第1章-绪--论分析.ppt

1、自动控制原理,自动控制学科由自动控制技术和自动控制理论两部分组成。,什么是自动控制,近几十年来，自动控制技术正在迅猛的发展，并在工农业生产、交通运输、国防建设和航空航天事业等领域中获得广泛应用。,第一节引言,无须人的直接参与，通过控制装置，使机器、设备生产过程等按照预定的规律运行，完成要求的任务，就叫自动控制。,第一章绪论,随着生产和科学技术的发展，自动控制技术可以说已渗透到各种学科领域，成为促进当代生产发展和科学技术进步的重要因素。,事实上，任何技术设备、工作机械或生产过程都必须按要求运行。例如：要使火炮能自动跟踪并命中飞行目标，炮身就必须按照指挥仪的命令而作方位角和俯仰角的变动；,要把数吨

2、重人造卫星送入数百公里高空的轨道，使其所携带的各种仪器能长期使用、准确地工作，就必须保持卫星的正确姿态，使它的太阳能电池一直朝向太阳，无线电发射天线一直指向地球；,要使数控机床能加工出高精度的工件，就必须保证其工作台或刀架的进给量准确地按照程序指令的设定值变化；,要想使轮船安全顺利的航行，就必须按照领航员的命令改变尾舵的方向；,所有这一切都是以高水平的自动控制技术为前提的。,要使炼钢炉提供优质的产品，就必须严格控制炉温等等。,家用电器：,电扇：控制转速,电冰箱、空调、电饭煲：控制温度,洗衣机：控制水位、强弱、时间等,智能建筑：,通信电梯供水通风空调安防抄表,工业机器人：,拉提琴,灵巧手,排爆,

3、步行,吹笛,足球比赛,其他机器人：,自动控制的应用领域,军事工业航空航天制造业机器人流程工业电子工业家用电器交通系统，楼宇系统，经济系统，社会系统,钢铁、石化、造纸、制药等,控制无处不在！,随着自动控制技术的广泛应用和迅猛发展，出现了许多新问题，这些问题要求从理论上加以解决。自动控制理论正是在解决这些实际技术问题的过程中逐步形成和发展起来的，它是研究自动控制技术的基础理论，是研究自动控制共同规律的技术科学。按其发展的不同阶段，可把自动控制理论分为经典控制理论和现代控制理论两大部分。,自动控制理论的发展概况,经典控制理论也就是自动控制原理，是20世纪40年代到50年代形成的一门独立学科。经典控制

4、理论是以传递函数为基础研究一类单输入、单输出定常系统的分析与设计问题。早期的控制系统较为简单，只要列出微分方程并求解，就可以用时域法分析他们的性能。第二次世界大战前后，由于生产和军事的需要，各国均在大力研制新型武器，于是出现了较复杂的控制系统，这些控制系统通常是用高阶微分方程来描述的。由于高阶微分方程求解的困难，各种控制系统的理论研究和分析方法就应运而生。1932年奈奎斯特（H.Nyquist）在研究负反馈放大器时创立了有名的稳定性判据，并提出了稳定裕量的概念。,在此基础上，1945年伯德（H.W.Bode）提出了分析控制系统的一种图解方法即频率法，致使研究控制系统的方法由初期的时域分析转到频

5、域分析。随后，1948年伊文斯（W.R.Evans）又创立了另一种图解法即有名的根轨迹法。追溯到1877年，劳斯（E.Routh）和1895年赫尔维茨（A.Hurwitz）分别独立地提出了关于判断控制系统稳定性的代数判据。这些都是经典控制理论的重要组成部分。50年代中期，经典控制理论又添加了非线性系统理论和离散控制理论，从而形成了完整的理论体系。,SISO:SingleInputandSingleOutput,4050年代经典控制理论（时域法、频域法、根轨迹法）核心：传递函数，稳定性、稳定裕度等特点：图形方法，直观简便，设置参数少，（以简单控制结构获取相对满意的性能）适用范围：单输入单输出（S

6、ISO）系统数学基础：复变函数，积分变换,五十年代开始，由于空间技术的发展，各种高速、高性能的飞行器相继出现，要求高精度地处理多变量、非线性、时变和自适应等控制问题，六十年代初又形成了现代控制理论。现代控制理论的基础包括：1956年庞特里亚金提出的极大值原理，1957年贝尔曼（R.Bellman）提出的动态规划，1960年卡尔曼（R.E.Kalman）提出的最优滤波理论以及状态空间方法的应用。从60年代至今50多年来，现代控制理论又有巨大的发展，并形成了若干学科分支，如线性控制理论、最优控制理论、动态系统辨识、自适应控制、大系统理论等。,MIMO:Multi-InputandMulti-Out

7、put,6070年代现代控制理论（状态空间法）核心：状态变量的能控、能观性，系统性能的最优化特点：时域法，统一处理SISO、MIMO系统，有完整的理论体系数学基础：线性代数，矩阵理论缺点：对系统的数学模型精度要求高，实际性能达不到设计的最优，所需状态反馈难以直接实现,70年代现在多种新型控制理论多变量频域控制理论经典SISOMIMO；基于互质分解的全新的频域优化理论；鲁棒控制（robustcontrol）鲁棒控制：使系统具有良好鲁棒性的控制；鲁棒性（robustness）：系统存在模型误差或受到扰动时仍能保持良好性能的能力,智能控制（intelligentcontrol）控制系统具有拟人智能（

8、学习、记忆、判断、推理等）。大系统控制、复杂系统控制等被控系统具有高维数、强关联、多约束、多目标、不确定性、分散性、非线性、大时滞、难建模等特征，如电力系统、城市交通系统、网络系统、制造系统、经济系统等。,自动控制技术的应用，推动了控制理论的发展；而自动控制理论的发展，又指导了控制技术的应用，使其进一步完善。随着科学技术的发展，自动控制技术及理论已经广泛的应用于机械、冶金、石油、化工、电子、电力、航空、航海、航天、核反应等各个学科领域。近年来，控制科学的应用范围还扩展到生物、医学、环境、经济管理和其他许多社会生活领域，并为各学科之间的相互渗透起了促进作用。可以毫不夸张地说，自动控制技术和理论已

9、经成为现代化社会不可缺少的组成部分。,自动控制技术的应用，不仅使生产过程实现自动化，从而提高了劳动生产率和生活质量，降低生产成本，提高经济效益，改善劳动条件，而且在人类征服大自然、探索新能源、发展空间技术和创造人类文明等方面都具有十分重要的意义。作为现代的工程技术人员和科学工作者，都必须具备一定的自动控制理论基础知识。,本课程的体系结构,内容：经典控制理论建模、分析、综合范围：线性定常SISO系统包括连续与离散与非线性系统重点：基本概念、基本理论、基本方法,高等数学微分方程、拉氏变换、傅立叶变换及复变函数等电路电路理论及运算方法、暂态过程分析电子技术运算放大器元件及参数计算电机工作原理及机械特

10、性,需要复习的内容,基本要求,通过学习本课程，获得自动控制系统的基本概念和基本理论；掌握分析自动控制系统或过程控制系统的基本方法。,一、人工控制与自动控制人工控制的恒值水位系统,实际水位,要求水位,手,眼睛,大脑,图1-1人工控制的恒值水位系统,第二节自动控制的基本概念,操作步骤：测量，求误差，控制缺点：控制精度不高；控制过程快，人的反应不适应；环境恶劣，如高温、放射性等,简单的水位自动控制系统,图1-2简单的水位自动控制系统,控制步骤：（1）用连杆的高度标定好水位的期望值；（2）浮子检测水位误差，并通过杠杆作用于进水阀，产生控制作用；（3）按减小误差的方向控制水阀门的开度,缺点：当出水量大时

11、，系统将保持较低的水位,图1-3较完善的水位自动控制系统,较完善的水位自动控制系统,比较环节，信号汇聚点,方块图（方框图，结构图）,画方块图的步骤：（1）找出参考输入、输出和被控对象；（2）逐个连接其他元部件,二、开环控制系统,定义：开环控制系统指控制装置与被控对象之间只有正方向作用而没有反向联系的控制过程。如交通指挥的红绿灯转换，自动生产线等。,特点：（1）输出不影响输入，对输出不需测量，易实现；（2）元部件精度高，系统精度才能高；（3）当存在较大干扰时，不易实现。,二、开环控制系统,图1-4直流电动机转速开环控制系统,直流电动机转速开环控制系统,图1-5直流电动机转速开环控制系统方块图,直

12、流电动机转速开环控制系统方块图,从给定量到输出量一一对应，信号单向精度低无抗扰能力结构简单,三、闭环控制系统,开环控制系统,反馈：把取出的输出量送回输入端，并与输入信号相比较产生偏差信号的过程，称为反馈。若反馈的信号与输入信号相减，使产生的偏差越来越小，则称为负反馈；反之，则称为正反馈。,定义：闭环系统指控制装置与控制对象之间既有正方向的作用，又有反方向联系的控制过程。,图1-直流电动机转速闭环控制系统,直流电动机转速闭环控制系统,Mc,图1-7直流电动机转速闭环控制系统方块图,直流电动机转速闭环控制系统方块图,抗干扰消灭，减少静差,闭环控制系统（反馈控制系统）,采用反馈结构由偏差产生控制作用

13、控制目的是减少或消除偏差,四、自动控制系统的特征和定义特征,一个带有反馈装置的动力学系统。系统能自动而连续地测量被控制量，并求出偏差，进而根据偏差的大小和正负极性进行控制，而控制的目地是力图减少或消除所存在的偏差。,自动控制系统定义,图1-8典型自动控制系统的方块图,第三节自动控制系统的组成一、基本组成部分,系统：输入信号：输出信号：反馈信号：偏差信号：误差信号：扰动信号：,二、自动控制系统中常用的名词术语,由被控对象和自动控制装置按一定方式连接起来的，以完成某种自动控制任务的有机整体。,控制着输出量变化规律的指令信号。,被控对象中要求按一定规律变化的物理量。,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，有主反馈和局部反馈之分。,参考输入与主反馈信号之差，简称偏差。,系统输出量的实际值与期望值之差，简称误差。,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，分为内部扰动和外部扰动。,一、按输入信号的特征分类恒值控制系统（恒值调节系统，自动调节系统）程序控制系统随动系统（伺服系统）二、按描述元件的动态方程分类线性系统非线性系统三、按信号的传递是否连续分类连续系统离散系统四、按系统的参数是否随时间而变化分类定常系统时变系统,第四节自动控制系统的分类,一、蒸汽机转速自动控制系统,n,n,n1,图1-9蒸汽机转速自动控制系统