自动控制的基本概念.ppt

自动控制原理 宋崎航空航天工程学部 课程介绍 教师 宋崎联系电话公室 机械馆209学时 40学时 4学时实验 考试形式 期末试卷成绩占总成绩的80 考勤及作业占10 实验占10 自动控制理论 第1章自动控制的基本概念第2章控制系统的数学描述第3章线性系统的时域分析与校正第4章根轨迹法第5章线性系统的频域分析与校正第6章线性离散系统的分析与校正 第1章自动控制的基本概念 1 1引言1 2自动控制理论发展概述1 3自动控制系统的基本原理1 4自动控制系统的分类1 5对控制系统性能的基本要求 1 1引言 人工控制的缺点 速度慢精度低效率差不适应恶劣的环境 什么是自动控制 自动控制 在无人直接参加的情况下 利用控制装置使被控对象和过程自动地按预定规律变化的控制过程 自动控制系统 是以实现控制目的为目标 由相互制约的各装置按一定规律组成具有特定功能的整体 第一阶段 经典 自动 控制理论 经典控制理论即古典控制理论 也称为自动控制理论 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 它的发展大致经历了以下几个过程 一萌芽阶段如果要追朔自动控制技术的发展历史 早在两千年前中国就有了自动控制技术的萌芽 1 2自动控制理论发展概述 公元235年马钧研制出能自动指示方向的指南车 指南车 又称司南车 是中国古代用来指示方向的一种机械装置 它利用差速齿轮原理 它与指南针利用地磁效应不同 它是利用齿轮传动系统 根据车轮的转动 由车上木人指示方向 不论车子转向何方 木人的手始终指向南方 车虽回运而手常指南 最先使用反馈控制装置凯特斯比斯 Kitesibbios 希腊人 公元前300年使用的浮子调节器 以保持油面高度稳定 二起步阶段 1788年英国Watt发明的控制蒸汽机速度的离心式调速器 随着蒸汽机角速度的增大 离心力推动小球向上 蒸汽阀门关小 随着蒸汽阀门关小 从锅炉进入引擎的蒸汽减少 蒸汽机的角速度减小 反之 随着蒸汽机角速度的下降 小球向下 蒸汽阀门开大 进入发动机的蒸汽量增加 角速度增加 通过这种方式 调节发动机转速 三发展阶段 4 1948年伊万斯 W R Ewans 提出了复数域内研究系统的根轨迹法 建立在奈奎斯特的频率响应法和伊万斯的根轨迹法基础上的理论 称为经典 古典 控制理论 或自动控制理论 四标志阶段 2 我国著名科学家钱学森将控制理论应用于工程实践 并与1954年出版了 工程控制论 钱学森 从四十年代到五十年代末 经典控制理论的发展与应用使整个世界的科学水平出现了巨大的飞跃 几乎在工业 农业 交通运输及国防建设的各个领域都广泛采用了自动化控制技术 可以说工业革命和战争促使了经典控制理论的发展 第二阶段现代控制理论 科学技术的发展不仅需要迅速地发展控制理论 而且也给现代控制理论的发展准备了两个重要的条件 现代数学和数字计算机 现代数学 例如泛函分析 现代代数等 为现代控制理论提供了多种多样的分析工具 而数字计算机为现代控制理论发展提供了应用的平台 在二十世纪五十年代末开始 随着计算机的飞速发展 推动了核能技术 空间技术的发展 从而对出现的多输入多输出系统 非线性系统和时变系统 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 1 五十年代后期 贝尔曼 Bellman 等人提出了状态分析法 在1957年提出了动态规划 3 罗森布洛克 H H Rosenbrock 欧文斯 D H Owens 和麦克法轮 G J MacFarlane 研究了使用于计算机辅助控制系统设计的现代频域法理论 将经典控制理论传递函数的概念推广到多变量系统 并探讨了传递函数矩阵与状态方程之间的等价转换关系 为进一步建立统一的线性系统理论奠定了基础 2 1961年庞特里亚金 俄国人 提出了极小 大 值原理 庞特里亚金L S Pontryagin 4 20世纪70年代奥斯特隆姆 瑞典 和朗道 法国 L D Landau 在自适应控制理论和应用方面作出了贡献 与此同时 关于系统辨识 最优控制 离散时间系统和自适应控制的发展大大丰富了现代控制理论的内容 朗道L D Landau 第三阶段大系统和智能控制理论阶段 20世纪70年代末 控制理论向着 大系统理论 和 智能控制理论 的方向发展 大系统理论 用控制和信息的观点 研究各种大系统的结构方案 总体设计中的分解方法和协调等问题的技术基础理论 复杂大系统控制 智能控制理论 研究与模拟人类智能活动及其控制与信息传递过程的规律 研制具有某些拟人智能的工程控制与信息处理系统的理论 洗衣机智能模糊控制 机器人神经网络控制 回顾控制理论的发展历程可以看出 它的发展过程反映了人类由机械化时代进入电气化时代 并走向自动化 信息化 智能化时代 哈勃望远镜 特殊地卫星 中巴资源卫星 人造地球卫星控制其准确地进入预定轨道运行并回收 4 自动控制系统 应用举例 无人驾驶飞机按预定轨迹飞行 制导导弹 现代的高新技术让导弹长上了 眼睛 和 大脑 利用负反馈控制原理去紧紧盯住目标 我国研制的地空导弹 机器人足球比赛 月球车 采用高敏感度照相机检测半导体晶片的三轴控制系统 激光眼科手术系统 1 3自动控制的基本原理 自动控制的例子 当实际水位低于要求水位时 电位器输出电压值为正 且其大小反映了实际水位与水位要求值的差值 放大器输出信号将有正的变化 电动机带动减速器使进水阀门开度增加 直到实际水位重新与水位要求值相等时为止 36 被控对象 又称控制对象或受控对象 指需要对它的某个特定的量进行控制的设备或过程 水箱 测量元件 它把被控对象的被控量检测出来 浮子 比较元件 它把测量信号与给定信号比较 得到偏差 比较电路 计算元件 可以进行复杂运算 决定系统性能的好坏放大元件 经过计算处理的信号通常是弱信号 不能驱动被控制对象 由它进行放大 放大器 执行元件 它推动被控对象的被控量发生变化 电动机 阀门 一个典型自动控制系统的基本组成 输入信号 也叫参考输入 给定量或给定值 它是控制着输出量变化规律的指令信号 输出信号 是指被控对象中要求按一定规律变化的物理量 又称被控量 它与输入量之间保持一定的函数关系 反馈信号 由系统 或元件 输出端取出并反向送回系统 或元件 输入端的信号称为反馈信号 反馈有主反馈和局部反馈之分 名词术语 偏差信号 它是指参考输入与主反馈信号之差 误差信号 指系统输出量的实际值与期望值之差 简称误差 扰动信号 简称扰动或干扰 它与控制作用相反 是一种不希望的 影响系统输出的不利因素 扰动信号既可来自系统内部 又可来自系统外部 前者称内部扰动 后者称外部扰动 名词术语 39 1 4自动控制系统的分类 1 4 1按信号传递路径分类 1 按给定值操作的开环控制系统 2 按干扰补偿的开环控制系统 40 3 按偏差调节的闭环控制系统 4 复合控制系统 1 4 2按输入信号的特征分类 恒值控制系统 又称自动调节系统 输出量以一定的精度等于给定值 而给定值一般不变化或变化很缓慢 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 主要强调抗扰性 随动系统 又称伺服系统 输入信号是预先不知道的随时间任意变化的函数 控制系统能使输出信号以任意高的精度跟随给定值的变化 主要强调跟随性 系统的参据量时按预定规律随时间变化的函数 要求被控量迅速 准确地加以复现 程序控制系统和随动系统的参据量都是时间函数 不过前者是已知的时间函数 后者是未知的任意时间函数 而恒值控制系统也可视为程序控制系统的特例 程序控制系统 自动控制原理 43 1 线性linear系统线性系统中各元件的静特性为直线 线性系统有两个重要特性 叠加性和齐次性1 叠加性 如果用c1 t 表示由r1 t 产生的输出 用c2 t 表示由r2 t 产生的输出 则当r1 t 和r2 t 同时作用时 输出量为c1 t c2 t 2 齐次性 如果用c t 表示由r t 产生的输出量 则在Kr t 作用下的输出量为Kc t 1 4 3按系统数学模型分类 自动控制原理 44 2 非线性non linear系统系统中只要某一部件具有非线性特性就是非线性系统 非线性系统的特点是不满足叠加原理 图中分别为继电器 死区 饱和 间隙特性 还有大量的其它非线性特性 a b c d 45 1 连续时间系统 控制系统中各环节的输入量和输出量均为时间t的连续函数 2 离散时间系统 系统中只要一处信号是脉冲序列或数字编码 1 4 4按时间变量特性分类 46 1 定常系统系统参数在系统运行过程中相对于时间是不变的 2 时变系统系统参数是时间t的函数 1 4 5按系统参数特性分类 47 1 单输入单输出系统 2 多输入多输出系统 1 4 6按输入输出信号的数目分类 动态过程 通常将系统受到给定值或干扰信号作用后 控制被控量变化的全过程称为系统的动态过程 工程上常从稳 快 准三个方面来评价控制系统 稳 指动态过程的平稳性 快 指动态过程的快速性 准 指动态过程的最终精度 1 5对控制系统性能的基本要求 49 当系统受到干扰后 系统的输出c t 可能出现增幅振荡或单调增长现象 这种现象称为不稳定现象 这样的系统称为不稳定系统 当系统受到干扰后 能够恢复到原来的工作状态 则这样的系统是稳定的 称为稳定系统 b a 1 5 1稳定性 50 由于系统的对象和元件通常具有一定的惯性 并受到能源功率的限制 因此 当系自输入 给定输入或扰动输入 信号改变时 在控制作用下 系统必然由原先的平衡状态经过一段时间才过渡到另一个新的平衡状态 这个过程称为过渡过程 过渡过程越短 表明系统的快速性越好