自动控制原理第一章课件

1 自动控制原理 刘晓琳航空自动化学院2012 9 2 Introduction 教师 刘晓琳 航空自动化学院 联系电话时 36学时授课班级 100146CD授课时间 每周五12节考试形式 期中考试平时成绩 包括实验 期末考试 3 自动控制理论 第一章绪论第二章自动控制系统的数学模型第三章线性系统的时域分析法第四章根轨迹分析法第五章频域分析法 4 第一章绪论 1自动控制发展简史2自动控制的基本方式3典型控制系统4自动控制系统的要求 5 水位自动控制系统 下面通过具体例子来说明自动控制和自动控制系统的概念 第一章绪论 6 控制任务 维持水箱内水位恒定 控制装置 气动阀门 控制器 受控对象 水箱 供水系统 被控量 水箱内水位的高度 7 给定值 控制器刻度盘指针标定的预定水位高度 测量装置 浮子 比较装置 控制器刻度盘 干扰 水的流出量和流入量的变化都将破坏水位保持恒定 8 自动控制即没有人直接参与的控制 其基本任务是 在无人直接参与的情况下 只利用控制装置操纵被控对象 使被控制量等于给定值 另一种定义 是指机器设备在没有人直接参与的情况下 经过自动检测 信息处理 分析判断 操纵控制实现预期的目标 自动控制系统 是指实现上述控制目的 由相互制约的各部分按一定规律组成的具有特定功能的整体 例 交通控制 水位控制 经济控制 人体控制一般由控制装置和被控对象组成 由此可见 9 自动化的核心是 控制 自动化技术的两个方面 人手 脚 的延伸 动力方面的自动化技术 工业化 人脑的延伸 信息处理方面的自动化技术 信息化 10 自动控制 自动化 是一门交叉学科 11 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 自动控制的发展历史 12 公元235年马钧研制出能自动指示方向的指南车 13 两千年前我国发明的指南车 就是一种开环自动调节系统 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 14 公元1086 1089年 北宋哲宗元祐初年 我国发明的水运仪象台 就是一种闭环自动调节系统 水运仪象台 水运仪象台是我国古代一种大型的天文仪器 它是由宋朝天文学家苏颂 韩公廉等人在开封设计制造的 它是集观测天象的浑仪 演示天象的浑象 计量时间的漏刻和报告时刻的机械装置于一体的综合性观测仪器 实际上是一座小型的天文台 15 公元前我国的自动计时漏壶 漏壶也叫漏刻 漏 是指漏壶 刻 是指刻箭 箭 则是标有时间刻度的标尺 漏刻是以壶盛水 利用水均衡滴漏原理 观测中刻箭上显示的数据来计算时间 漏壶是以漏壶滴水在刻箭上表示出时刻的记时器 漏壶一般由铜制成 它的历史可追溯到夏 商时期 16 公元132年张衡研制的候风地动仪 候风地动仪是世界上第一架测验地震的仪器 候风地动仪用精铜制成 直径2 7米 其外形像一个大型酒樽 地动仪里面有精巧的结构 主要为中间的都柱 相当于一种倒立型的震摆 和它周围的八道 装置在摆的周围的8组机械装置 在樽的外面相应地设置8条口含小铜珠的龙 每个龙头下面都有一只蟾蜍张口向上 如果发生较强的地震 都柱因受到震动而失去平衡 这样就会触动八道中的一道 使相应的龙口张开 小铜珠即落入蟾蜍口中 由此便可知道地震发生的时间和方向 17 二起步阶段 18 1788年英国Watt发明的控制蒸汽机速度的离心式调速器 19 三发展阶段 20 21 22 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 23 四标志阶段 24 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 25 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 26 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 27 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 28 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 29 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 30 第三阶段鲁棒控制理论阶段 1 由于现代数学的发展 结合着H2和H 等范数而出现了H2和H 控制 还有逆系统控制等方法 2 20世纪70年代末 控制理论向着 大系统理论 智能控制理论 和 复杂系统理论 的方向发展 31 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 32 企业自动化系统结构 33 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 34 智能控制的组成 定义与研究内容 智能控制 IC 是自动控制 AC 和人工智能 AI 的交集 即 强调智能和控制的结合 35 考虑更高层次上的调度 规划和管理 应把运筹学 OR 结合进去 即 36 按系统的一般行为特征定义 什么叫智能 有不同的定义 在不确定环境中 作出合适动作的能力 合适动作是指增加成功的概率 成功就是达到行为的子目标 以支持系统实现最终目标 低级智能 感知环境 作出决策 控制行为 37 高级智能 理解和觉察能力 在复杂和险恶环境环境中进行选择的能力 力求生存和进步 成功和系统的最终目标是由智能系统的外界确定 38 按人类的认知的过程定义 智能是系统的一个特征 当集注 FocusingAttention 组合搜索 CombinatorialSearch 归纳 Generalization 过程作用于系统输入 并产生系统输出时 就表现为智能 系统输入 系统输出 智能 集中注意力 组合搜索 归纳 FA CS G 39 按机器智能定义 机器智能是把信息进行分析 组织 并把它转换成知识的过程 知识就是所得到的结构性信息 它可用来使机器执行特定的任务 以消除该任务的不确定性或盲目性 达到最优或次优的结果 机器智能 40 智能控制的定义 智能 控制 密切相关 智能系统必是控制系统 控制系统必需具有智能 41 1 按一般行为特征定义 智能控制是有知识的 行为舵手 它把知识和反馈结合起来 形成感知 交互式 以目标导向的控制系统 系统可以进行规划 决策 产生有效的 有目的的行为 在不确定环境中 达到既定的目标 42 2 按人类的认知的过程定义 智能控制是一种计算上的有效过程 在非完整的指标下 通过最基本的操作 即归纳 G 集注 FA 和组合操作 CS 把不确定的复杂系统引向规定的目标 3 按机器智能定义 智能控制是认知科学 多种数学编程和控制技术的结合 它把施加于系统的各种算法和数学与语言方法融为一体 43 智能控制的分类 1 基于规则的智能控制系统 模糊控制系统 2 基于连接的智能控制系统 神经元网络控制系统 3 混合智能控制系统 模糊神经网络智能控制系统 4 基于行为的智能控制系统 由多传感器组成的各种机器人 44 复杂系统理论 把系统的研究拓广到开放复杂巨系统的范筹 以解决复杂系统的控制为目标 复杂航天器控制 45 什么叫复杂系统 其特征表现为 控制对象的复杂性模型的不确定性 高度非线性 分布式的传感器和执行机构 动态突变 多时间标度 复杂的信息模式 庞大的数据量和严格的性能指标 46 2 环境的复杂性变化的不确定性 难以辨识 必须与被控对象集合起来作为一个整体来考虑 3 控制任务或目标的复杂性控制目标和任务的多重性 时变性 任务集合处理的复杂性 47 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 48 49 自动立体仓库 4 自动控制系统 应用举例 50 注塑机 自动搬运车 4 自动控制系统 应用举例 51 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 52 无人驾驶飞机按预定轨迹飞行 4 自动控制系统 应用举例 53 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 4 自动控制系统 应用举例 54 雷达技术 雷达操作时 天线就要不停地转动 天线的作用是把雷达中产生的无线电波按照一定的方向向外发射出去 并把被反射回来的无线电波接收下来 正因为天线所起的作用好似人的眼睛一样 因此雷达要注视和侦察整个天空的状况 天线就要不停地转动 用一个驱动马达使天线作360度的旋转 这样它就能在360度范围内进行 搜索 4 自动控制系统 应用举例 55 机器人足球比赛 4 自动控制系统 应用举例 月球车 56 机器人干活 机器人跳舞 4 自动控制系统 应用举例 57 第二节控制系统的基本组成 控制系统的组成 输入部分 控制系统部分和输出部分 从物理角度上看 自动控制研究的是特定激励作用下的系统响应变化情况 从数学角度上看 研究的是输入与输出之间的映射关系 58 一 人工控制与自动控制 59 60 二 开环控制系统 例 烤面包机 输入 定时器设定的时间输出 面包的颜色控制对象 烤箱的加热系统 控制器与被控对象之间只有正向的控制作用 输出量对控制量没有影响 输入输出间没有反馈回路 61 62 给定值 63 开环控制系统的特点 结构简单 造价低 系统的控制精度取决于给定信号的标定精度及控制器及被控对象参数的稳定性 开环系统没有抗干扰的能力 因此精度较低 应用场合 控制量的变化规律可以预知 可能出现的干扰可以抑制 被控量很难测量 应用较为广泛 如家电 加热炉 车床等等 64 三 闭环控制系统 开环系统精度不高 适应性不强 将输出量引入到输入端 使输出量对控制作用产生直接的影响 形成闭环控制系统 65 预分解窑系统的工艺流程 66 分解炉结构与内部燃烧机理 67 分解炉内部气体温度分布 68 系统组成与工作原理 69 煤粉流量控制系统方框图 前向通道 系统输入量到输出量之间的通道 反馈通道 从输出量到反馈信号之间的通道 比较环节 输出量为各输入量的代数和 输入量 ur输出量 n反馈量 uf控制量 ua偏差量 ue 给定量 ur 反馈量 uf 70 闭环控制系统的特点 系统对外部或内部干扰 如内部件参数变动 的影响不甚敏感 出于采用反馈装置 导致设备增多 线路复杂 闭环系统存在稳定性问题 由于反馈通道的存在 对于那些惯性较大的系统 若参数配合不当 控制性能可能变得很差 甚至出现发散或等幅振荡等不稳定的情况 闭环控制系统 通过反馈回路使系统构成闭环并按偏差的性质产生控制作用 以求减小或消除偏差 从而减小或消除误差 的控制系统 71 开环优点 结构简单 成本低廉 工作稳定 当输入信号和扰动能预先知道时 控制效果较好 缺点 不能自动修正被控制量的偏离 系统的元件参数变化以及外来的未知扰动对控制精度影响较大 缺点 被控量可能出现振荡 甚至发散 四 开环控制与反馈控制的比较 闭环优点 具有自动修正被控制量出现偏离的能力 可以修正元件参数变化及外界扰动引起的误差 控制精度高 72 五 复合控制 复合控制就是开环控制和闭环控制相结合的一种控制 实质上 它是在闭环控制回路的基础上 附加了一个输入信号或扰动作用的顺馈通路 来提高系统的控制精度 73 六 控制系统的组成 74 测量反馈元件 用以测量被控量并将其转换成与输入量同一物理量后 再反馈到输入端以作比较 比较元件 用来比较输人信号与反馈信号 放大元件 将微弱的信号作线性放大 75 校正元件 按某种函数规律变换控制信号 并产生反映两者差值的偏差信号 以利于改善系统的动态品质或静态性能 执行元件 根据偏差信号的性质执行相应的控制作用 以便使被控量按期望值变化 控制对象 又称被控对象或受控对象 通常是指生产过程中需要进行控制的工作机械或生产过程 出现于被控对象中需要控制的物理量称为被控量 76 常用的名词术语 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 77 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 78 1 按输入信号的特征分 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 第三节自动控制系统的分类 79 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 80 2 按描述元件的动态方程分 线性系统组成系统的全部元件都是线性元件 它们的输入 输出的静态特性均为线性 这类系统的运动可由常系数的微分方程 或差分方程 来描述 非线性系统系统中含有一个或多个非线性元件 非线性元件的静态输入 输出特性均为非线性的 凡含有非线性元件的系统均称为非线性系统 系统的运动需要用非线性的微分方程或差分方程来描述 81 线性元件和非线性元件 在金属导体中 电流跟电压成正比 伏安特性曲线是通过坐标原点的直线 具有这种伏安特性的电学元件叫做线性元件 对欧姆定律不适用的导体和器件 电流和电压不成正比的电学元件叫做非线性元件 82 3 按信号传递是否连续分类连续系统系统中各环节间的信号均为时间t的连续函数 运动规律用微分方程来描述 离散系统信号的传递过程中 只要有一处是脉冲序列或数字编码 这类系统要用差分方程来进行描述 4 按系统的参数是否随时间的变化而分类定常系统时变系统5 单输入 单输出和多输入多输出 6 确定和不确定系统7 集中参数系统和分布参数系统 83 第四节自动控制系统的基本要求 一 自动控制理论主要研究的问题 系统分析在已知系统的结构参数的条件下 研究系统在某种典型输入信号下输出信号变化的全过程 并从