自动控制原理ppt课件

.,1,自动控制原理,主要内容：概论、数学模型、时域分析、根轨迹、频域分析、系统校正、采样系统、非线性系统、计算机仿真分析。,.,2,1自动控制的基本概念,1.1自动控制系统基本控制方式1.2自动控制系统的组成和术语1.3自动控制系统举例1.4自动控制系统类型1.5自动控制原理概要1.6自动控制理论的发展历史1.7自动控制原理的学习方法,.,3,自动控制的重要性：1)自动控制技术水平的高低，标志着一个国家工业和科技先进与否。2)高水平的自动控制技术对一个国家的工业、国防和科学起着至关重要的作用。3)自动控制原理的基本思想和基本方法可以用于各个领域4)每个大学生、工程技术人员和高级管理人员必须具备自动控制原理的知识。,1自控系统的基本概念,.,4,控制的定义：给一个运动过程施加约束，使运动过程按指定的路径，向期望的方向发展。运动过程的载体被控对象表征运动过程的物理量被控制量或输出量施加约束控制量,自动控制的定义：是指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的规律运行。,.,5,施加约束的设备或装置控制器1.1自动控制系统基本控制方式自动控制系统的定义：为自动达到某一目的，由相互制约的各个部分按一定规律组织成的、具有一定功能的整体。自动控制系统的组成：控制器、被控对象、反馈环节、给定装置等。自动控制系统基本控制方式：开环控制、闭环控制和复合控制三种。,.,6,1.1.1开环控制,特点：在控制器和被控对象之间只有正向控制作用而没有反馈作用，简单、控制精度低。,1.1.2闭环控制,.,7,闭环系统自动把输出量反送到输入端并与输入量进行比较，得到偏差信号，偏差越大，控制力度也越大。迫使输出量向输入量靠近。故控制精度高。,反馈：将检测出来的输出量送回到系统的输入端，并与输入量进行比较的过程。负反馈：偏差量输入量反馈量负反馈的自动调节原理：输出量反馈量偏差量控制量输出量反之，也一样。总之，能自动减小偏差，恒定输出。,.,8,闭环控制的特点：1)自动检测偏差，不断调整控制量，克服前向通道上的各种干扰，控制精度高，稳定性好。2)对反馈通道上的干扰不能克服，对反馈设备要求高，价格贵，系统结构复杂。,负反馈控制原理是工作、学习等应自觉使用的原理。,开环控制和闭环控制的控制精度比较,.,9,1.1.3复合控制,干扰补偿的开环控制和按偏差的闭环控制相结合,复合控制的效果也比单一的反馈控制或者单一的开环控制的效果都好。,.,10,1.2自动控制系统的组成和术语,给定环节用于产生输入到控制系统的指令信号。指令信号通常称为输入量或给定量，常用r来表示。比较环节用于将给定量与反馈量进行比较，比较环节的输出量等于两输入量的代数和。箭头上的符号表示输入在此相加或相减。给定量与反馈量的差值，称为偏差，常用e来表示。,.,11,控制器接受偏差信号，通过转换与运算，产生控制量u，以改善系统的性能。控制量常用u来表示。中间环节它的作用是将控制信号进行变换、功率放大等，以便对被控对象进行控制。达到纠正偏差的目的。被控对象G它是要求实现自动控制的设备。它接受控制量并输出被控制量。系统输出量常用c来表示。不希望的、影响系统输出的信号，称为扰动，常用n来表示。反馈环节将输出量转换为主反馈信号的装置，主反馈是与输出成正比或成某种函数关系，但量纲与参考输入相同的信号，用b来表示。,.,12,1.3自动控制系统举例,1)贮槽液面开环控制系统,根据要求的液面的高度h及V1阀在单位时间内液体的流出量，整定好V2阀的开启程度（给定量），以达到预定的目的。,V1阀的输出流量和V2阀的输入流量受到温度、液体浓度及其他各种因素的影响（扰动）而发生了变化，液面将不能控制在原标定的h值,.,13,2)贮槽液面闭环控制系统,.,14,1.4自动控制系统类型1.4.1随动系统与恒值系统随动系统又称伺服系统，其特点是输入量总在频繁地或缓慢地变化，要求系统的输出量能够以一定的准确度跟随输入量而变化。恒值系统又称自动调整系统（或调节器系统），其特点是输入保持为常量，或整定后相对保持常量，而系统的任务是尽量排除扰动的影响，以一定准确度将输出量保持在希望的数值上。,.,15,1.4.2线性和非线性系统组成系统的元器件的特性均为线性，能用线性常微分方程描述其输入与输出关系的称为线性系统。特点：具有齐次性和叠加性。线性常微分方程的各项系数都是与时间无关的常数，为线性定常系统，线性常微分方程的各项系数中有时间函数，系统就称为线性时变系统。只要有一个元器件的特性不能用线性方程描述，即为非线性系统。非线性常微分方程中，输出量及其各阶导数不全都是一次的，或者输出量导数项的系数是输入量的函数。非线性不满足叠加原理。时间响应特性与初始状态有极大的关系。,.,16,1.4.3连续系统与离散系统连续系统各部分的输入和输出信号都是连续的模拟量。离散系统是指某一处或数处的信号以脉冲列或数码的形式传递的系统。描述连续控制系统用微分方程，而描述离散控制系统则用差分方程。与连续系统类似，离散系统也有线性和非线性、定常与时变系统之分。,.,17,1.4.4单输入单输出系统与多输入多输出系统单输入单输出系统亦称单变量系统，其输入量和输出量各为一个，需要时，将干扰信号作为第二个输入，分析时，用叠加原理，将系统看成两个单输入系统来处理。单输入单输出系统结构较为简单，分析、设计比较方便。多输入多输出系统亦称多变量系统，其输入量和输出量多于一个，系统结构较为复杂，一个输入量对数个输出量都有控制作用，反之，一个输出量往往受多个输入量控制，也就是说相互之间有耦合作用。显然，多变量系统的分析与设计，远较单变量系统复杂。,.,18,1.4.5确定系统与不确定系统若系统的结构和参数是确定的、已知的，系统的输入信号也是确定的，可用解析式或图表确切表示，则这种系统称为确定系统。夹杂有不严重且其影响可忽略不计的噪声时，系统也可视为确定系统。当系统本身或作用于该系统的输入信号不确定时称为不确定系统。例如系统的输入信号混杂有随机噪声，系统使用的元、器件的特性有随机干扰等就构成简单的不确定系统。若随机噪声等能用统计特性表示其特征时，可用概率论对不确定系统加以研究。,.,19,1.5自动控制原理概要自动控制原理的内容是与自动控制系统需要研究的问题密切相关的，是分析、设计自动控制系统的理论依据。1.5.1自动控制系统需要分析的问题自动控制系统能否正常工作，控制性能如何，这些都需要自动控制原理给出确切的答案，其中主要包括三大问题。（1）稳定性稳定是任一自动控制系统能否实际应用的必要条件，自动控制原理至少应给出判断系统稳定性的方法，并应指出稳定性与系统的结构（或称控制规律）及参量间的关系。,.,20,（2）稳态响应稳态情况下，控制的准确度往往是自动控制系统的一个重要性能指标。自动控制原理应给出计算系统稳态响应的方法，并且指出系统控制规律及参量与稳态响应间的关系。（3）暂态响应对于经常处于暂态过程，或对暂态响应有一定要求的自动控制系统，此问题较为重要。自动控制原理需要研究系统的控制规律及参量与暂态响应的关系，并且能提供简捷的计算暂态响应的方法。如系统的平稳性、快速性等。,.,21,1.5.2满足自动控制系统分析、设计的要求当给定一个被控对象，一组要求的性能指标时，希望有一种简捷的方法，去解决以下问题。（1）求出系统的数学模型（2）能从系统的数学模型获得系统时域响应。（3）找出一种合适的（也是一定条件下最优的）控制规律及相应的参量。（4）若结果不能令人满意，应能指明改善系统性能的途径。（5）能给出控制系统的计算机辅助设计或仿真方案。,.,22,1.6自动控制理论的发展历史,自动控制是一门年轻学科,从1945年开始形成。这以前,只有自动装置。如我国发明的“铜壶滴漏”、“浑天仪”;、“地动仪”、“记里鼓车”。但是，没有系统的理论指导，设计出的自动控制系统非常有限。1765年俄国波尔组诺夫发明了蒸汽机锅炉水位调节器,1784年英国人瓦特发明了蒸汽机离心式调速器。在蒸汽机控制中,总希望转速恒定、工作稳定。因此设计稳定可靠的调节器成为重要课题。1877年劳斯(Routh)和赫尔维茨(Hurwitz)提出判定系统稳定性的理论。,.,23,19世纪至二次世界大战，工业、军事迅速发展，由此产生大量自动控制设备，人们用各种理论指导自动控制系统设计，直到20世纪50年代经典控制理论才发展和成熟。其中，1945年美国人波德的“网络分析和反馈放大器设计”；1947年美国出版的第一本自动控制教材“伺服机件原理”；1948年美国麻省理工学院出版的另一本“伺服机件原理”教材，对自动控制理论的形成起了关键作用。经典控制理论的主要内容为：时域法（拉氏变换及Z变换）、频率法、根轨迹法、相平面法、描述函数法、稳定性的代数判据和几何判据、校正网络等,这些理论基本解决了单输入单输出自动控制系统的有关问题。,.,24,现代控制理论期(20世纪60年代中期成熟)空间技术的需要和电子计算机的应用,推动了现代控制理论和技术的产生与发展。20世纪50年代末60年代初,空间技术的发展迫切要求对多输入/多输出、高精度、参数时变系统进行分析与设计,这是经典控制理论无法有效解决的问题,于是出现了“现代控制理论”。1960年卡尔曼(Kalman)发表了“控制系统的一般理论”,1961年又与Bush发表了“线性过滤和预测问题的新结果”。西方国家公认卡尔曼奠定了现代控制理论的基础。他的工作是控制论创始人维纳(Wiener)工作的发展,主要引进了数学计算方法中的“校正”概念。现代控制理论的主要内容为:状态空间法、系统辨识、最佳估计、最优控制和自适应控制。,.,25,大系统理论和智能控制理论这一理论是20世纪70年代后,控制理论向广度和深度发展的结果。大系统是指规模庞大、结构复杂、变量众多的信息与控制系统,它涉及生产过程、交通运输、计划管理、环境保护、空间技术等多方面的控制和信息处理问题。智能控制系统是具有某些仿人智能的工程控制与信息处理系统,其中包括：模糊控制、神经网络控制、遗传算法等。,.,26,1.7自动控制原理的学习方法1.7.1打好数学基础、提高绘图能力对于单变量系统，借助拉氏变换把求解微分方程的问题转换成求解代数方程的问题。对于多变量系统，把系统用一阶微分方程组来描述，可以用线性代数的方法来分析。因此，代数运算、因式分解、方程求根、对数和指数计算、复数计算等初等数学知识和微积分、极限、拉氏变换、Z变换、行列式、矩阵等高等数学知识是学习自动控制原理的数学基础。工程设计常用图解法，因此，必要的绘图练习对于提高图解分析、设计的正确性是很重要的。,.,27,1.7.2利用先进的计算工具辅助学习MATLAB是数学计算、系统仿真的有力工具。可以帮助我们解决学习中的疑难问题。也可以实现自主研究性学习。在命令窗口输入由英文字符组成的指令，按Enter键，即可完成计算。一行中可输入多条指令，若指令后为逗号，则显示指令的计算结果，若指令后为分号，则不显示计算结果。MATLAB的指令也非常简单，容易使用，只要知道一些简单格式，就可使用MATLAB解决问题。简单计算，用计算符号：、*、/、（乘方）、（矩阵左除）等完成。,.,28,复杂一些的计算用下列指令计算：a)自然数e的指数exp（x）；b)自然对数log（x），以e为底，一般书中表示为ln（x）；c)常用对数log10（x），以10为底，一般书中表示为log（x）；d)正切函数tan（x），一般书中表示为tg（x）；e)反正弦函数asin（x），反函数加“a”，一般书中加“arc”；f)矩阵的逆inv（A）；g)行列式的值det（A）；h)矩阵的秩rank（A）；i)矩阵的特征值eig（A）等等。,.,29,矩阵、向量的元素放置在中，用分号分开各行；用逗号或者空格分开各元素，MATLAB把大小写的字母看成不同的两个变量例1.1求方程x2+2x+2=0的根。解指令：roots(1,2,2）回车执行，ans1i，1i。在自动控制理论计算方面，会涉及MATLAB的数值计算指令、符号计算指令和控制系统指令三大类。三大类指令的对象各不相同，多数指令不能交叉使用，所以，在记指令时一定要记住指令的对象类型和格式。,.,30,数值计算与普通计算器的使用方法类似，但是，MATLAB的计算功能更加强大。符号计算用sym、syms定义符号变量和符号表达式，定义后可以进行符号计算，得到符号形式的计算结果。控制系统计算用s=tf（s）或z=tf（z）将s或z定义为拉氏算子符号或者z算子符号，定义后，可以直接使用s或者z构成传递函数和脉冲传递函数。另外，用tf（.）、zpk（.）、ss（.）等指令，可构成或转换成多项式形式的传递函数、零极点形式的传递函数、控制系统状态方程等控制系统类对象。计算符号、*、/、等，对数值计算、符号计算、控制系统计算等均适用。,.,31,用plot（x,y）可自动绘制以x为