例如：电机速度控制、恒温、恒压、水位控制系统等。,恒值系统：,四、自动控制系统的分类,随动系统：,系统给定值按照事先不知道的时间函数变化，并要求被控量跟随给定值变化。,如：火炮自动跟踪系统、轮舵位置控制系统等。,四、自动控制系统的分类,程序控制系统：,系统的给定值按照一定的时间函数变化，并要求被控量随之变化。,例如：,机械手,四、自动控制系统的分类,自动化生产线：,