自动控制-绪论

1,自动控制原理,2,自动控制原理参考教材,胡寿松主编：自动控制原理，第四版科学出版社，2001年。胡寿松主编：自动控制原理，第三版国防工业出版社，1994年。胡寿松主编：自动控制原理习题集，第二版科学出版社，2003年。戴忠达主编：自动控制理论基础清华大学出版社AutomaticControlSystemBenjaminC.Kuo（高教出版社）,先修课程在学习本课程之前，学生应具有高等数学、工程数学（线性代数），电机学和电工原理等课程的相关知识和能力。,3,学习方法,从应用实例到典型工作原理的分析，从个体典型工作原理到整体工作原理认识方法从局部的典型的元件到全局（整体）的系统规律性归纳方法从工程系统应用到系统理论总结的综合方法从经验性总结到原理性抽象的思维分析方法从系统原理指导下的工程系统的应用设计回归理论对实践的指导作用即：从具体到抽象的由应用实例（实践）到原理（理论）的转化过程由系统的理论（抽象）到具体系统设计的转化过程。,4,1.自动控制指在脱离人的直接干预，利用控制装置（简称控制器）使被控对象（或生产过程等）的某一物理量（如温度、压力、PH值等）准确地按照预期的规律运行。,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。,第一章导论,自动化（Automation或Automatization）什么叫自动控制？什么叫自动控制系统？自动控制主要研究解决什么问题（举例说明）？,第一节自动控制的基本概念,5,1.1应用实例1液位自动控制系统,6,液位自动控制系统工作方框(图2),液位设定装置,输入设定与输出量比较运算,电动机调节,液位调节（转换装置）,液位高度测量装置,输入变量量,输出变量,比较器,测量元件（传感器）,执行机构（装置）,设定位置平衡状态,位置误差,电机的转速,液位,液位测量,误差=0,假设：出水增加液位降低,假设：出水增加液位上高,7,液位自动控制系统组成原理图,1）基本元件组成及元件工作原理：组成：电位器A和A电位比较,电动机SM,支点和浮球，容器，液位高度h2）液位自动控制系统工作原理（1）静止状态（平衡状态）;误差等于0。(2)偏差（误差）状态;(ERROR/OFFSETSTATUS)调节状态（动态），特点：误差不等于0。（3）动态调节状态，动态平衡状态，特点：误差近似等于0，但不等于0。,8,举例说明2：,1）定义：如果系统的输出量不参与对系统的控制，则称为开环控制。2）例子：直流电动机转速开环控制系统,1、开环控制,原理方框图,9,自动控制系统的基本方框图3,输入设定装置,比较器,测量元件（传感器）,执行装置,控制对象,输入量,反馈量,误差量,控制量,输出量,误差量=输入量-反馈量,反馈量=F(输出量）,输出量=G(控制量),输入量（期望值）=输出量,+,-,10,3.开环控制系统的特点,优点：线路简单、成本低、工作稳定。缺点：控制精度低。,返回,按扰动补偿的开环控制,2、闭环控制,1）定义如果系统的输出量参与对系统的控制，则称为闭环控制。2）例子：直流电动机转速闭环控制系统,11,工作过程：正常日运行:电动机运行转速n,输入电压ur为某设定值。控制过程：设定负载nuf(ur-uf)电压放大器放大uduan（是转速增加）。若负载减轻时过程和上述讨论相反。,工作过程：正常日运行:电动机运行转速n,输入电压ur为某设定值。控制过程：设定负载nuf(ur-uf)电压放大器放大uduan（是转速增加）。若负载减轻时过程和上述讨论相反。,工作过程：正常日运行:电动机运行转速n,输入电压ur为某设定值。控制过程：设定负载nuf(ur-uf)电压放大器放大uduan（是转速增加）。若负载减轻时过程和上述讨论相反。,工作过程：正常日运行:电动机运行转速n,输入电压ur为某设定值。控制过程：设定负载nuf(ur-uf)电压放大器放大uduan（是转速增加）。若负载减轻时过程和上述讨论相反。,工作过程：正常日运行:电动机运行转速n,输入电压ur为某设定值。控制过程：设定负载nuf(ur-uf)电压放大器放大uduan（是转速增加）。若负载减轻时过程和上述讨论相反。,工作过程：正常日运行:电动机运行转速n,输入电压ur为某设定值。控制过程：设定负载nuf(ur-uf)电压放大器放大uduan（是转速增加）。若负载减轻时过程和上述讨论相反。,工作过程：正常日运行:电动机运行转速n,输入电压ur为某设定值。控制过程：设定负载nuf(ur-uf)电压放大器放大uduan（是转速增加）。若负载减轻时过程和上述讨论相反。,工作过程：正常日运行:电动机运行转速n,输入电压ur为某设定值。控制过程：设定负载nuf(ur-uf)电压放大器放大uduan（是转速增加）。若负载减轻时过程和上述讨论相反。,工作过程：正常日运行:电动机运行转速n,输入电压ur为某设定值。控制过程：设定负载nuf(ur-uf)电压放大器放大uduan（是转速增加）。若负载减轻时过程和上述讨论相反。,工作过程：正常日运行:电动机运行转速n,输入电压ur为某设定值。控制过程：设定负载nuf(ur-uf)电压放大器放大uduan（是转速增加）。若负载减轻时过程和上述讨论相反。,工作过程：正常日运行:电动机运行转速n,输入电压ur为某设定值。控制过程：设定负载nuf(ur-uf)电压放大器放大uduan（是转速增加）。若负载减轻时过程和上述讨论相反。,工作过程：正常日运行:电动机运行转速n,输入电压ur为某设定值。控制过程：设定负载nuf(ur-uf)电压放大器放大uduan（是转速增加）。若负载减轻时过程和上述讨论相反。,12,3）闭环控制系统的特点,负反馈控制原理：将系统输出量引回输入端，与输入量相比较，利用所得偏差进行控制，使偏差减小或消除。优点：具有较强的抗干扰能力，控制精度高。缺点：系统参数配合不当时，容易产生振荡甚至不稳定，使系统无法工作。,从上讨论可见：1.控制系统工作有两个状态（阶段）：1.）正常（稳定，或初始)状态。2.)控制（暂态，或过度）状态2.系统工作的参数有变化时，系统从一个控制状态转换到另一个控制状态。3.系统的稳定状态，是一个动态的平衡状态，总是使输出与输入之间的差值尽可能的小到近似等于0，但不等于0。,13,1）构成：将开环控制和闭环控制结合起来。2）特点：兼有开环和闭环系统的优点，控制精度高，控制作用快，但结构也较为复杂。,返回,3复合控制,14,例3炉温控制系统原理图,炉温控制系统方框图,炉温控制系统方框图,15,自动控制理论：自动控制理论是研究自动控制系统组成，进行系统分析设计的一般性理论，即是研究自动控制过程共同规律的技术学科。,自动控制系统的组成的方框图：设定装置（输入设定对象）比较装置（比较器）执行装置（执行单元）输出装置（控制对象）测量装置（传感器）,16,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,2.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,第一章导论,17,3.自动控制理论的发展史,(一)经典控制理论（第一阶段）1765年英国Wate发明蒸汽机1788年Wate利用反馈原理发明蒸汽机用的离心飞锤调速器。1868年J.C.Maxwell“OnGovernors”(关于调速器)，讨论运行的稳定性。1877年，1895年，E.J.Routh和Hurwitz先后提出判别系统稳定性的代数方法。,经历了三个阶段：经典控制理论、现代控制理论、大系统控制理论,18,1892年俄国李雅普诺夫在论运动稳定性的一般问题中建立了动力学系统的一般稳定性理论。1932年Nyquist提出了根据频率响应判断系统稳定性的准则。1945年美国Bode在网络分析和反馈放大器设计中提出频率响应分析法Bode图。1948年瑞士W.R.Evans提出根轨迹法至此，经典控制理论成熟。包括：时域分析法,频率特性法、根轨迹法等。,19,(二)现代控制理论（第二阶段）1960年美R.E.Kalman成功地应用了状态空间法，提出能控、能观新概念。1961年庞特里亚金证明了最优控制中的极大值原理。1965年R.Bellman提出了寻求最优控制的动态规划方法。(三)、大系统理论和智能控制论（第三阶段）1970年以后1.大系统理论是指规模庞大、结构复杂、变量众多的信息与控制系统，交通运输、生物工程、社会经济和空间技术等复杂系统。2.智能控制论是具有某些仿人智能的工程控制与信息处理系统，如智能机器人、无人驾驶飞机。vcd,20,3.自动化的发展历史图片,公元前我国的自动计时漏壶,公元132年张衡研制的候风地动仪,第一章导论,21,公元235年马钧研制出能自动指示方向的指南车,第一章导论,22,1788年英国Watt发明的控制蒸汽机速度的离心式调速器,第一章导论,23,1913年美国建成最早的汽车装配流水线,1952年美国MIT研制出第一台数控机床,第一章导论,24,1954年第一台工业机器人,1981年美国“哥伦比亚”号航天飞机首次发射成功,第一章导论,25,装配机器人,汽车自动焊接生产线,4.自动控制系统（应用举例）,26,自动立体仓库,4.自动控制系统（应用举例）,27,注塑机,自动搬运车,4.自动控制系统（应用举例）,28,机器人足球比赛,4.自动控制系统（应用举例）,月球车,29,机器人干活,机器人跳舞,4.自动控制系统（应用举例）,30,无人驾驶汽车,4.自动控制系统（应用举例）,空中飞艇,31,12自动控制理论的内容,2.现代控制理论3.大系统理论4.智能控制理论,32,1、经典控制理论研究的主要对象是单输入、单输出单变量系统。如：调节电压改变电机的速度；调整方向盘改变汽车的运动轨迹等。2、现代控制理论研究的主要对象是多输入、多输出多变量系统。如:汽车看成是一个具有两个输入（驾驶盘和加速踏板）和两个输出（方向和速度）的控制系统。计算机科学的发展，极大地促进了控制科学的发展。,第二节自动控制理论的内容,33,经典控制理论与现代控制理论,34,大系统控制理论是一种过程控制与信息处理相结合的动态系统工程理论，研究的对象具有规模庞大、结构复杂、功能综合、目标多样、因素众多等特点。它是一个多输入、多输出、多干扰、多变量的系统。如：人体，我们就可以看作为一个大系统，其中有体温的控制、情感的控制、人体血液中各种成分的控制等等。大系统控制理论目前仍处于发展阶段。,第二节自动控制理论的内容,3、大系统控制理论,35,这是近年来新发展起来的一种控制技术，是人工智能在控制上的应用。它的指导思想是依据人的思维方式和处理问题的技巧，解决那些目前需要人的智能才能解决的复杂的控制问题。学派：结构派和功能派它是一门新兴的控制学科，有些问题尚存有争议，然而由于它实用性强，能运用人们的经验与技巧解决许多以往控制中难以解决的棘手问题（如建模等），因此得到了人们极大的重视。,第二节自动控制理论的内容,4、智能控制,36,第三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。,37,例1.a.温度人工控制,第三节控制系统的基本组成,38,第三节控制系统的基本组成,控制目标：炉子的温度恒定在期望的数值上。,39,b.温度自动控制,第三节控制系统的基本组成,40,闭环控制系统的基本组成,第三节控制系统的基本组成,41,例2函数记录仪方框图,42,控制系统的基本组成输入信号系统控制目标的反映，是人的意志的具体体现。控制系统主要完成对有关信号的变换、处理，发出控制量，驱动执行机构完成控制功能。比较器-执行单元（正向通路）-测量单元（反馈通路）共同组成输出信号系统的控制结果，反映了被控对象的运行状态。,13控制系统的基本组成,43,例3：火炮自动跟踪系统“火炮打飞机”,第三节控制系统的基本组成,44,典型的反馈控制系统的结构图,第三节控制系统的基本组成,45,自动控制系统的基本方框图,输入设定装置,比较器,测量元件（传感器）,执行装置,控制对象,输入量,反馈量,误差量,控制量,输出量,误差量=输入量-反馈量,反馈量=F(输出量）,输出量=G(控制量),输入量（期望值）=输出量,+,-,46,反馈控制系统的基本组成,A.反馈控制系统由不同结构的元件组成，按职能分为控制对象和控制装置。B.组成系统的元件按职能分为：测量元件：检测被控制的物理量，将非电量转换成电量。给定元件：给出与期望的被控量相对应的系统输入量比较元件：被控量的实际值与给定值进行比较，求他们之间偏差。放大元件：把偏差放大，推动执行元件执行元件：直接推动被控对象，使被控量发生变化。,47,一按信号的传递路径来分类1、开环控制系统特点：系统的输出端与输入端不存在反馈回路。输出量对系统的控制作用不发生影响的系统。,第四节控制系统的分类,控制系统的分类（按照不同的属性分类）,48,给定量(输入量)：系统输出量的要求值。被控量(输出量)：被控系统所控制的物理量。反馈量：与输出成正比或成某种函数关系,与给定量有相同量纲和数量级的信号。偏差量：给定量与主反馈量之差。控制量：作用于被控对象的信号。扰动量：对系统输出量有不利影响的输入量。被控对象：被控制的机器、设备或生产过程。,返回,控制系统中的常用术语,49,反馈控制系统,被控对象,控制装置,给定元件（提供输入量）,测量元件（测量被控量）,比较元件（比较控制量与反馈量，给出偏差信号）,放大元件（放大偏差信号）,执行机构（对被控对象施加控制）,校正元件（用以改善系统性能量）,自动控制系统,给定元件,50,1.2自动控制与自动控制系统的术语（概念）1.自动控制：在无人直接参与的前提下,利用专门的装置(控制器)来控制某一种物理对象（被控对象：装置、设备、过程等）的运动或变化，使被控对象的受控物理量（被控量）按照人预定的规律变化。2.自动控制理论：是研究自动控制共同规律的技术科学。3.自动控制系统：为实现某种自动控制，需要把一些相互关联的部件按一定的模式组合起来，构成一个系统，来实现自动控制。控制对象：能够实现自动控制的机器、设备或生产过程。控制器：对控制对象起控制作用的控制装置总体。4.反馈控制原理：在反馈控制系统中，控制装置对被控对象施加的控制作用，使取自被控量的反馈信息，用来不断修正被控量的偏差，从而实现对控对象进行控制的任务。,51,5.输出量：位于控制系统输出端，并要求实现自动控制的物理量。6.输入量：作用于控制系统输入端，并可使系统具有预定功能或预定输出的物理量。7.扰动：破坏系统输入量和输出量之间预定规律的信号。本课程学习、研究自动控制的共性规律，学习有关自动控制的基本概念、基本原理、分析方法，为能设计符合要求的自动控制系统奠定基础基本控制理论。自动控制应用极为广泛，在工业、国防、航空航天、交通、农业、经济管理、以及人们的日常生活，处处可见。如例1.液位自动控制系统例2.速度控制系统例3.随动控制系统,52,2、闭环控制系统（反馈控制系统）特点：系统输出信号与测量元件之间存在反馈回路。“闭环”这个术语的含义，就是将输出信号通过测量元件反馈到系统的输入端，通过比较、控制来减小系统误差。,第四节控制系统的分类,53,内燃机转速控制系统,应用瓦特式转速调节器的内燃机转速控制系统,54,1、恒值控制系统（或称自动调节系统、自动镇定系统）特点：输入信号是一个恒定的数值。工业生产中的恒温、恒压等自动控制系统都属于这一类型。2、过程控制系统（或称程序控制系统）特点：输入信号是一个已知的函数。系统的控制过程按预定的程序进行，要求被控量能迅速准确地复现输入，如化工中的压力、温度、流量控制。恒值控制系统可看成输入等于常值的过程控制系统。,第四节控制系统的分类,二、按系统的控制作用来分类,55,特点：输入信号是一个未知函数。要求控制系统的输出量跟随输入信号变化。如：火炮自动跟踪系统。该系统要求有较好的跟踪能力。,第四节控制系统的分类,3、随动系统（或称伺服系统）,56,1、连续系统特点：系统各部分信号都是模拟的连续函数。目前工业中普遍采用的常规仪表PID调节器控制的系统。2、离散系统特点：系统的某一处或几处信号以脉冲序列或数码形式传递的控制系统。系统中用脉冲开关或采样开关，将连续信号转变为离散信号。其中离散信号以脉冲形式传递的系统又叫脉冲控制系统，离散信号以数码形式传递的系统又叫数字控制系统。,第四节控制系统的分类,三、按系统传输信号的性质来分类,57,第四节控制系统的分类,58,四、按描述系统的数学模型不同来分类1、线性系统特点：系统由线性元件构成，描述运动规律的数学模型为线性微分方程。运动方程一般形式：式中：r(t)系统输入量；c(t)系统输出量主要特点是具有叠加性和齐次性。,第四节控制系统的分类,59,2、非线性系统特点：在构成系统的环节中有一个或一个以上的非线性环节。非线性的理论研究远不如线性系统那么完整，目前尚无通用的方法可以解决各类非线性系统。其他的分类方法：按功能来分：温度控制系统、速度控制系统、位置控系统等。按元件组成分：机电系统、液压系统、生物系统等。按数学模型的性质：（非）常系数线性一阶/二阶/高阶微分方程等。时变/非时变的状态变量方程等,第四节控制系统的分类,60,分类小结,第四节控制系统的分类,61,第五节对自动控制系统的基本要求,稳定性,1.5.1基本要求,稳定性是控制系统最基本的性质。所谓稳定性是指控制系统偏离平衡状态后，自动恢复到平衡状态的能力。当系统受到扰动后，其状态偏离了平衡状态，在随后所有时间内，如果系统的输出响应能够最终回到原先的平衡状态，则系统是稳定的；反之，如果系统的输出响应逐渐增加趋于无穷，或者进入振荡状态，则系统是不稳定的。,快速性,准确性,（稳态特性静态指标）准确性是系统在稳态下被控量和设定量之间的偏差程度。偏差越小，准确性越高，理想系统的偏差为零。,（暂态特性动态指标）快速性是暂态响应的时间长短。一般来说，都希望系统的快速性要好。但是，系统的暂态特性和稳态特性是相互矛盾的，要根据实际情况有所侧重。而且在暂态响应过程中，不希望出现太大的超调。,62,定义：通常将系统受到给定值或干扰信号作用后，控制被控量变化的全过程称为系统的动态过程。,稳：指动态过程的平稳性如上图所示，系统在外力作