自动控制理论邹伯敏第三版第一章课件.ppt

主讲 段纳503A要求 课程安排 72学时 理论课 64学时 经典控制理论 1 6章 现代控制理论 9章 实验 8学时 典型环节及其阶跃响应 2学时 二阶系统阶跃响应 2学时 系统频率特性测量 2学时 连续系统串联超前校正 2学时 第一章绪论 1 1引言1 2自动控制系统的一般概念1 3开环控制与闭环控制1 4自动控制系统的分类1 5自动控制系统的性能指标及本课程的研究内容本章小结 自动控制理论是自动化学科的重要理论基础 是研究自动控制系统共同规律的技术科学 专门研究自动控制系统的基本原理和基本方法 1 1引言 在现代科学技术的众多领域中 自动控制技术起着越来越重要的作用 自动控制技术给人们提供了获得动态系统最佳性能的方法 从普通的工业生产到尖端的国防科技 到处都有自动控制技术大显身手的空间 它使得无数高难度的 复杂的 高精度的控制成为可能 1 自动控制技术应用于军事 航天领域 火炮 雷达自动跟踪目标 人造卫星 宇宙飞船的发射与回收 导弹的精确制导 无人驾驶飞机的飞行控制等 一 应用 2 自动控制技术应用于民用领域 工业生产过程控制等 电机转速控制 锅炉的温度和压力控制 电压自动稳定控制 机器人控制 二 自动控制理论发展简介1 萌芽 18世纪第一次技术革命 机械化 时域分析 俄国人波尔佐诺夫发明锅炉水位调节器 英国人瓦特发明蒸汽机离心飞锤式调速器 萌生了自动控制的基本原理 1877年 劳斯 1895年 赫维茨分别提出了系统稳定的代数判据 19世纪末 2 奠定基础 20世纪 经典控制论 30 40年代 奈奎斯特提出系统稳定性的频率判据奈氏图 奈氏判据 从时域分析转到频域分析 1940年 博德在频率法中引入对数坐标系 博德图 1942年 哈里斯引入传递函数概念 1948年 伊万恩提出根轨迹分析方法 1949年 英国人维纳在火炮控制中发现了反馈的概念 出版了 控制 关于在动物和机器中控制和通讯的科学 奠定了控制论的基础50年代中期 添加了非线性系统理论和离散控制理论 形成了完整的理论体系 3 发展迅速渗透到许多学科 应用于火炮 导弹控制系统 数控 电力 冶金钱学森 1954年首创 工程控制论 推广到其它领域 生物控制论 生命系统经济控制论 经济运行与发展问题社会控制论 社会管理与社会服务问题状态空间法被引入到控制理论中 Kalman提出了能控性 能观性 是现代控制理论的重要标志 三 分类1 经典控制理论40 50年代以传递函数为基础 研究单输入 单输出系统的分析和设计 针对线性定常系统 主要研究方法有时域分析法 根轨迹法和频率特性法 2 现代控制理论60 70年代以矩阵理论等近代数学方法作为工具 主要研究方法是状态空间法 把高阶常微分方程转化为一阶常微分方程组来描述系统 解决多输入多输出的问题 可处理多变量 非线性 时变系统 3 70年代至今巨大发展最优控制 系统辨识 多变量控制 自适应控制 专家系统 人工智能 神经网络控制 模糊控制 大系统理论等等 1 2自动控制系统的基本概念 一 自动控制概念 自动控制是在人不直接参与的情况下 利用外加设备或装置 称为控制器 使生产过程 机器 设备等 称为被控对象 自动地按照预定的规律运行 使被控对象的一个或多个物理参数 如温度 流量等 称为被控量 能够自动地在一定的精度范围内 按照给定的规律变化 把实现自动控制所需的各个部件按一定得规律组合起来 去控制被控对象 这个组合体为控制系统 1 人工控制与自动控制 图1 1水池液面控制系统 图1 2液面人工控制系统的方框图 液面人工控制系统的方框图如图1 2所示 自动控制 图1 3 水池水位的自动控制系统示意图 图1 3液面自动控制系统 被控对象 水池测量元件 浮子比较机构 浮子的希望位置与实际位置之差放大机构 提高系统的控制精度执行元件 驱动被控对象 以改变被控制的量 液位控制系统由以下五部分组成 1 必须给定水位要求值 需要水位给定元件 2 必须测量实际水位 需要测量元件 3 必须比较实际水位与要求水位 需要比较元件 4 必须产生控制策略 驱动执行元件 需要放大元件 5 必须操纵阀门 需要执行元件 6 必须有被控对象 即水箱中的水 被控量为水箱水位 7 反馈环节 闭环系统中 包括检测 分压 滤波 2 自动控制系统的组成 信号线 带箭号的线段 表示信号流通的途径和方向 为了清楚地表示控制系统的组成及各组成部分之间信号的传输关系 画出的控制系统元件作用图称为系统方框图 框图 功能框 信号线 引出点和比较点组成 比较点 相加点 表示两个或两个以上的信号在该处进行代数运算 要注明输入信号的极性 功能框 框内为系统中相对独立部件的名称或功能函数 引出点 表示信号的引出 从同一信号线上取出的信号 其大小和性质相同 液面自动控制系统的方框图 液位自动控制系统可用下图来表示 液面自动控制系统的方框图 液位自动控制系统可用下图来表示 自动控制系统的基本组成部分 输入量 1 输入信号 指给定装置输出的给定信号 又称为参考输入或给定量 r t 3 自动控制系统中信号的定义 2 输出信号 被控量 指控制系统中被控制的物理量 c t 3 反馈信号 将系统 或环节 的输出信号经变换 处理后送到系统 或环节 的输入端的信号 b t 5 扰动信号 除控制信号以外 对系统的输出有影响的信号 有内外扰动之分 噪声d t 4 误差信号 参考输入与主反馈信号之差 e t r t b t 6 中间变量 各环节的作用量 1 3开环控制和闭环控制 通过某种装置将能反映输出量的信号引回去影响控制信号 这种作用称为 反馈 feedback 作用 从信号传送的特点或系统的结构形式 可将控制系统分为开环控制系统 没有反馈环节的系统 与闭环控制系统 有反馈环节的系统 两大类 一 开环控制 open loopcontrolsystem 定义 如果系统的输出量没有与参考输入相比较 即系统的输出与输入间不存在着反馈的通道 这种控制方式叫开环控制 结构如图所示 优点 结构简单 成本低 只要被控对象稳定 系统就能稳定的工作 稳定性好 缺点 当被控对象或控制装置受到干扰 或系统参数发生变化时 会直接影响被控量 系统对此无能为力 应用场合 输出量无法测量 对控制精度要求不高且干扰影响较小 或这些扰动因素可以预先确定并能给予补偿 二 闭环控制系统 closed loopcontrolsystem 定义 把系统的控制量反馈到它的输入端 并与参考输入相比较 这种控制方式叫做闭环控制 又称为反馈控制 相应的系统称为闭环控制系统 缺点 闭环系统的结构比较复杂 构造比较困难 成本提高 存在着稳定性问题 优点 能自动消除或消弱干扰信号对控制量的影响 具有很强的纠偏能力 具有良好的抗干扰能力 自动控制原理研究在扰动存在并考虑参数变化的条件下 闭环系统的性能分析和系统设计问题 1 4自动控制系统的分类 开环控制系统闭环控制系统 二 按输入量的特征分类 1 恒值控制系统 定值调节系统或自动镇定系统 特点 系统的参考输入量为恒量 并且要求系统的输出量相应的保持恒定 例如 恒温控制系统 一 按信号流向划分 2 随动系统 又称为伺服系统 特点 系统输入量是预先未知的 随时间任意变化的函数 要求系统被控量以尽可能小的误差跟随给定值的变化 三 按描述元件的动态方程分类 1 线性系统 组成系统的全部元件都是线性元件 它们的输入输出静态特性均为线性特性 其运动方程能用线性常微分方程描述 主要特点是具有叠加性和齐次性 2 非线性系统 含有一个或多个非线性元件 其运动方程用非线性微分方程描述 四 按系统的参数是否随时间而变化分类 1 定常系统 时不变系统 系统中的参数不随时间变化 2 时变系统 系统中有的参数是时间t的函数 输出响应波形不仅与输入波形有关还与加入的时刻有关 五 按信号的传递是否连续分1 连续系统 该类系统各环节间的信号均为时间t的连续函数 2 离散系统 该类系统在信号传递过程中有一处或多处的信号是脉冲序列或数字编码 数字控制系统 采样系统为离散系统 离散信号 离散信号 1 6自动控制系统的性能指标及本课程的研究内容 一 自动控制系统的性能指标 稳定性 稳态性能和动态性能 1 系统的稳定性 stability 稳定性 如果系统在平衡状态受到有界的外作用 它将离开原来的平衡状态 产生偏差 不论偏差多大 当取消外作用后都能以足够的精度恢复到原来的平衡状态 它是自动控制系统正常工作的先决条件 稳定性是系统去掉外作用后本身的一种恢复能力 是系统本身的固有特性 它仅与系统的结构和参数有关 与初始条件和外作用无关 2 系统的稳态性能 是指当系统从一个稳态过渡到新的稳态 或系统受到扰动作用又重新平衡后 系统会出现偏差 偏差的最终值的大小 称为稳态误差 它是衡量系统稳态精度的重要指标 稳态误差越小 表示系统的准确性越好 被控量 输出量 的期望值与实际值之间的差值就越小 3 系统的动态性能 系统从一个稳态过程过渡到新的稳态都需要经历一个过渡过程 表征这个过渡过程性能的指标叫动态性能指标 最大超调量调整时间震荡次数 自动控制理论的内容与自动控制系统需要研究的问题密切相关 要研究的问题有两个方面 即系统的分析系统设计 二 本课程的研究内容 1 自动控制系统的分析 时域分析 根轨迹法 频率响应 控制系统分析包括三个方面内容 稳定性分析 稳态特性分析 动态特性 暂态特性或瞬态特性 分析 2 自动控制系统的设计与综合本课程的一个重要内容是讨论当控制系统的主要元器件和结构形式确定以后 为满足动态性能指标和稳态性能指标的要求 需要改变系统的某些参数或附加某种装置的方法 这种方法称为控制系统的校正 改变系统参数或附加校正装置的过程称为系统的综合 本章小结 重点 要求掌握自动控制系统工作原理与组成 开环控制与闭环控制 系统分类及相关术语 对自动控制系统的基本要求 了解本课程将要学习的内容 本章介绍了自动控制理论的应用领域 发展过程和分类 通过一些控制系统实例讨论了人工控制 自动控制 自动控制系统的工作原理 系统分类及相关术语等基本概念 最后介绍了自动控制系统的性能指标和本课程将要介绍的主要内容 练习 pp11 1 3 炉温自动控制系统 温度Tc下降 Tc uf ue ur uf ua 电机向增大调压器输出电压的方向加速旋转 Tc uf 直到Tc Tr ue 0 原理 即当恒温箱内温度偏高时 使调压器降压 反之升压 直到温度达到给定值为止 此时偏差电压ue 0 电机停转 炉温自动控制系统方框图