中国石油大学自动控制第1章

1 自动控制原理 信息控制类专业最重要的专业基础课之一 信息与控制工程学院自动化系 2 自动控制理论 1 经典控制理论20世纪40 50年代 单入单出 SISO 系统 反馈控制系统的稳定性 2 现代控制理论20世纪60年代 多入多出 MIMO 系统 以 最优 为特征 3 智能控制理论20世纪80年代 3 主要内容 1 自动控制的一般概念2 控制系统的数学模型3 线性系统的时域分析法4 线性系统的根轨迹法5 线性系统的频域分析法6 线性系统的校正方法7 线性离散系统的分析8 非线性控制系统的分析 4 第一章自动控制的一般概念 1 1自动控制的基本原理1 2自动控制系统的基本控制方式1 3自动控制系统的分类1 4对自动控制系统性能的基本要求1 5典型输入信号 5 1 自动控制的基本概念 空调 冰箱 电热水器 1 1自动控制的基本原理 6 大型化工企业自动控制装置 7 机器人 航天飞机 8 自动控制在没有人直接参与的情况下 利用外加的设备或装置 使机器 设备或生产过程的某个工作状态或参数自动地按照预定规律运行 自动控制系统实现某一控制目标的所有物理部件的有机组合体 被控对象 控制装置 被控变量 9 例 水箱系统入口流量Qi取决于阀门开度u 出口流量与液位H和出口阀门有关 问题 如何使得实际液位H控制在期望液位不变 期望液位 Hs 2 自动控制的基本原理 10 1 人工控制眼 测量实际液位H 检测过程 脑 将实际液位H和期望液位Hs比较 根据两者偏差正负及大小作出决策 比较 分析 决策过程 手 执行大脑命令 调节阀门开度 执行过程 11 人工控制原理方块图 12 人工控制原理方块图 13 2 自动控制 14 变送器 眼 测量实际液位H并进行物理转换 控制器 大脑 也叫调节器 将测量值mv和给定值sv相比较 根据两者的偏差进行运算 输出控制信号u 执行器 手 也叫调节阀 改变阀门开度 15 自动控制原理方块图 人工控制原理方块图 16 3 反馈控制原理 反馈通过测量变换装置将系统或元件的输出量反送到输入端 与输入信号相比较 反送到输入端的信号称为反馈信号 负反馈反馈信号与输人信号相减 其差为偏差信号负反馈控制原理将系统的输出信号引回输入端 与输入信号相减 形成偏差信号 然后根据偏差信号产生相应的控制作用 力图消除或减少偏差的过程 17 4 自动控制系统结构 反馈 反馈通道 前向通道 闭环 输入变量 给定输入r 参考输入 扰动输入d 输出变量c 广义被控对象 控制器 自动控制装置 被控对象 几个概念 18 被控制量c 在控制系统中 按规定的任务需要加以控制的物理量 控制量u 作为被控制量的控制指令而加给系统的输入量 也称控制输入 扰动量d 干扰或破坏系统按预定规律运行的输入量 也称扰动输入 自动控制系统的特点 存在反馈 输出量参与控制 基于偏差进行控制 反馈 偏差 闭环 控制系统 19 1 开环控制 不存在输出到输入的反馈 输出量不参与控制 按干扰进行控制 即前馈控制 对干扰进行补偿 扰动必须可测 按给定值进行控制 1 2自动控制系统的基本控制方式 20 例 M 电动机 21 例 22 例2 电机系统 2 闭环控制系统 期望转速 存在输出到输入的反馈 输出量参与控制 测速发电机 23 例 3 复合控制系统 24 方块图 25 1 3自动控制系统分类 1 按输入信号特征分类1 恒值控制系统给定输入为常数 系统克服扰动影响例 液位控制系统 温度控制系统等工业系统2 随动控制系统给定输入是随机时间变化的函数 未知 例 函数记录仪 火炮自动跟踪系统3 程序控制系统给定输入是预知的时间函数例 机床加工系统 26 2 按描述元件特性分类1 线性系统组成系统的元件都是线性元件 输入输出的静态特性为线性关系用线性微分方程描述2 非线性系统只要系统中有一个元部件是非线性的用非线性微分方程描述 27 3 按照传递信号类型分类连续系统各个环节间的信号均为时间t的连续函数 可用微分方程描述例 水箱系统离散系统只要有一处信号是脉冲信号或者数字信号 定义在离散时刻上 用差分方程描述例 计算机控制系统 28 4 按照参数是否随时间变化分类定常系统时变系统5 其他分类单输入输出系统与多输入输出系统确定性系统与不确定性系统集中参数系统与分布参数系统 29 1 4对控制系统性能的基本要求 30 1 稳定性 最基本要求 系统在扰动消失后 由初始偏差状态恢复到平衡状态的能力 稳定 不稳定 31 稳定性 1 对恒值系统 要求当系统受到扰动后 经过一定时间的调整能够回到原来的期望值 2 对随动系统 被控制量始终跟踪参据量的变化 稳定性是对系统的基本要求 不稳定的系统不能实现预定任务 线性系统的稳定性 通常由系统的结构决定 与外界因素无关 32 2 快速性动态性能 调节时间 上升时间对过渡过程的形式和快慢提出要求 一般称为动态性能 稳定高射炮射角随动系统 虽然炮身最终能跟踪目标 但如果目标变动迅速 而炮身行动迟缓 仍然抓不住目标 3 准确性稳态性能 稳态误差在参考输入信号作用下 当系统达到稳态后 其稳态输出与参考输入所要求的期望输出之差叫做给定稳态误差 显然 这种误差越小 表示系统的输出跟随参考输入的精度越高 33 1 5典型输入信号 15 单位阶跃函数 1 阶跃函数 34 2 理想脉冲函数 或冲击函数 且 等价于 单位脉冲函数 时刻的脉冲函数 采样性 脉冲函数的强度 35 36 3 斜坡函数 4 加速度函数 5 正弦函数 37 小结 控制系统的基本原理 反馈控制原理要求能够针对具体系统进行控制原理的分析如何正确的画出系统方块