自動(dòng)控制原理第一章PPT課件

1、.,1,自動(dòng)控制原理,第一章,自動(dòng)控制的一般概念,.,2,1.1 引言,1.3閉環(huán)控制和開(kāi)環(huán)控制,1.2自動(dòng)控制系統(tǒng)示例,1.4自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類,1.5對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求,.,3,歷史的回顧,指 南 車 復(fù) 原 模 型,1.1 引言,.,4,指南車是中國(guó)古代用來(lái)指示方向的一種具有能自動(dòng)離合的齒輪系裝置的車輛。,其結(jié)構(gòu)為馬拉的雙輪獨(dú)轅車，車箱上立一個(gè)伸臂的木人。車箱內(nèi)裝有能自動(dòng)離合的齒輪系。,當(dāng)車子轉(zhuǎn)彎偏離正南方向時(shí)車轅前端就順此方向移動(dòng)，而后端則向反方向移動(dòng)，并將傳動(dòng)齒輪放落，使車輪的傳動(dòng)帶動(dòng)木人下的大齒輪向相反方向轉(zhuǎn)動(dòng)，恰好抵消車子轉(zhuǎn)彎產(chǎn)生的影響。,.,5,指南車 原理,.,6,18

2、世紀(jì)，James Watt 為控制蒸汽機(jī)速度設(shè)計(jì)的離心調(diào)節(jié)器，是自動(dòng)控制領(lǐng)域的第一項(xiàng)重大成果。,.,7,1934年，Hezen提出了用于位置控制系統(tǒng)的伺服機(jī)構(gòu)的概念，討論了可以精確跟蹤變化的輸入信號(hào)的機(jī)電伺服機(jī)構(gòu)。,1932年，Nyquist提出了一種根據(jù)系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)頻率響應(yīng)(對(duì)穩(wěn)態(tài)正弦輸入)，確定閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定性的方法。,.,8,19世紀(jì)40年代，頻率響應(yīng)法為閉環(huán)控制系統(tǒng)提供了一種可行方法，Evans提出并完善了根軌跡法。,19世紀(jì)50年代末，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)問(wèn)題的重點(diǎn)從設(shè)計(jì)許多可行系統(tǒng)中的一種系統(tǒng)，轉(zhuǎn)到設(shè)計(jì)在某種意義上的最佳系統(tǒng)。,.,9,20世紀(jì)60年代，數(shù)字計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)為復(fù)雜系統(tǒng)的基于時(shí)域分析

3、的現(xiàn)代控制理論提供了可能。,從1960年到1980，確定性系統(tǒng)、隨機(jī)系統(tǒng)的最佳控制，及復(fù)雜系統(tǒng)的自適應(yīng)和學(xué)習(xí)控制，都得到充分的研究。,從1980年到現(xiàn)在，現(xiàn)代控制理論進(jìn)展集中于魯棒控制、H控制及其相關(guān)課題。,.,10,經(jīng)典控制理論 以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)，研究單輸入-單輸出一類定?？刂葡到y(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)問(wèn)題。這些理論由于其發(fā)展較早，現(xiàn)已臻成熟。,現(xiàn)代控制理論 以狀態(tài)空間法為基礎(chǔ)，研究多輸入-多輸出、時(shí)變、非線性一類控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)問(wèn)題。系統(tǒng)具有高精度和高效能的特點(diǎn)。,.,11,自動(dòng)控制原理中的一些術(shù)語(yǔ),1 自動(dòng)控制 在無(wú)人直接參與的情況下，通過(guò)控制器使被控對(duì)象或過(guò)程自動(dòng)地按照預(yù)定要求進(jìn)行。,2 對(duì)

4、象 是一個(gè)設(shè)備，它是由一些機(jī)器零件有機(jī)地組合在一起的，其作用是完成一個(gè)特定的動(dòng)作。 在下面的討論中，稱任何被控物體（如加熱爐、化學(xué)反應(yīng)器或宇宙飛船）為對(duì)象。,.,12,3 過(guò)程 稱任何被控制的運(yùn)行狀態(tài)為過(guò)程，其具體例子如化學(xué)過(guò)程、經(jīng)濟(jì)學(xué)過(guò)程、生物學(xué)過(guò)程。,4 系統(tǒng) 完成一定任務(wù)的一些元、部件的組合。,5 擾動(dòng) 擾動(dòng)是一種對(duì)系統(tǒng)的輸出產(chǎn)生不利影響的信號(hào)。如果擾動(dòng)產(chǎn)生在系統(tǒng)內(nèi)部稱為內(nèi)擾；擾動(dòng)產(chǎn)生在系統(tǒng)外部，則稱為外擾。外擾是系統(tǒng)的輸入量之一。,.,13,反饋本質(zhì) 測(cè)量偏差，利用偏差，減少（乃至消除）偏差,6 反饋控制 反饋控制是這樣一種控制過(guò)程，它能夠在存在擾動(dòng)的情況下，力圖減小系統(tǒng)的輸出量與參考

5、輸入量（也稱參考量）（或者任意變化的希望的狀態(tài)）之間的偏差，而且其工作正是基于這一偏差基礎(chǔ)之上的。,.,14,應(yīng)當(dāng)指出，反饋控制系統(tǒng)不限于工程范疇，在各種非工程范疇內(nèi)，諸如經(jīng)濟(jì)學(xué)和生物學(xué)中，也存在著反饋控制系統(tǒng)。,7 反饋控制系統(tǒng) 反饋控制系統(tǒng)是一種能對(duì)輸出量與參考輸入量進(jìn)行比較，并力圖保持兩者之間的既定關(guān)系的系統(tǒng)，它利用輸出量與輸入量的偏差來(lái)進(jìn)行控制。,.,15,8 隨動(dòng)系統(tǒng) 隨動(dòng)系統(tǒng)是一種反饋控制系統(tǒng)，在這種系統(tǒng)中，輸出量是機(jī)械位移、速度或者加速度。因此，隨動(dòng)系統(tǒng)這個(gè)術(shù)語(yǔ)，與位置（或速度或加速度）控制系統(tǒng)是同義語(yǔ)。在現(xiàn)代工業(yè)中，廣泛采用著隨動(dòng)系統(tǒng)。,9 過(guò)程控制 在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，諸如對(duì)壓

6、力、溫度、濕度、流量、頻率以及原料、燃料成分比例等方面的控制，稱為過(guò)程控制。,.,16,1.2 自動(dòng)控制系統(tǒng)示例,The Boeing 777 fly-by-wire aircraft,.,17,The F-18 aircraft, one of the first production military fighters to use “fly-by-wire” technology.,.,18,現(xiàn)代化的化工廠,.,19,The Seagate Barracuda 36ES2 disk drive,.,20,熱力系統(tǒng)的人工反饋控制,.,21,熱力系統(tǒng)的自動(dòng)反饋控制,.,22,1.3 開(kāi)環(huán)控制

7、與閉環(huán)控制,1.3.1 反饋控制系統(tǒng),1 反饋 負(fù)反饋與正反饋把取出的輸出量送回輸入端，并與輸入信號(hào)相比較產(chǎn)生偏差信號(hào)的過(guò)程，稱為反饋。若反饋的信號(hào)與輸入信號(hào)相減，使產(chǎn)生的偏差越來(lái)越小，則稱為負(fù)反饋；反之，則稱為正反饋。,.,23,2 反饋控制系統(tǒng) 能對(duì)輸入量與輸出量進(jìn)行比較，并且將它們的偏差作為控制手段，以保持兩者之間預(yù)定關(guān)系的系統(tǒng)，稱為反饋控制系統(tǒng)。由于引入了被反饋量的反饋信息，整個(gè)控制過(guò)程成為閉合的，因此反饋控制也稱為閉環(huán)控制。,.,24,3 閉環(huán)控制 凡是系統(tǒng)輸出信號(hào)對(duì)控制作用有直接影響的系統(tǒng)，都稱為閉環(huán)系統(tǒng)。輸入信號(hào)和反饋信號(hào)（反饋信號(hào)可以是輸出信號(hào)本身，也可以是輸出信號(hào)的函數(shù)或?qū)?shù)

8、）之差，稱為誤差信號(hào)，誤差信號(hào)加到控制器上，以減小系統(tǒng)的誤差，并使系統(tǒng)的輸出量趨于所希望的值，換句話說(shuō)，“閉環(huán)”這個(gè)術(shù)語(yǔ)的涵義，就是應(yīng)用反饋?zhàn)饔脕?lái)減小系統(tǒng)的誤差。,.,25,閉環(huán)控制系統(tǒng),1.3.2 反饋控制系統(tǒng)的基本組成, 被控對(duì)象（或過(guò)程）,.,26,控制裝置 由具有一定職能的各種基本元件組成：,測(cè)量元件：其職能是測(cè)量被控制的物理量；,給定元件：其職能是給出與期望的被控量相 對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)輸入量（即參考量）；,比較元件：把測(cè)量元件檢測(cè)的被控量實(shí)際值 與給定元件給出的參考量進(jìn)行比 較，求出它們之間的偏差；,.,27,校正元件：亦稱補(bǔ)償元件，它是結(jié)構(gòu)或參數(shù)便 于調(diào)整的元件，用串聯(lián)或反饋的方式 連接

9、在系統(tǒng)中，以改善系統(tǒng)性能。,控制裝置（續(xù)）,放大元件：將比較元件給出的偏差進(jìn)行放大， 用來(lái)推動(dòng)執(zhí)行元件去控制被控對(duì)象；,執(zhí)行元件：直接推動(dòng)被控對(duì)象，使其被控量發(fā) 生變化；,.,28,反饋控制系統(tǒng)的基本組成圖,輸出量經(jīng)測(cè)量元件反饋到輸入端的傳輸通路稱主反饋通路；,用“”號(hào)代表比較元件，“”號(hào)代表兩者符號(hào)相反，“+”號(hào)代表兩者符號(hào)相同。,信號(hào)沿箭頭方向從輸入端到達(dá)輸出端的傳輸通路稱前向通路；,前向通路與主反饋通路共同構(gòu)成主回路。 此外，還有局部反饋通路以及由它構(gòu)成的內(nèi)回路。,.,29,1.3.3 開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng),定義 如果系統(tǒng)的輸出量與輸入量間不存在反饋的通道，這種控制方式稱為開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)。,.,3

10、0,1.3.4 閉環(huán)與開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)的比較,閉環(huán)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)： 偏差控制，可以抑制內(nèi)、外擾動(dòng)對(duì)被控制量產(chǎn)生的影響。精度高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)計(jì)、分析麻煩。,開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)： 順向作用，沒(méi)有反向的聯(lián)系，沒(méi)有修正偏差能力，抗擾動(dòng)性較差。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)整方便、成本低。,.,31,1.4 自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類,開(kāi)環(huán)控制 閉環(huán)控制(反饋控制) 復(fù)合控制,按系統(tǒng)功用分,溫度控制系統(tǒng) 壓力控制系統(tǒng) 位置控制系統(tǒng) ,控制方式分,.,32,.,33,按參據(jù)量 變化 規(guī)律分,1.5 對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求,1.5.1對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)性能的基本要求,恒值控制系統(tǒng)抗擾動(dòng),隨動(dòng)系統(tǒng)跟蹤輸入,程序控制系統(tǒng)跟蹤預(yù)定規(guī)律,可以歸結(jié)

11、為穩(wěn)定性（長(zhǎng)期穩(wěn)定性）、 準(zhǔn)確性（精度）和快速性（相對(duì)穩(wěn)定性）,.,34,簡(jiǎn)言之：穩(wěn) 準(zhǔn) 快,穩(wěn)定性： 1 對(duì)恒值系統(tǒng)，要求當(dāng)系統(tǒng)受到擾動(dòng)后，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的調(diào)整能夠回到原來(lái)的期望值。 2 對(duì)隨動(dòng)系統(tǒng)，被控制量始終跟蹤參據(jù)量的變化。 3 穩(wěn)定性是對(duì)系統(tǒng)的基本要求，不穩(wěn)定的系統(tǒng)不能實(shí)現(xiàn)預(yù)定任務(wù)。線性系統(tǒng)的穩(wěn)定性由系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)決定，與外界因素?zé)o關(guān)。,.,35,快速性： 對(duì)過(guò)渡過(guò)程的形式和快慢提出要求，一般稱為動(dòng)態(tài)性能。 高射炮射角隨動(dòng)系統(tǒng)，雖然炮身最終能跟蹤目標(biāo)，但如果目標(biāo)變動(dòng)迅速，而炮身行動(dòng)遲緩，仍然抓不住目標(biāo)。,準(zhǔn)確性： 用穩(wěn)態(tài)誤差來(lái)表示。 在參考輸入信號(hào)作用下，當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，其穩(wěn)態(tài)輸出與參考輸入所要求的期望輸出之差叫做給定穩(wěn)態(tài)誤差。顯然，這種誤差越小，表示系統(tǒng)的輸出跟隨參考輸入的精度越高。,.,36,1.5.2本課程的任務(wù),課程所要研究的兩大課題：,1）、對(duì)于一個(gè)具體的控制系統(tǒng)，如何從理論上對(duì)它的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)精度進(jìn)行定性的分析和定量的計(jì)算。,2）、根據(jù)對(duì)系統(tǒng)性能的要求，如何合理地