《自动化学科专业发展战略究》与《自动化学科专业规范》课题工.ppt

1 自动控制原理 昆明理工大学自动化系2008 1 6 2 课程内容 控制系统基本概念物理系统建模方法时域分析方法复域分析方法频域分析方法系统校正其他 3 教材及主要参考书 自动控制原理 李玉惠晋帆主编向凤红主审清华大学出版社2008参考书 自动控制原理 陈玉宏向凤红主编重大出版社2002 自动控制原理 王建辉主编清华大学出版社2006 自动控制理论与设计 上海交大出版社徐薇莉等 AutomaticControlSystem BenjaminC Kuo 高教出版社 4 第1章自动控制系统的基本概念 1 1引言1 2开环控制系统和闭环控制系统1 3自动控制系统的基本构成1 4自动控制系统的分类和应用1 5对自动控制系统的基本要求 5 1 1引言 自动控制的自然和人造系统自动控制理论发展简史自动控制中的常用术语 6 自动控制的自然和人造系统 人体自然系统体温控制系统心跳控制系统眼球聚焦系统新陈代谢系统血液系统呼吸系统肾肝肺系统这些系统持续的自动控制是我们保持健康的基本条件这些系统是在我们非有意识干预的情况下自动运行的 7 自动控制的自然和人造系统 天体自然系统银河系的恒星运动 8 自动控制的自然和人造系统 季节自然系统四季气候变更 9 自动控制的自然和人造系统 人造系统全自动洗衣机电冰箱电饭煲电梯控制系统温度控制系统水位控制系统速度控制系统刹车防抱死系统 10 自动控制理论发展 1 1787年 JamesWatt为控制蒸汽机速度设计的离心调节器 是自动控制领域的第一项重大成果 1868年 J C Maxwell在论文 论调节器 中首先解释了Watt速度控制系统中出现的不稳定问题 通过线性常微分方程的建立和分析 指出了振荡现象的出现与从系统导出的一个代数方程根的分布有密切的关系 开辟了用数学方法研究控制系统运动特性的途径 11 自动控制理论发展 2 1877年E J Routh和1895年A Hurwitz分别独立地建立了直接根据代数方程的系数判别系统稳定性的准则 1892年A M Lyapunov用严格的数学分析方法全面地论述了稳定性问题 Lyapunov稳定性理论至今仍然是分析系统稳定性的重要方法 1922年 Minorsky研制出船舶操纵自动控制器 并证明了从系统的微分方程确定系统的稳定性的方法 12 自动控制理论发展 3 1925年英国电气工程师O 亥维赛把拉普拉斯变换应用到求解电路网络的问题上 创立了运算微积分 随后被应用到分析自动控制系统的问题上 并取得了显著的成就 1927年美国贝尔实验室的电气工程师H S Blsck在解决电子管放大器失真问题时首先引入反馈的概念 13 自动控制理论发展 4 1932年 Nyquist提出了一种根据系统的开环频率响应 对稳态正弦输入 确定闭环系统稳定性的方法 1934年 Hezen提出了用于位置控制系统的伺服机构的概念 讨论了可以精确跟踪变化的输入信号的机电伺服机构 14 自动控制理论发展 5 1948年 美国科学家W R Evans提出了有名的根轨迹的分析方法 并于1950年进一步应用于反馈控制系统的设计 形成了与频率响应方法相对应的另一核心方法 根轨迹法 1956年 前苏联科学家L S Pontryagin提出极大值原理 同年美国数学家R Bellman创立动态规划 极大值原理和动态规划为最优控制提供了理论工具 1959年美国数学家R E Kalman提出了著名的卡尔曼滤波器 1960年又提出能控性和能观测性的概念 19世纪50年代末 控制系统设计问题的重点从设计许多可行系统中的一种系统 转到设计在某种意义上的最佳系统 15 自动控制理论发展 6 19世纪60年代 数字计算机的出现为复杂系统的基于时域分析的现代控制理论提供了可能 从1960年到1980 确定性系统 随机系统的最佳控制 及复杂系统的自适应和学习控制 都得到充分的研究 从1980年到现在 现代控制理论进展集中于鲁棒控制 H 控制及其相关课题 16 自动控制理论发展 7 经典控制理论现代控制理论大系统理论智能控制理论 17 自动控制理论发展 8 经典控制理论以传递函数为基础 研究单输入 单输出一类定常控制系统的分析与设计问题 如 调节电压改变电机的速度 调整方向盘改变汽车的运动轨迹等 这些理论发展较早 现已臻成熟 现代控制理论以状态空间法为基础 研究多输入 多输出 时变 非线性一类控制系统的分析与设计问题 如 汽车看成是一个具有两个输入 驾驶盘和加速踏板 和两个输出 方向和速度 的控制系统 计算机科学地发展 极大地促进了控制科学地发展 18 经典控制理论与现代控制理论比较 19 自动控制理论发展 9 大系统控制理论大系统控制理论是一种过程控制与信息处理相结合的动态系统工程理论 研究的对象具有规模庞大 结构复杂 功能综合 目标多样 因素众多等特点 它是一个多输入 多输出 多干扰 多变量的系统 如 人体 我们就可以看作为一个大系统 其中有体温的控制 情感的控制 人体血液中各种成分的控制等等 大系统控制理论目前仍处于发展阶段 20 自动控制理论发展 10 智能控制这是近年来新发展起来的一种控制技术 是人工智能在控制上的应用 它的指导思想是依据人的思维方式和处理问题的技巧 解决那些目前需要人的智能才能解决的复杂的控制问题 学派 结构派和功能派它是一门新兴的控制学科 有些问题尚存有争议 然而由于它实用性强 能运用人们的经验与技巧解决许多以往控制中难以解决的棘手问题 如建模等 因此得到了人们极大的重视 21 自动控制中的常用术语 1 控制对于人 机系统 为使某一机器 设备或过程处于希望的状态而对其进行的操作 称为控制 人工控制在人直接参与下完成的控制 称为人工控制 自动控制指在无人直接干预下 利用物理装置使被控对象或生产过程的某一物理量 如温度 压力 PH值等 按照预期的规律运行 例如矿井提升机速度的控制 水泥回转窑湿度的控制 造纸厂纸浆浓度的控制 轧钢厂加热炉温度的控制 物料传输机速度的控制等等 22 自动控制中的常用术语 2 控制装置这种能代替人对生产设备和工艺过程施加控制作用的装置 称为自动控制装置或控制器 受控对象被控制的机器 设备或过程称为受控对象或对象 如提升机 回转窑 加热炉等 被控量被控制的物理量称为被控量或输出量 被控量是表征受控对象工作状态的物理量 即速度 湿度 浓度 炉温 电压等 23 自动控制中的常用术语 3 给定量决定被控量的物理量称为给定量或参考输入 给定量表征被控量的期望值或受控对象的期望状态 扰动量妨碍给定量对被控量进行正常控制的所有因素称为扰动量 如果扰动量产生在系统内部称为内扰 扰动量产生在系统外部称为外扰 给定量和扰动量都是自动控制系统的输入量 24 自动控制中的常用术语 4 系统由一些相互联系和相互制约的环节组成并具有特定功能的整体称为系统 在工业生产中 一台机器 一套设备或任意工艺过程 如加热炉 扎钢机 化学反应釜 核反应堆等都称为系统 25 自动控制中的常用术语 5 自动控制系统为实现某一控制目标所需要的所有物理部件的有效组合体 自动控制系统由自动控制装置与受控对象组成 控制系统一般按被控量命名 如速度控制系统 压力控制系统 温度控制系统等 26 1 2开环控制和闭环控制系统 开环控制系统闭环控制系统复合控制系统 27 开环控制系统 电加热炉温开环控制系统图1 1开环控制的电加热炉原理图 28 电加热炉温开环控制系统 控制任务炉温保持恒定工作原理调压器电压 加热电阻电流 加热炉温度 29 电加热炉温开环控制系统 控制结构存在从左到右的信号传递通道 前向通道图1 2开环控制的电加热炉方框图 30 开环控制系统 特点系统的输出端与输入端不存在反馈回路 输出量对系统的控制作用不发生影响的系统 只有从输入端到输出端的信号前向通道 不存在由输出端到输入端的信号反馈通路 按给定值控制 无抗扰动能力 精度低 环节简单 容易实现 稳定性好 31 开环控制系统 开环控制有两种形式 按给定值控制 按扰动补偿图1 3两种开环控制形式方框图 32 开环控制系统 应用目前国民经济各部门都广泛应用开环控制系统 如自动售货机 自动洗衣机 产品自动生产流水线及交通指挥的红绿灯转换等 33 闭环控制系统 开环控制系统难以保持炉温恒定 如果无论是否出现扰动都要使炉温保持恒定 就需人工干预 闭环控制是在开环控制基础上引入人工干预过程演变而来的 34 闭环控制系统 人工炉温控制图1 4 a 手动控制电加热炉 35 人工炉温控制 人工干预过程 用眼观察温度计测量炉温 大脑中比较实际与给定温度图1 4 b 手动控制电加热炉方框图 相应调整 增加或减小 电压 36 闭环控制系统 人工控制作用人工的关键性作用是使系统的输出量参与了系统的控制 形成了信号传递的闭环回路 系统一旦出现偏差 就调整控制量 从而保证了输出量的恒定 人工控制系统也叫做人工反馈系统 或叫人工闭环控制系统 用自动控制装置来取代人工操作功能 就变成自动控制系统 或叫闭环控制系统 37 闭环控制系统 电加热炉温闭环控制系统图1 5闭环控制的电加热炉原理图 38 电加热炉温闭环控制系统 控制任务炉温保持恒定工作原理 39 电加热炉温闭环控制系统 控制结构图1 6闭环控制的电加热炉方框图 40 闭环控制系统 特点系统的输出端与输入端存在反馈回路 输出量对系统的控制作用发生影响的系统 存在从输入端到输出端的信号前向通道和从输出端到输入端的信号反馈通路 形成一个闭合的回路 按偏差控制 有抗扰动能力 精度高 结构复杂 稳定性降低 实现较困难 41 闭环控制系统 应用广泛应用各行业 42 现代化的工厂 43 棉纺厂 44 复合控制系统 两种基本形式1按参考输入前馈补偿2按扰动前馈补偿图1 7复合控制系统 45 1 3自动控制系统的基本构成 图1 8控制系统的一般构成 46 1 3自动控制系统的分类 1 按控制方式开环控制闭环控制 反馈控制 复合控制 47 1 3自动控制系统的分类 2 线性系统非线性系统连续系统按系统性能离散系统定常系统时变系统确定性系统不确定性系统 48 1 3自动控制系统的分类 3 按输入量变化规律恒值控制系统输入信号是一个恒定的数值 如 工业生产中的恒温 恒压等自动控制系统 随动系统输入信号是一个未知函数 要求控制系统的输出量跟随输入信号变化 如 火炮自动跟踪系统 程序控制系统输入信号是一个已知的函数 系统的控制过程按预定的程序进行 要求被控量能迅速准确地复现输入 如化工中的压力 温度 流量控制 恒值控制系统可看成输入等于常值的程序控制系统 49 恒值控制系统 调速系统图1 9调速系统原理图图1 10调速系统方框图 50 随动控制系统 位置伺服系统图1 11位置伺服系统工作原理图 51 随动控制系统 位置伺服系统图1 12位置伺服系统方框图 52 程序控制系统 数控机床系统图1 13数控机床开环系统方框图 53 程序控制系统 数控机床系统图1 13数控机床闭环系统方框图 54 1 5对自动控制系统的基本要求 稳定性 动态稳定性 瞬态特性 快速性 稳态特性 准确性 动态特性 55 1 5对自动控制系统的基本要求 稳定性1对恒值系统 要求当系统受到扰动后 经过一定时间的调整能够回到原来的期望值 图1 13系统给定量突变图1 14系统受到扰动 56 1 5对自动控制系统的基本要求 稳定性2对随动系统 被控制量始终跟踪输入量的变化 稳定性是对系统的基本要求 不稳定的系统不能实现预定任务 稳定性 通常由系统的结构决定与外界因素无关 57 1 5对自动控制系统的基本要求 快速性对过渡过程的形式和快慢提出要求 一般称为动态性能 稳定高射炮射角随动系统 虽然炮身最终能跟踪目标 但如果目标变动迅速 如炮身行动迟缓 仍然抓不住目标 58 1 5对自动控制系统的基本要求 准确性用稳态误差来表示 在参考输入信号作用下 当系统达到稳态后 其稳态输出与参考输入所要求的期望输出之差叫做给定稳态误差 显然 这种误差越小 表示系统的输出跟随参考输入的精度越高 59 1 6本书的主要内容 系统分析对于一个