自控原理基本概念.ppt

2020 2 14 自动控制原理 1 共同努力 戴波010 8129214513681056362daibo 第一章自动控制原理基本概念 一 自动控制系统简介二 自动控制科学的发展三 自动控制系统分类四 自动控制系统的基本要求五 自动控制系统的分析与设计工具六 竞赛案例 两轮自行走小车七 课程案例 磁盘驱动读取系统八 其他说明 2020 2 14 自动控制原理 2 一 自动控制系统简介1 控制系统实例 2020 2 14 自动控制原理 3 a 手动控制漫画 b 自动控制水温的手动控制和自动控制的示意图 飞机自动驾驶仪系统原理图示意图 给定电位器 反馈电位器 液位控制系统 2020 2 14 自动控制原理 6 液位控制系统 2020 2 14 自动控制原理 7 电机转速控制系统 2020 2 14 自动控制原理 8 热处理炉温度控制系统 2020 2 14 自动控制原理 9 谷物湿度控制系统 2020 2 14 自动控制原理 10 问题 有无共性的东西 能分析归纳出这些控制系统的共性吗 2020 2 14 自动控制原理 11 装置 原装置 控制装置 信号 系统 原装置 水箱 管道检测元件 浮球控制装置 杠杆 电机控制手段 进水阀信号 水箱水位进水流量 被控对象检测装置控制器执行机构被控变量控制变量 组成系统 2020 2 14 自动控制原理 12 原装置 热处理炉 混合器检测元件 热电偶 放大器控制装置 放大器 电机控制手段 煤气阀信号 热处理炉温度煤气流量 组成系统 被控对象检测装置控制器执行机构被控变量控制变量 2020 2 14 自动控制原理 13 原装置 热处理炉 混合器检测元件 热电偶 放大器控制装置 放大器 电机控制手段 煤气阀信号 热处理炉温度煤气流量 组成系统 被控对象检测装置控制器执行机构被控变量控制变量 2020 2 14 自动控制原理 14 原装置 热处理炉 混合器检测元件 热电偶 放大器控制装置 放大器 电机控制手段 煤气阀信号 热处理炉温度煤气流量 组成系统 被控对象检测装置控制器执行机构被控变量控制变量 2020 2 14 自动控制原理 15 原装置 热处理炉 混合器检测元件 热电偶 放大器控制装置 放大器 电机控制手段 煤气阀信号 热处理炉温度煤气流量 组成系统 被控对象检测装置控制器执行机构被控变量控制变量 一 自动控制系统简介2 控制系统方块图 2020 2 14 自动控制原理 16 控制系统用方块图统一表示 共同的原理 反馈原理统一的定义 被控变量 控制变量 反馈变量 给定值被控对象 控制器 执行机构 测量反馈系统的结构 开环 闭环 复合 控制系统基本控制方式 2020 2 14 自动控制原理 17 闭环控制 复合控制 开环控制 开环控制 2020 2 14 自动控制原理 18 控制装置与被控对象之间只有顺向作用而无反向联系 前馈控制 开环 闭环控制 闭环控制系统的方框图 2020 2 14 自动控制原理 20 方框图中的几种表示法 2020 2 14 自动控制原理 21 2020 2 14 自动控制原理 22 复合控制 飞机自动驾驶仪系统原理图示意图 给定电位器 反馈电位器 飞机俯仰角控制系统方块图 2020 2 14 自动控制原理 25 一 自动控制系统简介3 控制系统理论框架 2020 2 14 自动控制原理 26 物理控制系统 方块图 系统分析基础 建模 系统分析理论平台 分析方法 系统分析 设计控制 系统分析 控制实现技术 控制系统工程 自动控制原理 控制理论 2020 2 14 自动控制原理 27 物理控制系统 方块图 系统分析基础 建模 系统分析理论平台 分析方法 系统分析 设计控制 系统分析 控制实现技术 控制系统工程 建立系统思维方式 机理建模 实验建模 时域分析法根轨迹分析法频域分析法状态空间分析法非线性分析离散系统分析 系统校正 PID控制 优化控制 鲁棒控制 模型预测控制 自适应控制 模糊控制 测量仪表 控制器 PLC DCS FCS 计算机 电机 阀门 1984年 人类实现了首次太空自由行走 依靠的是一个充着氮气的推进器来控制他的行走 氮气推进器的控制系统框图 2020 2 14 自动控制原理 30 2020 2 14 自动控制原理 31 2020 2 14 自动控制原理 32 2020 2 14 自动控制原理 33 美国步兵在行军的时候每个士兵经常需要携带约40公斤的装备 为了减少士兵的负荷就需要有一款能够很好的把握平衡的运输工具来为士兵携带装备 而这款机器驴正是为了满足这种需求而设计的 它由美国国防部高级计划研究署 USDefenseAdvancedResearchProjectsAgency DARPA 资助研发的 可以通过内置的传感器探测周围的地形并由微处理器分析并向传动装置发出相应的指令 从而控制机器人像四足动物一样平稳的行走 2020 2 14 自动控制原理 34 该机器人外形介于山羊和马之间 目前正由美国波士顿动力公司研制 未来它们将被派往美军 如驮骡一般运送军事装备 这种机器人名为 大狗 BigDog 又被开发者称为地球上最先进的四足机器人 波士顿动力公司最新公布的一段视频显示 无论是爬陡坡 跨崎岖路段 还是被猛地踹上一脚 大狗 均临危不乱 招架自如 波士顿动力公司主席兼项目经理马可 雷波特说 内力传感器可探测到地势变化 根据情况做出调整 而当我们 骚扰 它时 大狗 的主动平衡性使其可以保持稳定 这种平衡性通过四条腿维持 每条腿有三个靠传动装置提供动力的关节 并有一个 弹性 关节 这些关节由一个机载计算机处理器控制 机器驴 2020 2 14 自动控制原理 35 信息时代 2020 2 14 自动控制原理 36 2020 2 14 自动控制原理 37 现代化的工厂 课程意义 自动控制原理 是自动化类专业学生学习的第一门控制课程 专业标志性课程 必修课 核心课 是多个专业的考研课程之一 考研内容 自动控制原理 经典 本课程 现代 下学期开 课程位置 2020 2 14 自动控制原理 38 是本学科最重要的技术基础课 具有较强烈的应用数学色彩 目的是培养学生系统的思维方式 系统的认识和影响事物 自动控制理论已经发展为理论严密 系统完整 逻辑性很强的一门学科 从基本反馈控制原理发展到 自适应控制 优化控制 鲁棒控制 大系统控制 智能控制 讨论的对象 因果系统 工程系统 系统的广义性 经济 社会 工程 生物 环境 医学等 课程特点 研究系统的共性问题 2020 2 14 自动控制原理 39 二 自动控制科学的发展 2020 2 14 自动控制原理 40 公元1788年 JamesWatt为控制蒸汽机速度设计的离心调节器 将离心式调速器与蒸汽机的阀门连接起来 构成蒸汽机转速的闭环自动调速系统 2020 2 14 自动控制原理 41 这是自动控制领域的第一项重大成果 2020 2 14 自动控制原理 42 自动化技术形成于 18世纪末至20世纪30年代 1922年 Minorsky研制出船舶操纵自动控制器 并证明了从系统的微分方程确定系统的稳定性的方法 1932年 Nyquist提出了一种根据系统的开环频率响应 对稳态正弦输入 确定闭环系统稳定性的方法 2020 2 14 自动控制原理 43 1934年 Hezen提出了用于位置控制系统的伺服机构的概念 讨论了可以精确跟踪变化的输入信号的机电伺服机构 20世纪40年代 频率响应法为闭环控制系统工程设计提供了一种可行方法 20世纪40年代末 50年代初Evans提出并完善了根轨迹法 形成了经典控制理论的核心 单输入单输出 线性 定常 以传递函数为基础 设计的系统是稳定的 并且满足一组适当的性能要求 但不是某种意义上的最优系统 20世纪50年代末 控制系统设计问题的重点从设计许多可行系统中的一种系统 转到设计在某种意义上的最优系统 科学技术发展的需要 设备复杂 工艺要求高 多输入多输出的问题开始需要 2020 2 14 自动控制原理 44 20世纪60年代 数字计算机的出现为复杂系统的基于时域分析的现代控制理论提供了可能 现代应用数学新成果不断推出 宇航技术发展的需要 现代控制理论发展了 利用状态变量 基于时域分析 从1960年到1980 确定性系统 随机系统的最佳控制 及复杂系统的自适应和学习控制 都得到充分的研究 从1980年到现在 现代控制理论进展集中于鲁棒控制 H 控制及其相关课题 2020 2 14 自动控制原理 45 古典控制理论以传递函数为基础研究单输入 单输出一类定常控制系统的分析与设计问题 这些理论由于其发展较早 现已臻成熟 现代控制以状态空间法为基础 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 系统具有高精度和高效能的特点 2020 2 14 自动控制原理 46 三 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 2020 2 14 自动控制原理 47 按控制方式分 机械系统 恒张力系统电气系统机电系统 全自动照相机 光机电结合液压系统 伺服液压缸 汽车发动机 大型的仿真模拟台气动系统生物系统 按元件类 型分 按系统功用分 2020 2 14 自动控制原理 48 温度控制系统 压力控制系统 位置控制系统 线性系统 非线性系统 连续系统 定常系统 时变系统 确定性系统 不确定性系统 按系统性能分 离散系统 2020 2 14 自动控制原理 49 线性连续控制系统 由系数判定线性时变系统 线性定常系统线性定常系统根据给定值又可分为 恒值控制系统 随动系统 程序控制系统 2020 2 14 自动控制原理 50 恒值控制系统 随动系统 程序控制系统 按给定值变化规律分 1 恒值控制系统给定值是个常值 要求被控量也等于常值 外部扰动的存在 被控量偏离参考量而出现偏差 控制系统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 2 随动系统给定值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考输入量变化 3 程序控制系统给定值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 2020 2 14 自动控制原理 51 线性定常离散系统 非线性控制系统 非线性系统的线性化 系统类型 线性 非线性系统连续 离散性系统定常 时变性系统确定 不确定系统 2020 2 14 自动控制原理 52 按控制方式分 按被控对象分 按系统性能分 分类 按给定值变化规律分 按系统功用分 按给定值操纵的开环控制按干扰补偿的开环控制按偏差调节的闭环控制复合控制 闭环反馈为主 开环补偿为辅 恒值系统随动系统程序控制系统 运动控制系统过程控制系统 温度控制系统压力控制系统位置控制系统 2020 2 14 自动控制原理 53 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 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 稳定性 通常由系统的结构决定与外界因素无关 四 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 和快速性 相对稳定性 稳 准 快 2020 2 14 自动控制原理 54 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 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 稳定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 2020 2 14 自动控制原理 55 暂态过程特点 下图中 a b 非周期振荡 c 发散振荡 d e 收敛振荡 f 等幅振荡 典型外部输入信号 1 阶跃函数 信号 2 斜坡函数 信号 3 脉冲函数 信号 4 正弦函数 信号 2020 2 14 自动控制原理 56 2020 2 14 自动控制原理 57 2 根据对系统性能的要求 如何合理地设计校正装置 控制器 使系统的性能能全面地满足技术上的要求 本课程的任务 本课程所要研究的两大课题 1 对于一个具体的控制系统 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 例题1 1防空导弹制导 随动系统 2020 2 14 自动控制原理 58 一个液位系统原理图如下 人工操作通过调整流入阀门的开度 保持液位不变 试画出人工操纵液位控制系统方块图 2020 2 14 自动控制原理 59 例题1 2 一个液位控制系统原理图如下 自动控制器通过比较实际液位与希望液位 并通过调整气动阀门的开度 对误差进行修正 从而保持液位不变 试画出相应的控制系统的方块图 2020 2 14 自动控制原理 60 例题1 3 2020 2 14 自动控制原理 61 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 有一发电机 电动机调速系统如图所示 其工作原理是操纵者转动操纵电位计的手柄 可使电位计的输出电压Ur改变大小和方向 经前置放大器和直流发电机两极放大 使加在伺服电机上的端电压也随之改变大小和方向 从而使负载具有所要求的转速 试说明该系统的给定值 被控量和干扰量 并画出方块图 2020 2 14 自动控制原理 62 例题1 4 2020 2 14 自动控制原理 63 2020 2 14 自动控制原理 64 例题1 5 2020 2 14 自动控制原理 65 例题1 6 2020 2 14 自动控制原理 66 例题1 7 2020 2 14 自动控制原理 67 五 自动控制系统分析与设计工具 一 MATLAB语言的发展matlab语言是由美国的CleverMoler博士于1980年开发的设计者的初衷是为解决 线性代数 课程的矩阵运算问题取名MATLAB即MatrixLaboratory矩阵实验室的意思 它将一个优秀软件的易用性与可靠性 通用性与专业性 一般目的的应用与高深的科学技术应用有机的相结合MATLAB是一种直译式的高级语言 比其它程序设计语言容易 MATLAB已经不仅仅是一个 矩阵实验室 了 它集科学计算 图象处理 声音处理于一身 并提供了丰富的Windows图形界面设计方法MATLAB语言是功能强大的计算机高级语言 它以超群的风格与性能风靡全世界 成功地应用于各工程学科的研究领域 MATLAB在美国已经作为大学工科学生必修的计算机语言之一 C FORTRAN ASSEMBLER MATLAB 近年来 MATLAB语言已在我国推广使用 现在已应用于各学科研究部门和许多高等院校MATLAB语言不受计算机硬件的影响 286以上的计算机都可以使用 二 matlab能在各领域做什麽工业研究与开发数学教学 特别是线性代数数值分析和科学计算方面的教学与研究电子学 控制理论和物理学等工程和科学学科方面的教学与研究经济学 化学和生物学等计算问题的所有其他领域中的教学与研究 Matlab应用举例 例一 解线性方程例二 绘制二维图形例三 绘制三维图形更加复杂的图形 例 用一个简单命令求解线性系统3x1 x2 x3 3 6x1 2x2 4x3 2 1 x1 4x2 5x3 1 4 对于线性系统有Ax b A 31 1 124 145 b 3 6 2 1 1 4 x A bx 1 4818 0 46060 3848 还可以进行矩阵运算 解各种微分方程等 例 用简短命令计算并绘制在0 x 6范围内的sin 2x sinx2 sin2x x linspace 0 6 y1 sin 2 x y2 sin x 2 y3 sin x 2 plot x y1 x y2 x y3 例 绘制三维线图t 0 0 1 40 plot3 t sin t cos t r 用四种方法描述cos x sin y 图形 Matlab桌面环境的介绍 在MATLAB的ControlSystemToolbox 控制系统工具箱 中提供了许多仿真函数与模块 用于对控制系统的仿真和分析 线性控制系统是一般线性系统的子系统 在MATLAB中 对自动控制系统的描述采用三种模型 状态空间模型 ss 传递函数模型 tf 以及零极点增益模型 zpk 模型转换函数 ss2tf ss2zp tf2ss tf2zp zp2ss和z