第1章自动控制(new).ppt

自动控制原理 谢克明主编电子工业出版社 主要参考书 胡寿松编绪方胜彥 教材 自动控制原理是自动化学科的重要理论基础 基本概念基本原理分析和设计方法 第一章 自动控制的基本概念 什么是控制 所谓控制就是 对被控对象运动过程施加一定的影响或措施使其过程按照指定路径向预定目标发展 社会运动生物过程经济过程 温度压力的保持轧钢造纸厚度的控制工程施工过程卫星的控制导弹控制无人驾驶飞机 1 1基本概念 工程控制论范畴 生物 经济等控制论范畴 测量 比较 控制 控制对象 例3 遥控无人驾驶飞机 例4 控制领域一个经典的例子 倒立摆 热力系统控制水温 比较两系统 直接控制 什么是自动控制 自动控制 在无人直接参与的情况下 通过控制器使被控对象运动过程自动地按照预定要求进行 人工控制的缺点 速度低精度低效率低不适应恶劣环境不能进行复杂控制 1 2自动控制理论中的一些术语 被控对象是一个设备 它是由一些零件有机地组合在一起 完成一个特定的目标设备 任何被控物体 如加热炉 化学反应器或宇宙飞船 为对象 这里限于工程控制论范畴 过程任何被控制的运行状态称为过程 其具体例子如化学过程 经济学过程 生物学过程 系统完成一定任务的一些元 部件的组合 扰动扰动是一种对系统的输出产生不利影响的信号 如果扰动产生在系统内部称为内扰 扰动产生在系统外部 则称为外扰 外扰是系统的输入量之一 反馈本质 测量偏差 利用偏差 减少 乃至消除 偏差 反馈控制反馈控制是一种将输出量引入到输入端进行比较 利用偏差来控制系统的过程 应当指出 反馈控制系统不限于工程范畴 在各种非工程范畴内 诸如经济学和生物学中 也存在着反馈控制系统 反馈控制系统反馈控制系统是一种能对输出量与参考输入量进行比较 并力图保持两者之间的既定关系的系统 它利用输出量与输入量的偏差来进行控制 随动系统随动系统是一种反馈控制系统 在这种系统中 输出量是机械位移 速度或者加速度 因此 随动系统这个术语 与位置 或速度或加速度 控制系统是同义语 在现代工业中 广泛采用着随动系统 过程控制在工业生产过程中 诸如对压力 温度 湿度 流量 频率以及原料 燃料成分比例等方面的控制 称为过程控制 1 3自动控制发展的历史 现代控制理论 经典控制理论 状态空间分析法最优化方法Kalman滤波动态规划 时间 上世纪50 60年代 频域分析法低阶系统时域分析法 本质是 时域分析法 18世纪 发展概况 现代欧洲最先发明反馈控制的是荷兰的德勒贝尔 C Drebbel 它使用了温度反馈控制 最先使用反馈控制装置凯特斯比斯 Kitesibbios 希腊人 公元前300年到1年中使用的浮子调节器 以保持油面高度稳定 赫容 Heron 亚历山大时代 浮力学 介绍浮阀控制液位的方法 现代欧洲最先发明反馈控制德勒贝尔 C Drebbel 荷兰人 它使用了温度反馈控制 二 现代控制理论阶段 实际应用方面 最早的在工业中使用的压力反馈控制器瓦特 J Watt 离心调节器 1788年用于限制蒸汽机引擎速度 离心调节器是自动控制领域的第一项重大成果 理论上 1868年麦克斯韦尔 J C Maxwell 基于微分方程描述从理论上给出了它的稳定性条件 1877年劳斯 E J Routh 以及1895年霍尔维茨 A Hurwitz 高阶线性系统的稳定性判据 1892年李雅普诺夫 A M Lyapunov 给出了非线性系统的稳定性判据 同一时期 维什哥热斯基 I A Vyshnegreskii 也用一种正规的数学理论描述了这种理论 1922年米罗斯基 N Minorsky 给出了位置控制系统的分析 并对PID三作用控制给出了控制规律公式 1931年 美国开始出售带有线性放大器和I 积分 作用的气动控制器 1932年奈奎斯特 Nyquist 提出了负反馈系统的频率域稳定性判据 针对美国长距离电话线路负反馈放大器应用中出现的失真等问题 RegenerationTheory BellsystemtechnicalJournal vol13 19321934年 哈仁 H L Hazen 给出了伺服机构的理论研究成果 1940年 波德 H Bode 进一步研究通信系统频域方法 提出了频域响应的对数坐标图描述方法 1943年 哈尔 A C Hall 利用传递函数 复数域模型 和方框图 把通信工程的频域响应方法和机械工程的时域方法统一起来 人们称此方法为复域方法 二战时期对控制系统的贡献 自动导航系统 自动瞄准系统 自动雷达探测系统在自动控制基础上发展的军事系统 对高性能武器的要求还促进了对非线性系统 采样数据系统以及随机控制系统的研究 1948年伊文斯 W Evans 又进一步提出了属于经典方法的根轨迹设计法 它给出了系统参数变换与时域性能变化之间的关系 至此 复数域与频率域的方法进一步完善 Graphicalanalysisofcontrolsystem Trans amer inst ElectricalEngineers1948 20世纪60年代初 现代控制理论 1954年贝尔曼 R Bellman 的动态规划理论 1956年庞特里雅金 L S Pontryagin 的极大值原理1960年卡尔曼 R E Kalman 的多变量最优滤波理论 20世纪60年代 数字计算机的应用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年到现代 确定性系统 随机系统的最佳控制 鲁棒控制及复杂系统的自适应和学习控制 都得到充分的研究 TamerBaser Twenty FiveSeminalpapers 1932 1981 25篇 经典控制理论方法 以传递函数为基础的频域法对象 单输入 单输出一类定常控制系统的分析与设计问题 手段 图解特点 定性分析 这些理论由于其发展较早 现已日臻成熟 目标 稳定和达到一定的性能 现代控制理论方法 状态空间法为基础 最优化方法 卡尔曼滤波 动态规划 本质是时域法对象 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 手段 计算机 现代数学特点 定量分析 系统具有高精度和高效能的特点目标 性能最优 1 4自动控制系统的分类 开环控制闭环控制 反馈控制 复合控制 按系统功用分 温度控制系统压力控制系统位置控制系统 控制方式分 按参据量变化规律分 恒值控制系统 抗扰动 随动系统 跟踪输入 程序控制系统 跟踪预定规律 这里介绍按方式分 开环控制和闭环控制 1 5开环控制和闭环控制 开环控制 指系统输出量对输入量没有任何影响的系统 结构如图所示 开环控制系统的特点 顺向作用 没有反向的联系 没有修正偏差能力 抗扰动性较差 结构简单 调整方便 成本低 闭环控制 反馈控制 闭环控制系统 将输出量引入到输入端进行比较 利用偏差来控制的系统 正反馈负反馈 闭环控制系统的特点 偏差控制 可以抑制内 外扰动对被控制量产生的影响 精度高 结构复杂 设计 分析麻烦 易产生不稳定 一般一个完整反馈控制系统的基本组成图 用 号代表比较元件 号代表两者符号相反 号代表两者符号相同 信号沿箭头方向从输入端到达输出端的传输通路称前向通路 输出量经测量元件反馈到输入端的传输通路称主反馈通路 前向通路与主反馈通路共同构成主回路 此外 还有局部反馈通路以及由它构成的内回路 反馈控制系统的基本组成 被控对象 或过程 控制装置由具有一定职能的各种基本元件组成 测量元件 其职能是测量被控制的物理量 给定元件 其职能是给出与期望的被控量相对应的系统输入量 即参考量 比较元件 把测量元件检测的被控量实际值与给定元件给出的参考量进行比较 求出它们之间的偏差 校正元件 亦称补偿元件 它是结构或参数便于调整的元件 用串联或反馈的方式连接在系统中 以改善系统性能 放大元件 将比较元件给出的偏差进行放大用来推动执行元件去控制被控对象 执行元件 直接推动被控对象 使其被控量发生变化 自动控制系统举例 给定希望液位 希 望 液 位 实 际 液 位 放 大 元 件 气 动 阀 门 水 箱 浮 子 控 制 器 注 入 控制器 比较 放大的作用浮子 液面高度的反馈元件Q2为系统的干扰量气动阀门 执行机构被控对象 水箱 液位系统方框图 1 6对自动控制系统的基本要求 1 6 1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 快速性 相对稳定性 简言之 稳 准 快 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 2对随动系统 被控制量始终跟踪参据量的变化 3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 线性系统的稳定性由系统的结构决定 与外界因素无关 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 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 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 1 7本课程的任务 课程所要研究的三大课题 1 如何保证系统稳定2 如何从理论上对它的动态性能和稳态精度进行定性的分析和定量的计算 3 根据对系统性能的要求 如何合理地设计校正装置 一种重要方法 给定输入分析输出 1 8常采用的典型输入信号有 1 8 1阶跃函数 它的数学表达式为 它表示一个在时出现的 幅值为的阶跃变化函数 如图所示 在实际系统中 如负荷突然增大或减小 流量阀突然开大或关小均可以近似看成阶跃函数的形式 A 1的函数称为单位阶跃函数 记作1 t 因此 幅值为的阶跃函数也可表示为 出现在时刻的阶跃函数 表示为 1 8 2斜坡函数 等速度函数 它的数学表达式为 斜坡函数从t 0时刻开始 随时间以恒定速度增加 如图所示 A 1时斜坡函数称作单位斜坡函数 斜坡函数等于阶跃函数对时间的积分 反之 阶跃函数等于斜坡函数对时间的导数 它的数学表达式为 曲线如图所示 当A 1时 称为单位抛物线函数 抛物线函数是斜坡函数对时间的积分 1 8 3抛物线函数 等加速度函数 1 8 4脉冲函数 它的曲线如图所示 数学表达式为 其面积为A 即 面积A表示脉冲函数的强度 的脉冲函数称为单位脉冲函数 记作 即 于是强度为A的脉冲函数可表示为 表示在时刻出现的单位脉冲函数 即 单位脉冲函数是单位阶跃函数的导数 1 8 5正弦函数 它的数学表达式为 式中A为振幅 为角频率 正弦函数为周期函数 当正弦信号作用于线性系统时 系统的稳态分量是和输入信号同频率的正弦信