《自动控制原理教学课件》第1章绪论.ppt

主讲教师 张雅彬联系方式 zhangyabin2 教材及主要参考资料教材 自动控制原理 线性部分 李一兵等编著哈尔滨工程大学出版社2007年7月第2次印刷 3 要求 做好笔记 尤其习题 考试内容以上课讲的为准 带计算器考核方式 闭卷笔试 4 学时安排 1自动控制的基本概念 2学时 1 控制系统的基本概念 2 控制系统的组成 3 控制系统分类 4 反馈控制系统的基本要求2控制系统的数学模型 6学时 1 控制系统微分方程的建立 2 控制系统传递函数 拉氏变换 3 动态结构图及其等效变换 梅森公式 5 3时域分析法 10学时 1 典型输入信号作用下一阶 二阶系统时域响应 2 控制系统时域性能指标 3 控制系统稳定性 劳斯判据 4 稳态误差分析与计算4根轨迹分析 4学时 1 根轨迹概念及根轨迹方程 2 根轨迹绘制原则 简要 3 控制系统根轨迹分析5频率法 10学时 1 典型环节频率特性 频域性能指标 2 系统开环频率特性 3 稳定判据 稳定裕度 4 利用开环频率特性分析系统的性能 6 6控制系统校正 8学时 1 系统的设计与校正原理 2 控制系统设计的性能指标 3 串联校正 超前校正 滞后校正 滞后 超前校正 7 第1章绪论 1 1自动控制的基本原理与系统组成1 2自动控制的分类1 3自动控制理论的发展概况1 4自动控制的主要研究内容与基本要求 8 1 1自动控制的基本原理与系统组成1 1 1人工控制与自动控制控制的概念 为了满足预期要求所进行的操作或调整过程可分为人工控制和自动控制自动控制是在人工控制的基础上发展起来的 基本概念自动控制 是指在没有人直接参与的情况下 利用外加的设备或装置 使机器 设备或生产过程的某个工作状态或参数自动的按照预定的规律运行 9 人工控制示例 水池水位系统控制目的 水池水位与要求值要相等控制手段 改变进水阀门的开度人工控制过程1 测量过程 眼睛 2 决策过程 大脑 3 执行过程 手 水池水位是被控变量 水池是被控对象 10 1 1 2自动控制系统的组成自动控制系统 被控对象和自动控制装置按一定方式连接起来 完成一定控制任务 自动控制系统一般包括如下几部分 11 1 2自动控制的分类1 2 1按控制方式开环控制闭环控制 反馈控制 复合控制 开环控制是指系统的输出量对系统的控制作用无任何影响的控制过程 闭环控制是指系统的输出量对控制作用有影响的控制过程 也称为反馈控制 12 开环系统框图开环控制特点 1 无反馈 作用信号由输入到输出单方向传递 2 结构简单 但须选高精度高稳定性元件 3 控制精度取决于控制器及被控对象的参数稳定性 容易受干扰影响 缺乏精确性和适应性 4 响应速度快 无稳定性问题 5 可根据给定值或可测量到的扰动量进行补偿 13 例 汽车驾驶控制系统 闭环控制系统 14 开环控制与闭环控制比较定义 开环控制是指系统的输出量对系统的控制作用无任何影响的控制过程 闭环控制是指系统的输出量对控制作用有影响的控制过程 也称为反馈控制本质区别 输出量是否参与控制 15 开环控制系统的特点 1 无反馈 作用信号由输入到输出单方向传递 2 结构简单 但须选高精度高稳定性元件 3 控制精度取决于控制器及被控对象的参数稳定性 容易受干扰影响 缺乏精确性和适应性 4 响应速度快 无稳定性问题 5 可根据给定值或可测量到的扰动量进行补偿 16 闭环控制系统的特点 1 由反馈构成闭环 利用偏差信号进行控制 2 结构复杂 除测量元件外 其它元件可选低廉元件 3 抗干扰 控制精度高 4 存在稳定性问题 系统元件参数配合不当 容易产生振荡 5 系统的被控量可测 17 若系统的输入量可预知 系统本身对干扰能有效的抑制 被控量很难检测 可采用开环控制否则 采用闭环控制开环控制 闭环控制 复合控制自动控制理论主要研究闭环系统 18 典型自动控制系统 19 各元件 或装置 的作用 1 测量元件 对系统输出量进行测量 将输出量变换成主反馈信号 2 比较元件 对系统的输入量和主反馈信号进行加减计算 给出偏差信号 3 放大元件 对微弱的偏差信号进行放大和变换 输出足够功率和要求的控制量 4 执行元件 根据控制量对被控对象执行控制任务 使被控量与希望值趋于一致 5 被控对象 系统所要控制的机器设备或生产过程 6 反馈校正元件 参数或结构便于调整的元件 用于改善系统性能 20 常用术语 1 系统输出 被控变量 2 给定值 参考输入 系统的给定输入 由控制者决定被控变量的期望值 3 扰动 系统不需要而又难于避免的输入 它使得被控量偏离给定值 扰动即可来自系统内部又可来自外部 4 偏差 给定值 测量值 21 主回路 前向通路 主反馈通路单回路系统 只有一个反馈通路的系统多回路系统 有两个以上反馈通路的系统 前向通路 信号从输入端沿箭头方向到达输出端的传输通路 主反馈通路 系统输出量经测量装置反馈到输入端的传输通路 22 反馈控制原理 被控变量作为反馈信号 与希望值比较得到偏差输入 根据输入偏差大小 调整控制信号 控制信号通过执行器的操作消除偏差 实现控制目标 反馈 输出量经测量后的信号回送到输入端反馈连接方式 负反馈 反馈信号的极性与输入信号相反 使被控对象的输出趋向希望值 23 反馈控制系统举例 船舶航向控制系统 对比典型自动控制系统结构 1 控制任务 保持指令航向不变 2 被控对象 船舶 3 被控量 船舶实际航向 4 测量元件 罗经 5 自动舵控制器 24 1 2 2其他分类按输入信号特征分类 1 恒值系统 自稳定系统 控制任务 常数分析设计重点 研究干扰对被控对象的影响 克服扰动 2 随动系统控制任务 随机变化分析设计重点 系统跟踪的快速性 准确性 3 程序控制系统控制任务 预先规定时间函数变化 25 按描述系统的数学模型分类 1 线性系统 2 非线性按控制系统传递信号性质 1 连续系统 2 离散系统按系统参数是否随时间变化 1 定常系统 2 时变系统 参数不是常数 26 1 3控制理论的发展状况自动控制理论按其发展过程 可分为经典控制理论和现代控制理论两大部分1 3 1经典控制理论 古典控制理论 1 1769年J 詹姆斯 瓦特 james Watt 发明了蒸汽机调速器 飞球调速器 这是自动控制技术在工业过程中的最早应用 不过 该装置在某些条件下会自发振荡 2 1868年麦克斯韦尔 J G Maxwell 根据力学原理 用常系数微分方程描述了蒸汽机离心调速器系统 3 1875年劳斯 E Routh 英 提出了Routh判据 27 4 1892李亚普诺夫 俄 提出了运动稳定性的一般问题 5 1895年古尔维次 A Hurwiz 德 提出了关于稳定性的代数判据 6 1932年奈奎斯 Nyquist 在研究负反馈放大器时创立了有名的稳定性判据 根据系统的开环频率特性 可判断闭环系统的稳定性 并给出了稳定裕度的信息 7 1948年 伊万斯 W R Evans 提出了控制系统设计的根轨迹方法 建立在频率法和根轨迹法基础上的控制理论称为经典控制理论 随后经典控制理论又添加了非线性系统理论和离散控制理论 形成了完整的理论体系 28 经典控制理论包括 1 线性控制理论 时域分析法 根轨迹法 频率分析法 2 非线性控制理论 描述函数法 相平面法 李亚普诺夫第二法 波波夫法 3 采样控制理论 Z变换法经典控制理论使用范围以传递函数为基础 主要研究单输入 单输出 线性 定常控制系统的分析和设计 29 现代控制理论20世纪50年代末 伴随着电子计算机的发展和航天技术革命 形成了现代控制理论 1 1956年庞特里亚金 俄 提出了最大值原理 2 1957年贝尔曼 R Bellman 美 提出了动态规划理论 3 1960年卡尔曼 R E Kalman 提出了状态空间的方法 能控性与能观性的概念 以及最优滤波理论 被认为是现代控制理论的开端 30 4 从60年代至今 现代控制理论迅速发展 形成了线性系统理论 最优控制理论 动态系统辨识 自适应控制 大系统理论 鲁棒控制 智能控制系统等学科分支 现代控制理论适用范围现代控制理论以状态空间法为基础 研究单输入 单输出 多输入 多输出 定常或时变 线性或非线性等控制系统的分析和设计 31 1 4自动控制的主要研究内容与基本要求1 4 1自动控制的主要研究内容 1 系统的数学模型 2 系统分析研究系统在给定变化或干扰作用下的运动规律 系统性能 以及域系统结构参数的关系等 方法 时域法 根轨迹法 频率特性法 3 系统设计怎样设计一个控制系统 使它的运动具有给定的性质和特征 32 1 4 2自动控制的基本要求 自动控制任务的表达式 基本要求体现在稳定性 动态特性 稳态特性三个方面简称 稳 快 准 1 稳定性 2 动态特性过渡过程 从一个平衡状态到另一平衡状态平稳性 超调量快速性 调节时间 3 稳态特性稳态误差小或无差 绝对稳定 系统必须是稳定的相对稳定 响应振荡的剧烈程度 33 本章小结 1 通过示例介绍控制系统的基本概念 2 控制系统的组成 3 控制系统分类 4 反馈控制系统的基本要求本课目的 任务 模型 单输入 单输出 线性 定常负反馈系统方法 利用经典控制理论 时域 根轨迹 频率法 要求 稳 快 准 34 练习一 名词解释1 自动控制2 闭环控制3 自动控制系统二 填空1 典型的自动控制系统由 组成 2 对控制系统系统性能评价从三个方面进行 即三个基本要求 3 系统中需要加以控制的目标装置 称 4 是系统能否正常工作的前提条件 反映系统在动态过程中系统跟踪控制信号或抑制扰动的能力 稳态误差越小的系统 说明系统的 越好 35 3 电冰箱制冷系统思考 1 被控对象 执行元件 测量元件 被控变量 参考输入 2 绘制结构框图 36 答案一 名词解释1 自动控制在没有人直接参与的情况下 利用外加的设备或装置 使机器 设备 或生产过程的某个工作状态或参数自动地按照预定的规律运行 2 闭环控制 系统的输出量对控制作用有影响的控制过程 也称为反馈控制 3 自动控制系统能够对被控对象工作状态进行自动控制的系统 37 二 填空1 典型的自动控制系统由 组成 2 对控制系统系统性能评价从三