yi第1章自动控制原理的一般概念.ppt

物理与电子工程学院丁红联系方式：13220935992E-mail:dinghongshuang,自动控制原理,自动控制原理,前言第一章自动控制的一般概念第二章控制系统的数学模型第三章线性系统的时域分析法第四章线性系统的根轨迹法第五章线性系统的频域分析法第六章线性系统的校正法第七章离散系统的分析与校正,课程的性质和特点,自动控制是一门技术学科，从方法论的角度来研究系统的建立、分析与设计。自动控制原理是本学科的技术基础课，（1）自动控制理论的基础课程，该课程与其它课程的关系。,（2）自动控制理论已经发展为理论严密、系统完整、逻辑性很强的一门学科。从基本反馈控制原理发展到：自适应控制、优化控制、鲁棒控制、大系统控制、智能控制,讨论的对象：因果系统、工程系统系统的广义性：经济、社会、工程、生物、环境、医学课程特点：研究系统的共性问题,(3)历史的回顾,18世纪，JamesWatt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。1922年，Minorsky研制出船舶操纵自动控制器，并证明了从系统的微分方程确定系统的稳定性的方法。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。1934年，Hezen提出了用于位置控制系统的伺服机构的概念，讨论了可以精确跟踪变化的输入信号的机电伺服机构。,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。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。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年到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。从1980年到现在，现代控制理论进展集中于鲁棒控制、H控制及其相关课题。,古典控制理论以传递函数为基础研究单输入-单输出一类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。,现代控制以状态空间法为基础，研究多输入-多输出、时变、非线性一类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。,(4)古典控制理论现代控制,第一章自动控制的一般概念,1-1自动控制的基本原理1-2自动控制系统示例1-3自动控制系统分类1-4对自动控制系统的基本要求,第1章自动控制的一般概念,1-1自动控制的基本原理例1温度控制系统；例2二级倒立摆控制人工控制与自动控制：水箱水位控制问题,人工控制：眼、脑、手、水箱+阀门,下图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。下图是该控制系统的方框图。试画出相应的人工操纵液位控制系统方块图。,例题1-1,龙门刨床速度控制系统,n,要求：工件加工过程中不允许刨床速度波动过大措施：利用速度反馈对刨床速度进行自动控制龙门刨床速度控制系统原理图,龙门刨床速度控制系统原理：（详见P3图1-2）系统基本部件及功能：主（拖动）电动机SM输入：电枢端电压ua输出：电动机速度n测速发电机TG+电位器输入：n输出：ut触发器CF+晶闸管整流器KZ输入：uk输出：ua,给定电位器输出：uo放大器FD输入：工作原理：设直流电动机SM的励磁恒定、外部负载Mt系统方框图,1自动控制在无人直接参与的情况下，通过控制器使被控对象或过程自动地按照预定要求进行。,2对象是一个设备，它是由一些机器零件有机地组合在一起的，其作用是完成一个特定的动作。在下面的讨论中，称任何被控物体（如加热炉、化学反应器或宇宙飞船）为对象。,3过程称任何被控制的运行状态为过程，其具体例子如化学过程、经济学过程、生物学过程。,4系统完成一定任务的一些元、部件的组合。,一、反馈控制原理,5扰动,6反馈控制,扰动是一种对系统的输出产生不利影响的信号。如果扰动产生在系统内部称为内扰；扰动产生在系统外部，则称为外扰。外扰是系统的输入量。,反馈控制是这样一种控制过程，它能够在存在扰动的情况下，力图减小系统的输出量与参考输入量（也称参据量）（或者任意变化的希望的状态）之间的偏差，而且其工作正是基于这一偏差基础之上的。,反馈：将输出量通过一定的方式送回到输入端，并与输入信号比较产生偏差信号过程称为反馈负反馈：输入信号反馈信号（输出信号）输出偏差减小正反馈：输入信号+反馈信号,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，诸如经济学和生物学中，也存在着反馈控制系统。,7反馈控制系统,随动系统是一种反馈控制系统，在这种系统中，输出量是机械位移、速度或者加速度。因此，随动系统这个术语，与位置（或速度或加速度）控制系统是同义语。在现代工业中，广泛采用着随动系统。,8随动系统,9过程控制,在工业生产过程中，诸如对压力、温度、湿度、流量、频率以及原料、燃料成分比例等方面的控制，称为过程控制。,二、反馈控制系统的基本组成,反馈控制系统：被控对象、控制装置控制装置：由具有一定职能的各种基本元件（部件）组成。测量元件、给定元件、比较元件放大元件、执行元件、校正元件,测量元件：其职能是测量被控制的物理量;给定元件：其职能是给出与期望的被控量相对应的系统输入量（即参据量）。比较元件：把测量元件检测的被控量实际值与给定元件给出的参据量进行比较，求出它们之间的偏差。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。执行元件：直接推动被控对象，使其被控量发生变化。校正元件：亦称补偿元件，它是结构或参数便于调整的元件，用串联或反馈的方式连接在系统中，以改善系统性能。,一些基本概念,前向通路：从输入端沿箭头方向到输出端的传输通路主反馈通路：输出经过测量元件到达输入端的通路主回路：前向通路+主反馈通路内回路：局部前向通路+局部反馈通路单回路系统、多回路系统反馈控制系统受到的外部作用参考（有用）输入：决定系统被控量的变化规律扰动：系统外部扰动、系统内部扰动,三、自动控制系统的基本控制方式,反馈控制方式（闭环控制系统）：按偏差进行控制，较高的动静态控制性能；结构、线路复杂，系统分析与设计较复杂，可以抑制内、外扰动对被控制量产生的影响。开环控制（顺序控制）：系统输出量对系统的输入量不产生影响，结构简单、调整方便、成本低，没有反向的联系，没有修正偏差能力，抗扰动性较差。按给定量控制如龙门刨床速度控制系统将测速发电机的输出断开，调节CF的输入电压来调节电机速度按扰动量控制利用可测量的扰动量，产生补偿作用,复合控制方式：（1）按偏差控制+按扰动补偿控制（2）按偏差控制+按给定补偿控制,电压放大,电压放大,功率放大,SM,TG,负载,其它新控制方式：最优控制、预测控制、自适应控制、模糊控制、神经网络控制等。,1-2自动控制系统示例,函数记录仪飞机-自动驾驶仪系统电阻炉微机温度控制系统飞行模拟器的视景系统,炉温控制系统方框图,炉温控制系统方框图,液位控制系统,控制器,减速器,电动机,电位器,浮子,用水开关,Q2,Q1,c,if,SM,1-3自动控制系统分类,分类方法按控制方式：开环控制、闭环控制、复合控制按元件类型：机械系统、电气系统、机电系统、液压系统、气动系统、生物系统等。按系统功能：温度、压力、位置按系统性能：线性与非线性、连续与离散、定常与时变按参考量变化规律：恒值、随动、程序控制,一、线性连续控制系统,由系数判定线性时变系统、线性定常系统线性定常系统根据参考输入量又可分为：恒值控制系统、随动系统、程序控制系统,系统主要特点：,（1）恒值控制系统参考输入是个常值，要求被控量也等于常值。外部扰动的存在，被控量偏离参考量而出现偏差，控制系统根据偏差产生控制作用，以克服扰动的影响，使被控量恢复到给定的常值。（2）随动系统参考输入是预先未知的随时间任意变化的函数，要求被控量以尽可能小的误差跟随参考输入量变化。,（3）程序控制系统参考输入是按预定规律随时间变化的函数，要求被控量迅速、准确地复现。,线性定常离散系统,二、非线性控制系统,非线性系统的线性化,1-4对自动控制系统的基本要求,1.对自动控制系统基本要求稳定性（稳）、快速性（快）、准确性（准）“稳”与“快”是说明系统动态（过渡过程）品质。系统的过渡过程产生的原因：系统中储能元件的能量不可能突变。“准”是说明系统的稳态（静态）品质,稳定性是保证控制系统正常工作的先决条件线性控制系统的稳定性由系统本身的结构与参数所决定的，与外部条件无关。快速性是系统在稳定的条件下，衡量系统过渡过程的形式和快慢，通常称为“系统动态性能”。过渡过程时间、超调量准确性是在系统过渡过程结束后，衡量系统输出（被控量）达到的稳态值与系统输出期望值之间的接近程度。稳态误差,2.典型外部输入信号,（1）阶跃函数（信号）（2）斜坡函数（信号）（3）脉冲函数（信号）（4）正弦函数（信号）,