南京林业大学自动控制原理.ppt

自动控制基础蒋小川 目的 深入了解自动控制理论的基础知识 并运用所学知识解决日常生活中的实际问题 如空调自动控制 锅炉自动控制等 相关的前提知识 电工电子技术 复变函数 工程数学变换 课程结构 第一章自动控制概论第二章控制系统的数学模型第三章控制系统的时域分析法第四章根轨迹法第五章频率法第六章控制系统的校正第八章线性离散系统 参考书目 自动控制系统 田玉平 电子工业出版社 控制理论与机械系统控制 竺长安 高等教育出版社 成绩构成 64学时 4学分 实验学时8学时考试 70 作业 10 实验 10 平时 10 联系方式 木工院3楼4302室答疑时间 16 17周周五邮箱 jiangxc 邮件标题 自动控制 班级学号 课程安排 1 14周星期二 四上午1 2节50317教室实验时间地点另行通知 第一章自动控制概论 1 1自动控制与自动控制系统的基本概念1 2自动控制的基本方式1 3典型控制系统1 4控制系统的组成和对控制系统的要求 1765年 瓦特发明蒸汽机 用离心式调速器控制蒸气机1948年 维纳 控制论 或关于在动物和机器中控制和通信的科学 产生40 60年代经典控制理论 频域法为主 60 70年代现代控制理论 时域法为主 70年代以后大系统控制理论 自动控制 在没有人直接参与的情况下 采用控制装置或机械使被控制对象达到预期的目标 1 1自动控制基本概念 发展简史 自动控制研究的内容 经典控制理论现代控制理论经典控制理论主要研究对象 对单输入单输出线性定常系统的分析和设计问题 现代控制理论主要研究对象 多输入 多输出 时变参数 高精度复杂系统的分析和设计问题 经典控制理论的基本特征 1 主要用于线性定常系统的研究 即用于常系数线性微分方程描述的系统的分析与综合 2 只用于单输入 单输出的反馈控制系统 3 只讨论系统输入与输出之间的关系 而忽视系统的内部状态 是一种对系统的外部描述方法 经典控制理论的基本特征 反馈控制是一种最基本最重要的控制方式 引入反馈信号后 系统对来自内部和外部干扰的响应变得十分迟钝 从而提高了系统的抗干扰能力和控制精度 但是反馈作用又带来了系统稳定性问题 正是这个曾一度困扰人们的系统稳定性问题激发了人们对反馈控制系统进行深入研究的热情 推动了自动控制理论的发展与完善 因此从某种意义上讲 古典控制理论是伴随着反馈控制技术的产生和发展而逐渐完善和成熟起来的 现代控制理论 由于经典控制理论只适用于单输入 单输出的线性定常系统 只注重系统的外部描述而忽视系统的内部状态 因而在实际应用中有很大局限性 随着航天事业和计算机的发展 20世纪60年代初 在经典控制理论的基础上 以线性代数理论和状态空间分析法为基础的现代控制理论迅速发展起来 现代控制理论 1954年贝尔曼 R Belman 提出动态规划理论1956年庞特里雅金 L S Pontryagin 提出极大值原理1960年卡尔曼 R K Kalman 提出多变量最优控制和最优滤波理论在数学工具 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 它无论对线性系统或非线性系统 定常系统或时变系统 单变量系统或多变量系统 都是一种有效的分析方法 大系统理论 20世纪70年代开始 现代控制理论继续向深度和广度发展 出现了一些新的控制方法和理论 如 1 现代频域方法以传递函数矩阵为数学模型 研究线性定常多变量系统 2 自适应控制理论和方法以系统辨识和参数估计为基础 在实时辨识基础上在线确定最优控制规律 3 鲁棒控制方法在保证系统稳定性和其它性能基础上 设计不变的鲁棒控制器 以处理数学模型的不确定性 大系统理论 随着控制理论应用范围的扩大 从个别小系统的控制 发展到若干个相互关联的子系统组成的大系统进行整体控制 从传统的工程控制领域推广到包括经济管理 生物工程 能源 运输 环境等大型系统以及社会科学领域 大系统理论是过程控制与信息处理相结合的系统工程理论 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 大系统理论目前仍处于发展和开创性阶段 智能控制 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 智能控制的概念和原理主要是针对被控对象 环境 控制目标或任务的复杂性提出来的 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 智能控制 被控对象的复杂性体现为 模型的不确定性 高度非线性 分布式的传感器和执行器 动态突变 多时间标度 复杂的信息模式 庞大的数据量 以及严格的特性指标等 智能控制是驱动智能机器自主地实现其目标的过程 对自主机器人的控制就是典型的例子而环境的复杂性则表现为变化的不确定性和难以辨识 智能控制是从 仿人 的概念出发的 一般认为 其方法包括学习控制 模糊控制 神经元网络控制 和专家控制等方法 人工控制和自动控制 油汀暖气片的温度控制 过热蒸汽温度控制系统 储罐 液位控制 闭环控制 1 2自动控制的基本方式 开环控制 复合控制 一 开环控制 控制装置与被控对象之间只有顺向作用而没有反向联系的控制 控制方式 按给定值操纵 信号由给定值至输出量单向传递 一定的给定值对应一定的输出量 系统的控制精度取决于系统事先的调整精度 对于工作过程中受到的扰动或特性参数的变化无法自动补偿 结构简单 成本低廉 多用于系统结构参数稳定和扰动信号较弱的场合 开环控制系统特点 信号从输入到输出无反馈 单向传递 结构简单 控制精度不高 无法抑制扰动 例 直流电动机转速开环控制系统 输出量对输入量没有影响的系统称为开环系统 二 闭环控制 图示 人工电动机转速闭环控制系统 反馈 控制任务 保持工作机械恒速运行 控制过程 反馈 输出量送回至输入端并与输入信号比较的过程负反馈 反馈的信号与输入信号相减而使偏差越来越小 典型闭环系统方框图 闭环控制 是指控制器与控制对象之间既有顺向作用有反向联系的控制过程 特点 输出影响输入 所以能削弱或抑制干扰 低精度元件可组成高精度系统 因为可能发生超调 振荡 所以稳定性很重要 开环优点 结构简单 成本低廉 工作稳定 当输入信号和扰动能预先知道时 控制效果较好 缺点 不能自动修正被控制量的偏离 系统的元件参数变化以及外来的未知扰动对控制精度影响较大 闭环优点 具有自动修正被控制量出现偏离的能力 可以修正元件参数变化及外界扰动引起的误差 控制精度高 缺点 被控量可能出现振荡 甚至发散 三 开环控制与反馈控制的比较 主反馈 与输出成正比或某种函数关系 但量纲与给定信号相同 偏差 给定信号与主反馈信号之差的信号 控制单元 接受偏差信号 通过转换与运算 产生期望的控制量 扰动 对系统输出产生不利影响的信号 反馈环节 检测输出信号并转换与给定输入信号相同量纲的信号 四 闭环控制系统的术语和定义 闭环控制系统的方框图 方框图的组成 五 复合控制 它是把按偏差控制与按扰动控制结合起来 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 按扰动补偿 控制系统的组成 1 被控对象控制系统测量元件比较元件控制装置放大元件执行机构校正装置给定元件 控制系统的组成 2 也称定值系统 反馈控制系统的参考输入信号为恒定的常量 在实际工程中给定值一般不变化或变化很缓慢 而扰动可随时变化的系统称为恒值系统 在生产过程中 这类系统非常多 例如 冶金部门的恒温系统 石油部门的恒压系统等 1 3典型控制系统 恒值系统 炉温控制系统 见p7图1 3 5电炉炉温控制系统 例电站锅炉空气预热器密封间隙控制系统 系统通过间隙传感器实时测量出密封间隙值并送入计算机 与设定值比较后 发出控制指令至电动机提升机构 调整密封板的位置 达到维持密封间隙值恒定的目的 电站锅炉空气预热器 以下简称空预器 是电站锅炉中的重要设备 其作用是利用锅炉的排烟余热加热空气以满足锅炉燃烧和制粉系统的需要 同时达到降低排烟温度 减少排烟热损失 节能 降耗 提高机组出力的作用 控制间隙 减小其漏风量是大型电站锅炉控制中比较重要的一个环节 炉温控制系统2 炉温控制系统方框图 炉温控制系统方框图 水温调节系统 水温调节系统工作原理图 水温调节系统 水温调节系统方框图 系统的给定值变化规律完全取决于事先不能确定的时间函数 例如 火炮系统 卫星控制系统等 随动系统 稳定性被控制信号能跟踪已变化的输入信号 从一种状态到另一种状态 如果能做到 我们就认为该系统是稳定的 这是对反馈控制系统提出的最基本要求 在单位阶跃信号作用下 控制系统的过渡过程曲线如下图所示 将那些输出最后趋于稳定值的 称为稳定系统 而那些不能达到平衡状态的 称为不稳定系统 1 4对自动控制系统系统的要求 稳定性 是保证控制系统正常工作的先决条件 t n n1 a 0 b n t 0 n0 n1 t 0 n c n 0 t e n1 n 0 t d n0 n1 n 0 t f a b 单调收敛 c 振荡发散 d e 振荡收敛 f 等幅振荡 稳定性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 1 4对自动控制系统系统的要求 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 动态过程进行的时间长短 过程时间持续很长 将使系统长时间出现大偏差 同时也说明系统响应很迟钝 难以复现快速变化的信号 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