自動(dòng)控制理論第一章自動(dòng)控制的基本原理.ppt

26/4/2009,50/,第一章 自動(dòng)控制的基本原理,第二節(jié) 自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類,第一節(jié) 自動(dòng)控制與自動(dòng)控制系統(tǒng),第四節(jié) 自動(dòng)控制理論發(fā)展簡述,第三節(jié) 對(duì)控制系統(tǒng)性能的要求,課程安排、學(xué)習(xí)方法、實(shí)驗(yàn)安排,第一節(jié) 自動(dòng)控制與自動(dòng)控制系統(tǒng),一、自動(dòng)控制的基本概念,第一章自動(dòng)控制的基本原理,1969年7月20日，“阿波羅11號(hào)”飛船首次登陸月球時(shí)的珍貴圖片,第一節(jié) 自動(dòng)控制與自動(dòng)控制系統(tǒng),2008年9月25日至28日,中國成功實(shí)施了神舟七號(hào)載人航天飛行（新化社報(bào)道）,第一節(jié) 自動(dòng)控制與自動(dòng)控制系統(tǒng),圖1-5 飛機(jī)在上海浦東國際機(jī)場跑道上滑行,第一節(jié) 自動(dòng)控制與自動(dòng)控制系統(tǒng),圖 一列CRH3“和諧號(hào)”動(dòng)車組?？吭诟臄U(kuò)建的新北京南站站臺(tái)（中國政府網(wǎng) 陳濤 攝）,第一節(jié) 自動(dòng)控制與自動(dòng)控制系統(tǒng),圖 RH煉鋼設(shè)備,第一節(jié) 自動(dòng)控制與自動(dòng)控制系統(tǒng),蘇格蘭科學(xué)家展示新近研制成功的高仿真仿生學(xué)假肢。,第一節(jié) 自動(dòng)控制與自動(dòng)控制系統(tǒng),圖1-4住宅看護(hù)機(jī)器人（法新社報(bào)道）,第一節(jié) 自動(dòng)控制與自動(dòng)控制系統(tǒng),圖1-7 1989年，人工智能模糊控制全自動(dòng)洗衣機(jī)在三洋研制成功 （引自人民網(wǎng)）,第一節(jié) 自動(dòng)控制與自動(dòng)控制系統(tǒng),一、自動(dòng)控制的基本概念,現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中的自動(dòng)控制技術(shù)得到 了廣泛的應(yīng)用,航天器,工業(yè)控制,機(jī)器人,家用電器,自動(dòng)控制：,在無人直接參與下，利用控制裝置操縱受控對(duì)象，使受控對(duì)象的被控量按給定信號(hào)變化規(guī)律去變化。,第一節(jié) 自動(dòng)控制與自動(dòng)控制系統(tǒng),控制量:閥門開度（蒸汽流量）,例 水溫人工控制系統(tǒng),受控對(duì)象:水箱,系統(tǒng)的構(gòu)成：,被控制量:水溫,蒸汽通過熱傳導(dǎo)器件把熱量傳遞給水,水的溫度與蒸汽的流量成正比.,手動(dòng)調(diào)節(jié)閥門的開度，從而調(diào)節(jié)蒸汽的流量,來控制水的溫度.,但人工難以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的高質(zhì)量控制.,第一節(jié) 自動(dòng)控制與自動(dòng)控制系統(tǒng),例 水溫自動(dòng)控制系統(tǒng),系統(tǒng)中增加了：,控制器,電機(jī),加入給定信號(hào),工作原理：,檢測(cè)實(shí)際溫度,產(chǎn)生控制信號(hào),通過電機(jī)調(diào)節(jié)閥門的開度,從而調(diào)節(jié)蒸汽流入，控制水的溫度. 實(shí)現(xiàn)沒有人直接參入的自動(dòng)水溫控制.,第一節(jié) 自動(dòng)控制與自動(dòng)控制系統(tǒng),為了方便地分析系統(tǒng)性能，一般用框圖來表示系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，水溫自動(dòng)控制系統(tǒng)可用框圖表示為：,要使自動(dòng)控制系統(tǒng)滿足工程實(shí)際的需要 , 必須研究自動(dòng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)與系統(tǒng)性能之間的關(guān)系。特別是被控對(duì)象運(yùn)動(dòng)規(guī)律,實(shí)際溫度,偏差,反饋量,預(yù)期溫度,_,第一節(jié) 自動(dòng)控制與自動(dòng)控制系統(tǒng),二、自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成及控制方式,1開環(huán)控制,有順向作用而無反向聯(lián)系.,不同的被控對(duì)象和不同的控制裝置構(gòu)成了不同的控制系統(tǒng)，所以自動(dòng)控制系統(tǒng)的種類是很多的。自動(dòng)控制系統(tǒng)一般有兩種基本控制方式.,開環(huán)控制,控制裝置與受控對(duì)象之間只,第一節(jié) 自動(dòng)控制與自動(dòng)控制系統(tǒng),例 轉(zhuǎn)臺(tái)速度開環(huán)控制系統(tǒng),轉(zhuǎn)臺(tái),電機(jī),電源和放 大裝置,速度設(shè)置,系統(tǒng)組成：,由圖可見：,速度設(shè)置信號(hào)通過功率放大以后，提供給電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電源，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)。,由于被控制量速度沒有反饋到輸入端與給定信號(hào)比較,為開環(huán)控制系統(tǒng)。,給定速度,實(shí)際轉(zhuǎn)速,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖:,這種轉(zhuǎn)臺(tái)在C D 機(jī)、計(jì)算機(jī)磁盤驅(qū)動(dòng)器等許多現(xiàn)代裝置中廣泛應(yīng)用.,第一節(jié) 自動(dòng)控制與自動(dòng)控制系統(tǒng),例 轉(zhuǎn)臺(tái)速度開環(huán)擾動(dòng)控制系統(tǒng),圖 直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速擾動(dòng)控制系統(tǒng),測(cè)量出外部擾動(dòng)作用，形成與外部擾動(dòng)作用相反的控制量與外部作用共同使被控量基本不受影響。,第一節(jié) 自動(dòng)控制與自動(dòng)控制系統(tǒng),例 轉(zhuǎn)臺(tái)速度開環(huán)控制系統(tǒng),結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定性好，容易設(shè)計(jì)和調(diào)整以及成本較低的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)那些負(fù)載恒定，擾動(dòng)小，控制精度要求不高的實(shí)際系統(tǒng)，是有效的控制方式。,開環(huán)控制的特點(diǎn)：,第一節(jié) 自動(dòng)控制與自動(dòng)控制系統(tǒng),2閉環(huán)控制,閉環(huán)控制:,閉環(huán)控制又稱為反饋控制或按偏差控制。,控制裝置與受控對(duì)象之間，不但有順向作用，還有反向聯(lián)系。,例 轉(zhuǎn)臺(tái)速度閉環(huán)控制系統(tǒng),系統(tǒng)中增加了測(cè)速發(fā)電機(jī)作為反饋裝置,測(cè)出電動(dòng)機(jī)的速度反饋給控制器。,與給定信號(hào)比較產(chǎn)生偏差電壓，經(jīng)過功率放大后對(duì)電動(dòng)機(jī)的速度進(jìn)行閉環(huán)控制.,當(dāng)速度受擾動(dòng)發(fā)生變化時(shí)，偏差電壓也隨之變化，通過閉環(huán)調(diào)節(jié)能消除干擾。,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖,測(cè)速機(jī),偏差,預(yù)期速度,實(shí)際轉(zhuǎn)速,_,第一節(jié) 自動(dòng)控制與自動(dòng)控制系統(tǒng),閉環(huán)控制,在這種（閉環(huán)）系統(tǒng)中，測(cè)量元件測(cè)的是被控量（轉(zhuǎn)速n），所以，無論任何因素，只要n變化，就可以自動(dòng)調(diào)節(jié)，消除或減小這種變化。,第一節(jié) 自動(dòng)控制與自動(dòng)控制系統(tǒng),直流調(diào)速系統(tǒng)、交流變頻調(diào)速系統(tǒng),（3）能減小或消除由擾動(dòng)形成的偏差，具有較高的控制精度和較強(qiáng)的抗擾能力。,通過以上的實(shí)例分析可得出閉環(huán)控制系統(tǒng)具有的特點(diǎn)：,（1）系統(tǒng)的控制信號(hào)是給定值與反饋量的差值，故稱為按偏差控制或反饋控制。,（2）閉環(huán)系統(tǒng)有兩種傳輸通道：前向通道和反饋通道。,自動(dòng)控制原理中主要討論閉環(huán)控制系統(tǒng)。,反饋是控制的精髓,第一節(jié) 自動(dòng)控制與自動(dòng)控制系統(tǒng),3復(fù)合控制,測(cè)量出外部作用，形成與外部作用相反的控制量與外部作用共同使被控量基本不受影響。,前饋補(bǔ)償控制,復(fù)合控制基本形式.,前饋補(bǔ)償控制：,復(fù)合控制：,反饋控制,+,在外部作用下，由系統(tǒng)被控制量的變化產(chǎn)生調(diào)節(jié)和控制作用。,反饋控制：,第一節(jié) 自動(dòng)控制與自動(dòng)控制系統(tǒng),按擾動(dòng)前饋補(bǔ)償?shù)膹?fù)合控制,給定值,被控制量,_,前饋補(bǔ)償控制,反饋控制,主通道,擾動(dòng),第一節(jié) 自動(dòng)控制與自動(dòng)控制系統(tǒng),3復(fù)合控制,圖 直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速復(fù)合控制系統(tǒng),第一節(jié) 自動(dòng)控制與自動(dòng)控制系統(tǒng),第二節(jié) 自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類,一、按變量的數(shù)學(xué)關(guān)系來分,自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類方法較多，常見的有以下幾種,第一章 概 述,二、按控制系統(tǒng)的輸入作用來分,一、線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng),由線性微分方程或線性差分方程所描述的系統(tǒng)。,由非線性方程描述的系統(tǒng)。,第二節(jié) 自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類,線性系統(tǒng)：,非線性系統(tǒng)：,二、定常系統(tǒng)和時(shí)變系統(tǒng),定常系統(tǒng):,若系統(tǒng)微分方程的系數(shù)為常數(shù)，則稱之為線性定常系統(tǒng)。此類系統(tǒng)為本書主要討論對(duì)象。,系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型微分方程的系數(shù)不是時(shí)間變量的函數(shù)。,否則稱為時(shí)變系統(tǒng)。,第二節(jié) 自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類,三、連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng),連續(xù)系統(tǒng)：,系統(tǒng)中各部分的信號(hào)都是時(shí)間的連續(xù)函數(shù)即模擬量。,離散系統(tǒng)：,系統(tǒng)中有一處或多處信號(hào)為時(shí)間的離散函數(shù)，如脈沖或數(shù)碼信號(hào)。,若系統(tǒng)中既有模擬量也有離散信號(hào)，則又可稱之為采樣系統(tǒng)。,第二節(jié) 自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類,四、恒值系統(tǒng)、隨動(dòng)系統(tǒng)和 程序 控制系統(tǒng)(按控制系統(tǒng)的輸入作用來分 ）,系統(tǒng)的給定值為一定值，而控制任務(wù)就是克服擾動(dòng)，使被控量保持恒值。,例如：電機(jī)速度控制、恒溫、恒壓、水位控制系統(tǒng)等。,恒值系統(tǒng)：,第二節(jié) 自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類,隨動(dòng)系統(tǒng)：,系統(tǒng)給定值按照事先不知道的時(shí)間函數(shù)變化，并要求被控量跟隨給定值變化。,如：火炮自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)、輪舵位置控制系統(tǒng)等。,第二節(jié) 自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類,第二節(jié) 自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類,放大裝置,例 位置隨動(dòng)系統(tǒng),環(huán)型電位器,電機(jī),電源,齒輪,系統(tǒng)組成：,負(fù)載,輸入,r,輸出,c,工作過程：,r=c,Ud= 0,Ud,rc,Ud0,電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng),調(diào)節(jié)c,使 r= c,電動(dòng)機(jī)靜止,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖,r,_,m,c,ue,ud,第二節(jié) 自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類,程序控制系統(tǒng)：,系統(tǒng)的給定值按照一定的時(shí)間函數(shù)變化，并要求被控量隨之變化。,例如：,機(jī)械手,第二節(jié) 自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類,自動(dòng)化生產(chǎn)線：,第二節(jié) 自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類,自動(dòng)化生產(chǎn)線：,第二節(jié) 自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類,問題（problems:） 1反饋控制的概念與作用；What is Feedback? 2.自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本組成有哪些？有哪些常用術(shù)語？ 3自控系統(tǒng)的工作原理？,第二節(jié) 自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類,第三節(jié) 對(duì)控制系統(tǒng)性能的要求,常見的評(píng)價(jià)系統(tǒng)優(yōu)劣的性能指標(biāo)是從動(dòng)態(tài)過程中定義出來的。對(duì)系統(tǒng)性能的基本要求有三個(gè)方面。,二、快速性,一、穩(wěn)定性,三、準(zhǔn)確性,第一章 概 述,一、穩(wěn)定性,第三節(jié) 對(duì)控制系統(tǒng)性能的要求,系統(tǒng)受外作用力后,其動(dòng)態(tài)過程的振蕩傾向和系統(tǒng)恢復(fù)平衡的能力。,穩(wěn)定性：,系統(tǒng)受外作用力經(jīng)過一段時(shí)間，其被控量達(dá)到某一穩(wěn)定狀態(tài)，則系統(tǒng)是穩(wěn)定的。,否則為不穩(wěn)定的。,r(t),c(t),不穩(wěn)定的系統(tǒng)是無法正常工作的。,擾動(dòng)信號(hào)作用下 的不穩(wěn)定系統(tǒng):,c(t),d(t),一個(gè)能在生產(chǎn)實(shí)際中應(yīng)用的系統(tǒng),不僅應(yīng)具有穩(wěn)定性,而且在動(dòng)態(tài)過程中的震蕩也不能過于強(qiáng)烈.,第三節(jié) 對(duì)控制系統(tǒng)性能的要求,通過動(dòng)態(tài)過程時(shí)間長短表征快速性。,二、快速性,r(t),c1(t),c2(t),快速性表明了系統(tǒng)輸出對(duì)輸入響應(yīng)的快慢程度,過渡過程時(shí)間越短，表明快速性越好。,反之亦然。,t1,t2,第三節(jié) 對(duì)控制系統(tǒng)性能的要求,由輸入給定值與輸出響應(yīng)的終值之間的差值ess大小表征。,三、準(zhǔn)確性,ess,它反映了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度。若系統(tǒng)最終的誤差為零，則稱為無差系統(tǒng)，否則為有差系統(tǒng)。,c(t),r(t),第三節(jié) 對(duì)控制系統(tǒng)性能的要求,穩(wěn)定性、快速性和準(zhǔn)確性往往是互相制約的。在設(shè)計(jì)與調(diào)試的過程中,若過分強(qiáng)調(diào)某方面的性能,則可能會(huì)使其他方面的性能受到影響.,怎樣根據(jù)工作任務(wù)的不同,分析和設(shè)計(jì)自動(dòng)控制系統(tǒng)，使其對(duì)三方面的性能有所側(cè)重 ，并兼顧其它正是自控原理課程要解決的問題。,第三節(jié) 對(duì)控制系統(tǒng)性能的要求,自動(dòng)控制理論是研究自動(dòng)控制共同規(guī)律的技術(shù)科學(xué)。,第四節(jié) 自動(dòng)控制理論發(fā)展簡述,第一章 概 述,具有“自動(dòng)”功能的裝置自古有之，瓦特發(fā)明的蒸汽機(jī)上的離心調(diào)速器是比較自覺地運(yùn)用反饋原理進(jìn)行設(shè)計(jì)并取得成功的首例。,麥克斯韋對(duì)它的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，于1868年發(fā)表的論文當(dāng)屬最早的理論工作。,從20世紀(jì)20年代到40年代形成了以時(shí)域法，頻率法和根軌跡法為支柱的“古典”控制理論。,第四節(jié) 自動(dòng)控制理論發(fā)展簡述,60年代以來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和航天等高科技的推動(dòng)，又產(chǎn)生了基于狀態(tài)空間模型的所謂“現(xiàn)代”控制理論。,近年來，在非線性系統(tǒng)理論、離散事件系統(tǒng)、大系統(tǒng)和復(fù)雜系統(tǒng)理論以及專家系統(tǒng)、模糊控制和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等方面均有不同程度的發(fā)展。,總之，自動(dòng)控制理論正隨著技術(shù)和生產(chǎn)的發(fā)展而不斷發(fā)展，而它反過