自动控制原理简明教程1 控制系统导论.ppt

1、自动控制原理,韩学礼 宇航学院力学系 中关村中教136房间，良乡理科楼A106基础力学办公室,1,Principles of Automatic Control,自动控制原理：研究自动控制共同规律的技术科学 自动控制原理研究分析、设计自动控制系统的基本方法。 自动化学科的重要理论基础,引 言,控制论： 经典控制理论 现代控制理论（智能控制理论） 二十世纪三项科学革命： 控制论、量子论、相对论,自动控制是一门基础性的技术学科，从方法论的角度来研究系统的建立、分析与设计。,课程的性质和特点,1、自动控制理论的基础课程，该课程与其它课程的关系。,3,课程的性质和特点,2、已经发展为理论严密、系统完整

2、、逻辑性很强的一门学科。 已从基本反馈控制原理发展到：自适应控制、优化控制、鲁棒控制、大系统控制、智能控制 研究的对象：因果系统、工程系统 系统的广义性：经济、社会、工程、生物、环境、医学,4,自动化技术几乎渗透到国民经济的各个领域及社会生活的各个方面，是当代发展最迅速、应用最广泛、最引人注目的高科技，是推动新的技术革命和新的产业革命的关键技术，在某种程度上说，自动化是现代化的同义词。自动控制原理研究分析、设计自动控制系统的基本方法。,主要内容：自动控制的一般概念、 物理系统的数学模型、 控制系统的一般分析方法、系统的设计或校正、 线性离散系统的初步知识,频域法,时域分析法、 根轨迹法、 频域

3、分析法,课程的性质和特点,自动控制是一门基础性的技术学科，从方法论的角度来研究系统的建立、分析与设计。经典（古典），现代。,特点：研究系统的共性问题,5,自动控制课程的主要任务,本课程的主要内容是阐述构成、分析和设计自动控制系统的基本理论。对实际系统,建立研究问题的数学模型,进而利用所建立的数学模型来讨论构成、分析、综合自动控制系统的基本理论和方法。,作为研究自动控制系统的分析与综合的方法来说,对单输入单输出系统常采用的是时域法,频域法,根轨迹法以及目前广泛应用的计算机辅助设计。,参考书目： 自动控制原理胡寿松主编，科学出版社 自动控制原理习题解析（第二版）胡寿松主编，科学出版社 自动控制原理

4、（双语教材）摆玉龙主编，清华大学出版社,教材：自动控制原理简明教材 （第二版） ，胡寿松主编,教材和参考文献,7,第一章 控制系统导论第二章 控制系统的数学模型第三章 线性系统的时域分析法第四章 线性系统的根轨迹法第五章 线性系统的频域分析法第六章 线性系统的校正方法第七章 线性离散系统分析第八章 非线性控制系统分析第九章 线性系统的状态空间分析与综合,8,课程内容,第一章 控制系统导论,1.1 自动控制的基本原理 1.2 自动控制系统示例 1.3 自动控制系统的分类 1.4 对自动控制系统的基本要求 1.5 自动控制系统的分析与设计工具,9,是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置

5、（称控制装置或控制器），使机器、设备或生产过程（统称被控对象）的某个工作状态或参数（即被控量）自动地按照预定的规律运行。 如化学反应炉自动维持温度或压力的恒定；数控机床按照预定程序自动切削工件；导弹自动跟踪锁定的目标；人造卫星的准确地进入预定轨道运行等，这一切自动控制技术的应用为前提的。,1.1 自动控制的基本原理,1. 自动控制技术及其应用,自动控制,10,1.1 自动控制的基本原理,能够实现自动控制任务的系统，由控制器与控制对象组成。如：数控加工中心、焊接机器人、温度控制系统等。,自动控制系统,自动控制理论,11,是研究自动控制共同规律的技术科学。 自动控制原理研究分析、设计自动控制系统的

6、基本方法。,1.1 自动控制的基本原理,2. 自动控制理论发展概述,12,中国古代自动化方面的成就： 公元前14世纪至前11世纪，中国、埃及和巴比伦出现自动计时漏壶； 公元130年，张衡发明水运浑象，132年研制出自动测量地震的候风地动仪；,13,公元235年，马钧研制出用齿轮传动自动指示方向的指南车，类似按扰动补偿的自控系统；,14,中国古代自动化方面的辉煌成就： 公元725年，一行、梁令瓒发明有自动报时机构的水运浑象，其中使用了一个天衡装置，是一个按被调量偏差调节的自动调节器； 公元1086-1092年，苏颂和韩公廉建造具有“天衡”自动调节和自动报时机构的水运仪象台； 公元l135年，宋代

7、王普记述“莲华漏”上使用浮子阀门式机构自动调节漏壶的水位； 公元1637年，明代的天工开物一书中记载有程序控制思想的提花织机结构图。,1.1 自动控制的基本原理,15,飞球调节器 世界上公认的第一个自动控制系统,世界上公认的第一个自动控制系统,18世纪，James Watt 为控制蒸汽机速度设计的离心调节器，是自动控制领域的第一项重大成果。,16,没有理论指导使控制技术停滞了一个世纪！,飞球调节器有时使蒸汽机速度出现大幅度振荡。其它自动控制系统也有类似现象。 由于当时还没有自控理论，所以不能从理论上解释这一现象。为了解决这个问题，盲目探索了大约一个世纪之久。,17,自动控制理论的开端,1868

8、年英国麦克斯韦尔的“论调速器”论文指出： 不应单独研究飞球调节器，必须从整个系统分析控制的不稳定。 建立系统微分方程，分析微分方程解的稳定性，从而分析实际系统是否会出现不稳定现象。 麦克斯韦尔的这篇著名论文被公认为自动控制理论的开端。,18,经典控制理论的孕育 1875年，英国劳斯提出代数稳定判据。 1895年，德国赫尔维兹提出代数稳定判据。 1892年，俄国李雅普诺夫提出稳定性定义和两个稳定判据。 1932年，美国奈奎斯特提出奈氏稳定判据。 二战中自动火炮、雷达、飞机以及通讯系统的控制研究直接推动了经典控制的发展。,经典控制理论的形成 1948年，维纳出版控制论，形成完整的经典控制理论，标志

9、控制学科的诞生。 维纳成为控制论的创始人！ 维纳控制论是关于怎样把机械元件和电气元件组合成稳定的并且具有特定性能的系统的科学。这门新科学的一个非常突出的特点就是完全不考虑能量、热量和效率等因素。 控制论所讨论的主要问题是一个系统的各个不同部分之间的相互作用的定性性质，以及整个系统的总体运动状态。,经典控制理论(古典控制理论),以传递函数为基础，研究单输入-单输出定常控制系统的分析与设计问题： 线性控制系统分析：时域分析、稳定性与稳态误差分析、根轨迹分析、频域分析。 非线性控制系统分析：相平面分析、描述函数分析。 （连续控制系统、离散控制系统）,经典控制理论的模型方法,空间技术促使现代控制理论的

10、产生 现代控制理论促进了空间技术的发展,经典控制理论只适用于单输入单输出线性定常系统，有局限性；二次世界大战结束后，各国大力发展空间技术，经典控制理论不能满足需要，需要研究新的控制理论。 现代控制理论以状态空间分析法为基础，研究多输入-多输出时变、非线性、高精度、高效能控制系统的分析与设计问题。（自适应控制、最优控制、鲁棒控制、最佳估计、容错控制、系统辨识、集散控制、大系统复杂系统） 现代控制理论在空间技术取得巨大成功，促进了空间技术的发展。,现代控制理论的模型方法,24,从现代控制理论到智能控制技术的诞生,现代控制理论在空间技术取得巨大成功。但由于工业过程控制中普遍存在的不确定性和干扰，难以

11、取得预期的效果。模拟人的控制技术智能控制，虽然不能实现精确的控制，但对各种复杂系统能够做到比较满意的控制。 智能控制是人工智能在控制上的应用。其方法包括学习控制、模糊控制、神经网络控制和专家控制等。,1. 胚胎萌芽期（1945年以前） 2. 经典控制理论时期（1940-1960） 主要内容：对单输入单输出系统进行分析， 采用时域分析法、频率法、 根轨迹法、相平面法、 描述函数法； 讨论系统稳定性的代数和几何判据以及校正网络等。,分为四个阶段,1.1 自动控制的基本原理,25,2. 自动控制理论发展概述,3. 现代控制理论时期（50年代末-60年代初） 空间技术的发展提出了许多复杂控制问题，用于

12、导弹、人造卫星和宇宙飞船上, 卡门的 “控制系统的一般理论”奠定了现代控制理论的基础。解决多输入、多输出、时变参数、高精度复杂系统的控制问题。,1.1 自动控制的基本原理,26,2. 自动控制理论发展概述,专家系统、模糊控制、神经网络、预测控制,1.1 自动控制的基本原理,发展方向：智能控制技术,27,2. 自动控制理论发展概述,4. 大系统和智能控制时期 （70年代） 各学科相互渗透，要分析的系统越来越大，越 来越复杂。例人工智能、模拟人的人脑功能、机器人等。,自动控制成为一门科学是从1945发展起来的。 开始多用于工业：压力、温度、流量、位移、湿度、粘度自动控制 后来进入军事领域：飞机自动

13、驾驶、火炮自动跟踪、导弹、卫星、宇宙飞船自动控制 目前渗透到更多领域：大系统、交通管理、图书管理等 生物学系统：生物控制论、波斯顿假肢、人造器官 经济系统：模拟经济管理过程、经济控制论,1.1 自动控制的基本原理,2. 自动控制理论发展概述,自动控制技术的应用,美国MIT的Servomechanism Laboratory研制出第一台数控机床(1952)。,29,美国George Devol研制出第一台工业机器人样机(1954)。,30,中国批准863高技术计划，包括自动化领域的计算机集成制造系统和智能机器人两个主题(1986)。,31,日本SONY公司二足步行机械人SDR-4X(2002),

14、日本安川公司娱乐机械狗(2001),32,世界第一颗人造地球卫星(Sputnik)由前苏联发射成功(1957)。,33,前苏联东方-号飞船载着加加林进入人造地球卫星轨道，人类宇航时代开始了(1961)。,34,前苏联发射“月球”9号探测器，首次在月面软着陆成功(1966)，三年后(1969)，美国“阿波罗”11号把宇航员N. A. Armstrong 送上月球。,35,第一台火星探测器Sojourner在火星表面软着陆(1996)。,旅行者Voyager 一号，二号开始走出太阳系，对茫茫太空进行探索。,36,现代化的化工厂,37,3. 反馈控制原理,人取物,眼睛,大脑,手臂、手,眼睛,输出量,

15、手位置,输入信号,物体位置,38,反馈控制实例,动态过程 观测恒温箱内的温度（被控制量） 与要求的温度（给定值）进行比较得到温度偏差的大小和方向 根据偏差大小和方向调节调压器，控制加热电阻丝的电流以调节温度回复到要求值。,实质检测偏差再纠正偏差。,人工控制恒温箱,39,3. 反馈控制原理,实例（示意图）,温度偏差信号经电压、功率放大后，用以驱动执行电动机，并通过传动机构拖动调压器动触头。 当温度偏高时，动触头向减小电流的方向运动，反之加大电流，直到温度达到给定值为止，此时，偏差u=0,电机停止转动。 实质 检测偏差，纠正偏差。,动态过程,恒温箱自动控制系统,40,3. 反馈控制原理,实例（示意

16、图）,人工（手动）控制： （1）对象：储液系统 （2）目标：液位 （3）眼睛：观察液位变化 （4）大脑：分析、比较、判断 （5）手/脚：动作执行,人工控制水位系统,水位自动控制： （1）对象：储液系统 （2）目标：液位 （3）传感器：检测液位变化 （4）控制器：控制功能 （5）执行器：完成控制动作,水位自动控制系统：,控制原理框图（控制理念）,控制对象：要求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。 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。 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。 扰动量：破坏系统输入量和

17、输出量之间预定规律的信号。,常用名词术语,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。若是从系统输出端到系统输入端，这种反馈称为主反馈；而其他反馈称为局部反馈。 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。 前向通道：系统的给定量端（输入）到被控量端（输出）所经过的通路。 偏差：给定量与反馈量之差。 误差：系统输出量的实际值与期望值之差。系统期望值是理想化系统的输出，实际中很难达到。在单位反馈情况下，期望值就是系统的给定量，则误差就等于偏差。,常用名词术语,45,将系统的输出信号引回输入端，与输入信号相比较，利用所得的偏差信号

18、进行控制，达到减小偏差、消除偏差的目的。 构成闭环控制系统的核心 闭环(反馈)控制系统的特点 (1) 系统内部存在反馈，信号流动构成闭回路； (2) 偏差起调节作用。,由于存在输出量反馈，使系统能在存在无法预计扰动的情况下，自动减少系统的输出量与参考输入量（或者任意变化的希望的状态）之间的偏差，故称之为反馈控制。,反馈本质测量偏差，利用偏差，减少（乃至消除）偏差,反馈控制原理,46,3. 反馈控制原理,反馈控制系统原理方框图,控制器,比较环节,输入量,偏差,测量值,输出量,控制量,扰动量,控制动作,广义对象,自动控制装置,(1) 测量元件：由传感器与反馈网络组合而成，测量被控制的物理量（如速度

19、）并将其转换为与给定量量纲相同的物理量（如测速发电机）。 (2) 给定元件：给出与期望的被控量相对应的系统输入量（即参据量）（如电位器）。 (3) 比较元件：将所检测的被控量实际值与给定元件给出的参据量进行比较，确定两者间的偏差。,4. 反馈控制系统的基本组成,控制装置由具有一定职能的各种基本元件组成：,48,(4) 放大元件：对微弱的偏差信号进行放大，以驱动执行元件。 (5) 执行元件：直接驱动被控对象，使其被控量发生变化（如阀、电动机、马达）。 (6) 校正元件（补偿元件）：用于改善控制系统的性能和品质。 (7) 被控对象：是指系统中被控制的设备或过程（如电机、电炉）。,49,4. 反馈控

20、制系统的基本组成,控制装置由具有一定职能的各种基本元件组成：,50,扰动,电源电压、温度、压力、负载的变化等等,4. 反馈控制系统的基本组成,控制装置由具有一定职能的各种基本元件组成：,反馈控制系统原理框图,51,5. 自动控制系统的基本控制方式,1. 反馈控制方式,若控制系统中信号除从输入端到输出端外,还有输出到输入的反馈信号,则构成闭环控制系统,也称反馈控制系统,如图所示。,反馈控制按偏差进行控制，自动产生相应的控制作用去减小或消除偏差，被控量期望值。 具有抑制内、外扰动的影响的能力，精度高 元件多、结构复杂、分析和设计比较麻烦。 自动控制理论的主要研究内容。,反馈控制系统原理框图,52,

21、5. 自动控制系统的基本控制方式,1. 反馈控制方式,信号流动由输入端到输出端单向流动。在控制器和被控对象之间只有正向控制而没有反馈控制，即系统的输出量对控制量没有影响。,53,2. 开环控制方式,开环控制系统原理框图,5. 自动控制系统的基本控制方式,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。,在控制器和被控对象之间只有正向控制而没有反馈控制，即系统的输出量对控制量没有影响。,54,2. 开环控制方式,开环温度控制系统,开环转速控制系统,5. 自动控制系统的基本控制方式,55,2. 开环控制方式,按扰动控制的开环控制系统，利用可测量的扰动量，产生补

22、偿作用，以减小或抵消扰动对输出量的影响，顺馈控制,直接从扰动获得信息 抗扰动性好，控制精度高 仅适用于扰动可测量,5. 自动控制系统的基本控制方式,复合控制系统原理框图,56,3. 复合控制方式,闭环控制与开环控制相结合的一种自动控制系统。在闭环控制的基础上，附加一个正馈通道，对干扰信号进行补偿，以达到精确的控制效果。,5. 自动控制系统的基本控制方式,57,3. 复合控制方式,5. 自动控制系统的基本控制方式,例：函数记录仪,58,1.2 自动控制示例,函数记录仪方框图,59,按系统结构分类 按系统输入信号分类 按系统数学模型分类 按系统参数特性分类 按系统时间变量特性分类 其他分类方法,6

23、0,1.3 自动控制系统的分类,自动控制系统的分类方法很多，从不同的角度对其进行分类。,1 开环控制系统 2 反馈控制系统 3 复合控制系统,1. 按系统结构分类,61,1.3 自动控制系统的分类,a 恒值控制系统 输入信号恒定，要求系统能够克服干扰的影响，使输出量在这一常值附近微小变化。 例：连续生产过程中的恒温、恒压、恒速等自动控制系统。,62,1.3 自动控制系统的分类,2. 按系统输入信号分类,b 随动控制系统（或称伺服控制系统） 系统的输入信号是一个未知的随时间任意变化的函数，要求输出量能够精确地跟随输入信号变化，称为随动控制系统。 随动控制系统中的被控量是机械位置或其导数时，称为伺

24、服控制系统。 例：函数记录仪、导弹自动跟踪系统等。,63,1.3 自动控制系统的分类,2. 按系统输入信号分类,c 程序控制系统 输入信号是某一已知的时间函数，要求系统按照该时间函数进行顺序操作。 例：数控机床按给定程序加工一个工件、家用洗衣机等。,64,1.3 自动控制系统的分类,2. 按系统输入信号分类,a 线性系统 系统的运动规律可以用一个或一组线性微分方程来描述。 线性系统的运动方程一般形式为 式中， r 为输入量，c 为被控量。,65,1.3 自动控制系统的分类,3. 按系统数学模型分类,性质：,是常数时，称为定常系统，时不变系统,随时间变化时，称为非定常系统，时不变系统,典型的非线

25、性特性,66,1.3 自动控制系统的分类,3. 按系统数学模型分类,b 非线性系统 系统某一环节具有非线性特性，不满足叠加原理。 典型的非线性特性：继电器特性、死区特性、饱和特性、间隙特性等。,67,1.3 自动控制系统的分类,4. 按系统参数特性分类,a 定常系统 系统参数在系统运行过程中相对于时间是不变的。许多物理系统在所观察的时间范围内，可以认为参数是定常的，它的微小变化可以忽略不计。 b 时变系统 系统中的参数是时间的函数。在工程上的大部分系统属于这类系统。,采样控制系统方框图,68,1.3 自动控制系统的分类,5. 按系统时间变量特性分类,a 连续时间系统 控制系统各环节的输入量和输

26、出量均为时间的连续函数。 例：工业生产中普遍采用的常规仪表控制系统。 b 离散时间系统 控制系统中有一处或一处以上的信号是脉冲序列或数字编码 ，又称为采样控制系统。,计算机控制系统方框图,69,1.3 自动控制系统的分类,5. 按系统时间变量特性分类,随着数字计算机技术的飞速发展，计算机作为控制器已经广泛引入控制系统中。计算机控制系统就是通过A/D转换器，将采样信号转换为数字信号进行运算、处理，得到的结果再经过D/A转换器转换为模拟信号，用以驱动执行机构。,按控制系统的输入、输出数量分类,单入-单出 SISO（Single Input Single Output） 例： 电加热炉温度控制系统,

27、多入-多出 MIMO（Multiple -） 例： 锅炉燃烧控制系统,70,1.3 自动控制系统的分类,6. 其他分类方法,71,1.3 自动控制系统的分类,6. 其他分类方法,按控制系统的功能分类， 有温度控制系统、位置控制系统、速度控制系统等； 按组成系统的部件分类， 有机械系统、电力系统、液压系统等； 按控制理论分类， 有 PID 控制系统、最优控制系统、预测控制系统、模糊控制系统等。,对于线性定常系统，性能指标主要包括三个方面内容：稳定性、快速性、准确性。,即：稳（基本要求） 准（稳态要求） 快（动态要求）,72,1.4 自动控制系统的基本要求,1. 基本要求的提法,a. 稳定性 一个控制系统能正常工作的首要条件，不稳定的系统不能实现预定任务。 稳定系统：当系统受到外部干扰后，输出会偏离正常工作状态，但是当干扰消失后，系统能够回复到原来的工作状态，系统的输出不产生上述等幅振荡、发散振荡或单调增长运动。,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。 对随动系统，被控制量始终跟踪参据量的变化。 线性系统的稳定性由系统的结构决定，与外界因素无关。,73,1.4 自动控制系统的基本要求,1. 基本要求的提法,b. 快速性 对过渡过程的形式和