自动控制课件

1 现代控制理论 郭健 研究生学位课 机电工程学院 2 个人简介 副教授 硕士导师控制理论与控制工程硕士 博士研究方向 风力发电控制技术 系统工程 复杂系统等内容联系方式 Email guojian 2006 联系电话核方式 试卷 闭卷 3 教材及参考书 4 参考书 5 6 其他参考书 现代控制工程Ogata 适用初学者 自动控制原理吴麒 适用深入学习 控制系统设计王广雄 适用于应用 ControlsystemdesignGoodwin 7 主要内容 经典控制理论以传递函数为理论基础 主要解决单输入 单输出的线性控制系统的分析与设计问题 其分析的方法主要是频域法 现代控制理论以状态方程或模糊数学 神经网络等为理论基础 主要解决多输入 多输出的非线性时变控制系统的分析与设计问题 其分析方法主要是时域法 8 经典控制理论 古典控制理论 以传递函数为基础 研究单输入 单输出定常控制系统的分析与设计问题 线性控制系统分析 时域分析 稳定性与稳态误差分析 根轨迹分析 频域分析 非线性控制系统分析 相平面分析 描述函数分析 连续控制系统 离散控制系统 9 10 现代控制理论 以状态空间法为基础 研究多输入 多输出时变 非线性 高精度 高效能控制系统的分析与设计问题 线性系统 自适应控制 最优控制 鲁棒控制 最佳估计 容错控制 系统辨识 集散控制 大系统复杂系统 智能控制 专家系统 模糊控制 神经网络 遗传算法 11 12 研究生课程的学习 基本内容的介绍 抓重点新的内容和观点 拓展思维思考和讨论 锻炼能力 课堂 课下 自学没讲的基本内容扩展阅读新的内容积极思考 问题 13 第1讲绪论及系统模型建立 课程要求 掌握控制系统的基本概念掌握控制系统的基本组成掌握机械系统的模型建立了解控制理论的发展简史 14 恒温箱人工控制 观测恒温箱内的温度 被控量 与要求的温度 给定值 进行比较得到偏差的大小和方向根据偏差的大小和方向调节调压器 控制加热电阻丝的电流以调节温度回到要求值 15 控制过程 实质检测偏差纠正偏差 如果温度过高控制手柄使触头左移电阻丝中的电流减少温度下降直到达到给定温度 如果温度过低控制手柄使触头右移电阻丝中的电流增大温度上升直到达到给定温度 16 恒温箱自动控制系统 17 系统原理方块图 18 控制过程 如果温度过高U2增加U1不变U1 U2减小控制手柄使触头左移电阻丝中的电流减少温度下降直到达到给定温度 如果温度过高低U2减小U1不变U1 U2增加控制手柄使触头右移电阻丝中的电流增加温度上升直到达到给定温度 19 自动控制和人工控制的基本原理是相同的 它们都是建立在 测量偏差 修正偏差 的基础上 并且为了测量偏差 必须把系统的实际输出反馈到输入端 自动控制和人工控制的区别在于自动控制用控制器代替人完成控制 总之 所谓自动控制就是在没有人直接参与的情况下 利用控制装置使被控对象中某一物理量或数个物理量准确地按照预定的要求规律变化 20 控制系统工作原理 1 检测温度 由测量元件检测输出量 被控制量 的实际值 2 偏差 检测输出量与给定值 输入量 进行比较 得到偏差的大小和方向 3 控制 根据偏差的大小和方向产生进控制调节信号 控制量 去消除偏差 使得输出量维持期望值 21 1 1基本概念 手动控制 自动控制 由人来操纵机器 没有人参与的系统 人驾驶汽车 无人驾驶汽车 研究对象 22 控制系统的例子 速度控制系统 速度控制系统 速度设定 增加 转速下降 增加 23 系统框图 扰动 偏差 24 飞机自动驾驶系统 保持飞机姿态辅助操纵飞机 25 扰动 26 防空导弹制导 目标跟踪雷达跟随目标 导弹导引雷达跟随目标跟踪雷达 提前量 导弹跟随导引雷达 27 自动控制系统控制原理方框图 控制器 比较环节 输入量 偏差 测量值 输出量 控制量 扰动量 控制动作 广义对象 自动控制装置 28 元素 1 元件 2 信号 物理量 及传递方向 3 比较点 信号叠加 4 引出点 分支 信号强度 5 符号的意义 正 负反馈 29 控制系统的重要性 必要性 空间飞行器的导航和控制 飞机 导弹 卫星 巨大的环境干扰和不确定性 稳定性跟踪性 30 制造业 汽车 集成电路 高精度定位高质量高产量 31 工业过程控制 对上千个信号进行监测 相应控制上百个阀 泵等执行器 32 通讯系统 电话 手机 互联网 控制信号的传递 进行噪声的消除 33 极端环境和条件下 控制系统起着关键的作用 复杂 34 极险 35 1 开环控制 开环控制系统是指无被控量反馈的控制系统 即需要控制的是被控对象的某一量 被控量 而测量的只是给定信号 被控量对于控制作用没有任何影响的系统 结构如图所示 36 37 信号由给定值至被控量单向传递 这种控制较简单 但有较大的缺陷 即对象或控制装置受到干扰 或工作中特性参数发生变化 会直接影响被控量 而无法自动补偿 因此 系统的控制精度难以保证 从另一种意义理解 意味着对受控对象和其它控制元件的技术要求较高 如数控线切割机进给系统 包装机等多为开环控制 38 2 反馈控制 闭环控制 核心 闭环控制的定义是有被控制量反馈的控制 其原理框如图所示 从系统中信号流向看 系统的输出信号沿反馈通道又回到系统的输入端 构成闭合通道 故称闭环控制系统 或反馈控制系统 前 正向通道 反 负向通道 39 这种控制方式 无论是由于干扰造成 还是由于结构参数的变化引起被控量出现偏差 系统就利用偏差去纠正偏差 故这种控制方式为按偏差调节 闭环控制系统的突出优点是利用偏差来纠正偏差 使系统达到较高的控制精度 但与开环控制系统比较 闭环系统的结构比较复杂 构造比较困难 需要指出的是 由于闭环控制存在反馈信号 利用偏差进行控制 如果设计得不好 将会使系统无法正常和稳定地工作 另外 控制系统的精度与系统的稳定性之间也常常存在矛盾 40 开环控制和闭环控制方式各有优缺点 在实际工程中应根据工程要求及具体情况来决定 如果事先预知输入量的变化规律 又不存在外部和内部参数的变化 则采用开环控制较好 如果对系统外部干扰无法预测 系统内部参数又经常变化 为保证控制精度 采用闭环控制则更为合适 如果对系统的性能要求比较高 为了解决闭环控制精度与稳定性之间的矛盾 可以采用开环控制与闭环控制相结合的复合控制系统 41 3 复合控制 42 自动控制系统的组成及术语 典型反馈控制系统的原理如图所示 43 1 被控对象 它是控制系统所控制和操纵的对象 它接受控制量并输出被控制量 2 控制器 接收变换和放大后的偏差信号 转换为对被控对象进行操作的控制信号 3 放大变换环节 将偏差信号变换为适合控制器执行的信号 它根据控制的形式 幅值及功率来放大变换 44 4 校正装置 为改善系统动态和静态特性而附加的装置 如果校正装置串联在系统的前向通道中 称为串联校正装置 如果校正装置接成反馈形式 称为并联校正装置 又称局部反馈校正 5 反馈环节 它用来测量被控量的实际值 并经过信号处理 转换为与被控制量有一定函数关系 且与输入信号同一物理量的信号 反馈环节一般也称为测量变送环节 6 给定环节 产生输入控制信号的装置 45 1 输入信号 泛指对系统的输出量有直接影响的外界输入信号 既包括控制信号又包括扰动信号 其中控制信号又称控制量 参考输入 或给定值 2 输出信号 是指反馈控制系统中被控制的物理量 它与输入信号之间有一定的函数关系 3 反馈信号 将系统 或环节 的输出信号经变换 处理送到系统 或环节 的输入端的信号 称为反馈信号 若此信号是从系统输出端取出送入系统输入端 这种反馈信号称主反馈信号 而其它称为局部反馈信号 控制系统中常用的名词术语 46 4 偏差信号 控制输入信号与主反馈信号之差 5 误差信号 它指系统输出量的实际值与希望值之差 系统希望值是理想化系统的输出 实际上并不存在 它只能用与控制输入信号具有一定比例关系的信号来表示 在单位反馈情况下 希望值就是系统的输入信号 误差信号等于偏差信号 6 扰动信号 除控制信号以外 对系统的输出有影响的信号 47 控制系统的性能指标 稳定性快速性准确性鲁棒性 系统在模型参数变动及扰动作用下 保持系统性能的能力 1 2控制系统的研究内容 控制系统的设计 控制系统的性能分析 48 采用反馈控制的原因 提高稳定性提高系统的响应速度提高系统的准确度 49 采用闭环反馈控制的根本原因 反馈特性是指系统的稳定性 灵敏度和对扰动的抑制性能等 这些特性只有通过反馈才能对其进行改动和改善 50 反馈的一个主要目的 为具有不确定的系统提供鲁棒性 反馈放大器 反馈的另一个主要目的 改变系统的动态特性 稳定性 响应特性 51 现代控制理论需要解决的问题 保证系统的稳定性如何抗干扰如何解决参数的摄动问题如何达到性能指标的最优 52 控制理论的基本内容 建模动态特性分析系统的联接结构分析不确定性分析系统的综合 53 建模 输入 输出 状态空间 系统辨识 54 动态分析 控制理论有一套成熟的方法对系统进行稳定性和动态性能的分析 55 B 动态性能指标定义1 56 上升时间tr 调节时间ts 动态性能指标定义2 57 动态性能指标定义3 58 联接结构 控制理论属于系统科学 控制系统通过不同子系统的联接来实现系统的稳定性 鲁棒性和期望的性能 59 不确定性 现代控制理论提供了对于系统不确定性的表示 并有许多工具用来对付不确定性 60 系统的综合 系统分析的反过程 根轨迹 频域校正 状态空间 61 1 3自动控制系统的分类 物理性质 数学模型 电气控制 机械控制 流体控制 线性控制 非线性控制 62 变化规律 信号形式 恒值控制 程序控制 随动控制 连续控制 离散控制 63 1 按信号流向划分 1 开环控制系统信号流动由输入端到输出端单向流动 64 2 闭环控制系统 若控制系统中信号除从输入端到输出端外 还有输出到输入的反馈信号 则构成闭环控制系统 也称反馈控制系统 如图所示 65 2 按系统输入信号划分 1 恒值调节系统 自动调节系统 这种系统的特征是输入量为一恒值 通常称为系统的给定值 控制系统的任务是尽量排除各种干扰因素的影响 使输出量维持在给定值 期望值 如工业过程中恒温 恒压 恒速等控制系统 2 随动系统 跟踪系统 该系统的控制输入量是一个事先无法确定的任意变化的量 要求系统的输出量能迅速平稳地复现或跟踪输入信号的变化 如雷达天线的自动跟踪系统和高炮自动描准系统就是典型的随动系统 66 3 程序控制系统 系统的控制输入信号不是常值 而是事先确定的运动规律 编成程序装在输入装置中 即控制输入信号是事先确定的程序信号 控制的目的是使被控对象的被控量按照要求的程序动作 如数控车床就属此类系统 67 3 线性系统和非线性系统 组成系统元器件的特性均为线性的 可用一个或一组线性微分方程来描述系统输入和输出之间关系 线性系统的主要特征是具有齐次性和叠加性 1 线性系统 2 非线性系统 在系统中只要有一个元器件的特性不能用线性微分方程描述其输入和输出关系 则称为非线性系统 非线性系统还没有一种完整 成熟 统一的分析法 通常对于非线性程度不很严重 或做近似分析时 均可用线性系统理论和方法来处理 68 4 定常系统和时变系统 1 定常系统 如果描述系统特性的微分方程中各项系数都是与时间无关的常数 则称为定常系统 该类系统只要输入信号的形式不变 在不同时间输入下的输出响应形式是相同的 2 时变系统 如果描述系统特性的微分方程中只要有一项系数是时间的函数 此系统称为时变系统 69 5 连续系统和离散系统 1 连续系统 系统中所有元件的信号都是随时间连续变化的 信号的大小均是可任意取值的模拟量 称为连续系统 2 离散系统 离散系统是指系统中有一处或数处的信号是脉冲序列或数码 若系统中采用了采样开关 将连续信号转变为离散的脉冲形式的信号 此类系统称为采样控制系统或脉冲控制系统 若采用数字计算机或数字控制器 其离散信号是以数码形式传递的 此类系统称为数字控制系统 70 数学模型是描述系统内部物理量之间关系的数学表达式数学模型是研究的第一步建立数学模型的方法 分析法 实验法 1 4系统微分方程模型建立 71 实际物理系统 理想物理模型 理想数学模型 简化数学模型 72 建模注意问题 精确性与简化性集中参数与分布参数线性与非线性 73 微分方程模型 传递函数 状态空间 74 微分方程的列写 1 机械系统 弹性元件 F k x1 x2 75 阻尼元件 76 惯性负载 相对于大地坐标系 77 例题 xi xo x B2 k2 B1 k1 78 2 电路系统 电感元件 电容元件 79 例题 1 2 3 4 80 磁场控制式直流电机 81 电枢控制式直流电机 82 1 5控制论简史 机械控制装置 经典控制理论 现代控制理论 鲁棒控制理论 83 古代控制装置 闭环控制思想的雏形 84 亚历山大的希罗发明开闭庙门和分发圣水等自动装置 100年 85 中国张衡研制出自动测量地震的候风地动仪 132年 86 中国马钧研制出用齿轮传动的自动指示方向的指南车 235年 87 现代控制装置与理论研究的出现 应用的广泛性影响的深远性微分方程研究方法 88 英国J Watt用离心式调速器控制蒸汽机的速度 1788年 JohnRennie 89 英国G B Airy 1801 1892 系统的研究了天文望远镜的速度控制 首次提出反馈系统的稳定性问题研究 90 J C Maxwell 1831 1879 于1868年发表文章 OnGovernors 成功解决了二阶及三阶系统的稳定性 随后 剑桥大学的E J Routh与瑞典的Hurwitz解决了多阶系统的稳定性判断 91 俄国A M Lyapunov博士论文 论运动稳定性的一般问题 1892年 92 美国N Minorsky研制出用于船舶驾驶的伺服结构 提出PID控制方法 1922 93 美国H S Black提出放大器性能的负反馈方法 NegativeFeedbackAmplifier 1927 94 美国E Sperry以及C Mason研制出火炮控制器 1925 气压反馈控制器 1929 95 ElmerSperry制造两自由度陀螺仪 96 1914年巴黎航展惊险一幕 97 从微分方程到频率方法的转变 电子通讯系统的发展Bell实验室 98 美国贝尔实验室的H Bode 1938 以及Nyquist 1940 提出频率响应法 99 美国Taylor仪器公司的J G Ziegler和N B Nichols提出PID参数的最佳调整法 1942 100 美国MIT的N Wiener研究随机过程的预测 提出Wiener滤波理论 1942 发表 控制论 Cybernetics 1948 标志着控制论的诞生 101 李郁荣 Y W Lee 1904 1989 麻省理工学院N Wiener的首位博士生 1930年 曾任职于清华大学电机系 1931 1937 早期为Wiener理论的工程应用与推广作了大量的工作 1946年回到MIT电机系 1946 1969 与Sha