自控原理_1.pdf

1 自动控制原理自动控制原理 平台课 平台课 2 学好这门课程应注意以下几点 学好这门课程应注意以下几点 理论性强 理论性强 联系实际 联系实际 严谨的科学态度 严谨的科学态度 学习方法 注重概念清晰 解题思路的把握 学习方法 注重概念清晰 解题思路的把握 3 参考文献参考文献 自动控制原理 胡寿松 国防工业出版社自动控制原理 胡寿松 国防工业出版社 自动控制原理 李友善 国防工业出版社自动控制原理 李友善 国防工业出版社 4 自动控制原理自动控制原理 第一章 绪论 第二章 控制系统的数学模型 第三章 线性系统的时域分析 第四章 线性系统的频域分析 第五章 线性系统的校正 第六章 采样系统分析 第七章 状态空间分析设计 第一章 绪论 第二章 控制系统的数学模型 第三章 线性系统的时域分析 第四章 线性系统的频域分析 第五章 线性系统的校正 第六章 采样系统分析 第七章 状态空间分析设计 5 第一章 自动控制的一般概念第一章 自动控制的一般概念 1 1 引言 引言 1 2 自动控制系统的基本控制方式 自动控制系统的基本控制方式 1 3 自动控制系统的分类 自动控制系统的分类 1 4 自动控制系统的基本要求自动控制系统的基本要求 6 1 1 引言引言 一 什么是自动控制 一 什么是自动控制 例例1 水池水位控制 要求 用水量任意改变时 水位高度不变 水池水位控制 要求 用水量任意改变时 水位高度不变 7 A 人工控制人工控制 比 比较实际水位与给定水位 算 计算实际水位与给定水位的差值 动 根据计算结果 开启或关闭进水阀门 比 比较实际水位与给定水位 算 计算实际水位与给定水位的差值 动 根据计算结果 开启或关闭进水阀门 给定水位 实际水位 人观察点 看 估计实际水位 看 估计实际水位 8 B 自动控制自动控制 9 自动控制 自动控制 是指在没有人直接参与的情况下 利用外加的设 备或装置 称为 是指在没有人直接参与的情况下 利用外加的设 备或装置 称为控制装置 控制器控制装置 控制器 使机器 设备或 生产过程 称为 使机器 设备或 生产过程 称为被控对象被控对象 的某个工作状态或参数 称为 的某个工作状态或参数 称为被控量被控量 自动地按照预定地规律运行 自动地按照预定地规律运行 10 二 自动控制系统二 自动控制系统 自动控制系统自动控制系统 是由控制装置 控制器和被控对象组成 能自动地对 被控对象的工作状态或其被控量进行控制 并具有预定性 能的动力学系统 是由控制装置 控制器和被控对象组成 能自动地对 被控对象的工作状态或其被控量进行控制 并具有预定性 能的动力学系统 1 1 引言引言 11 例例1 水池水位控制 要求 用水量任意改变时 水位高度不变 水池水位控制 要求 用水量任意改变时 水位高度不变 被控对象 被控对象 水池水池 被控量 被控量 实际水位实际水位 控制器 控制器 设备总体设备总体 给定值 给定值 水位要求水位要求 实际值 实际值 测量值测量值 误差或偏差 误差或偏差 给定值 实际值 给定值 实际值 扰动扰动 影响被控量偏离 要求值的不利因素 影响被控量偏离 要求值的不利因素 出水量 出水量 控制作用控制作用 使被控量回 到要求值的作用 使被控量回 到要求值的作用 进 水量 进 水量 12 水池水位控制系统的方块图水池水位控制系统的方块图 注意 注意 控制系统中各元件的分类和方框图的绘制控制系统中各元件的分类和方框图的绘制不是惟一 的 不是惟一 的 只要能正确反映其功能和运动规律即可 只要能正确反映其功能和运动规律即可 13 三 自动控制理论三 自动控制理论 自动控制理论 自动控制理论 是研究自动控制共同规律的技术科学 是研究自动控制共同规律的技术科学 发展历史 发展历史 第一阶段 第一阶段 经典控制理论经典控制理论 或古典控制理论 的产生 发展 和成熟阶段 第二阶段 或古典控制理论 的产生 发展 和成熟阶段 第二阶段 现代控制理论现代控制理论的兴起和发展阶段 的兴起和发展阶段 1 1 引言引言 14 第一阶段 第一阶段 经典控制理论经典控制理论 控制理论的发展初期 是以控制理论的发展初期 是以反馈理论反馈理论为基础的自动调 节原理 主要用于 为基础的自动调 节原理 主要用于工业控制工业控制 反馈 反馈 利用一个机器或过程偏离希望的运行状态的利用一个机器或过程偏离希望的运行状态的偏 差 偏 差 来对该机器或过程进行控制 使其回到希望的运行状 态 来对该机器或过程进行控制 使其回到希望的运行状 态 15 1868年 马克斯威尔 年 马克斯威尔 J C Maxwell 提出了 提出了低阶系统 的稳定性代数判据 低阶系统 的稳定性代数判据 1895 年 数 学 家 劳 斯 年 数 学 家 劳 斯 Routh 和 赫 尔 威 茨 和 赫 尔 威 茨 Hurwitz 分别独立地提出了 分别独立地提出了高阶系统的稳定性判 据 高阶系统的稳定性判 据 即 即Routh和和Hurwitz判据判据 二战期间 二战期间 1938 1945年 奈奎斯特 年 奈奎斯特 H Nyquist 提出了 提出了频率响应理论频率响应理论 为设计具有高质量的暂态和稳态 响应的伺服系统提供了有力的分析工具 为设计具有高质量的暂态和稳态 响应的伺服系统提供了有力的分析工具 1948年 伊万斯 年 伊万斯 W R Evans 提出了 提出了根轨迹法根轨迹法 是研 究控制系统简便 直观的方法 是对频率法的补充 是研 究控制系统简便 直观的方法 是对频率法的补充 16 经典控制理论的局限性 经典控制理论的局限性 经典控制理论的局限性 经典控制理论的局限性 主要用于线性定常系统的研究 主要用于线性定常系统的研究 只用于单输入 单输出的反馈控制系统 只用于单输入 单输出的反馈控制系统 是一种对系统的外部描述方法 是一种对系统的外部描述方法 设计方法基本上是一种猜测法 不能提供最优控制特性 设计方法基本上是一种猜测法 不能提供最优控制特性 17 第二阶段 第二阶段 现代控制理论现代控制理论 现代控制理论以现代控制理论以线性代数理论线性代数理论和和状态空间分析法状态空间分析法为基 础 在数学工具 理论基础和研究方法上不仅能提供系统的 外部信息 输出量和输入量 而且还能提供系统内部状态 变量的信息 主要研究具有高性能 高精度的多变量 变参 数系统的最优控制问题 为基 础 在数学工具 理论基础和研究方法上不仅能提供系统的 外部信息 输出量和输入量 而且还能提供系统内部状态 变量的信息 主要研究具有高性能 高精度的多变量 变参 数系统的最优控制问题 18 1 2 自动控制系统的基本控制方式自动控制系统的基本控制方式 一 开环控制一 开环控制 开环控制 开环控制 是指控制器与控制对象之间只有顺向作用而没有 反向联系的控制过程 是指控制器与控制对象之间只有顺向作用而没有 反向联系的控制过程 特点 特点 系统的输出量不会对系统的控制作用发生影响 系统的输出量不会对系统的控制作用发生影响 19 1 按给定值操纵1 按给定值操纵 按给定值操纵 按给定值操纵 信号由给定值至输出量单向传递 给定一个 输入量 就有一个输出量与之相对应 信号由给定值至输出量单向传递 给定一个 输入量 就有一个输出量与之相对应 特点 特点 系统的控制精度完全取决于系统所用的元件及校准精 度 即系统事先的调整精度 对工作过程中受到的扰动或特 性参数的变化无法自动补偿 因此 这种开环控制方式没有 自动修正偏差的能力 抗扰动性较差 系统的控制精度完全取决于系统所用的元件及校准精 度 即系统事先的调整精度 对工作过程中受到的扰动或特 性参数的变化无法自动补偿 因此 这种开环控制方式没有 自动修正偏差的能力 抗扰动性较差 20 2 按扰动补偿 按扰动补偿 按扰动补偿 按扰动补偿 是利用可测量的扰动量 产生一种补偿作用 以减小或抵消扰动对输出量的影响 这种控制方式也称顺馈 控制 是利用可测量的扰动量 产生一种补偿作用 以减小或抵消扰动对输出量的影响 这种控制方式也称顺馈 控制 特点 特点 这种按扰动控制的开环控制方式是直接从扰动取得信 息 并据以改变被控量 因此 其抗扰动性好 控制精度也 较高 但它只适用于扰动是可测量的场合 这种按扰动控制的开环控制方式是直接从扰动取得信 息 并据以改变被控量 因此 其抗扰动性好 控制精度也 较高 但它只适用于扰动是可测量的场合 21 二 闭环控制二 闭环控制 闭环控制 闭环控制 又称反馈控制 指控制器与控制对象之间既 有顺向作用又有反向联系的控制过程 若反馈信号是与 输入信号相减而使偏差值越来越小 则称为负反馈 反 之 则称为正反馈 又称反馈控制 指控制器与控制对象之间既 有顺向作用又有反向联系的控制过程 若反馈信号是与 输入信号相减而使偏差值越来越小 则称为负反馈 反 之 则称为正反馈 22 反馈控制系统的术语及相关定义反馈控制系统的术语及相关定义 参考输入参考输入r 输入到控制系统中的 指令信号 输入到控制系统中的 指令信号 扰动扰动n 来自系统内部或外部 对系统输出产生不利影响的信 号 来自系统内部或外部 对系统输出产生不利影响的信 号 输出输出c 反馈控制系统的被控制 量 即被控制对象的输出量 反馈控制系统的被控制 量 即被控制对象的输出量 主反馈主反馈b 与输出成正比或某种 函数关系且与参考输入量纲相同 的反馈信号 与输出成正比或某种 函数关系且与参考输入量纲相同 的反馈信号 偏差偏差e 参考输入与主反馈之 差 即 参考输入与主反馈之 差 即e r b 控制量控制量u 从控制器输出并作用 于被控制对象的信号 从控制器输出并作用 于被控制对象的信号 23 反馈控制系统的术语及相关定义反馈控制系统的术语及相关定义 比较环节 比较环节 将参考输入与主反馈信号 进行比较的环节 它的输出等于参考 输入与主反馈信号的差值 即偏差 将参考输入与主反馈信号 进行比较的环节 它的输出等于参考 输入与主反馈信号的差值 即偏差e 比较环节又称为偏差检测器 比较环节又称为偏差检测器 控制器 控制器 用来对被控制对象施加控制 作用的装置 用来对被控制对象施加控制 作用的装置 控制对象 控制对象 被控制的机器 设备 过 程或系统 被控制的机器 设备 过 程或系统 反馈环节 反馈环节 将输出量转化为主反馈信 号的装置 反馈环节中通常含有信号 检测装置 将输出量转化为主反馈信 号的装置 反馈环节中通常含有信号 检测装置 24 反馈控制的特点 反馈控制的特点 1 反馈控制方式是按偏差进行控制的 反馈控制方式是按偏差进行控制的 2 抗扰性好 控制精度高 但由反馈形成偏差控制作 用到产生的效果之间有时间延迟 被控量的偏移不 可能得到立即修正 抗扰性好 控制精度高 但由反馈形成偏差控制作 用到产生的效果之间有时间延迟 被控量的偏移不 可能得到立即修正 3 系统参数应适当选择 否则可能不能正常工作 系统参数应适当选择 否则可能不能正常工作 25 三 复合控制三 复合控制 复合控制 复合控制 对于主要扰动采用适当的补偿装置实现按扰动 控制 同时 再组成反馈控制系统实现按偏差控制 以消 除其余扰动产生的偏差 这种按偏差控制和按扰动控制相 结合的控制方式称为复合控制方式 对于主要扰动采用适当的补偿装置实现按扰动 控制 同时 再组成反馈控制系统实现按偏差控制 以消 除其余扰动产生的偏差 这种按偏差控制和按扰动控制相 结合的控制方式称为复合控制方式 26 复合控制的特点 复合控制的特点 1 具有很高的控制精度 具有很高的控制精度 2 可以抑制几乎所有的可量测扰动 其中包括低频强扰动 可以抑制几乎所有的可量测扰动 其中包括低频强扰动 3 补偿器的参数要有较高的稳定性 补偿器的参数要有较高的稳定性 27 四 最优控制四 最优控制 最优控制 最优控制 是使所选的系统性能指标达到最优的一种控制 方式 系统性能指标是根据工作要求选定的 五 自适应控制 是使所选的系统性能指标达到最优的一种控制 方式 系统性能指标是根据工作要求选定的 五 自适应控制 自适应控制 自适应控制 是能适应环境条件变化而自动调整系统参数 或特性的一种控制方式 是能适应环境条件变化而自动调整系统参数 或特性的一种控制方式 28 1 3自动控制系统的分类自动控制系统的分类 线性与非线性系统 线性与非线性系统 线性系统 线性系统 组成系统的各元件的特性均为线性的 可用线性 微分方程或差分方程描述的系统 称为线性系统 组成系统的各元件的特性均为线性的 可用线性 微分方程或差分方程描述的系统 称为线性系统 特点 特点 1 可使用 1 可使用叠加原理叠加原理 包括两重意义 叠加性 线性系统内各个激励产生的响应互不影响 齐次性 保持比例因子 2 系统响应与初始状态无关 包括两重意义 叠加性 线性系统内各个激励产生的响应互不影响 齐次性 保持比例因子 2 系统响应与初始状态无关 29 1 3自动控制系统的分类自动控制系统的分类 线性与非线性系统 线性与非线性系统 非线性系统 非线性系统 组成系统的元件只要有一个是非线性的 用 非线性方程描述的系统 称为非线性系统 组成系统的元件只要有一个是非线性的 用 非线性方程描述的系统 称为非线性系统 特点 特点 系数与变量有关 或者方程中含有变量及其导数的 高次幂或乘积项 系数与变量有关 或者方程中含有变量及其导数的 高次幂或乘积项 30 连续与离散系统 连续与离散系统 连续系统 连续系统 连续系统是指系统内各处的信号都是以连续的模 拟量传递的系统 连续系统是指系统内各处的信号都是以连续的模 拟量传递的系统 特点 特点 在连续系统中 信号在全部时间上都是已知的 在连续系统中 信号在全部时间上都是已知的 离散系统 离散系统 如果系统内某处或数处信号是以脉冲序列或数码 形式传递的系统则称为离散系统 如果系统内某处或数处信号是以脉冲序列或数码 形式传递的系统则称为离散系统 特点 特点 在离散系统中 信号仅定义在离散时间上 在离散系统中 信号仅定义在离散时间上 31 恒值系统 程序控制系统与随动系统 恒值系统 程序控制系统与随动系统 恒值系统 恒值系统 系统的参据量是一个常值 要求被控量亦等于 一个常值 但由于扰动的影响 被控量会偏离参变量而出 现偏差 控制系统便根据偏差产生控制作用 以克服扰动 的影响 使被控量恢复到给定的常值 系统的参据量是一个常值 要求被控量亦等于 一个常值 但由于扰动的影响 被控量会偏离参变量而出 现偏差 控制系统便根据偏差产生控制作用 以克服扰动 的影响 使被控量恢复到给定的常值 程序控制系统 程序控制系统 系统的参据量是按预定规律随时间变化的 函数 要求被控量迅速 准确地复现 系统的参据量是按预定规律随时间变化的 函数 要求被控量迅速 准确地复现 随动系统 随动系统 系统的参据量是预先未知的随时间任意变化的 函数 要求被控量以尽可能小的误差跟随参据量的变化 系统的参据量是预先未知的随时间任意变化的 函数 要求被控量以尽可能小的误差跟随参据量的变化 32 1 4自动控制系统的基本要求自动控制系统的基本要求 一 稳定性一 稳定性 稳定性是保证控制系统正常工作的先决条件 是系统 在受到扰动作用后自动返回原来的平衡状态的能力 如果 系统受到扰动作用 系统内或系统外 后 能自动返回到 原来的平衡状态 则该系统是稳定的 稳定系统的数学特 征是其输出量具有非发散性 反之 系统是不稳定系统 稳定性是保证控制系统正常工作的先决条件 是系统 在受到扰动作用后自动返回原来的平衡状态的能力 如果 系统受到扰动作用 系统内或系统外 后 能自动返回到 原来的平衡状态 则该系统是稳定的 稳定系统的数学特 征是其输出量具有非发散性 反之 系统是不稳定系统 33 稳定性示意图稳定