自动控制系统基本知识.ppt

1、自动控制系统基础知识，介绍，自动控制学科由自动控制技术和自动控制理论组成。什么是自动控制？它被称为自动控制，使机器、设备和生产过程按照预定的规则运行，并在没有人直接参与的情况下完成所需的任务。近几十年来，自动控制技术发展迅速，已广泛应用于工农业生产、交通运输、国防建设、设施、航空航天等领域。例如，人造地球卫星的成功发射及其安全返回。导弹精确命中目标，雷达系统精确跟踪目标；运输系统：安全、快速、舒适、准时，钢铁生产，制造系统：数控机床，加工线，自动码垛机器人，自动包装机器人，家用电器：电风扇：控制转速，冰箱，空调，电饭煲：控制温度，洗衣机：控制水位，强度，时间等。智能建筑：通讯、电梯、供水、通风

2、、空调和安全抄表。行走、吹笛子、足球比赛、其他机器人：应用领域：自动控制、军事工业、航天制造业、机器人加工、工业电子工业、家用电器运输系统、建筑系统、经济系统、社会系统、钢铁、石化、造纸、制药等。控制无处不在！随着生产和科学技术的发展，自动控制技术已经渗透到各个学科，成为推动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，为了使炮自动跟踪并击中飞行目标，炮身必须根据指挥员的命令改变方位角和俯仰角；要把几吨重的人造卫星送入数百公里高度的轨道，使它们携带的各种仪器能够长期使用并精确工作，就必须保持卫星的正确姿态，使其太阳能电池始终面向太阳，无线

3、电发射天线始终指向地球；为了使数控机床能够加工高精度工件，有必要保证工作台或刀架的进给速度根据程序指令的设定值准确变化；如果你想让船安全平稳地航行，你必须根据领航员的命令改变尾舵的方向；所有这些都基于高级自动控制技术。为了使炼钢炉提供高质量的产品，必须严格控制炉温等。随着自动控制技术的广泛应用和快速发展，出现了许多新的问题，需要从理论上加以解决。自动控制理论是在解决这些实际技术问题的过程中逐渐形成和发展起来的。它是研究自动控制技术的基础理论，也是研究自动控制一般规律的技术科学。根据其发展的不同阶段，自动控制理论可以分为两个部分：经典控制理论和现代控制理论。经典控制理论，即自动控制原理，是20世

4、纪40年代至50年代形成的一门独立学科。早期控制，自动控制理论的发展，系统比较简单，只要列出微分方程并求解，就可以用时域方法分析它们的性能。第二次世界大战前后，由于生产和军事的需要，各国都大力发展新武器，出现了更复杂的控制系统，通常用高阶微分方程来描述。由于求解高阶微分方程的困难，各种控制系统的理论研究和分析方法应运而生。1932年，当奈奎斯特研究负反馈放大器时，他建立了一个著名的稳定性判据，并提出了稳定裕度的概念。在此基础上，1945年，博德提出了一种分析控制系统的图解法，即频率法，将研究控制系统的方法从最初的时域分析改为频域分析。然后，在1948年，埃文斯创造了另一种图解法，著名的根轨迹法

5、。回到1877年20世纪50年代中期，经典控制理论增加了非线性系统理论和离散控制理论，从而形成了一个完整的理论体系。经典控制理论的核心(频域法或复频域法)在20世纪40年代：传递函数，稳定性，稳定裕度等特点：图解法，直观简单，设定参数少，(控制结构简单，性能相对令人满意)适用范围：单输入单输出(SISO)系统数学基础：复变函数，积分变换，SISO :单输入单输出，自20世纪50年代以来，由于空间技术的发展， 各种高速、高性能飞机相继出现，要求对多变量、非线性、时变和自适应控制问题进行高精度处理，现代控制理论形成于20世纪60年代初。 现代控制理论的基础是庞特里亚金在1956年提出最大值原理，贝

6、尔曼在1957年提出动态规划，卡尔曼在1960年提出最优滤波理论和状态空间方法的应用。从20世纪60年代到40多年，现代控制理论取得了长足的进步，形成了几个学科分支，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。现代控制理论(状态空间法)的核心在20世纪60年代和70年代：状态变量的可控性和可观性，系统性能的优化特性：时域法，统一处理SISO和多输入多输出系统，完整的理论系统数学基础：线性代数，矩阵理论缺点：对系统数学模型的精度要求高，实际性能不能达到最优设计，所需的状态反馈难以直接实现。Mimo :多输入多输出，20世纪70年代各种新的控制理论，多变量频域控制理论经典

7、SISOMIMO；鲁棒控制是一种全新的基于互质分解的频域优化理论，它能够在系统存在模型误差或扰动时保持良好的性能。鲁棒控制是使系统具有良好鲁棒性的控制。在20世纪70年代，许多新的控制理论，智能控制系统，都具有拟人智能(学习、记忆、判断、推理等)。)。被控系统，如大系统控制和复杂系统控制，具有高维、强相关、多约束、多目标、不确定、离散、非线性、大时滞、建模困难等特点。自动控制理论的发展指导了控制技术的应用，并进一步完善了控制技术。随着科学技术的发展，自动控制技术和理论已经广泛应用于机械、冶金、石油、化工、电子、电力、航空、航海、航天、核反应等各个学科。近年来，控制科学的应用范围已经扩展到生物学

8、、医学、环境、经济管理和社会生活的许多其他领域，并促进了各个学科之间的相互渗透。毫不夸张地说，自动控制技术和理论已经成为现代社会不可或缺的一部分。自动控制技术的应用不仅使生产过程自动化，从而提高劳动生产率和生活质量，降低生产成本，增加经济效益，改善劳动条件，而且对征服自然、探索新能源、发展空间技术和创造人类文明具有重要意义。作为现代工程师和科学家，他们必须具备一定的自动控制理论基础知识。第1章自动控制简介1。2自动控制的基本原理1。3自动控制系统的分类1。4自动控制理论概述，主要内容，1。自动控制的基本原理。概念：自动控制、受控对象、控制器、受控量等。3.自动控制的基本模式和自动控制系统的分类

9、。根据系统原理5绘制框图的方法。控制系统的基本要求。典型输入信号，1.2.1自动控制的基本概念1。手动控制：控制系统可以手动或自动控制。图11是手动水位控制的示意图，如图11所示，水位维持系统。1。2自动控制的基本原理，如果要求在随机出水的情况下保持水位不变，操作人员应首先测量实际水位，并将其与头脑中要求的水位进行比较。如果低于要求的水位，必须打开进水阀。否则，应关闭进水阀。如果它们完全相等，入口阀将不会移动。手动控制(续)。根据系统原理图，可以画出其框图，如图12所示。图12水位手动控制系统框图，手动控制(续)；2.自动控制：如果使用自动控制装置而不是操作员，实际水位由浮子测量，并与所需水位

10、进行比较。然后获得偏差，然后由调节元件根据偏差的大小、正负产生控制信号。最后，执行器根据信号产生控制动作。如图1-3所示。图13是自动水位控制系统的示意图。这里，浮子测量水位，并与电位计进行比较。当浮子低时，电位器得到正电压，放大后，电机向打开进水阀的方向转动；相反，当浮子高时，电位计上获得负电压，电机向关阀方向转动；如果水位刚好，电位计上的电压为零，电机不转动，阀门不移动。图14水位自动控制系统框图，自动控制(续)，3。控制系统中的常用术语：(1)自动控制使整个生产过程或工作机械按照预定的规则自动运行，或使某些参数根据需要改变，而不需要人的直接参与。(2)添加到控制设备的设备或装置也称为控制

11、器。(3)受控对象受控机器或对象。(4)受控量是表示受控对象工作状态的物理参数，也称为输出量。(4)给定数量要求受控数量保持的值。也称为输入量或参考输入。(5)干扰系统的不期望的外部作用也称为干扰输入。例如，水位自动控制系统：图13水位自动控制系统示意图，干扰信号，测量元件，输出，被控对象，比较元件，(8)自动控制系统：由被控对象和控制器按一定方式连接起来，完成一定自动控制任务的整体系统。如图15所示。(6)反馈量：从系统输出端取出并送回系统输入端的信号。反馈可分为主反馈和局部反馈。(7)偏差：给定量和主反馈信号之间的差异。自动控制的任务是利用控制器操纵被控对象，使被控量根据技术要求而变化。如

12、果r(t)给定，c(t)受控，自控任务的数学表达式为：使受控量满足c(t) r(t)。自动控制系统的组成如图1-6所示。1.2.2自动控制系统的基本组成，给定要素：其功能是给出与预期控制量相对应的系统输入。通常是电位计。比较元素：其功能是将被控量的实测值与给定元素给出的输入量进行比较，找出两者之间的偏差。常用的有差动放大器、机械差动装置、桥式电路、计算机等等。测量元件：其功能是检测被控量的物理量。如转速表、热电偶、同步机、电位计、分解器、浮子等。基本组成(续)，放大器：其功能是放大比较元件给出的偏差信号，用于驱动执行器控制被控对象。例如由晶体管、集成电路和晶闸管组成的电压和功率放大器。执行元件

13、：其功能是直接推动被控对象改变其被控量。例如阀门、马达和液压马达。自动控制系统的基本组成(续)、特点：从信号传输的角度基本组成(续)，1.2.3自动控制的基本模式，1。开环控制系统：定义：在开环控制控制器和被控对象之间只有正向动作而没有反向连接的控制过程。特点：被控变量对系统的控制功能没有影响，c(t)需要控制，但只测量r(t)。图17开环DC调速系统和开环控制系统(续)。3.例如，DC电机的开环调速系统如图17所示。在给定电压被放大后，得到电枢电压ua，从而控制转速N。然而，当负载改变(扰动量)时，它将改变N，即使ug不变，N也将改变。ua(ug)与N的关系不准确，抗干扰能力差。很难保证系统的控制精度，并且很少使