自動控制系統(tǒng)的基本的概念.ppt

1、自動控制理論,計控學院 田晴,章節(jié)目錄,第一章 自動控制系統(tǒng)概述 第二章 控制系統(tǒng)數(shù)學模型 第三章 自動控制系統(tǒng)的時域分析 第四章 自動控制系統(tǒng)的頻域分析 第五章 線性控制系統(tǒng)的校正與綜合 第六章 非線性控制系統(tǒng) 第七章 離散控制系統(tǒng)的理論基礎,經(jīng)典控制理論 目錄,第一章 自動控制系統(tǒng)概述,教學內容： 1-1控制系統(tǒng)的基本概念 1-2控制系統(tǒng)分類 1-3控制系統(tǒng)的性能指標 1-4控制理論的發(fā)展歷程,第一章 自動控制系統(tǒng)概述,舉例: 液位自動控制系統(tǒng),第一章 自動控制系統(tǒng)概述,目標水位,人眼,大腦,手臂,手,第一章 自動控制系統(tǒng)概述,控制對象,被控制量,目標水位,給定信號,擾動信號,測量信號,偏

2、差信號,執(zhí)行機構,液位自動控制系統(tǒng),1-1 控制系統(tǒng)的基本概念,一、基本術語,自動控制：所謂自動控制，就是指在沒有人直接參與的情況下，利用外加的設備或裝置使機器、設備或生產(chǎn)過程自動的按照給定的規(guī)律運行，使被控對象的一個或幾個物理量按照預定的要求變化。 自動控制系統(tǒng)：為實現(xiàn)某一控制目標，所需要的所有物理部件的有機組合稱為自動控制系統(tǒng),1-1 控制系統(tǒng)的基本概念,控制對象：（控制對象、調節(jié)對象、對象） 是指被控的設備或過程。 被控制量：（被調參數(shù)、輸出量） 是指被控制的物理量。常常是表征設備或過程的運行情況或狀態(tài)，且需要加以控制的參數(shù) 給定信號：（參考輸入量） 設定的與被控參數(shù)期望值成比例的信號，

3、其作用是為了保證輸出量達到所要求的目標,一、基本術語,上例中的水槽,上例中的實際水位,上例中要求的液位,擾動信號：（擾動輸入量） 是一種妨礙被控參數(shù)達到期望值的外部作用。對系統(tǒng)工作不利。 測量信號： 檢測儀表的輸出經(jīng)變送器變換后的與被控信號實際值成比例的信號。 偏差信號： 給定信號與測量信號的差值信號。 控制信號： 調節(jié)器（或控制器（內含算法，控制率）輸出的信號。 執(zhí)行機構：傳動機構+調節(jié)機構,一、基本術語,上例中，將系統(tǒng)按基本組成部分分解,二、控制系統(tǒng)的傳遞方框圖,水槽,注水閥,減速器,電動機,放大器,電位器,浮子,輸入,輸出,給定信號,被控量,測量信號,F,被控對象,擾動信號,偏差信號,執(zhí)

4、行機構,二）傳遞方框圖：將構成系統(tǒng)的所有環(huán)節(jié)用有向線段連接起來所構成的系統(tǒng)結構圖,有向線段：表示信號傳遞，指向環(huán)節(jié)的作用線表示輸入；背向環(huán)節(jié)的作用線表示輸出。 測量信號與給定信號通過相加點疊加，符號代表信號的極性。 整個系統(tǒng)的輸出為被控參數(shù)；整個系統(tǒng)的輸入為給定信號或擾動信號,二、控制系統(tǒng)的傳遞方框圖,一）環(huán)節(jié)：構成系統(tǒng)的基本組成部分。用一個方塊表示,二、控制系統(tǒng)的傳遞方框圖,三）關于傳遞方框圖的幾點說明,信號傳遞單向性； 作用線只表示信號的傳遞方向，不表示物流方向； 方框圖可簡可繁； 盡管實際控制系統(tǒng)元器件各不相同，但概括起來，一般都應包括以下幾個基本環(huán)節(jié),給定環(huán)節(jié),比較環(huán)節(jié),校正環(huán)節(jié),放大

5、環(huán)節(jié),執(zhí)行機構,被控對象,檢測裝置,二、控制系統(tǒng)的傳遞方框圖,主要環(huán)節(jié)介紹,1.給定環(huán)節(jié) 設定被控量的給定裝置,其精度直接影響對控制量的控制精度.如電位器,自整角機等模擬信號,還有精度更高的數(shù)字給定裝置。 2.比較環(huán)節(jié) 將檢測到的被控量與給定量比較得到偏差信號,該信號功率較小或物理性能比較時不同,不能直接作用執(zhí)行機構,需要增加中間環(huán)節(jié)3、4,二、控制系統(tǒng)的傳遞方框圖,3.校正環(huán)節(jié) 是為改善系統(tǒng)動態(tài)品質或穩(wěn)態(tài)性能而加入的裝置,他可以對偏差信號按照某種規(guī)律進行運算.比例、積分、微分等。 4.放大環(huán)節(jié) 將偏差信號轉換成適合于執(zhí)行器工作的信號(功放,SCR)。 注意: 2、3、4合為一體控制器(裝置)

6、。 5.執(zhí)行機構 直接作用于控制對象（調節(jié)機構、傳動裝置、電機,二、控制系統(tǒng)的傳遞方框圖,6.控制對象 要控制的機器,設備,或生產(chǎn)過程(水槽控制量水位；爐體爐溫；軋輥輥速壓下量.)。 7.檢測裝置 測量控制量并轉換成與給定量同物理量信號，要求：精度高、反映靈敏、性能穩(wěn)定的傳感器(測速發(fā)電機、熱電偶、自整角機,二、控制系統(tǒng)的傳遞方框圖,主反饋：輸出量引回到輸入端的反饋為主反饋,局部反饋：在正向通道里，后面環(huán)節(jié)的輸出對前面環(huán)節(jié)的返回影響稱為局部反饋,注意,主反饋一定是負反饋，局部反饋可正可負,二、控制系統(tǒng)的傳遞方框圖,綜上所述，控制系統(tǒng)的工作原理可歸納如下,1）通過測量元件檢測輸出量的實際值。 （

7、2）將輸出量的實際值與給定值進行比較，得到偏差信號。 （3）用偏差產(chǎn)生控制調節(jié)作用去消除偏差,注意，研究控制系統(tǒng)應首先解決以下四個問題。 （1）控制目的（2）受控對象（3）被控制量 （4）輸出信號的檢測,二、控制系統(tǒng)的傳遞方框圖,三、控制系統(tǒng)舉例,三、控制系統(tǒng)舉例,1）人手拿書 （2）汽車行駛的位置控制 （3）溫度自動控制系統(tǒng)，例如空凋、冰箱,1-2 控制理論的發(fā)展歷程,一、自動控制理論是研究“自動控制”共同規(guī)律的一門技術科學,數(shù)控機床按照預定程序自動的對工件進行切削加工； 化學反應釜的溫度或流量及壓力自動的維持恒定； 雷達和計算機組成的火炮或導彈的發(fā)射和制導系統(tǒng)，自動的將炮彈或導彈引導到敵方

8、目標,1-2 控制理論的發(fā)展歷程,軋鋼機按照預定的軋制速度和板材厚度自動的變化軋輥速度和壓下裝置的位移； 人造衛(wèi)星準確的進入預先計算好的軌道和位置，自動的保持正確的姿態(tài)運行并準確回收,這些都是以高水平的自動控制技術為前提的,1-2 控制理論的發(fā)展歷程,二、控制理論學科的發(fā)展 具有自動功能的裝置自古有之，例如古希臘的“水鐘”，中國古漢代的“指南車” 控制理論的產(chǎn)生可追述到18世紀中葉英國的第一次工業(yè)革命。1765年，Jams Watt發(fā)明的蒸汽機上的離心式飛錘調速器應用了反饋原理進行設計的。之后，麥克斯韋對它的穩(wěn)定性進行分析，并于1868年發(fā)表論文，當屬最早的理論工作。 1872年E.J.Rou

9、th,1890年Hurwitz先后找到了系統(tǒng)穩(wěn)定性的代數(shù)判據(jù),1-2 控制理論的發(fā)展歷程,1892年A.M.Liapunov在其“論運動穩(wěn)定性 的一般問題”的博士論文中給出了基于廣義能量函數(shù)的系統(tǒng)穩(wěn)定性的一般判據(jù)。 1932年H.Nyquist給出了基于頻率特性的關于系統(tǒng)穩(wěn)定性的Nyquist判據(jù)。 在二次世界大戰(zhàn)期間，由于軍事上的需要，雷達和火力控制系統(tǒng)有了較大的發(fā)展，N.Winner在總結前人成果的基礎上發(fā)表了控制論一書，標志著控制理論學科的誕生,1-2 控制理論的發(fā)展歷程,控制理論發(fā)展經(jīng)過了三個時期： 第一階段：經(jīng)典控制理論（20世紀40年代末到50年代）。 研究對象:線性定常單輸入單輸

10、出系統(tǒng) 主要數(shù)學工具:微分方程、傳遞函數(shù)、結構框圖、頻率特性等 主要研究方法:時域法、頻域法、根軌跡法 主要解決的問題:單機裝置的穩(wěn)定性、快速性、準確性,1-2 控制理論的發(fā)展歷程,第二階段：現(xiàn)代控制理論（形成于20世紀 60年代）。 研究對象：機組自動化等的多輸入多輸出系統(tǒng)。 主要數(shù)學工具：一階微分方程組、矩陣論、狀態(tài)空間法。 主要方法：變分法、極大值原理等等 重點問題：最優(yōu)控制、隨機控制和自適應控制。 核心控制裝置：計算機,1-2 控制理論的發(fā)展歷程,第三階段：大系統(tǒng)理論和智能控制理論 （形成于上世紀70年代）。 大系統(tǒng)理論是控制理論在廣度上的拓展，例如控制對象延伸到了社會、經(jīng)濟、管理系統(tǒng)

11、，以及生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)等復雜系統(tǒng)。 智能控制理論是控制理論在深度上的挖掘，為解決模擬人腦功能，形成了新的學科 模擬人腦思維 形成 模糊控制、專家系統(tǒng)等 模擬人腦結構或功能 形成 人工神經(jīng)網(wǎng)絡,1-2 控制理論的發(fā)展歷程,三.自動控制技術的作用,自動控制技術的應用不僅使生產(chǎn)過程實現(xiàn)了自動化，極大地提高了勞動生產(chǎn)率，而且減輕了人的勞動強度。 2. 自動控制使工作具有高度的準確性，大大地提高了武器的命中率和戰(zhàn)斗力，例如火炮自動跟蹤系統(tǒng)必須采用計算機控制才能打下高速高空飛行的飛機。 3. 某些人們不能直接參與工作的場合就更離不開自動控制技術了，例如原子能的生產(chǎn)、火炮或導彈的制導等等,1-2 控制理論的發(fā)展

12、歷程,三.自動控制技術的作用,自動控制技術的應用不僅使生產(chǎn)過程實現(xiàn)了自動化，極大地提高了勞動生產(chǎn)率，而且減輕了人的勞動強度。 2. 自動控制使工作具有高度的準確性，大大地提高了武器的命中率和戰(zhàn)斗力，例如火炮自動跟蹤系統(tǒng)必須采用計算機控制才能打下高空高速飛行的飛機。 3. 某些人們不能直接參與工作的場合就更離不開自動控制技術了，例如原子能的生產(chǎn)、火炮或導彈的制導等等,1-2 控制理論的發(fā)展歷程,自動控制理論來源于生產(chǎn)實踐，正隨著技術和生產(chǎn)的發(fā)展而不斷發(fā)展，而它反過來又指導實踐，成為高新技術發(fā)展的重要理論依據(jù),本課程的內容是該理論中最基本也最重要的內容，即經(jīng)典控制理論部分。它在工程實踐中用的最多，

13、也是進一步學習自動控制理論的基礎,1-2 控制理論的發(fā)展歷程,1、授課對象： 工業(yè)自動化專業(yè)、測控技術與儀器本科專業(yè) 2、本課程的性質和任務： 自動控制理論是工業(yè)自動化專業(yè)和測控技術與儀器專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎課。 通過本課程的教學（講課、實驗、答疑和習題），使學生了解自動控制系統(tǒng)的組成、特點及專業(yè)術語，學習并掌握經(jīng)典控制理論的基本分析方法和設計方法，掌握實驗技能，為設計和調試工業(yè)自動控制系統(tǒng)打下理論基礎。并為進一步的理論學習和研究打下堅實的基礎,四、課程介紹,1-2 控制理論的發(fā)展歷程,3、本課程與相關課程的關系,1-2 控制理論的發(fā)展歷程,4、課程的理論體系,理論體系：系統(tǒng)描述、系統(tǒng)分析

14、、系統(tǒng)綜合,1-2 控制理論的發(fā)展歷程,5、選用教材： 自動控制原理，顧樹生、王建輝，冶金工業(yè)出版社。 主要參考書目： 1楊自厚，自動控制原理，冶金工業(yè)出版社，2003.6。 2胡壽松，自動控制原理，國防工業(yè)出版社，2000年。 3緒方勝彥，盧伯英等譯，現(xiàn)代控制工程，科學出版 社，1981年。 4李友善，自動控制原理，國防工業(yè)出版社 5孫虎章主編，自動控制原理，北京：中央廣播電視大學出 版社，1984 6李光泉主編，自動控制原理，北京：機械工業(yè)出版社，1987 6、學時安排：60學時,1-2 控制理論的發(fā)展歷程,1-3 控制系統(tǒng)的分類,1-3 控制系統(tǒng)的分類,控制系統(tǒng)的種類很多，在實際工程中，

15、可以從不同角度對控制系統(tǒng)進行分類,一、開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng),一）開環(huán)控制系統(tǒng),1. 概念: 如果控制系統(tǒng)的輸出量對系統(tǒng)沒有控制作用,這種系統(tǒng)稱為開環(huán)控制系統(tǒng),舉例：爐溫控制系統(tǒng),特點： 本系統(tǒng)的輸入量是自耦變壓器的輸出電壓u，輸出量是電阻爐的輸出溫度T； u唯一對應T； 電阻爐的輸出溫度T對自耦變壓器的輸出電壓u沒有控制作用,開環(huán)控制系統(tǒng)與閉環(huán)控制系統(tǒng),開環(huán)控制系統(tǒng)與閉環(huán)控制系統(tǒng),2. 特點: (1)系統(tǒng)輸出量不參與控制，系統(tǒng)結構圖不形成閉合回路； (2)輸入輸出一一對應； (3)控制精度取決于各組成環(huán)節(jié)的精度； (4)最適用于傳遞關系已知，對輸出精度無要求,且不含擾動的場合；如系統(tǒng)起動

16、、制動過程。自動售貨機,洗衣機,數(shù)控機床，紅綠燈轉換系統(tǒng)中。 (5)系統(tǒng)有擾動時只能靠人工操作, 使輸出達到期望值。例:直流電動機速度控制系統(tǒng),3. 前饋控制 當系統(tǒng)受到的擾動信號可以測量時,可根據(jù)擾動信號的大小對控制作用作相應補償,以提高系統(tǒng)精度。這種按開環(huán)補償原則建立起來的系統(tǒng)成為開環(huán)補償系統(tǒng)或前饋控制,開環(huán)控制系統(tǒng)與閉環(huán)控制系統(tǒng),按給定補償?shù)那梆伩刂?按擾動補償?shù)那梆伩刂?輸入量,輸出量,輸出量,輸入量,開環(huán)控制系統(tǒng)與閉環(huán)控制系統(tǒng),二）閉環(huán)控制系統(tǒng),上例：爐溫控制系統(tǒng),開環(huán)控制系統(tǒng)與閉環(huán)控制系統(tǒng),1. 閉環(huán)控制概念: 利用檢測儀表將系統(tǒng)輸出檢測出來,經(jīng)物理量的轉換后,饋送到系統(tǒng)的輸入端與

17、給定信號比較(相減)得到偏差信號,并利用偏差信號經(jīng)控制器對控制對象進行控制,抑制擾動對輸出量的影響,減小輸出量的誤差,開環(huán)控制系統(tǒng)與閉環(huán)控制系統(tǒng),2. 特點: (1)系統(tǒng)輸出參與控制。 (2)系統(tǒng)結構圖構成閉合回路。 (3)是一種依偏差進行控制的系統(tǒng),只需偏差存在,就有控制作用,其結果試圖使偏差減小。 (4)對系統(tǒng)內部除反饋通道和給定通道外的一切擾動都有抑制作用。 (5)引起振蕩,開環(huán)控制系統(tǒng)與閉環(huán)控制系統(tǒng),單變量與多變量控制系統(tǒng),二、單變量與多變量控制系統(tǒng)SISOMIMO,從輸入/輸出變量的個數(shù),1.在單變量控制系統(tǒng)中,可以進行單回路或多回路控制,還可以進行串級控制.它是經(jīng)典控制論研究的對象

18、,2.在多變量控制系統(tǒng)中,控制回路之間有耦合關系,它是現(xiàn)代控制理論研究的對象，當耦合關系較弱時,常常簡化成單變量系統(tǒng),單變量與多變量控制系統(tǒng),線性與非線性系統(tǒng),三、線性與非線性系統(tǒng),一)線性系統(tǒng) 1.定義:若控制系統(tǒng)的所有環(huán)節(jié)或元件的狀態(tài)(特性)都可用線性微分方程(差分方程)來描述。 線性定常(時不變)系統(tǒng) 描述系統(tǒng)運動規(guī)律的微(差)分方程的系數(shù)不隨時間變化。 線性時變系統(tǒng) 描述系統(tǒng)運動規(guī)律的微(差)分方程的系數(shù)隨時間變化,3. 判斷方法 對方程,其中x(t)為輸入量,Y(t)為輸出量. 若方程中,輸入、輸出量及各階導數(shù)均為一次冪,且各系數(shù)均與輸入量(自變量) x(t)無關.就可定義為,用拉氏

19、變換可求出輸入輸出關系函數(shù)(傳遞函數(shù),動態(tài)數(shù)模,2. 線性控制系統(tǒng)的性質 滿足疊加原理 齊次定理,線性與非線性系統(tǒng),二)非線性系統(tǒng),1定義：組成系統(tǒng)的環(huán)節(jié)或元件中至少有一個 是非線性的。 典型非線性環(huán)節(jié)特性如下圖,線性與非線性系統(tǒng),2.本質非線性 1、輸入輸出曲線上存在間斷點,折斷點,或非單值,否則為非本質。 2、非本質非線性可在一定信號變化范圍(小信號)內線性化。本質非線性只能定性描述和數(shù)值計算。 3、非線性理論還遠不成熟,客觀講,實際系統(tǒng)都是非線性的,只是在誤差允許范圍內可進行線性處理。 、特點：暫態(tài)過程與初始條件有關,直接影響其穩(wěn)定性,線性與非線性系統(tǒng),連續(xù)離散控制系統(tǒng),三、連續(xù)離散控制

20、系統(tǒng),一) 連續(xù)系統(tǒng) 若系統(tǒng)各組成環(huán)節(jié)的輸入,輸出信號都是時間的連續(xù)函數(shù),則為連續(xù)系統(tǒng),可用微分方程描述. (二) 離散系統(tǒng) 1. 環(huán)節(jié)中有一個是以離散信號為輸入或輸出的即是. 2.離散信號在離散瞬時有意義. 3.離散信號可以通過采樣開關對連續(xù)信號采樣得到信號以脈沖序列或數(shù)碼形勢傳遞. 4.離散(采樣)控制系統(tǒng)通常用差分方程描述,四、恒值、隨動及程序控制系統(tǒng),1.恒值:輸入給定值為常值.如恒溫、恒壓、恒速系統(tǒng). 2.隨動:給定值隨時間任意變化,該系統(tǒng)使輸出跟隨輸入的變化(以一定精度)如雷達、導彈瞄準及攔截位置(前例),過程控制的副回路.又如自動平衡電子電位差計. 3.程序控制系統(tǒng):給定量按照事

21、先指定的時間函數(shù)變化,如程控機床,恒值、隨動及程序控制系統(tǒng),系統(tǒng)的狀態(tài)行為 是指輸出量受輸入量的影響在時間方向上表現(xiàn)出來的不同狀態(tài)。 具體的講是指當擾動量或給定量的變化規(guī)律發(fā)生變化時,輸出量偏離輸入量,其產(chǎn)生的偏差經(jīng)反饋作用,使系統(tǒng)經(jīng)歷一個短暫的過渡過程,又將趨于原來給定量或按照新的給定值穩(wěn)定下來.即系統(tǒng)經(jīng)歷了由原來平衡狀態(tài)過渡到新的平衡狀態(tài)的過程,這里,我們把控制量(輸出)處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)稱為靜態(tài)或穩(wěn)定,而把控制量處于變化狀態(tài)的過程稱為動態(tài)或暫態(tài),瞬態(tài),1-4自動控制系統(tǒng)的性能指標,1-4自動控制系統(tǒng)的性能指標,y1,y2,穩(wěn)態(tài)（靜態(tài),暫態(tài)（動態(tài),1-4自動控制系統(tǒng)的性能指標,一、穩(wěn)態(tài)性能 描述了系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時的穩(wěn)定程度。 用穩(wěn)態(tài)誤差表示,它是指系統(tǒng)達到穩(wěn)態(tài)時輸出量的實際值與期望值(給定值)之間的誤差。 穩(wěn)態(tài)誤差越小，穩(wěn)定精度越高。 穩(wěn)態(tài)誤差為零，稱為無差系