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深圳大学机电与控制工程学院 自动控制原理 电子课件版本2 02011年6月主编修改版 第一章绪论版本2 02011年6月主编修改版 深圳大学机电与控制工程学院 高等数学 积分变换 自动控制理论 现代控制理论 其它专业课程 1 专业基础课 自动化专业承上启下的课程 2 理论实践相结合 理论性非常强 概念多 内容多 抽象 实际应用紧密结合 能为解决实际控制问题提供理论和方法 自动控制原理的课程特点 3 自动控制技术是应用非常广泛的技术 电机控制 自动化生产线 火炮雷达控制 家用电器 机械 冶金 石油 化工 电力电子 航空 航海 航天 核反应堆等 1 打好基础 高等数学 微积分 积分变换 拉氏变换 2 做好预习 3 听好课 讲课的速度较快 了解课程内容 掌握基本理论和基本方法 4 做好习题 应用学到的基本理论和基本方法解决实际问题 本课程学习方法 自动控制原理课程内容 自动控制系统 定义见1 1节首段 Ch2 控制系统的数学模型 Ch1 自动控制系统的基本概念和要求 分析系统的性能 Ch7 控制系统的校正 Ch8 线性离散控制系统 Ch9 非线性控制系统 Ch4 时域分析 Ch5 根轨迹分析 Ch6 频率特性分析 Ch3 控制系统的稳定性及特性 第一章绪论 1 1引言1 2自动控制的基本原理1 3反馈控制系统的组成1 4控制系统的分类1 5控制系统应用实例三则1 6控制系统的设计概述1 7本书内容安排1 8小结 自动控制在人不直接参与的情况下 利用自动控制装置使工作机械或生产过程自动地按照预定规律运行 或使被控量 工作机械或过程的某个物理参数 按预定的要求变化 自动控制系统由自动控制装置与被控对象以一定结构组成的 能完成某种控制任务的有机整体 两个定义 1 1引言 刻漏 最初两个壶 由上壶滴水到下面的受水壶 液面使浮箭升起以示刻度 即时间 图之右 这里浮箭可看作是检测元件 保持上壶的水位恒定 则是自动调节的问题 用互相衔接的多级 3 5级 水壶解决的 莲华漏 图之左 由4个壶组成 平水壶向平水小壶供水 平水小壶上有溢水口 可使多余水泄入减水桶以保持水面恒定 在莲华漏中还采用一个浮子式阀门作为自动切断阀 当受水壶的水位升至满刻度时 浮子式阀门就会自动阻塞上级平水小壶的出水小孔 切断水滴 1 1 1自动控制理论发展简史 远古时期的自动装置 来自互联网 1 1引言 指南车采用差动齿轮的机械原理 车里面装有多个大小不同的齿轮 直行 小轮悬空 转弯时 一边的小轮在辕 绳 滑轮的作用下降 与车轮和大轮发生啮合传动 若车子向左转90度 左轮不动 右轮要转半周 与右轮相连的小齿轮也就转半周 即转过12个齿 经过小平轮传动到大平轮 则大平轮将以相反的方向转动12个齿 即1 4周 90度 仙人在和车一起左转90度时 又由于齿轮的啮合传动右转了90度 其他运动情况的结果可以类推 仙人指向不变 来自互联网 1 1引言 计里鼓车 车中有一套减速齿轮系 始终与车轮同时转动 其最末一只齿轮轴在车行一里时正好回转一周 车子上层的木人车上木人受凸轮牵动 由绳索拉起木人右臂击鼓一次 以示里程 这一原理与现代汽车上的里程表的原理相同 候风地动仪的关键机构 是一根称为 都柱 的倒立摆 其重心高于摆动中心 在受地震横波袭击时 由于惯性力作用 它将倒向震源方向 从而带动该方向的传动部件 使相应方向的龙口上额起挠 龙口中的铜丸便掉落在蟾蜍口中 来自互联网 来自互联网 1 1引言 古代的自动装置主要是基于相对直观的 因果关系 而发明的 因而并未产生自动控制理论 这与18世纪末开始逐渐发展起来的 基于反馈原理的自动装置有着本质的不同 反馈使 因果关系 进一步发展成为更加复杂的 因果 果因关系 由于反馈形成的回路使 因果 双向相互作用 已不再是简单的逻辑关系 因此 人们为做到知其所以然地设计好基于反馈原理的自动装置 必须对反馈控制理论加以研究 这也是反馈控制理论发展的初始推动力 近代控制理论的逐步形成和发展 1 1引言 1 用于工业过程的自动反馈控制器 飞球调速器1769瓦特发明了飞球调速器 用来与蒸汽机的进气阀连接构成蒸汽机转速的闭环自动调速系统 2 动态特性研究的开始 英国剑桥大学的数学和天文学家艾里在1829 1835系统研究了天文望远镜的速度控制 根据倒立摆离心力的原理首次发现了反馈系统的不稳定性 并利用微分方程分析了这种系统 近代控制理论的逐步形成和发展 瓦特改良的蒸汽机 艾里 瓦特 1 1引言 3 反馈调节系统稳定性问题的研究 1868英国物理学家麦克斯韦发表了 论调速器 的论文 首次论述该问题 二三阶系统的稳定判据 1895英国劳斯判据和德国数学家赫尔维茨的代数稳定条件 1893李雅普诺夫基于非线性运动的一般运动稳定问题 4 反馈控制系统的频率特性研究 20世纪20年代 电子管放大器以及远距离通话的实现 研究如何减少放大倍数增大而导致信号失真的问题 美国贝尔电话实验室的工程师和科学家们逐步建立了反馈控制系统的频率特性分析方法 李雅普诺夫 1 1引言 5 积分和微分控制的思想 1922年俄裔美国工程师米诺斯基在分析船舶驾驶控制系统的稳定性时首次提出 6 1934年美国麻省理工的赫曾教授创立了伺服控制理论 首次提出轨迹跟踪在反馈控制中的重要性 7 1936年英国工程师考伦德 温度控制系统的PID控制器 8 1942年美国工程师 PID参数整定准则 至今仍适用 9 二战期间及战后10年 美国电信工程师伊万斯给出控制系统的图解分析法和根轨迹综合法 创立根轨迹法的完整理论 现代PID控制器 1 1引言 10 1948年美国数学家维纳出版专著 控制论 1956年我国科学家钱学森出版 工程控制论 11 20世纪50年代 人造卫星和空间技术的发展 成为自动控制理论新的发展推动力 极大值原理 动态规划理论 状态空间方法 多变量最优控制和最优滤波理论 12 20世纪70年代 随着大规模集成电路数字计算机的发展 推动了控制器应用高级控制算法的能力 13 出现若干控制理论分支 系统辨识 鲁棒控制 协调控制 智能控制等等 来自互联网 1 1引言 1 1 2控制工程实践自动化的核心是控制与系统 控制工程实践是实现自动化的手段 自动化最早出现在汽车工业 其初始概念是指在工业生产 加工 制造等 过程中采用自动控制代替人工控制 1947年美国福特公司正式使用自动化一词 其含义是指加工采用连续方式 生产过程流水式的自动进行 从20世纪70年代开始 我国通过陆续引进国外成套自动化生产线 我国工业生产逐步从局部自动化 发展成今天的全方位 全流程的综合自动化 我国的自动化学术组织 中国自动化学会 1961年成立 第一届理事长钱学森院士 1 2 1人工控制与自动控制人工控制人工控制 人工控制是人工操作实现 测量 求误差 控制 再测量 再求误差 再控制的循环过程 1 2自动控制的基本原理 1 操作员将期望的液位值 即水位高度 记在大脑中 2 操作员用眼读取实际液位值 3 操作员将液位期望值与实际值比较得出偏差值 4 操作员根据偏差的大小和性质 正负性 决定如何通过用手打开或关闭阀门的方式来调节经过阀门的水量大小 达到维持液位恒定的控制目标 自动控制 没有人直接参与 利用自动控制装置 使工作机械或生产过程自动地按照预定规律运行或使某些物理量按预定要求变化 1 2自动控制的基本原理 自动控制与人工控制的工作原理十分相似 1 2自动控制的基本原理 自动控制装置与人的器官对应的 能完成相应功能的元件有 给定元件 能根据液位期望值来调节连杆长度的环节代替人的大脑记下液位期望值 测量元件 浮子作为传感器代替人的眼睛测取实际液位值 比较元件 浮子和连杆组合代替人的大脑计算出液位偏差值 校正元件 杠杆机构代替人的大脑对偏差的大小和性质作出判断 作为决策机构作出如何校正的决定 执行元件 带动进水阀代替人手打开或关闭阀门调节经过阀门的水量大小 由此可见 组成自动控制装置的元件一般应包括 给定元件 测量元件 比较元件 校正元件和执行元件 而上述液位自动控制系统就是由这些元件和被控对象 水池 组成的有机整体 1 2自动控制的基本原理 假设水池液位处于期望值 以用户用水量突然增加为例 图1 2所示的简单液位自动控制系统的工作过程如下 当用户用水量突然增加 出水量增加到一个新值 此时水池液位下降导致浮子下降 浮子 连杆与杠杆机构测出液位期望值与实际值之间的偏差值 然后由杠杆机构带动进水阀打开阀门增大进水量 由于新的出水量增加了 为了使进水量与出水量相等 浮子必须维持在比液位期望值更低的位置 只有通过使实际液位值低于期望值形成的落差才能使杠杆机构带动进水阀维持阀门在新的开度 以便增加进水量达到进水与出水的新平衡 可消除误差的液位自动控制系统 工作原理如下 1 用电位器和杠杆机构记下液位期望值的电位器给定值 电位器中点 2 浮子作为传感器测量实际液位 3 电位器和杠杆机构计算出电位器上对应于期望值的给定值与对应于实际值的测量值之间的偏差值 电压值 4 放大器与电动机组成的校正环节对偏差的大小和性质进行判断 并据此决定电动机如何转动带动阀门 打开或关闭阀门 去调节水量的大小 5 只要电位器和杠杆机构比较所得的偏差不为零 则放大器与电动机组成的校正环节连续不断地产生控制作用 即进一步打开或关闭阀门 甚至使阀门达到全开或全闭状态 使液位上升或下降 直到液位恢复到期望值为止 1 2自动控制的基本原理 1 2自动控制的基本原理 1 2 2开环控制与闭环控制 开环控制系统 系统的输入与输出之间只有前向的信号传递 而没有反向的信号回传 缺点 开环控制系统的控制精度和抑制干扰能力较差 Mc恒定 ur ua n ur ua n ur恒定 Mc n Mc n 1 2自动控制的基本原理 反馈 系统从输出到输入的反向信息传递 这种反向信息传递称为反馈 闭环控制系统 具有反馈的系统因信息在系统内的传递形成了闭合环路 称为闭环系统 Mc恒定 ur ue u1 ua n uf ue u1 ua n ur恒定 Mc n uf ue u1 ua n 开环 单向控制 输入和输出间没有联系 系统输入与输出间没有反馈回路 但受外界干扰小时 仍被大量使用 闭环 将输出量返回到输入端 形成偏差 基于偏差产生控制以减少或消除偏差 相对来看 结构复杂 成本增加 存在稳定性问题 但具有开环控制无法替代的自动纠偏功能和较高控制精度 1 2自动控制的基本原理 1 2自动控制的基本原理 1 2 3对反馈控制系统的基本要求1 稳定性稳定性是指系统受扰动后重新恢复平衡的能力 不稳定的系统一旦失去平衡就无法重新恢复 由于实际应用中扰动是不可避免的 因此不稳定的系统无法正常运行 稳定衰减过程 临界稳定 也称为临界不稳定 振荡过程 不稳定发散过程 1 2自动控制的基本原理 2 快速性快速性主要是用时间衡量一个稳定的系统对平衡状态的恢复或跟随的速度 影响系统平衡状态的因素 扰动使系统偏离平衡 因控制任务的需要而改变系统的平衡状态 过渡过程越短 说明系统恢复平衡或跟随新的平衡状态的能力越强 快速性就越好 3 准确性过渡过程结束后系统就进入稳态 此时系统输出量的期望值与实际值之差称为稳态误差 稳态误差越小 控制系统的稳态精度越高 无差系统 有差系统 1 2自动控制的基本原理 上述稳定性 快速性和准确性三个方面往往是相互制约的 稳定裕度过大可能引起系统的快速性变差 过渡过程变长 而单纯追求快速性 则可能加剧振荡 甚至引起不稳定 1 3反馈控制系统的组成 1 3 1按构成系统的基本元件划分 测量元件 测量系统的输出量 量纲转换 如 热电偶 各种传感器 对输出信号进行测量 比较元件 形成参考输入信号与测量反馈信号的偏差 如 反向放大器 中位器连接电路等 放大元件 对信号进行线性放大或提供功率放大 多级放大 如 电压放大器等 1 3反馈控制系统的组成 校正元件 基于偏差信号按一定函数规律产生供执行元件执行的控制命令对系统进行校正以改善系统的动态和静态性能如 由放大器 电阻 电容组成的具有预定传递函数的电路 执行元件 也称执行器 用来执行校正元件产生的控制命令 以便使被控对象的输出按期望值变化 如 直流伺服电动机 交流伺服电动机 气缸 液压缸等 被控对象 也称受控对象 简称对象 需进行控制的设备或装置的工作过程如 电动机的控制 或反应器 传热过程 燃烧过程的控制等 1 3反馈控制系统的组成 1 3 2按系统内部基本功能环节划分 传感器 功能是感受被测量并按照一定的规律转换成可用的信号 当传感器的输出信号为标准信号时 则称其为变送器 控制器 产生供执行机构执行的控制信号 执行机构 根据控制器发出的命令去控制或调节被控过程 被控对象 描述系统从控制变量到被控变量之间的被控过程 广义被控对象 执行机构 被控对象控制变量 可以是任何描述被控过程控制输入的物理量广义被控对象的控制变量 控制信号常是电信号 电压或电流 1 3反馈控制系统的组成 1 3 3若干常用术语控制系统由被控对象和控制器等内部基本功能环节按一定的结构方式联接 为完成某种控制任务而组成的一个有机整体 输入信号 系统外部输入的信号 也称输入量 如参考输入 外部干扰输入 其中参考输入也称为给定量 值 它是控制系统被控变量的反馈信号需保持或跟随的指令输入 输出信号 系统向外部输出的信号 也称输出量 在单输出系统中 系统的输出信号就是被控对象的被控变量 1 3反馈控制系统的组成 扰动信号 扰动可以是小的波动 也可以是大的波动 扰动信号也称为干扰信号 扰动在系统的方块图中属于外部输入 反馈信号 指对被控变量测量取出的 经过必要的量纲转换后反向回送到输入端的信号 偏差信号 指参考输入信号与反馈信号之差 误差信号 指系统输出量的期望值与实际值之差 由于偏差信号与误差信号之间存在确定对应关系 故两者经过量纲换算是等价的 本书中误差信号采用在输入端的定义 因此 若不加说明误差信号即指偏差信号 1 3反馈控制系统的组成 控制信号 指控制器或者校正元件的输出信号 它是控制器或者校正元件按一定控制规律产生的控制指令控制变量 简称控制量 指被控对象 被控过程 的控制输入变量 被控变量 简称被控量 指被控对象输出需按控制要求变化的物理量 在单输出系统中 也就是系统得输出量 控制通道 控制变量通过被控对象 被控过程 到控制系统输出的通道 干扰通道 干扰信号通过被控对象到系统输出的通道 1 3反馈控制系统的组成 分析 把研究对象分成较简单的组成部分 找出这些部分的本质属性和彼此之间的关系 控制系统的分析是一种动态分析 即视研究对象为演化的系统 一般是先建立描述系统动态特性的数学模型 这样系统的结构已确定 而结构参数或参数范围已确定 然后采用数学工具作为主要手段对系统的动态性能进行分析 综合 综合是分析的反义词 一般地说 综合就是将已有的关于研究对象各个部分的认识联结起来 形成对研究对象的统一整体认识 控制系统的综合是指根据一定任务 利用系统分析的真知灼见 找出能够满足性能指标的控制系统整体结构和参数配置 反馈控制系统中 当被控对象 执行机构和传感器确定后 控制系统的综合主要是建立控制器数学模型 解决控制器参数配置或者参数优化问题 以满足整个控制系统的定量性能指标 1 3反馈控制系统的组成 校正 在形成基本的控制系统或者确定了广义控制对象和相应的传感器数学模型之后 基于经典控制理论所进行的校正装置设计工作 校正的另一个含义类似控制一词 如 校正器 设计 指控制系统的设计而非工程设计 控制系统的设计就是针对一个给定的控制任务 利用控制系统的分析与综合方法 通过一系列反复的选择 评判和优化 完成构造一个控制系统的逐步试探过程 1 4自动控制系统的分类 1 4 1按参考输入信号特征分类1 恒值控制系统参考输入信号为恒定值 控制系统的任务就是保持某个被控量为一个给定的期望恒值上 如 温度 水位控制等 2 随动控制系统随动控制系统一般习惯称为随动系统或伺服系统 此类系统的参考输入信号是预先未知的随时间变化的任意函数 随动系统的任务就是使系统的被控量以一定精度跟随参考输入信号的变化 如 高射炮随动系统 1 4自动控制系统的分类 3 程序控制系统程序控制系统的参考输入信号是预先设定的函数曲线 如 热处理炉温度的升温 保温和降温过程的控制 生产过程中的化学反应器开停车过程中的升温 保温和降温曲线控制 温度上升预定曲线 1 4自动控制系统的分类 1 4 2按系统环节间信号传递形式分类1 连续系统 信号传递均为时间的连续函数2 离散系统 至少一个信号传递为脉冲序列或数字编码形式 3 网络化控制系统 典型的网络化控制系统是指控制器到执行器以及传感器到控制器之间的信号传递是通过数据包计算机网络来实现 采样过程 1 4自动控制系统的分类 1 4 3按描述系统的动态方程分类1 线性系统 可以采用线性微分方程来描述的系统2 非线性系统 非线性系统中一般均包含非线性元件3 定常系统 系统中不含参数随时间变化的元件4 时变系统 系统中含参数随时间变化的元件 1 5控制系统应用实例三则 1 蒸汽机转速调节系统工作原理 蒸汽机带动负载转动 圆锥齿轮减速带动一对飞锤作水平旋转 飞锤通过铰链带动套筒上 下滑动拨动杠杆的一端 杠杆另一端通过连杆调节供汽阀门的开度 蒸汽机 蒸汽机的转速保持在期望值附近 平衡 飞锤旋转 套筒保持某高度 阀门处于一个平衡位置当出现不平衡时 负载 转速 圆锥齿轮转动 飞锤速度 套筒位置 杠杆右端 蒸汽阀门 转速 负载 转速 圆锥齿轮转动 飞锤速度 套筒位置 杠杆右端 蒸汽阀门 转速 1 5控制系统应用实例三则 2 加热炉温度控制系统 保持炉温T恒定 由于扰动 当炉