第一章自動控制系統(tǒng)概述ppt

1、第一章 自動控制系統(tǒng)概述第 頁 重慶郵電學(xué)院自動化學(xué)院2第一章 自動控制系統(tǒng)概述一、概述一、概述自動控制定義見教材P1： 視頻資料視頻資料在沒有人參與的情況下，通過控制器或控制裝置來控制機(jī)器或者設(shè)備等物流裝置，使得機(jī)器設(shè)在沒有人參與的情況下，通過控制器或控制裝置來控制機(jī)器或者設(shè)備等物流裝置，使得機(jī)器設(shè)備的受控物理量按照希望的規(guī)律變化，達(dá)到控制目的。備的受控物理量按照希望的規(guī)律變化，達(dá)到控制目的。是研究控制系統(tǒng)的一般規(guī)律，不是講具體的控制對象、系統(tǒng)、元件。對象：如煉鋼、化工反應(yīng)，航空航天，機(jī)械汽車加工。系統(tǒng)：運動過程，力學(xué)、電學(xué)、光學(xué)、生物等元件：控制器、執(zhí)行（電機(jī)），傳感器是自動化類、信息類的

2、必修課，主干課，將具體元件根據(jù)自動控制原理組成、針對具體控制對象的系統(tǒng)，包括：1.研究一般規(guī)律：通過分析、研究各種具體系統(tǒng)的一般規(guī)律，但聯(lián)系實際有具體意義，從物理特性和規(guī)律出發(fā)，但不局限于物理規(guī)律，而是找出共同規(guī)律使之能更廣泛的應(yīng)用。2.提供基本方法：通過規(guī)律的研究，提供針對具體問題的分析，解決問題的方法，如對實際控制系統(tǒng)，建立模型，求解，分析并解決問題，提供一種通用的思想和方法。3. 一種思想方法，不僅針對一般的物理系統(tǒng)，還可以推廣對自然科學(xué)，社會科學(xué)，如生產(chǎn)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境等問題。 如系統(tǒng)的觀點，全局觀念、反饋思想，這些思想是靠潛移默化，長期訓(xùn)練得到的，特別是復(fù)雜的，大慣性的系統(tǒng)，如：環(huán)境、生

3、態(tài)，人口等問題，僅靠當(dāng)前、局部的一些思考方法和措施不能很好解決，引入這自動控制、自動化等思想可以提供更全面地、長期的分析、解決問題的方法。作用的同時也吸取其它學(xué)科知識。 第 頁 重慶郵電學(xué)院自動化學(xué)院3第一章 自動控制系統(tǒng)概述二、發(fā)展歷史：二、發(fā)展歷史： 古代有很多樸素的應(yīng)用，如車輪、弓箭飛行的穩(wěn)定性等，具有利用負(fù)反饋的思想來工作，但都未上升到理論、系統(tǒng)的高度。（一） 18世紀(jì)前，多為簡單的裝備，對自動控制的要求和研究不多，瓦特發(fā)明蒸汽機(jī)，有了強(qiáng)大的能源，開始出現(xiàn)復(fù)雜的設(shè)備，由于機(jī)械化代替了人力，人處于操縱地位，出現(xiàn)了自動化裝置。但這些裝置有時并不總按設(shè)計的方式工作，如駕駛汽車。因為：傳動，放

4、大，延遲的問題，造成系統(tǒng)指標(biāo)不滿足預(yù)期要求甚至出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象，如蒸汽機(jī)、柴油機(jī)的失速，導(dǎo)致調(diào)速器的發(fā)明。電子的發(fā)展對穩(wěn)定性提出要求，反饋的思想出現(xiàn)、船舶自動駕駛、伺服系統(tǒng)出現(xiàn)。控制理論發(fā)展：建立數(shù)字模型微分方程：稱為時域模型1877：勞斯-霍爾維茨：代數(shù)穩(wěn)定判據(jù),由于微分方程求解困難,進(jìn)展緩慢,少量應(yīng)用, （二）1932: 奈氏判據(jù) 1934：伺服控制系統(tǒng) 、1945： 波德圖 1948：根軌跡法以及維納濾波理論。此時，利用拉氏變換解微分方程并分析，引入信號里的頻域分析思想，稱為頻率法以上統(tǒng)稱：經(jīng)典控制理論。 此階段，經(jīng)歷了第一，二次工業(yè)革命，大工業(yè)時代，煉鋼，機(jī)械，電力等飛速發(fā)展，第一，二次

5、大戰(zhàn)，雷達(dá)，大炮，飛機(jī)等發(fā)明和廣泛應(yīng)用更加這種飛速發(fā)展。 第 頁 重慶郵電學(xué)院自動化學(xué)院4第一章 自動控制系統(tǒng)概述二、發(fā)展歷史：二、發(fā)展歷史：（三）60年代以來，以極大值原理，動態(tài)規(guī)劃，卡爾曼濾波和系統(tǒng)辯識，尤其是狀態(tài)空間法，解決復(fù)雜的多輸入、輸出問題，直到現(xiàn)在的：非線性，最優(yōu)控制，系統(tǒng)辯識、自適應(yīng)控制等，該階段稱為現(xiàn)代控制理論；自動控制普遍用于工業(yè)，如煉鋼，石化，發(fā)電，供電，國防，計算機(jī)出現(xiàn)為復(fù)雜問題的時域解提供可能，自動控制成功應(yīng)用于航空，航天、核工業(yè)、乃至社會、經(jīng)濟(jì)等尖端領(lǐng)域，自動化發(fā)展高峰。（四）當(dāng)前，理論上未出現(xiàn)劃時代的進(jìn)展，如模糊控制，人工智能，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，混沌理論、大系統(tǒng)理論，基本

6、上是理論的，局部的一些解決方案，而在作為技術(shù)方法層上借助計算機(jī)，通信等實現(xiàn)較多，缺少一個普遍的，實踐上有重大意義的思想或理論。特別是目前科技發(fā)展快、分工多，難以對現(xiàn)有技術(shù)和需求做全局到局部的系統(tǒng)認(rèn)識和分析。（五）我國歷史和現(xiàn)狀我國起步晚，在現(xiàn)代科學(xué)史上沒有占據(jù)一席之地，1954年錢學(xué)森創(chuàng)立并引入工程控制論，80年代普遍開展教學(xué)和研究，但基礎(chǔ)工業(yè)落后，以原料到生產(chǎn)，各方面落后，從自動化的材料、元件、系統(tǒng)和技術(shù)各方面都與發(fā)達(dá)國家有較大差距。第 頁 重慶郵電學(xué)院自動化學(xué)院5三、自動控制系統(tǒng)及分類三、自動控制系統(tǒng)及分類（一）開環(huán)與閉環(huán)：（結(jié)構(gòu)）1、開環(huán)：不用對輸出量測量并與期望值比較如：洗衣機(jī)，交通燈

7、等，校時等運行的系統(tǒng)都是開環(huán)，一般基于時序或給定邏輯的控制都是開環(huán)控制。如例中，輸出速度，位置不用比較，其它：帆板控制。特點：簡單，穩(wěn)定，成本低，精度低，元件要求高，抗干擾差，適于輸入量已知，擾動小。如：放大器浮移，電機(jī)傳動間隙負(fù)載變化等，就使結(jié)果不同，就系統(tǒng)須元件精度高，穩(wěn)定，憑經(jīng)驗。第一章 自動控制系統(tǒng)概述第 頁 重慶郵電學(xué)院自動化學(xué)院6第 頁 重慶郵電學(xué)院自動化學(xué)院7第一章 自動控制系統(tǒng)概述（一）開環(huán)與閉環(huán)：（結(jié)構(gòu)）第 頁 重慶郵電學(xué)院自動化學(xué)院8第一章 自動控制系統(tǒng)概述2閉環(huán)： 第 頁 重慶郵電學(xué)院自動化學(xué)院9第一章 自動控制系統(tǒng)概述三、自動控制系統(tǒng)及分類三、自動控制系統(tǒng)及分類（二）信

8、號特征：1.程序控制：輸入量是已知的時間函數(shù)是一個狀態(tài)動作等。順序控制：如霓虹燈。邏輯控制：連鎖，邏輯，如機(jī)械、汽車制造中的生產(chǎn)線時間控制：交通燈，洗 衣機(jī)三者往往結(jié)合，采用PLC，繼電器，等實現(xiàn)。第 頁 重慶郵電學(xué)院自動化學(xué)院102.恒值系統(tǒng)：如恒溫，速，輸入為恒定不變，稱為自動調(diào)節(jié)。3.隨動系統(tǒng)（伺服）：如火炮，參考值不斷變化。第 頁 重慶郵電學(xué)院自動化學(xué)院11（三）線性與非線性系統(tǒng)（數(shù)學(xué)性質(zhì)）。數(shù)學(xué)模型是線性還是非線性，線性系統(tǒng)滿足疊加原理：本書主要是講線性，非線性也局部線性化。（四）時間特征：連續(xù)，離散，前者用微分方程，傳遞函數(shù)、狀態(tài)方程，后者采用：差分方程、Z傳遞函數(shù)、離散狀態(tài)方程等

9、。前者以模擬電子器件，一般為物理系統(tǒng)，為一般情況。后者是數(shù)字計算機(jī)控制，信號離散化。本書主要講述前者，后者是采樣系統(tǒng)、計算機(jī)控制的內(nèi)容 P7例（五）定常系統(tǒng)，時變系統(tǒng)：SISO，MIMO。本書主要以：線性定常連續(xù)SISO閉環(huán)系統(tǒng)。第 頁 重慶郵電學(xué)院自動化學(xué)院12第一章 自動控制系統(tǒng)概述 四、控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)四、控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu) 輸入信號（設(shè)定值）、偏差信號、控制量、擾動信號、輸出量、反饋量比較器、控制器、控制對象、傳感器 教材P3頁圖第 頁 重慶郵電學(xué)院自動化學(xué)院13第一章 自動控制系統(tǒng)概述 五、自動控制系統(tǒng)的設(shè)計。五、自動控制系統(tǒng)的設(shè)計。 1 最重要、基本的要求：穩(wěn)定，不能失控，一切其他指

10、標(biāo)以穩(wěn)定為前提。即在擾動作用下，系統(tǒng)不能處于一個相對固定的狀態(tài)，如單擺、倒立擺，對線性系統(tǒng)，穩(wěn)定與否是內(nèi)在的、系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定的，與輸入無關(guān)。第 頁 重慶郵電學(xué)院自動化學(xué)院142 一般要求：響應(yīng)快，動態(tài)過程平穩(wěn)，跟蹤準(zhǔn)確； 為了實現(xiàn)自動控制的基本任務(wù)，必須對系統(tǒng)在控制過程中表現(xiàn)出來的行為提出要為了實現(xiàn)自動控制的基本任務(wù)，必須對系統(tǒng)在控制過程中表現(xiàn)出來的行為提出要求。對控制系統(tǒng)的基本要求，通常是通過求。對控制系統(tǒng)的基本要求，通常是通過系統(tǒng)對特定輸入信號的響應(yīng)來滿足的。例如，系統(tǒng)對特定輸入信號的響應(yīng)來滿足的。例如，用單位階躍信號的過渡過程及穩(wěn)態(tài)的一些特征值來表示。用單位階躍信號的過渡過程及穩(wěn)態(tài)的一些特征值來表示。 快速性：快速性：上升時間、峰值時間（動態(tài)指標(biāo)）上升時間、峰值時間（動態(tài)指標(biāo)） 、調(diào)節(jié)時間（穩(wěn)態(tài)指標(biāo)）、調(diào)節(jié)時間（穩(wěn)態(tài)指標(biāo)） 平穩(wěn)性：平穩(wěn)性：超調(diào)量、震蕩次數(shù)；超調(diào)量、震蕩次數(shù)； 準(zhǔn)確性：準(zhǔn)確性：即精度要求，動態(tài)誤差、即精度要求，動態(tài)誤差、 穩(wěn)態(tài)誤差穩(wěn)態(tài)誤差3 設(shè)計： a.系統(tǒng)分析，建立模型，分析規(guī)律與性能。 b.設(shè)計。根據(jù)分析確定控制方法： 數(shù)字物理裝