自动控制系统第八版课件

自动控制原理 1 成都信息工程学院控制工程系 自动控制原理 教材：现代控制系统（第八版）， Dorf. R. C. Bishop R. H. 著，谢红卫等译 ，高等教育出版社，2001.06. 授课老师：瞿福存 联系方式：Email： 课件密码：student 总学时：64（其中讲课学时56，实验学时8） 2 成都信息工程学院控制工程系 自动控制原理 胡寿松主编的自动控制原理(第五版) 李友善主编 自动控制原理机械工业出版 社 黄忠霖编著 控制系统MATLAB计算及仿真 国防工业出版社 胡寿松主编 自动控制原理习题集（第2版 ） 科学出版社 刘坤主编 MATLAB自动控制原理习题精解 国防工业出版社 主要教学参考书： 3 成都信息工程学院控制工程系 自动控制原理 本课程性质:专业基础课 考核方式: 闭卷考试 成绩评定方法： 考试占70%，其它占30%(课堂纪律及作业等） 4 成都信息工程学院控制工程系 自动控制原理 课程的主要内容及学时分配 第一章 控制系统导论 6 第二章 控制系统的数学模型 8 第三章 线性系统的时域分析法 10 第四章 线性系统的根轨迹分析法 6 第五章 线性系统的频域分析法 10 第六章 反馈控制系统的设计 8 第七章 数字控制系统的分析与设计 8 5 成都信息工程学院控制工程系 第一章 控制系统导论 本章主要内容 自动控制的一般概念 自动控制系统举例 控制系统基本结构 自动控制简史 控制系统设计概述 设计实例 循序渐进设计示例 6 成都信息工程学院控制工程系 第一节 自动控制的一般概念 控制：使被控对象按照控制者的意愿运动。 系统：是由一些相互联系、相互制约的若干 组成部分结合而成的、具有特定功能的一个 有机整体。 从三个方面理解系统的概念： （1）系统是由若干 要素（部分）组成的。（2）系统有一定的结构。 （3）系统有一定的功能，或者说系统要有一定的 目的性。 第一章 控制系统导论 7 成都信息工程学院控制工程系 自动控制 :在没有人直接参与的情况下，利用 外加的设备或装置,使机器、设备或生产过程 的某个工作状态或参数自动地按照预定的规律 运行。 自动控制系统 :为了实现自动控制任务，将被 控对象和控制装置按照一定的方式连接起来组 成的一个有机整体。 自动控制理论 :是研究自动控制共同规律的一 门技术科学。 第一章 控制系统导论 8 成都信息工程学院控制工程系 第二节自动控制系统举例 例1.1.以机器人为单元的无人化工厂 第一章 控制系统导论 9 成都信息工程学院控制工程系 例1.2.墙面清洗机器人 第一章 控制系统导论 10 成都信息工程学院控制工程系 例1.3.机械手 第一章 控制系统导论 11 成都信息工程学院控制工程系 例1.4.导弹:自动飞行到预定目标 第一章 控制系统导论 12 成都信息工程学院控制工程系 例1.5.无人驾驶飞机:按照预定航线飞行 第一章 控制系统导论 13 成都信息工程学院控制工程系 例1.6.人造卫星:在预定轨道飞行 第一章 控制系统导论 14 成都信息工程学院控制工程系 例1.7.电热水器:将水加热到设定温度 第一章 控制系统导论 15 成都信息工程学院控制工程系 例1.8.全自动洗衣机:按设定程序洗衣服 第一章 控制系统导论 16 成都信息工程学院控制工程系 自动控制的作用与重要性 把人从繁重的危险的工作中解放出来 矿井掘井、核电站检查消防、救火、无人侦察机 、导弹（无人） 完成人无法完成的工作 管道机器人、水下6000米机器人 比人干得更快、更好，极大地提高生产力 从自动化生产线上生产的产品，质量越来越好，价 格越来越低。 第一章 控制系统导论 17 成都信息工程学院控制工程系 管理、经济、金融过程智能化 楼宇管理自动化：电、气、水、消防报警全自动 管理，办公自动化，交通自动化，自助银行等。 自动化在经济生活中应用越来越广泛，几乎无处 不在。 自动化技术是高科技的集中体现与应用。 注：在工业过程（或经济生活）中采用自动控制代 替人工控制，称之为自动化。 第一章 控制系统导论 18 成都信息工程学院控制工程系 第三节 控制系统基本结构 第一章 控制系统导论 例1.9：调节容器液面位置的人工闭环控制系统 19 成都信息工程学院控制工程系 第一章 控制系统导论 分析 决策 脑 执 行 工作 对象 手 观 察 观 察 干扰或 激励 眼 预期 目标 实际 结果 眼 液体的流 入和流出 液位 20 成都信息工程学院控制工程系 第一章 控制系统导论 例1.10：汽车方向控制系统 21 成都信息工程学院控制工程系 第一章 控制系统导论 驾车人 汽车 预期行 驶路线 实际行 驶路线 比较器 视觉测量 + - 偏差 方向盘 22 成都信息工程学院控制工程系 例1.11.人工控制恒温箱 控制过程 1 观测恒温箱内的温度（ 被控制量） 2 与要求的温度（给定值 ）进行比较得到温度偏 差的大小和方向 3 根据偏差大小和方向调 节调压器，控制加热电 阻丝的电流以调节温度 回复到要求值 第一章 控制系统导论 23 成都信息工程学院控制工程系 例1.11.人工控制恒温箱（续） 人工控制恒温箱方块图 第一章 控制系统导论 24 成都信息工程学院控制工程系 例1.12恒温箱自动控制系统 控制过程 1 恒温箱实际温度由热电 偶转换为对应的电压u2 2 恒温箱期望温度由电压u1 给定，并与实际温度u2 比较得到温度偏差信号 u=u1-u2 3 温度偏差信号经放大后 ，驱动执行电动机调节 电流，直到温度达到给 定值为止，此时，偏差 u=0,电机停止转动。 第一章 控制系统导论 25 成都信息工程学院控制工程系 例1.12.恒温箱自动控制系统（续） 恒温箱自动控制系统方块图 放大器控制电机减速器调压器恒温箱 热电偶 恒温箱 温度 设定 温度 第一章 控制系统导论 26 成都信息工程学院控制工程系 用偏差值产生控制调节作用去消除偏 差，使得输出量维持期望的输出。 控制系统的工作过程： 检测输出量（被控制量）的实际值； 将输出量的实际值与给定值（输入量 ）进行比较得出偏差； 第一章 控制系统导论 27 成都信息工程学院控制工程系 反馈控制原理： 为了实现被控对象的状态或参数按预定规律 运行，需要获取被控对象的反馈信息，控制 装置根据反馈信息对被控对象施加控制作用 ，用来不断修正输出量与预定规律的偏差。 将系统的输出量反送到输入端，与输入量相 比较产生偏差；根据偏差确定控制信号；驱 动执行器操作以减小或消除偏差，实现控制 目标。 第一章 控制系统导论 28 成都信息工程学院控制工程系 控制系统的基本组成 典型控制系统的方块图 控制器执行机构被控对象 输入信号 给定值 偏差 - 测量装置 输出量 干扰 第一章 控制系统导论 29 成都信息工程学院控制工程系 被控对象：要求实现自动控制的设备或过程 被控量（输出量）：指被控对象的输出 控制量：控制器施加给被控对象的控制信号 输入量（参考输入）：作用于控制系统输入 端，并可实现使系统具有预定性能或预定输 出的物理量 第一章 控制系统导论 30 成都信息工程学院控制工程系 偏差：参考输入与反馈信号之间的差值 误差：期望输出与实际输出之间的偏差 扰动：指外界或系统内部影响系统输出的干 扰信号 反馈：指取出输出量送回到输入端并与输入 信号相比较产生偏差的过程 第一章 控制系统导论 31 成都信息工程学院控制工程系 前向通道：从输入端沿箭头方向到输出端的 传输通道 反馈通道：从输出端到输入端的反方向通道 控制系统的基本控制方式 反馈控制方式（闭环控制） 开环控制方式 复合控制方式 第一章 控制系统导论 32 成都信息工程学院控制工程系 反馈控制方式 反馈控制是按偏差进行控制的，其特点是输 出端和输入端之间存在反馈回路。是自动控 制理论主要的研究对象。 第一章 控制系统导论 33 成都信息工程学院控制工程系 开环控制方式 开环控制是指控制器与被控对象间只有顺向作 用而无反向联系的控制过程。其特点是系统的 输出量不会对系统的控制作用发生影响。 第一章 控制系统导论 34 成都信息工程学院控制工程系 开环控制的两种控制方式 按给定量控制：控制作用直接由系统的输入量 产生，给定一个输入量，就有一个输出量与之 对应，控制精度完全取决于所用的元件及校准 的精度。 输出量 给定值 控制器被控对象 按给定量开环控制方块图 第一章 控制系统导论 35 成都信息工程学院控制工程系 按扰动控制：通过对扰动信号的测量产生控 制作用，以补偿扰动对输出量的影响。 控制器被控对象 测量环节 扰动 输出量 按扰动开环控制方块图 第一章 控制系统导论 36 成都信息工程学院控制工程系 复合控制方式 复合控制方式是指按偏差控制和按扰动控制 相结合的控制方式。是反馈控制和开环控制 的有机结合。 第一章 控制系统导论 37 成都信息工程学院控制工程系 开环控制和闭环控制的比较 开环控制 1）输出不影响输入，对输出不需要测量，通常容易 实现； 2）组成系统的元部件精度高，系统的精度才能高； 3）系统的稳定性不是主要问题。 闭环控制 1）输出影响输入，所以能削弱或抑制干扰； 2）低精度元件可组成高精度系统； 3）因为可能发生超调，振荡，所以稳定性很重要。 第一章 控制系统导论 38 成都信息工程学院控制工程系 冷却器 继电器 压缩机 控制器 蒸发器 冰箱 例题 家用电冰箱温控系统 试写出系统的被控对象、被控量、输入量和扰动量 ，工作原理，画出系统方框图。 第一章 控制系统导论 39 成都信息工程学院控制工程系 被控对象：冰箱 被控量： 输入量： 控制器设定值（代表温度的期望值） 扰动量： 开门时的外界温度 解： 冰箱内温度 工作原理:控制器设定温度与冰箱内温度比较， 如果设定温度高于冰箱内温度，则继电器接通 ，压缩机工作，使冰箱温度下降，直到冰箱内 温度达到希望温度，此时继电器断开，压缩机 停止工作。 第一章 控制系统导论 40 成都信息工程学院控制工程系 家用电冰箱温控系统方框图如下： 第一章 控制系统导论 41 成都信息工程学院控制工程系 作业1 E1.1, P1.1, P1.6, P1.7, P1.19, P1.20, P1.24 （只写题号，可以不抄题） 第一章 控制系统导论 42 成都信息工程学院控制工程系 第四节 自动控制简史 人类的梦想：让机器自动工作，减轻人的脑 力和体力劳动。 人们普遍认可的最早的自动反馈控制器是： 1769 年瓦特发明的蒸汽机离心调速器。 第一章 控制系统导论 43 成都信息工程学院控制工程系 第一章 控制系统导论 44 成都信息工程学院控制工程系 第一章 控制系统导论 瓦特离心调速器在调速过程中存在不稳定现 象（“设备变得发狂！”），当时并没有理论 指导，所有的努力都集中在改进调速器本身 （重量、弹簧、摩擦）。 控制理论的起始，仅有实践是不够的！ 麦克斯维尔(MAXWELL)把调节器跟调节对 象合在一起，看作一个系统，用微分方程来 进行研究，指出微分方程的特征根在左半面 或右半面，决定着系统稳定与否。 45 成都信息工程学院控制工程系 第一章 控制系统导论 1877年，麦克斯维尔的学生劳斯提出了劳斯 代数稳定性判据，并获得了亚当奖。 有了理论的指导，才能更好地实践。 1895年，胡尔维茨也提出了本质上与劳斯判 据一致的代数稳定性判据，并在稳定性理论 的指导下，为瑞士达沃斯电厂的一个蒸汽机 设计了一个调速系统。胡尔维茨被认为是真 正运用控制理论，来指导设计控制系统的第 一人。 46 成都信息工程学院控制工程系 第一章 控制系统导论 到了二十世纪40年代，尼可尔斯深入研究了 PID（Proportion, Integral, Differential）调节 问题。 他在MIT仅有的一台模拟机（又叫微分分析 仪）上做了大量的仿真实验，最后列出来了 PID的整定表。控制工程中，有一项工作历 经60多年，至今还在使用的，这就是尼可尔 斯编排的这个PID整定表。 1950年以前，称为经典控制理论时期； 1950年以后，称为现代控制理论时期。 47 成都信息工程学院控制工程系 第一章 控制系统导论 经典控制理论时期的主要代表人物还有： 伯德（H.W.Bode ）： 1945年提出了简便而 实用的伯德图法。 伊文思（W.R.Evans）： 1948年提出了直观 而又形象的根轨迹法。 维纳：1948 年发表了著名的控制论关 于在动物和机器中控制和通讯的科学，标 志着自动控制理论的诞生。 48 成都信息工程学院控制工程系 第一章 控制系统导论 项目经典控制理论现代控制理论 研究对象线性定常系统 （单输入、单输出） 线性、非线性、定常、 时变系统 （多输入、多输出） 描述方法传递函数 （输入、输出描述） 向量空间 （状态空间描述） 研究办法根轨迹法和频率法状态空间法 研究目标系统分析及给定输入 、输出情况下的系统 综合 揭示系统的内在规律，实 现在一定意义下的最优控 制与设计 经典控制理论与现代控制理论比较 49 成都信息工程学院控制工程系 第五节 控制系统设计概述 明确用户要求 论证设计要求 开发多种解决方案 选定解决方案并加以详细技术设计和技术实现 工程设计是工程师的中心工作。学以致用。 设计是为了达到特定的目的，构思或创造系统的 结构、组成和技术细节的过程。 设计的主要步骤是： 第一章 控制系统导论 50 成都信息工程学院控制工程系 工程设计的限制条件：成本、时间和效率。 工程设计是一个循环往复的过程。 控制系统设计是工程设计的特例，也是逐步 确定系统控制变量、设计指标、结构配置、 选择关键参数，以满足实际需求的过程。 控制系统设计的主要步骤是： 第一章 控制系统导论 51 成都信息工程学院控制工程系 第一章 控制系统导论 若性能满足规范要求，则设计工作结束 建立控制目标 步骤1 确定被控变量 步骤2 给定各变量的控制要求 （设计目标） 步骤3 确定系统结构选择执行机构 步骤4 建立对象执行机构传感器模型步骤5 建立控制模型选择待调参数 步骤6 优化系统设计分析系统性能 步骤7 若性能不 能满足要 求，则重 新确定系 统结构和 执