自 动 控 制 原 理.ppt

自动控制原理 授课50学时教材 自动控制原理 冯巧玲 北京航空航天大学出版社 参考书 1 自动控制原理 胡寿松 科学出版社 2 自动控制原理习题集 胡寿松 科学出版社 高等数学 积分变换 自动控制理论 现代控制理论 其它专业课程 1 是一门专业基础课 2 理论实践相结合 理论性非常强 但又和实际应用紧密结合 3 内容广泛 自动控制理论课程特点 学习自动控制理论的重要性 3 本课程能为解决实际控制问题提供理论和方法 1 本课程是自动化相关课程承上启下的课程 2 自动控制技术是应用非常广泛的技术 电机控制 自动化生产线 火炮雷达控制 家用电器 机械 冶金 石油 化工 电力电子 航空 航海 航天 核反应堆等 本课程学习方法 1 打好基础 高等数学 微积分 积分变换 拉氏变换 2 做好预习 3 听好课 讲课的速度较快 了解课程内容 掌握基本理论和基本方法 4 做好习题 应用学到的基本理论和基本方法解决实际问题 第一章自动控制概论 1 1引言1 2自动控制系统的分类1 3对控制系统的基本要求 自动化 1 1 1概念 机器或装置在无人干预的情况下按照规定的程序或指令自动进行操作或运行 自动控制系统 指能够对被控对象的工作状态自动调节的系统 由被控对象和控制装置组成 1 1引言 自动控制 是关于受控系统分析 设计和运行的理论和技术 自动控制系统除了研究人造系统的控制问题外 还研究社会 经济 生物 环境等非人造系统的控制问题 比如生物控制 经济控制 社会控制和人口控制等 反馈 控制理论的核心内容把系统的输出量反送到输入端 并与系统的给定量比较产生偏差量 在利用此偏差量控制系统 使系统最终消除偏差自动装置的出现和应用 18世纪以前 中国和巴比伦出现了自动计时装置 刻漏 指南车 水运仪象台 公元1世纪古埃及和希腊的发明家也创造了教堂庙门自动开启 投币式圣水箱等自动装置 1 1 2自动控制理论发展简史 铜刻漏共有四个漏壶 遂级向下滴注 其目的是保证最下一级漏壶水面稳定在一个水平线上 以达到计时的准确 漏壶旁立一铙神 利用水动力与机械原理相结合 每刻钟铙神自动击铙八下 近代自动装置法国物理学家B 帕斯卡在公元1642年发明了加法器荷兰机械师C 惠更斯在公元1657年发明了钟表英国机械师E 李在公元1745年发明带有风向控制的风磨俄国机械师波尔祖诺夫在公元1765年发明了蒸汽锅炉水位保持恒定用的浮子式阀门水位调节器 瓦特在1765年发明了蒸汽机离心调速器 经典控制理论 19世纪初 1868年 麦克斯韦发表 论调速器 研究对象 单输入单输出线性系统系统的数学模型 传递函数分析方法有 时域法 复域法 根轨迹法 频域法 蒸汽机转速可能自发地产生剧烈振荡原因之一可能是调节器的制造精度不够 因而改进调速器的制造工艺 Maxwell J C发表 论调速器 指出不应该单独讨论一个离心锤 必须从整个系统出发推导出微分方程 然后讨论微分方程的稳定性 从而分析实际控制系统是否会出现不稳定问题 现代控制理论 20世纪60年代 数学模型 一阶微分方程组反映系统内部变量的全部信息 研究对象 多变量 非线性 时变系统主要研究方向 线性系统 自适应控制 最优控制 鲁棒控制 最佳滤波 容错控制 系统辨识 集散控制 大系统复杂系统智能控制理论 20世纪70年代 专家系统模糊控制神经网络遗传算法 1 1 2自动控制理论发展简史 分类 运动控制系统过程控制系统 线性 非线性系统连续 离散性系统定常 时变性系统单输入单输出 多输入多输出系统集中参数 分布参数系统 按被控对象分 按使用的数学方法分 按输入信号特征分 恒值系统随动系统程序控制系统 按控制方式分 开环控制闭环控制复合控制 闭环反馈为主 开环补偿为辅 1 2自动控制系统的分类 基本控制方式 1 开环控制2 闭环控制3 复合控制 1 2 1按控制方式分类 1 开环控制系统 1 开环控制系统 开环控制系统的特点 控制装置与受控对象之间只有正向作用 没有反向联系 控制精度取决于元器件的精度和系统调整精度 没有抑制内 外干扰的能力 系统结构简单 成本低 2 闭环控制系统 负反馈原理 将系统的输出信号引回输入端 与输入信号比较 利用所得的偏差信号进行控制 达到减小偏差 消除偏差的目的 构成闭环控制系统的核心闭环 反馈 控制系统的特点 1 系统内部存在反馈 信号流动构成闭回路 2 偏差起调节作用 例1炉温控制系统 元部件方框 块 图信号 物理量 及传递方向中的符号比较点引出点表示负反馈 炉温控制系统方框图 炉温控制系统方框图 闭控制系统的特点 既有正向作用 又有反馈作用控制精度与元件精度 控制方法 调整精度有关 控制精度较高 有抑制干扰的能力 结构复杂 成本相对较高 复合控制系统 对系统提出较高要求时使用开环控制和闭环控制的组合有两种形式 1 按输入作用补偿 2 按扰动作用补偿 控制装置 被控对象 测量装置 补偿装置 输入信号 输出信号 扰 动 复合控制系统典型方框图 a 按输入作用补偿 b 按扰动作用补偿 控制系统的组成 1 2 2按输入信号特征分类 1 恒值控制系统特征 输入信号为常数典型系统 液位 温度 压力 流量控制2 随动控制系统特征 输入信号未知的随时间变化任意函数典型系统 鱼雷飞行 炮瞄雷达 火炮自动瞄准 导弹制导 3 程序控制系统特征 输入信号为预知的随时间变化函数典型系统 热处理炉控制系统 程序控制机床 灌装生产线 自动生产流水线 1 2 3按使用的数学方法分类 连续系统 离散系统连续系统系统传递的信号为时间的连续函数 用微分方程描述 离散系统信号传递中至少有一处信号是脉冲序列或数字编码 用差分方程描述 线性系统 非线性系统 线性系统用线性微分方程或差分方程描述 满足叠加原理 叠加原理包括叠加性和齐次性 叠加性 如果系统同时有n个输入量xi t i 1 2 n 每个xi t 对应的输出为yi t 则由n个输入共同产生的输出y t 等于各个输入单独产生的输出之和 即齐次性 当系统的输入x t 增大或减少k倍时 系统的输出y t 也增大或减少相同的倍数 非线性系统用非线性微分方程或差分方程描述 特点 方程中含有变量及其导数的高次幂或乘积项 不满足叠加原理 定常系统 时变系统定常系统 描述系统的数学方程中的系数为常数 定常系统结构和参数不随时间变化 时变系统 描述系统的数学方程中的系数随时间变化 单输入单输出系统输入输出信号变量仅有一个 多输入多输出系统输入输出信号变量多于一个 集中参数 和分布参数集中参数系统能用常微分方程描述的系统 分布参数系统至少有一个环节需要用偏微分方程描述的系统 单输入单输出 多输入多输出系统 1 3自动控制系统的基本要求 如下图所示 即当系统被输入一个信号后 希望系统输出立即随之变化 但由于实际系统具有质量 惯性或延迟性及其它原因 系统的实际输出往往为如下三种图形中的一种 返回 对自动控制系统性能的基本要求 可以归结为稳定性 长期稳定性 准确性 精度 和快速性 相对稳定性 稳 准 快 稳定性 稳定性 是系统的基本要求 由系统的结构决定 与外界因素无关 稳 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 对随动系统 被控制量始终跟踪参据量的变化 返回 动态性能 动态性能 对过渡过程的形式和快慢提出要求 快 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 而炮身行动迟缓 仍然抓不住目标 稳态性能 稳态性指系统的控制精度 准 系统由一个稳态过渡到另一个稳态时 希望系统的输出尽可能地接近给定值 但由于干扰或输入信号的不同 有些系统就会产生误差 系统的稳态性能用稳整误差来恒量 控制量输出举例 阶跃输入 目标值 自动控制原理研究的内容 重点 闭环系统 反馈系统 的特征 采用负反馈 系统的被控变量对控制作用有直接影响 即被控变量对自己有控制作用 典型闭环控制系统的功能框图