自动控制理论第一章自动控制的基本原理.ppt

26/4/2009,50/,第一章 自动控制的基本原理,第二节 自动控制系统的分类,第一节 自动控制与自动控制系统,第四节 自动控制理论发展简述,第三节 对控制系统性能的要求,课程安排、学习方法、实验安排,第一节 自动控制与自动控制系统,一、自动控制的基本概念,第一章自动控制的基本原理,1969年7月20日，“阿波罗11号”飞船首次登陆月球时的珍贵图片,第一节 自动控制与自动控制系统,2008年9月25日至28日,中国成功实施了神舟七号载人航天飞行（新化社报道）,第一节 自动控制与自动控制系统,图1-5 飞机在上海浦东国际机场跑道上滑行,第一节 自动控制与自动控制系统,图 一列CRH3“和谐号”动车组停靠在改扩建的新北京南站站台（中国政府网 陈涛 摄）,第一节 自动控制与自动控制系统,图 RH炼钢设备,第一节 自动控制与自动控制系统,苏格兰科学家展示新近研制成功的高仿真仿生学假肢。,第一节 自动控制与自动控制系统,图1-4住宅看护机器人（法新社报道）,第一节 自动控制与自动控制系统,图1-7 1989年，人工智能模糊控制全自动洗衣机在三洋研制成功 （引自人民网）,第一节 自动控制与自动控制系统,一、自动控制的基本概念,现代科学技术中的自动控制技术得到 了广泛的应用,航天器,工业控制,机器人,家用电器,自动控制：,在无人直接参与下，利用控制装置操纵受控对象，使受控对象的被控量按给定信号变化规律去变化。,第一节 自动控制与自动控制系统,控制量:阀门开度（蒸汽流量）,例 水温人工控制系统,受控对象:水箱,系统的构成：,被控制量:水温,蒸汽通过热传导器件把热量传递给水,水的温度与蒸汽的流量成正比.,手动调节阀门的开度，从而调节蒸汽的流量,来控制水的温度.,但人工难以实现稳定的高质量控制.,第一节 自动控制与自动控制系统,例 水温自动控制系统,系统中增加了：,控制器,电机,加入给定信号,工作原理：,检测实际温度,产生控制信号,通过电机调节阀门的开度,从而调节蒸汽流入，控制水的温度. 实现没有人直接参入的自动水温控制.,第一节 自动控制与自动控制系统,为了方便地分析系统性能，一般用框图来表示系统的结构，水温自动控制系统可用框图表示为：,要使自动控制系统满足工程实际的需要 , 必须研究自动控制系统的结构参数与系统性能之间的关系。特别是被控对象运动规律,实际温度,偏差,反馈量,预期温度,_,第一节 自动控制与自动控制系统,二、自动控制系统的基本构成及控制方式,1开环控制,有顺向作用而无反向联系.,不同的被控对象和不同的控制装置构成了不同的控制系统，所以自动控制系统的种类是很多的。自动控制系统一般有两种基本控制方式.,开环控制,控制装置与受控对象之间只,第一节 自动控制与自动控制系统,例 转台速度开环控制系统,转台,电机,电源和放 大装置,速度设置,系统组成：,由图可见：,速度设置信号通过功率放大以后，提供给电动机驱动电源，电动机带动转台旋转。,由于被控制量速度没有反馈到输入端与给定信号比较,为开环控制系统。,给定速度,实际转速,系统结构图:,这种转台在C D 机、计算机磁盘驱动器等许多现代装置中广泛应用.,第一节 自动控制与自动控制系统,例 转台速度开环扰动控制系统,图 直流电动机转速扰动控制系统,测量出外部扰动作用，形成与外部扰动作用相反的控制量与外部作用共同使被控量基本不受影响。,第一节 自动控制与自动控制系统,例 转台速度开环控制系统,结构简单，稳定性好，容易设计和调整以及成本较低的优点，对那些负载恒定，扰动小，控制精度要求不高的实际系统，是有效的控制方式。,开环控制的特点：,第一节 自动控制与自动控制系统,2闭环控制,闭环控制:,闭环控制又称为反馈控制或按偏差控制。,控制装置与受控对象之间，不但有顺向作用，还有反向联系。,例 转台速度闭环控制系统,系统中增加了测速发电机作为反馈装置,测出电动机的速度反馈给控制器。,与给定信号比较产生偏差电压，经过功率放大后对电动机的速度进行闭环控制.,当速度受扰动发生变化时，偏差电压也随之变化，通过闭环调节能消除干扰。,系统结构图,测速机,偏差,预期速度,实际转速,_,第一节 自动控制与自动控制系统,闭环控制,在这种（闭环）系统中，测量元件测的是被控量（转速n），所以，无论任何因素，只要n变化，就可以自动调节，消除或减小这种变化。,第一节 自动控制与自动控制系统,直流调速系统、交流变频调速系统,（3）能减小或消除由扰动形成的偏差，具有较高的控制精度和较强的抗扰能力。,通过以上的实例分析可得出闭环控制系统具有的特点：,（1）系统的控制信号是给定值与反馈量的差值，故称为按偏差控制或反馈控制。,（2）闭环系统有两种传输通道：前向通道和反馈通道。,自动控制原理中主要讨论闭环控制系统。,反馈是控制的精髓,第一节 自动控制与自动控制系统,3复合控制,测量出外部作用，形成与外部作用相反的控制量与外部作用共同使被控量基本不受影响。,前馈补偿控制,复合控制基本形式.,前馈补偿控制：,复合控制：,反馈控制,+,在外部作用下，由系统被控制量的变化产生调节和控制作用。,反馈控制：,第一节 自动控制与自动控制系统,按扰动前馈补偿的复合控制,给定值,被控制量,_,前馈补偿控制,反馈控制,主通道,扰动,第一节 自动控制与自动控制系统,3复合控制,图 直流电动机转速复合控制系统,第一节 自动控制与自动控制系统,第二节 自动控制系统的分类,一、按变量的数学关系来分,自动控制系统的分类方法较多，常见的有以下几种,第一章 概 述,二、按控制系统的输入作用来分,一、线性系统和非线性系统,由线性微分方程或线性差分方程所描述的系统。,由非线性方程描述的系统。,第二节 自动控制系统的分类,线性系统：,非线性系统：,二、定常系统和时变系统,定常系统:,若系统微分方程的系数为常数，则称之为线性定常系统。此类系统为本书主要讨论对象。,系统数学模型微分方程的系数不是时间变量的函数。,否则称为时变系统。,第二节 自动控制系统的分类,三、连续系统和离散系统,连续系统：,系统中各部分的信号都是时间的连续函数即模拟量。,离散系统：,系统中有一处或多处信号为时间的离散函数，如脉冲或数码信号。,若系统中既有模拟量也有离散信号，则又可称之为采样系统。,第二节 自动控制系统的分类,四、恒值系统、随动系统和 程序 控制系统(按控制系统的输入作用来分 ）,系统的给定值为一定值，而控制任务就是克服扰动，使被控量保持恒值。,例如：电机速度控制、恒温、恒压、水位控制系统等。,恒值系统：,第二节 自动控制系统的分类,随动系统：,系统给定值按照事先不知道的时间函数变化，并要求被控量跟随给定值变化。,如：火炮自动跟踪系统、轮舵位置控制系统等。,第二节 自动控制系统的分类,第二节 自动控制系统的分类,放大装置,例 位置随动系统,环型电位器,电机,电源,齿轮,系统组成：,负载,输入,r,输出,c,工作过程：,r=c,Ud= 0,Ud,rc,Ud0,电动机带动齿轮转动,调节c,使 r= c,电动机静止,系统结构图,r,_,m,c,ue,ud,第二节 自动控制系统的分类,程序控制系统：,系统的给定值按照一定的时间函数变化，并要求被控量随之变化。,例如：,机械手,第二节 自动控制系统的分类,自动化生产线：,第二节 自动控制系统的分类,自动化生产线：,第二节 自动控制系统的分类,问题（problems:） 1反馈控制的概念与作用；What is Feedback? 2.自动控制系统的基本组成有哪些？有哪些常用术语？ 3自控系统的工作原理？,第二节 自动控制系统的分类,第三节 对控制系统性能的要求,常见的评价系统优劣的性能指标是从动态过程中定义出来的。对系统性能的基本要求有三个方面。,二、快速性,一、稳定性,三、准确性,第一章 概 述,一、稳定性,第三节 对控制系统性能的要求,系统受外作用力后,其动态过程的振荡倾向和系统恢复平衡的能力。,稳定性：,系统受外作用力经过一段时间，其被控量达到某一稳定状态，则系统是稳定的。,否则为不稳定的。,r(t),c(t),不稳定的系统是无法正常工作的。,扰动信号作用下 的不稳定系统:,c(t),d(t),一个能在生产实际中应用的系统,不仅应具有稳定性,而且在动态过程中的震荡也不能过于强烈.,第三节 对控制系统性能的要求,通过动态过程时间长短表征快速性。,二、快速性,r(t),c1(t),c2(t),快速性表明了系统输出对输入响应的快慢程度,过渡过程时间越短，表明快速性越好。,反之亦然。,t1,t2,第三节 对控制系统性能的要求,由输入给定值与输出响应的终值之间的差值ess大小表征。,三、准确性,ess,它反映了系统的稳态精度。若系统最终的误差为零，则称为无差系统，否则为有差系统。,c(t),r(t),第三节 对控制系统性能的要求,稳定性、快速性和准确性往往是互相制约的。在设计与调试的过程中,若过分强调某方面的性能,则可能会使其他方面的性能受到影响.,怎样根据工作任务的不同,分析和设计自动控制系统，使其对三方面的性能有所侧重 ，并兼顾其它正是自控原理课程要解决的问题。,第三节 对控制系统性能的要求,自动控制理论是研究自动控制共同规律的技术科学。,第四节 自动控制理论发展简述,第一章 概 述,具有“自动”功能的装置自古有之，瓦特发明的蒸汽机上的离心调速器是比较自觉地运用反馈原理进行设计并取得成功的首例。,麦克斯韦对它的稳定性进行分析，于1868年发表的论文当属最早的理论工作。,从20世纪20年代到40年代形成了以时域法，频率法和根轨迹法为支柱的“古典”控制理论。,第四节 自动控制理论发展简述,60年代以来，随着计算机技术的发展和航天等高科技的推动，又产生了基于状态空间模型的所谓“现代”控制理论。,近年来，在非线性系统理论、离散事件系统、大系统和复杂系统理论以及专家系统、模糊控制和人工神经网络控制等方面均有不同程度的发展。,总之，自动控制理论正随着技术和生产的发展而不断发展，而它反过