第1章 自动控制的一般概念

自动控制原理自动控制原理 一 主要内容一 主要内容 学习经典控制的基本理论和基本方法 重点学习线性控制系统的基本理论和基本方法 主要内容包括 控制系统的数学模型 控制系统的时域分析法 控制系统的根轨迹法 控 制系统的频域分析法 控制系统的常用校正方法等 二 所需相关知识二 所需相关知识 电子学模拟部分 拉普拉斯变换 复变函数 MATLAB FOR WINDOWS 语言等 三 教材及参考文献三 教材及参考文献 胡寿松等 自动控制原理 科学出版社 第 5 版 2007 1 自动控制原理 清华大学出版社 吴麒主编 2 自动控制原理 中国科学技术大学出版社 庞国仲编 3 自动控制原理试题精选与答题技巧 哈尔滨工业大学出版社 王彤主编 4 自动控制原理常见题型解析及模拟题 西北工业大学出版社 史忠科 卢京潮编著 5 MATLAB 语言工具箱 TOOLBOX 实用指南 西北工业大学出版社 施阳 李俊等编 著 6 MATLAB 语言 演算纸式的科学工程计算语言 中国科学技术大学出版社 张培强主 编 7 系统分析与仿真 MATLAB 语言及应用 国防科技大学出版社 黄文梅 杨勇等编著 四 教学安排四 教学安排 总课时总课时 56 课时 讲课课时 讲课 48 课时 实验课时 实验 8 课时课时 第一章 自动控制的一般概念 4 课时 第二章 控制系统的数学模型 8 课时 第三章 线性系统的时域分析法 10 课时 第四章 线性系统的根轨迹法 6 课时 第五章 线性系统的频域分析法 10 课时 第六章 线性系统的校正方法 10 课时 实验安排实验安排 实验一实验一 直流电机速度控制实验直流电机速度控制实验 8 课时 课时 1 开环控制 闭环控制系统设计 2 控制系统的校正设计 3 PID 调节器 课外上机作业课外上机作业 控制系统时域 频域性能控制系统时域 频域性能 MATLABMATLAB 仿真仿真 1 阶跃响应 2 脉冲响应 3 斜坡响应 4 绘制 Bode 图 5 画 Nyquist 图 6 校正结果分析 第一章第一章控制系统的一般概念控制系统的一般概念 1 1 自动控制的基本原理与方式自动控制的基本原理与方式 一 一 什么是自动控制什么是自动控制 指在没有人的直接参与下 利用外加设备或装置 控制装置或控制器 使机器 设备或生产过程 被控对象 的某个工作状态或参数 被控量 自动地按照预 定的规律运行 如 恒温控制 温度曲线控制 导弹自动寻敌系统 直流稳压电源等 二 二 自动控制理论的发展自动控制理论的发展 古典控制理论古典控制理论 17 世纪反馈调节器 如瓦特发明的蒸汽机飞球离心调节器 1868 年系统稳定性代数判据 马克斯威尔 数学家劳斯及赫 尔维茨 二战期间 奈奎斯特提出了频率响应理论 1948 年 万斯提出根轨迹法 特点特点 以传递函数为基础 主要研究单输入 单输出 线性定常系统的分析 和设计问题 现代控制理论现代控制理论 发展于 20 世纪 60 年代初期 特点 特点 主要研究具有高性能 高精度的多变量变参数系统的最优控制问题 采用以状态为基础的时域方法 模糊控制技术 模糊控制技术 发展于 20 世纪 80 年代 基于模糊数学 模糊推理方法 三 三 反馈控制原理反馈控制原理 反馈反馈 系统输出量送回到输入端 与输入信号相比较产生偏差信号的过程 利用反馈进行控制的系统称为反馈控制系统 如温度调节器 控制器加热器 输入 TTout 四 四 反馈控制系统的基本组成反馈控制系统的基本组成 控制器 Gc 被控对象 G0 测量环节 H 输入量 r 输出量 c 主反馈 b 偏差 e 扰动 n 控 制 量 u 输入量输入量 r 参考输入 参考输入 输入到控制系统的指令信号 主反馈主反馈 b 与输出成正比或某种函数关系 并加到系统输入端 量纲与输入相同 偏差偏差 e 等于参考输入与主反馈之差 控制环节控制环节 Gc 接受偏差信号 通过转换与运算 产生所需的控制量 控制量控制量 u 来自控制环节 作用于控制对象的信号 扰动扰动 n 不希望的影响输出的一些信号 被控对象被控对象 G0 接受控制量 输出被控制量 输出输出 c 反馈控制系统的被控制量 反馈环节反馈环节 H 将输出转换为主反馈信号的装置 比较环节比较环节 获得参考输入与主反馈信号之差 控制装置控制装置 对被控对象施加控制作用的机构的总体 五 五 自动控制系统的基本控制方式自动控制系统的基本控制方式 反馈控制方式反馈控制方式 利用反馈信号 按偏差进行控制 特点特点 控制精度较高 抗内外扰动能力强 开环控制方式开环控制方式 控制环节与被控对象间只有顺向作用没有反馈作用 特点特点 输出量不对系统的控制作用产生影响 没有自动修正偏差 的能力 抗扰动性较差 按扰动控制的开环系统按扰动控制的开环系统 利用可测量的扰动量 产生补偿作用 从而减小 扰动对输出的影响 Ud 为反向电动势 与转速成正比 有有 be UUU 0 RIKUb 1 ea KUU IRIRUU ad 0 IRRRIKKKUUd 010 功放 K 压放 K1 U0 Ue Ub Ua R R0 I 负载 Ud Dd 当当时 有 从而消除了负载电流对转速的影响 RRRKK 010 KUUd 复合控制方式复合控制方式 按偏差与按扰动相结合的控制方式 1 2 自动控制系统示例自动控制系统示例 一 函数记录仪 P8 画框图思路画框图思路 1 确定系统输出量确定系统输出量 被控量 为系统的最终输出 2 确定被控对象确定被控对象 被控量的载体 为一独立装置 3 确定测量环节确定测量环节 系统通过测量元件测量被控量的环节 4 确定输入量确定输入量 与被控量相对应 注意 有时输入量会通过某环节转化为易于比较 的形式 5 比较环节比较环节 测量环节的输出与输入量相比较 6 按系统信号传递的顺序确定其它环节 控制器 执行器等 按系统信号传递的顺序确定其它环节 控制器 执行器等 也可从被控对象开始 考察各环节的控制量和输出量 从右到左逐一确定 二 电阻炉微计算机温度控制系统 P10 三 P17 习题 1 4 水温控制器 1 3 自动控制系统的分类自动控制系统的分类 按控制方式按控制方式 1 开环控制 2 闭环控制 3 复合控制 按系统性能可分为按系统性能可分为 线性系统和非线性系统 连续系统和离散系统 定常系统和时变系 统 确定性系统和不确定性系统 线性连续控制系统 1 1 1 10 1 1 1 10 trbtr dt d btr dt d btr dt d b tcatc dt d atc dt d atc dt d a mm m m m m nn n n n n 式中是被控量 是系统输入量 系数 为常 tc tr 0 a 1 a n a 0 b 1 b m b 量时称为线性定系统 随时间变化时为时变系统 注意 是只随时间变化 非线性控制系统系统中有非线元件 用非线性微分 或差分方程 描述 特点是方程 中的系数与输入输出变量有关系数与输入输出变量有关 或者方程中含有变量或其导数的高次幂或乘积项含有变量或其导数的高次幂或乘积项 同理可分析离散系统 按输入量变化规律按输入量变化规律 1 恒值控制系统 2 随动控制系统 3 程序控制系统 恒值控制系统 恒值控制系统 输入量为一常量 要求输出量等于常量 系统分析 设计的重点是 研究各种干扰对被控对象的影响以及抗扰动的措施 随动控制系统随动控制系统 输入量是预先未知的随时间变化的函数 要求被控量以尽可能小的 误差跟随输入量变化 系统分析设计的重点是被控量跟随的快速性 和准确性 如果被控量是机械位置或速度 则称为伺服系统 程序控制系统程序控制系统 输入量是按预定规律随时间变化的函数 要求被控量快速 准确复 现 如温度曲线控制器 1 4 对自动控制系统的基本要求对自动控制系统的基本要求 一 基本要求是稳定性 快速性和准确性 即稳 快 准基本要求是稳定性 快速性和准确性 即稳 快 准 稳定性稳定性 保证系统正常工作的先决条件 被控量偏离期望值后 经过一个过渡过程 以回到期望值状态 线性系统的稳定性由系统的结构参数决定 快速性 快速性 系统过渡时间的长短和过渡形式提出要求 即系统的动态性能 准确性 准确性 稳态误差大小提出要求 二 典型外作用函数典型外作用函数 阶跃函数 斜坡函数 加速度函数 脉冲函数 正弦函数 以及伪随机函数等 阶跃函数 阶跃函数 A 1 时为单位阶跃函数单位阶跃函数 0 00 tA t tr 01 00 1 t t t 斜坡函数 斜坡函数 A 1 时为单位斜坡函数单位斜坡函数 0 00 tAt t tr 0 00 tt t tr 加速度函数 加速度函数 A 1 时为单位加速度函数单位加速度函数