自動控制原理第一章.ppt

1、自動控制原理,第一章,自動控制的一般概念,1.1 引言,1.3閉環(huán)控制和開環(huán)控制,1.2自動控制系統(tǒng)示例,1.4自動控制系統(tǒng)的分類,1.5對自動控制系統(tǒng)的基本要求,歷史的回顧,指 南 車 復(fù) 原 模 型,1.1 引言,指南車是中國古代用來指示方向的一種具有能自動離合的齒輪系裝置的車輛。,其結(jié)構(gòu)為馬拉的雙輪獨轅車，車箱上立一個伸臂的木人。車箱內(nèi)裝有能自動離合的齒輪系。,當(dāng)車子轉(zhuǎn)彎偏離正南方向時車轅前端就順此方向移動，而后端則向反方向移動，并將傳動齒輪放落，使車輪的傳動帶動木人下的大齒輪向相反方向轉(zhuǎn)動，恰好抵消車子轉(zhuǎn)彎產(chǎn)生的影響。,指南車 原理,18世紀(jì)，James Watt 為控制蒸汽機速度設(shè)計

2、的離心調(diào)節(jié)器，是自動控制領(lǐng)域的第一項重大成果。,1934年，Hezen提出了用于位置控制系統(tǒng)的伺服機構(gòu)的概念，討論了可以精確跟蹤變化的輸入信號的機電伺服機構(gòu)。,1932年，Nyquist提出了一種根據(jù)系統(tǒng)的開環(huán)頻率響應(yīng)(對穩(wěn)態(tài)正弦輸入)，確定閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定性的方法。,19世紀(jì)40年代，頻率響應(yīng)法為閉環(huán)控制系統(tǒng)提供了一種可行方法，Evans提出并完善了根軌跡法。,19世紀(jì)50年代末，控制系統(tǒng)設(shè)計問題的重點從設(shè)計許多可行系統(tǒng)中的一種系統(tǒng)，轉(zhuǎn)到設(shè)計在某種意義上的最佳系統(tǒng)。,20世紀(jì)60年代，數(shù)字計算機的出現(xiàn)為復(fù)雜系統(tǒng)的基于時域分析的現(xiàn)代控制理論提供了可能。,從1960年到1980，確定性系統(tǒng)、隨機系統(tǒng)

3、的最佳控制，及復(fù)雜系統(tǒng)的自適應(yīng)和學(xué)習(xí)控制，都得到充分的研究。,從1980年到現(xiàn)在，現(xiàn)代控制理論進(jìn)展集中于魯棒控制、H控制及其相關(guān)課題。,經(jīng)典控制理論 以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)，研究單輸入-單輸出一類定?？刂葡到y(tǒng)的分析與設(shè)計問題。這些理論由于其發(fā)展較早，現(xiàn)已臻成熟。,現(xiàn)代控制理論 以狀態(tài)空間法為基礎(chǔ)，研究多輸入-多輸出、時變、非線性一類控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計問題。系統(tǒng)具有高精度和高效能的特點。,自動控制原理中的一些術(shù)語,1 自動控制 在無人直接參與的情況下，通過控制器使被控對象或過程自動地按照預(yù)定要求進(jìn)行。,2 對象 是一個設(shè)備，它是由一些機器零件有機地組合在一起的，其作用是完成一個特定的動作。 在下面的

4、討論中，稱任何被控物體（如加熱爐、化學(xué)反應(yīng)器或宇宙飛船）為對象。,3 過程 稱任何被控制的運行狀態(tài)為過程，其具體例子如化學(xué)過程、經(jīng)濟學(xué)過程、生物學(xué)過程。,4 系統(tǒng) 完成一定任務(wù)的一些元、部件的組合。,5 擾動 擾動是一種對系統(tǒng)的輸出產(chǎn)生不利影響的信號。如果擾動產(chǎn)生在系統(tǒng)內(nèi)部稱為內(nèi)擾；擾動產(chǎn)生在系統(tǒng)外部，則稱為外擾。外擾是系統(tǒng)的輸入量之一。,反饋本質(zhì) 測量偏差，利用偏差，減少（乃至消除）偏差,6 反饋控制 反饋控制是這樣一種控制過程，它能夠在存在擾動的情況下，力圖減小系統(tǒng)的輸出量與參考輸入量（也稱參考量）（或者任意變化的希望的狀態(tài)）之間的偏差，而且其工作正是基于這一偏差基礎(chǔ)之上的。,應(yīng)當(dāng)指出，反

5、饋控制系統(tǒng)不限于工程范疇，在各種非工程范疇內(nèi)，諸如經(jīng)濟學(xué)和生物學(xué)中，也存在著反饋控制系統(tǒng)。,7 反饋控制系統(tǒng) 反饋控制系統(tǒng)是一種能對輸出量與參考輸入量進(jìn)行比較，并力圖保持兩者之間的既定關(guān)系的系統(tǒng)，它利用輸出量與輸入量的偏差來進(jìn)行控制。,8 隨動系統(tǒng) 隨動系統(tǒng)是一種反饋控制系統(tǒng)，在這種系統(tǒng)中，輸出量是機械位移、速度或者加速度。因此，隨動系統(tǒng)這個術(shù)語，與位置（或速度或加速度）控制系統(tǒng)是同義語。在現(xiàn)代工業(yè)中，廣泛采用著隨動系統(tǒng)。,9 過程控制 在工業(yè)生產(chǎn)過程中，諸如對壓力、溫度、濕度、流量、頻率以及原料、燃料成分比例等方面的控制，稱為過程控制。,1.2 自動控制系統(tǒng)示例,The Boeing 777

6、 fly-by-wire aircraft,The F-18 aircraft, one of the first production military fighters to use “fly-by-wire” technology.,現(xiàn)代化的化工廠,The Seagate Barracuda 36ES2 disk drive,熱力系統(tǒng)的人工反饋控制,熱力系統(tǒng)的自動反饋控制,1.3 開環(huán)控制與閉環(huán)控制,1.3.1 反饋控制系統(tǒng),1 反饋 負(fù)反饋與正反饋把取出的輸出量送回輸入端，并與輸入信號相比較產(chǎn)生偏差信號的過程，稱為反饋。若反饋的信號與輸入信號相減，使產(chǎn)生的偏差越來越小，則稱為負(fù)反饋；反

7、之，則稱為正反饋。,2 反饋控制系統(tǒng) 能對輸入量與輸出量進(jìn)行比較，并且將它們的偏差作為控制手段，以保持兩者之間預(yù)定關(guān)系的系統(tǒng)，稱為反饋控制系統(tǒng)。由于引入了被反饋量的反饋信息，整個控制過程成為閉合的，因此反饋控制也稱為閉環(huán)控制。,3 閉環(huán)控制 凡是系統(tǒng)輸出信號對控制作用有直接影響的系統(tǒng)，都稱為閉環(huán)系統(tǒng)。輸入信號和反饋信號（反饋信號可以是輸出信號本身，也可以是輸出信號的函數(shù)或?qū)?shù)）之差，稱為誤差信號，誤差信號加到控制器上，以減小系統(tǒng)的誤差，并使系統(tǒng)的輸出量趨于所希望的值，換句話說，“閉環(huán)”這個術(shù)語的涵義，就是應(yīng)用反饋作用來減小系統(tǒng)的誤差。,閉環(huán)控制系統(tǒng),1.3.2 反饋控制系統(tǒng)的基本組成, 被控對

8、象（或過程）,控制裝置 由具有一定職能的各種基本元件組成：,測量元件：其職能是測量被控制的物理量；,給定元件：其職能是給出與期望的被控量相 對應(yīng)的系統(tǒng)輸入量（即參考量）；,比較元件：把測量元件檢測的被控量實際值 與給定元件給出的參考量進(jìn)行比 較，求出它們之間的偏差；,校正元件：亦稱補償元件，它是結(jié)構(gòu)或參數(shù)便 于調(diào)整的元件，用串聯(lián)或反饋的方式 連接在系統(tǒng)中，以改善系統(tǒng)性能。,控制裝置（續(xù)）,放大元件：將比較元件給出的偏差進(jìn)行放大， 用來推動執(zhí)行元件去控制被控對象；,執(zhí)行元件：直接推動被控對象，使其被控量發(fā) 生變化；,反饋控制系統(tǒng)的基本組成圖,輸出量經(jīng)測量元件反饋到輸入端的傳輸通路稱主反饋通路；,

9、用“”號代表比較元件，“”號代表兩者符號相反，“+”號代表兩者符號相同。,信號沿箭頭方向從輸入端到達(dá)輸出端的傳輸通路稱前向通路；,前向通路與主反饋通路共同構(gòu)成主回路。 此外，還有局部反饋通路以及由它構(gòu)成的內(nèi)回路。,1.3.3 開環(huán)控制系統(tǒng),定義 如果系統(tǒng)的輸出量與輸入量間不存在反饋的通道，這種控制方式稱為開環(huán)控制系統(tǒng)。,1.3.4 閉環(huán)與開環(huán)控制系統(tǒng)的比較,閉環(huán)控制系統(tǒng)的特點： 偏差控制，可以抑制內(nèi)、外擾動對被控制量產(chǎn)生的影響。精度高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)計、分析麻煩。,開環(huán)控制系統(tǒng)的特點： 順向作用，沒有反向的聯(lián)系，沒有修正偏差能力，抗擾動性較差。結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)整方便、成本低。,1.4 自動控制系統(tǒng)的

10、分類,開環(huán)控制 閉環(huán)控制(反饋控制) 復(fù)合控制,按系統(tǒng)功用分,溫度控制系統(tǒng) 壓力控制系統(tǒng) 位置控制系統(tǒng) ,控制方式分,按參據(jù)量 變化 規(guī)律分,1.5 對自動控制系統(tǒng)的基本要求,1.5.1對自動控制系統(tǒng)性能的基本要求,恒值控制系統(tǒng)抗擾動,隨動系統(tǒng)跟蹤輸入,程序控制系統(tǒng)跟蹤預(yù)定規(guī)律,可以歸結(jié)為穩(wěn)定性（長期穩(wěn)定性）、 準(zhǔn)確性（精度）和快速性（相對穩(wěn)定性）,簡言之：穩(wěn) 準(zhǔn) 快,穩(wěn)定性： 1 對恒值系統(tǒng)，要求當(dāng)系統(tǒng)受到擾動后，經(jīng)過一定時間的調(diào)整能夠回到原來的期望值。 2 對隨動系統(tǒng)，被控制量始終跟蹤參據(jù)量的變化。 3 穩(wěn)定性是對系統(tǒng)的基本要求，不穩(wěn)定的系統(tǒng)不能實現(xiàn)預(yù)定任務(wù)。線性系統(tǒng)的穩(wěn)定性由系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)決定，與外界因素?zé)o關(guān)。,快速性： 對過渡過程的形式和快慢提出要求，一般稱為動態(tài)性能。 高射炮射角隨動系統(tǒng)，雖然炮身最終能跟蹤目標(biāo)，但如果目標(biāo)變動迅速，而炮身行動遲緩，仍然抓不住目標(biāo)。,準(zhǔn)確性： 用穩(wěn)態(tài)誤差來表示。 在參考輸入信號作用下，當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，其穩(wěn)態(tài)輸出與參考輸入所要求的期望輸出之差叫做給定穩(wěn)態(tài)誤差。顯然，這種誤差越小，表示系統(tǒng)的輸出跟隨參考輸入的精度越高。,1.5.2本課程的任務(wù),課程所要研究的兩大課題：,1）、對于一個具體的控制系統(tǒng)，如何從理論上對它的動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)精度進(jìn)行定性的分析和定量的計算。,2）、根據(jù)對系統(tǒng)性