自控1-2010.ppt

自动控制原理第一章控制系统导论OverviewofControlSystem 第一章内容 自动控制的发展历程及基本原理自动控制系统示例自动控制系统的分类对自动控制系统性能的基本要求控制系统计算机辅助分析与设计工具本课程的主要内容及其相互关系 自动控制发展简史 自动控制理论准备 SirIsaacNewton 1642 1727 MathematicalmodelingBrookTaylor 1685 1731 TaylorseriesPierseSimonLaplace 1749 1827 LaplaceTransform1769 Firstautomaticcontroller JamesWatt 1687年发表 自然哲学的数学原理 万有引力定律 牛顿运动定律 经典力学基石 自动控制发展简史 蒸汽机及速度自动调节器 1782年 Watt发明了双动作蒸汽机 比纽可门蒸汽机提高了热效率和可靠性 1788年瓦特发明飞球调节器 进一步推动蒸汽机的应用 JamesWatt 1736 1819 世界公认的第一个自动控制系统 连杆 飞轮 离心调速器 自动控制发展简史 飞球调节器结构 负反馈 自动控制发展简史 引出自动控制的基本原理 通过控制装置 使机器 设备 生产过程等 克服各种扰动 按照预定的规律运行 完成要求的任务 书位置 手位置 输入信号R 输出信号C 偏差E 反馈信号B 反馈原理 自动控制基本原理 要素被控对象控制任务或目标控制装置或控制器控制方法 自动控制基本原理及过程 被控对象 预定的运行 实际的运行 控制装置 扰动 驱动 调整 反馈 使之具有一定的运动状态和性能 自动控制系统的组成与信号举例 被控对象 反馈信号 给定温度 参据量 比较环节 给定电位器 控制信号 电加热炉 e 温度变送器 uf 电热丝 温度传感器 功率放大器 现场测量信号 交流电源 u 被控量 炉温 放大元件 b 控制器 偏差信号 控制系统原理图 反馈控制系统的基本组成 参据量 单回路系统 只有一个主反馈通路 多回路系统 有两个或以上反馈通路 方块图 方框图 系统原理图的简化 反馈控制 采用负反馈并利用偏差进行控制的过程 在反馈控制系统中 控制装置对被控对象施加的控制作用 是取自被控量的反馈信息 用来不断修正被控量的偏差 从而实现对被控对象进行控制的任务 反馈控制 闭环控制 原理 方块图 偏差 闭环 反馈 控制方式 按偏差控制 开环控制方式 按给定量控制 按扰动控制 顺馈控制 复合控制方式 按偏差控制和按扰动控制相结合 自动控制系统基本控制方式 按给定量的开环控制 特点 结构简单 一般不存在稳定性问题 但抗扰性差 精度低 控制精度易受扰动影响 如果存在扰动 被控量对系统没有控制作用 按扰动的开环控制系统 顺馈控制 在扰动可测量的场合 控制装置 被控对象 给定信号 被控量 扰动 补偿装置 顺馈方式 锅炉汽包水位控制系统 保持给水流量D和蒸汽流量G平衡 以控制锅炉水位H为设定值H0 闭环 反馈 控制方式 液位自动控制系统 被控量直接或间接参与控制 闭环控制方式的特点 有反馈 信号传递形成闭合回路抗扰性好 控制精度高结构较复杂有稳定性问题设计不当 可能会引起过调误差 从而导致系统进行等幅振荡或变幅振荡 扰动 反馈检测 控制装置 被控对象 给定信号 被控量 补偿装置 补偿作用 仅对特定可测扰动有效反馈作用 抑制其他扰动 顺馈 两者结合改善抗扰性 进一步提高控制精度 复合控制系统 开环 闭环 问题 飞球调节器有时会使蒸汽机速度出现大幅度振荡 其它自动控制系统也有类似现象 当时还没有形成自控理论体系 不能从理论上解释这一现象 为了解决这一问题 探索了大约一个世纪之久 自动控制发展简史 自动控制理论孕育 1868年 Maxwell的 论调速器 论文指出 不应单独研究飞球调节器 必须从整个系统分析控制的不稳定 建立系统微分方程 分析方程解的稳定性 从而分析实际系统是否会出现不稳定现象 Maxwell的这篇论文被公认为自动控制理论的开端 自动控制发展简史 自动控制理论开端 JameClerkMaxwell 1831 1879 1875年 英国劳斯 EdwardJohnRouth 提出代数稳定判据 1895年 德国赫尔维兹 Hurwitz 提出另一种代数稳定判据 1892年 俄国李雅普诺夫 Liapunov 提出稳定性定义和两个稳定判据 1932年 美国物理学家奈奎斯特 HarryNyquist 提出了频域内研究系统的频率响应法 并提出奈氏稳定判据 自动控制发展简史 经典控制理论的孕育 二次世界大战 应用系统和控制思想空前活跃 自动控制理论取得了长足进步 1945年伯德 Bode 在前人基础上发表了关于控制系统频域设计方法的著作 1948年伊万思 W R Evans 提出并且完善了根轨迹方法 自动控制发展简史 经典控制理论的形成 自动控制发展简史 控制论 Cybernetics 的确立 1948年 美国数学家维纳 N Weiner 出版了 控制论 关于在动物和机器中控制与通信的科学 论述了控制理论的一般方法 推广了反馈的概念 为控制理论学科确立奠定了基础 控制论奠基人NorbertWiener 1894 1964 自动控制发展简史 经典控制理论 经典控制理论以传递函数与脉冲传递函数为基础 主要研究单输入 单输出 SISO 线性定常系统的分析和设计问题 数学基础 微分 差分方程 积分变换 复变函数等 二战结束后 各国大力发展空间技术 经典控制理论不能满足需要 需要研究新的控制理论 我国著名科学家钱学森将控制理论应用于工程实践 1954年出版 工程控制论 现代控制理论在空间技术取得巨大成功 促进了空间技术的发展 自动控制发展简史 现代控制理论的发展 自动控制发展简史 现代控制理论 方法与问题 状态空间法 状态变量的能控性 能观性 系统性能的最优化 特点 时域法 统一处理SISO MIMO系统基础 应用数学 线性代数 矩阵理论等 大系统理论 计算机技术 通信技术 现代控制理论在空间技术领域取得巨大成功 但在工业过程控制方面遭遇 挫折 促使了智能控制技术的诞生与发展 由于工业过程控制中普遍存在的不确定性和干扰 难以建模与精确求解 模拟人智能的控制技术 智能控制 虽然不能实现精确的控制 但对各种复杂系统能够做到比较满意的控制效果 自动控制发展简史 智能控制 自动控制学科的发展历程 控制理论的发展历程小结 第一章内容 自动控制发展简史及基本原理自动控制系统示例自动控制系统的分类对自动控制系统的基本要求控制系统计算机辅助分析与设计工具本课程的主要内容及其相互关系 自动控制系统示例 家用电器 电扇 控制转速 电冰箱 空调 电饭煲 控制温度等 洗衣机 控制水位 转速 时间等 交通系统 安全 快捷 舒适 准点 轨道交通 高速铁路 地铁等 制造自动化系统 MAS 数控机床 汽车 拉提琴 灵巧手 排爆 步行 吹笛 足球比赛 机器人 自来水处理与供应 水利自动化与信息化 核电 军事 国防 宇航 月球探测卫星沿预定轨道的运行 深海探测 蛟龙号深海载人探测器 第一章内容 自动控制发展简史自动控制系统概念及示例自动控制系统的分类对自动控制系统性能的基本要求控制系统计算机辅助分析与设计工具本课程的主要内容及其相互关系 控制系统的不同分类 按输入 输出量变化规律分类调节系统 随动系统恒值控制系统 程序控制系统 跟踪控制系统 按被控对象运行特性及被控量分类运动控制系统 过程控制系统按元件类型分类机械 电气 液压 气动 机电一体 光机电一体 生物 化学等控制系统按系统性能 描述模型分类连续 模拟 控制系统 数字 离散 控制系统线性控制系统 非线性控制系统定常 时不变 系统 变常 时变 系统确定性与不确定性系统 静态与动态系统 按控制方式分类开环控制系统 按给定量 按扰动 闭环控制系统 复合控制系统 控制系统的不同分类 续 按系统结构及复杂度的分类单回路系统 多回路系统 SISO MIMO按控制理论 控制规律分类基于经典控制理论的控制系统基于现代控制理论的控制系统基于智能控制理论的控制系统按系统功能和构成的分类监视控制与数据采集系统SC DAS直接数字控制系统DDCS计算机监督控制系统SCCS基于控制网络的分级控制系统 DCS FCS 控制系统按输入 输出量变化规律的分类举例 调节系统 保持被控量符合给定值的系统 恒值控制系统 给定值为常值程序控制系统变值控制系统 设计重点为克服各种扰动 控制系统按输入 输出量变化规律分类举例 随动系统 保持被控量跟踪某个不能预知的变化量 防空雷达跟踪控制系统 设计要点 按被控对象及被控量特性分类举例 运动控制系统 伺服Servo控制系统 被控量为 角 线 位移 速度 加速度等运动信号的系统 按被控对象运行特性及被控量分类举例 过程控制系统被控量为运行过程的状态量 如温度 压力 流量 液位 pH值 成分等的系统 这里 按系统性能及描述模型给出一种面向经典控制理论领域的组合分类 线性定常连续控制系统线性定常离散控制系统非线性控制系统 线性定常连续控制系统 线性系统中各部件输入 输出信号间为线性关系用线性微分方程描述 满足叠加原理定常 时不变 系统的参数不随时间变化描述系统动态特性的方程系数为常数连续 模拟 系统中各变量均对时间连续 工程近似 叠加性 均匀性 线性定常连续控制系统数学模型 线性定常微分方程 输出信号或被控量 输入信号或参据量 线性定常离散控制系统 系统中有一处或几处的信号是离散信号 离散时间系统 简称离散系统 如采样控制系统 计算机控制系统或数字控制系统 线性定常离散控制系统模型 线性定常差分方程 输出离散序列 输入离散序列 非线性控制系统 包含有非线性元件 用非线性方程描述不满足叠加原理常见非线性特性饱和特性死区特性间隙特性继电特性摩擦特性 第一章内容 自动控制的发展历程及基本原理自动控制系统示例自动控制系统的分类对自动控制系统的基本要求控制系统计算机辅助分析与设计工具本课程的主要内容及其相互关系 r e u 控制器 对象 y 反馈检测 自动控制系统的基本要求 稳定性 首要的性能要求 快速性 阻尼情况 响应速度 准确性 稳态情况 控制精度 自动控制系统基本要求 稳定性 对于稳定的调节系统被控量因扰动而偏离期望值后 经过一定时间 被控量应恢复到原来的期望值状态 对于稳定的随动系统被控量应能跟踪输入量的变化 系统的动态过程应收敛或衰减 自动控制系统基本要求 快速性 阻尼情况 对系统调节或跟踪阶段的形式及快慢的描述快速 动态 性能指标 调节时间超调量最大振幅振荡次数峰值时间延迟时间上升时间 自动控制系统基本要求 准确性 被控量稳态值与期望值之间的误差 衡量控制系统控制精度稳态性能指标 稳态误差 跟踪精度 控制系统的动态过程举例 time y 期望值 控制系统的抗扰响应举例 y t time 期望值 加扰动 第一章内容 自动控制发展简史自动控制系统概念及示例自动控制系统类型对自动控制系统性能的基本要求控制系统计算机辅助分析与设计工具本课程的主要内容及其相互关系 控制系统的分析与设计工具 MATLAB LanguagefortechnicalcomputingIntegratescomputation visualization andprogrammingProblemsandsolutionsareexpressedinfamiliarmathematicalnotation InteractivesystemwhosebasicdataelementisanarrayEspeciallywithmatrixandvectorformulations MATLAB MatrixLaboratory typicaluses AlgorithmdevelopmentDataacquisitionModeling simulation 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