第1讲 自动控制的一般概念.ppt

1、第一章 自动控制的一般概念,1.1 自动控制系统的组成、分类和发展 1.2 术语 1.3 闭环控制和开环控制 1.4 自动控制系统的分类 1.5 对自动控制系统的基本要求 1.6 典型外作用,1.1 自动控制系统的组成、分类和发展,开环系统,例：直流电动机调速系统,优点：简单 缺点：对扰动没有抑制能力,反映了控制量与被控制量相互间的矛盾,动静性能得到提高。,闭环系统：,负反馈：构成按偏差调节的闭环系统,按偏差调节：nub( ug-ub)ud n,例：直流电动机调速系统,控制量：ud = K (ug-ub) 偏差信号：ug-ub,1 经典控制理论 4050年代形成 SISO系统 基于：二战军工技

2、术 目标：反馈控制系统 基本方法：传递函数，频率法，PID调节器 (频域),2 现代控制理论 6070年代形成 MIMO系统 基于： 冷战时期空间技术，计算机技术 目标：最优控制 基本方法：状态方程 （时域）,控制理论的发展：（工业控制理论）,3 智能控制技术 90年代开始发展 专家系统 模糊控制 神经网络,4 正在发展的各个领域 自适应控制 大系统理论 H鲁棒控制 非线性控制（微分几何，混沌，变结构）,1.2 术语,自动控制 对象 过程 系统 扰动 反馈控制 反馈控制系统 随动系统 自动调整系统 过程控制系统,1 自动控制 在无人直接参与的情况下，通过控制器使被控对象或过程自动地按照预定要求

3、进行。,2 对象 是一个设备，它是由一些机器零件有机地组合在一起的，其作用是完成一个特定的动作。在下面的讨论中，称任何被控物体（如加热炉、化学反应器或宇宙飞船）为对象。,3 过程 称任何被控制的运行状态为过程，其具体例子如化学过程、经济学过程、生物学过程。,4 系统 完成一定任务的一些元、部件的组合。,5 扰动,6 反馈控制,扰动是一种对系统的输出产生不利影响的信号。如果扰动产生在系统内部称为内扰；扰动产生在系统外部，则称为外扰。外扰是系统的输入量。,反馈控制是这样一种控制过程，它能够在存在扰动的情况下，力图减小系统的输出量与参考输入量（也称参据量）（或者任意变化的希望的状态）之间的偏差，而且

4、其工作正是基于这一偏差基础之上的。,8 随动系统,9 过程控制,在工业生产过程中，诸如对压力、温度、湿度、流量、频率以及原料、燃料成分比例等方面的控制，称为过程控制。,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。,1.3 闭环控制与开环控制,反馈控制系统 开环控制系统 闭环与开环控制系统的比较,1.3.1 反馈控制系统,1 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，

5、则称为正反馈。,能对输入量与输出量进行比较，并且将它们的偏差作为控制手段，以保持两者之间预定关系的系统，称为反馈控制系统。由于引入了被反馈量的反馈信息，整个控制过程成为闭合的，因此反馈控制也称为闭环控制。,2 反馈控制系统,3 闭环控制 输入信号和反馈信号（反馈信号可以是输出信号本身，也可以是输出信号的函数或导数）之差，称为误差信号，误差信号加到控制器上，以减小系统的误差，并使系统的输出量趋于所希望的值，换句话说，“闭环”这个术语的涵义，就是应用反馈作用来减小系统的误差。,1.3.2 反馈控制系统的基本组成,被控对象 控制装置(由具有一定职能的各种基本元件组成 ) 测量元件：其职能是测量被控制

6、的物理量; 给定元件：其职能是给出与期望的被控量相对应的系统输入量（即参据量）。 比较元件：把测量元件检测的被控量实际值与给定元件给出的参据量进行比较，求出它们之间的偏差。 放大元件：将比较元件给出的偏差进行放大，用来推动执行元件去控制被控对象。 执行元件：直接推动被控对象，使其被控量发生变化。 校正元件：亦称补偿元件，它是结构或参数便于调整的元件，用串联或反馈的方式连接在系统中，以改善系统性能。,用“”号代表比较元件，“”号代表两者符号相反，“+”号代表两者符号相同。信号沿箭头方向从输入端到达输出端的传输通路称前向通路；系统输出量经测量元件反馈到输入端的传输通路称主反馈通路。前向通路与主反馈

7、通路共同构成主回路。此外，还有局部反馈通路以及由它构成的内回路。,这种控制方式特点：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。,1.3.3 开环控制系统,定义,如果系统的输出量与输入量间不存在反馈的通道，这种控制方式称为开环控制系统。,信号由给定值至被控量单向传递。这种控制较简单,但

8、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。,1.3.4 闭环与开环控制系统的比较,闭环控制系统的特点 偏差控制，可以抑制内、外扰动对被控制量产生的影响。精度高、结构复杂，设计、分析麻烦。,开环控制系统的特点 顺向作用，没有反向的联系，没有修正偏差能力，抗扰动性较差。结构简单、调整方便、成本低。,1.4 自动控制系统的分类,开环控制 闭环控制(反馈控制) 复合控制,按控制方式分,机械系统恒张力系统 电

9、气系统 机电系统全自动照相机，光机 电结合 液压系统伺服液压缸，汽车发动机，大型的仿真模拟台 气动系统 生物系统,按 元 件 类 型 分,按系统功用分,温度控制系统,压力控制系统,位置控制系统, ,线性系统,非线性系统,连续系统,定常系统,时变系统,离散系统,按系统性能分,恒值控制系统,随动系统,程序控制系统,按参据量变化规律分,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。稳定性，通常由系统的结构决定与外界因素无关。,1.5 对自动控制系统的基本

10、要求,1.5.1对自动控制系统性能的基本要求,可以归结为稳定性（长期稳定性）、准确性（精度）和快速性（相对稳定性）。,稳,准,快,准确性： 用稳态误差来表示。 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。,快速性： 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。,应用1,图I是一个液位控制系统原理图。在这里，自动控制器通过比较实际液位与希望液位，并通过调整气动阀门的开度，对误差进

11、行修正，从而保持液位不变。,控制器：比较、放大的作用 浮子：液面高度的反馈元件 Q2为系统的干扰量 气动阀门：执行机构 被控对象：水箱,图III是该控制系统相应的人工操纵液位控制系统方块图。,温度控制系统,应用2,硬磁盘中的磁头位置控制系统,应用3,对于一个实际系统其输入信号往往是比较复杂的,而系统的输出响应又与输入信号类型有关。因此,在研究自动控制系统的响应时,往往选择一些典型输入信号,并且以最不利的信号作为系统的输入信号,分析系统在此输入信号下所得到的输出响应是否满足要求。估计系统在比较复杂信号作用下的性能指标。,常采用的典型输入信号有：,1.6.1 阶跃函数,它的数学表达式为：,1.6

12、典型外作用,它表示一个在时出现的，幅值为A的阶跃变化函数，如图所示。在实际系统中，如负荷突然增大或减小，流量阀突然开大或关小均可以近似看成阶跃函数的形式。,A=1的函数称为单位阶跃函数，记作1(t)。因此，幅值为A的阶跃函数也可表示为,出现在 时刻的阶跃函数，表示为,1.6.2 斜坡函数（等速度函数）,它的数学表达式为,斜坡函数从t =0时刻开始，随时间以恒定速度增加。如图所示。A=1时斜坡函数称作单位斜坡函数。,斜坡函数等于阶跃函数对时间的积分，反之，阶跃函数等于斜坡函数对时间的导数。,它的数学表达式为,曲线如图所示。当A=1时，称为单位抛物线函数。抛物线函数是斜坡函数对时间的积分。,1.6.3 抛物线函数（等加速度函数）,1.6.4 脉冲函数,它的曲线如图所示，数学表达式为,其面积为A。即,面积A表示