[工学]第一章绪论自动控制理论.ppt

自动控制理论 主讲 张军 沈阳航空工业学院北方科技学院 *1第一章 绪论 第一章 概论 1-1 控制理论在 工程中的应用发展 Date2第一章 绪论 控制理论是在产业革命的背景 下，在生产和军事需求的刺激下， 自动控制、电子技术、计算机科学 等多种学科相互交叉发展的产物。 Date3第一章 绪论 从二十世纪以来，特别是第二次世界 大战以后，自动控制和自动化科学得到了 迅速的发展。 工业生产的自动化，改善了劳动条件， 增加了产量，提高了质量。在军事装备上 ，自动控制技术大大地提高了武器的威力 和精度。近年来，由于计算机的广泛应用 和控制理论的发展，使得自动控制技术所 能完成的任务更加复杂、应用的领域也越 来越广泛。 Date4第一章 绪论 全球瞩目的中国载人太空船神舟5 号于2003年10月15日上午顺利发射成功 。从这一天起，中国成为继俄罗斯和美 国之后，第三个独立成功将人类送上太 空的国家。 神舟6号于2005年10月12日上午 9:00在酒泉卫星发射中心发射升空; Date5第一章 绪论 v北京时间2008年 9月25日 21点10分04秒， 我国第三艘载人飞船神舟7号成功发射，三名 航天员翟志刚、刘伯明、景海鹏顺利升空。 v27日，翟志刚身着我国研制的“飞天”舱外航 天服，在身着俄罗斯“海鹰”舱外航天服的刘 伯明的辅助下，进行了19分35秒的出舱活动 。中国随之成为世界上第三个掌握空间出舱 活动技术的国家。 v2008年9月28日傍晚时分，神舟七号飞船在 顺利完成空间出舱活动和一系列空间科学试 验任务后，成功降落在内蒙古中部阿木古朗 草原上。 Date6第一章 绪论 载人宇宙飞船为确保载人安全 以及为保持航天员高效率工作，需 要很复杂的特设系统，例如，用于 空气更新、废水处理和再生、通风 、温度和湿度控制等的环境控制和 生命保障系统；报话通信系统、仪 表和照明系统、航天服、载人机动 装置和逃逸救生系统等。 Date7第一章 绪论 载人宇宙飞船除了要使飞船 在返回过程中的制动过载限制在 人的耐受范围内，还应使其落点 精度比返回式卫星更高，从而及 时发现和营救航天员。目前，掌 握航天器返回技术的国家只有美 国、俄罗斯和中国。 Date8第一章 绪论 在工业中，机电工业是我国最重 要的支柱产业之一，而传统的机电产 品正在向机电一体化（mechatrnics） 方向发展。机电一体化产品或系统的 显著特点是控制自动化。机电控制型 产品技术含量高，附加值大，在国内 外市场上具有很强的竞争优势，形成 机电一体化产品发展的主流。 Date9第一章 绪论 当前国内外机电结合型产品，诸 如典型的工业机器人、数控机床、自动 导引车等都广泛地应用了控制理论。 自动控制技术已经成为生产（电力 、机械、冶金、化工）、军事、科研 、企业管理等几乎一切领域中必不可少 的手段。因此，各个领域的科学工作者 和工程技术人员都必须具备一定的自动 控制工程知识。 Date10第一章 绪论 根据自动控制理论的内容和发展 的不同阶段，控制理论可分为“经典控 制理论”和“现代控制理论”两大部分。 “经典控制理论”的内容是以传递函 数为基础，以频率法和根轨迹法作为分 析和综合系统的基本方法，主要研究单 输入、单输出这类控制系统的分析和设 计问题。 Date11第一章 绪论 “现代控制理论”是在 “经典控制 理论”的基础上，于20世纪60年代以后 发展起来的。它的主要内容是以状态空 间法为基础，研究多输入、多输出、时 变参数、分布参数、随机参数、非线性 等控制系统的分析和设计问题。 最优控制、最优滤波、系统辨识、 自适应控制等理论都是这一领域重要的 分支，近年来现代控制理论在大系统理 论和人工智能控制等诸多领域有重大发 展。 Date12第一章 绪论 半个多世纪以来，控制理论从主要依靠 手工计算的经典控制理论发展到依赖计算机 的现代控制理论，发展了最优控制、自适应 控制、智能控制。智能控制中，学习控制技 术从简单的参数学习向较为复杂的结构学习 、环境学习和复杂对象学习的方向发展；并 发展了神经元网络、模糊逻辑、进化算法、 专家系统、鲁棒控制与 控制等技术。同 时还发展了MATLAB等控制系统计算机辅 助设计工具，使控制理论在工程上的应用更 加方便。 Date13第一章 绪论 1-2 自动控制系统 的基本概念 Date14第一章 绪论 自动控制： 在没有人直接参与的条件下 ，利用控制器使被控对象（如机器 、设备或生产过程）的某些物理量 （或工作状态）能自动地按照预定 的规律变化（或运行）。 Date15第一章 绪论 如：人造卫星按指定的轨道运行 ，并始终保持正确的姿态，使它 的太阳能电池一直朝向太阳，无 线电天线一直指向地球 ； 数控加工中心、焊接机器人 、温度控制系统等 Date16第一章 绪论 如温度、压力、力 、流量、电压、转 数、位移、角度等 。 一个共同点： 一个或一些被控物理量 按给定量的变化而变化。 Date17第一章 绪论 一般地说，如何使被控量 按给定量的变化规律而变化， 是控制系统所要解决的基本任 务。 Date18第一章 绪论 一、液位控制系统 uu 人工控制人工控制 测量实际液面的高度测量实际液面的高度1 1 - -用眼用眼 图图1-11-1水池液面控制系统水池液面控制系统 水池液面控制如图水池液面控制如图1-11-1所示。所示。 自动控制理论自动控制理论 希望液面高度希望液面高度 进水阀进水阀 放水阀放水阀 实际液面高度实际液面高度 1 1 与希望液面高度与希望液面高度h h 0 0 相比较相比较 -用脑用脑 按比较的结果，即液面高度偏差的正负去决定控制动作按比较的结果，即液面高度偏差的正负去决定控制动作 -用手用手 被控对象被控对象 Date19第一章 绪论 人工控制中有三种职能作用：人工控制中有三种职能作用： 测量、比较和执行测量、比较和执行 图图1-2 1-2 液面人工控制系统的方框图液面人工控制系统的方框图 液面人工控制系统的方框图如图液面人工控制系统的方框图如图1-21-2所示。所示。 自动控制理论自动控制理论 图图1-11-1水池液面控制系统水池液面控制系统 希望液面高度希望液面高度 进水阀进水阀 放水阀放水阀 Date20第一章 绪论 uu 自动控制自动控制 在自动控制系统中也必须有测量、比较和执行这三种在自动控制系统中也必须有测量、比较和执行这三种 职能，如图职能，如图1-31-3所示。所示。 液位控制系统由以下五部分组成。液位控制系统由以下五部分组成。 Date21第一章 绪论 测量元件-浮子 图图1-3 1-3 液面自动控制系统液面自动控制系统 被控对象-水池 自动控制理论自动控制理论 比较机构-求浮子的希望位置与实际位置之差 放大机构-当误差信号不足以使执行元件动作时，一般都 需要加放大元件，以提高系统的控制精度 执行元件-驱动被控对象，以改变被控制的量 Date22第一章 绪论 为了控制系统的表示简单明了，控制工程中一般用方框为了控制系统的表示简单明了，控制工程中一般用方框 图表示系统的各个组件，组件的基本组成单元如图图表示系统的各个组件，组件的基本组成单元如图1-41-4所示。所示。 图图1-4 1-4 控制系统框图的基本组成单元控制系统框图的基本组成单元 自动控制理论自动控制理论 引出点引出点 比较点比较点 部件的框部件的框 图图 Date23第一章 绪论 图图1-3 1-3 液面自动控制系统液面自动控制系统 图图1-5 1-5 液面自动控制系统的方框图液面自动控制系统的方框图 故液位自动控制系统也可用图故液位自动控制系统也可用图1-51-5来表示。来表示。 显然用框图表示比原理图更简单，而且信号在系统中的显然用框图表示比原理图更简单，而且信号在系统中的 传递也更为清晰。因此在以后的讨论中，控制系统一般均以传递也更为清晰。因此在以后的讨论中，控制系统一般均以 框图形式表示。框图形式表示。 Date24第一章 绪论 直流随动如图直流随动如图1-61-6所示。所示。 二、随动控制系统 图图1-6 1-6 直流随动系统的原理图直流随动系统的原理图 自动控制理论自动控制理论 直流随动系统是用一对电位器直流随动系统是用一对电位器 作为位置的检测元件，它们分别把作为位置的检测元件，它们分别把 系统的输入与输出的位置信号转换系统的输入与输出的位置信号转换 成与之成比例的电信号，并进行比成与之成比例的电信号，并进行比 较。较。 Date25第一章 绪论 图图1-6 1-6 直流随动系统的原理图直流随动系统的原理图 图图1-7 1-7 直流随动系统的方框图直流随动系统的方框图 Date26第一章 绪论 图图1-7 1-7 直流随动系统的方框图直流随动系统的方框图 图图1-5 1-5 液面自动控制系统的方框图液面自动控制系统的方框图 自动控制框图的一般形式自动控制框图的一般形式 d(td(t) ) 串联校正串联校正 反馈校正反馈校正 Date27第一章 绪论 自动控制框图的一般形式自动控制框图的一般形式 d(td(t) ) 串联校正串联校正 反馈校正反馈校正 d(td(t) ) Date28第一章 绪论 1-3 开环控制与闭环控制开环控制与闭环控制 v开环控制 如果系统的输出量没有与参考输入相比较如果系统的输出量没有与参考输入相比较, ,即系统的即系统的 输出与输入间不存在着反馈的通道输出与输入间不存在着反馈的通道, ,这种控制方式叫开环这种控制方式叫开环 控制控制 优点优点 结构简单，所用元器件少结构简单，所用元器件少, , 成本低成本低 缺点缺点 系统没有抗扰动功能，因而大大限制了系统的应用范围 系统没有抗扰动功能，因而大大限制了系统的应用范围 Date29第一章 绪论 开环直流调速系统开环直流调速系统 晶闸管晶闸管 整流装置整流装置 电动机电动机 触发器触发器 U Ug g U Ud d 转速转速 n n T TL L 扰动扰动 当电动机的负载、交流电网的电压以及电动机的励磁稍当电动机的负载、交流电网的电压以及电动机的励磁稍 有变化时，电动机的转速就会随之而变化，不能再维持有变化时，电动机的转速就会随之而变化，不能再维持UgUg所所 期望的转速。期望的转速。 Date30第一章 绪论 数控机床开环定位控制系统数控机床开环定位控制系统 如果系统的给定输入与被控量之间的关系固定，且其内如果系统的给定输入与被控量之间的关系固定，且其内 部参数或外来扰动的变化都较小，或这些扰动因素可以事先部参数或外来扰动的变化都较小，或这些扰动因素可以事先 确定并能给予补偿，则采用开环控制也能取得较为满意的控确定并能给予补偿，则采用开环控制也能取得较为满意的控 制效果。制效果。 分配器分配器步进电机步进电机 精精 密密 传动机构传动机构 工作台工作台 控制脉冲控制脉冲工作台位移工作台位移 Date31第一章 绪论 v闭环控制 若把系统的被控制量反馈到它的输入端，并与参考输若把系统的被控制量反馈到它的输入端，并与参考输 入相比较，这种控制方式叫闭环控制。相应的系统称为闭入相比较，这种控制方式叫闭环控制。相应的系统称为闭 环控制系统环控制系统 闭环控制的优点闭环控制的优点 自动地消弱或清除来自系统内部或外部扰动对被控制量自动地消弱或清除来自系统内部或外部扰动对被控制量 的影响的影响 Date32第一章 绪论 闭环直流调速系统闭环直流调速系统 Date33第一章 绪论 v三种常用的分类方法 自动控制理论自动控制理论 1-4 自动控制系统的分类自动控制系统的分类 uu 线性控制系统和非线性控制系统线性控制系统和非线性控制系统 若组成控制的元件都具有线性特性则称这种系统为线性控制系统若组成控制的元件都具有线性特性则称这种系统为线性控制系统 若在控制系统中有一个以上的元件具有非线性则称这种系统为非线若在控制系统中有一个以上的元件具有非线性则称这种系统为非线 性控制系统性控制系统 特点：特点： 不具有比例性，也不适用叠加原理 不具有比例性，也不适用叠加原理 系统的输出响应稳定性与其初始状态有关 系统的输出响应稳定性与其初始状态有关 特点：特点： 系统用微分方程、传递函数或状态方系统用微分方程、传递函数或状态方程来描述程来描述 具有比例性并适用叠加原理 具有比例性并适用叠加原理 按系统组成元件的性质分按系统组成元件的性质分 Date34第一章 绪论 uu 恒值控制系统和随动控制系统恒值控制系统和随动控制系统 按系统给定信号的性质分按系统给定信号的性质分 恒值控制系统的参考输入量为常量，要求它的被控制量在任何恒值控制系统的参考输入量为常量，要求它的被控制量在任何 扰动的作用下能尽快地恢复（或接近）原有的稳态值。扰动的作用下能尽快地恢复（或接近）原有的稳态值。 如液位控制系统、恒温系统等； 随动控制系统的输入是一个变化量，要求系统的被控制量能快随动控制系统的输入是一个变化量，要求系统的被控制量能快 速准确地跟随参考输入信号的变化而变化。速准确地跟随参考输入信号的变化而变化。 如转速调节系统，位置随动系统等。 Date35第一章 绪论 自动控制理论自动控制理论 uu连续控制系统和离散控制系统连续控制系统和离散控制系统 按系统内部传输信号的性质分按系统内部传输信号的性质分 若在控制系统内部有一个或一个以上的信号是时间的离散信若在控制系统内部有一个或一个以上的信号是时间的离散信 号，则称这类系统为离散控制系统。计算机控制系统是一种常见号，则称这类系统为离散控制系统。计算机控制系统是一种常见 离散控制系统离散控制系统 计算机控制系统的方框图计算机控制系统的方框图 控制系统中各部传输信号都是时间的连续函数，则称这类系控制系统中各部传输信号都是时间的连续函数，则称这类系 统为连续控制系统统为连续控制系统 2018/12/2736第一章 绪论 自动控制理论自动控制理论 1-5 对控制系统性能的要求和本课程的任务对控制系统性能的要求和本课程的任务 v控制系统的性能一般从以下三方面来评价 一、稳定性一、稳定性 当系统受到某一扰动作用后，使被控制量偏离了原来的平衡