ch1自动控制理论的一般概念

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1、自动控制基础,授课教师：齐建玲 电话：13932646009 QQ：719426956,本课程安排,学时数：48学时 课堂：40，实验：8 考试课,本专业唯一一门控制理论课程！,教材及参考资料,教材： 自动控制理论 刘丁 机械工业出版社 参考资料 自动控制理论 夏德钤 机械工业出版社 自动控制原理 杨友良 电子工业出版社 自动控制原理 程鹏 高等教育出版社,自动控制理论,第一章 自动控制理论的一般概念 第二章 控制系统的数学模型 第三章 控制系统的时域分析法 第四章 根轨迹法 第五章 频率法 第六章 控制系统的校正 第七章 非线性系统的分析 第八章 采样控制系统的分析与设计,第一章 自动控制的

2、一般概念,1-1 自动控制的发展与任务,1-2 自动控制的基本方式,1-4 对控制系统的性能要求,1-3 控制系统的分类,自动控制： 在没有人直接参与的情况下，采用控制装置或机械使被控制对象达到预期的目标 。,1-1 自动控制的发展与任务,自动控制研究的内容： 经典控制理论 现代控制理论 经典控制理论 主要研究对象:对单输入单输出线性定常系统的分析和设计问题。 现代控制理论 主要研究对象:多输入、多输出、时变参数、高精度复杂系统的分析和设计问题。,控制理论的发展历程,控制理论学科的发展：,具有自动功能的装置自古有之，例如古埃及的“水钟”，中国古汉代的“指南车”,1765年，Jams Watt发

3、明的蒸汽机上的离心式飞锤调速器应用了反馈原理进行设计的。之后，麦克斯韦尔对它的稳定性进行分析，并于1868年发表论文，当属最早的理论工作。,控制理论的发展历程,1872年E.J.Routh,1890年Hurwitz先后找到了系统稳定性的代数判据,控制理论的发展历程,赫尔维茨（Hurwitz）,劳斯（Routh）,1892年A.M.Liapunov在其“论运动稳定性的一般问题”的博士论文中给出了基于广义能量函数的系统稳定性的一般判据。,控制理论的发展历程,李雅普诺夫,1932年H.Nyquist给出了基于频率特性的关于系统稳定性的Nyquist判据。,控制理论的发展历程,奈奎斯特,在二次世界大战

4、期间，由于军事上的需要，雷达和火力控制系统有了较大的发展，N.Winner在总结前人成果的基础上发表了控制论一书，标志着控制理论学科的诞生。,控制理论的发展历程,控制论之父维纳,控制理论发展经过了三个时期：,研究对象：机组自动化等的多输入多输出系统。 主要数学工具：一阶微分方程组、矩阵论、状态空间法。 主要方法：变分法、极大值原理等等 重点问题：最优控制、随机控制和自适应控制。 核心控制装置：计算机,20世纪70年代,20世纪60年代,20世纪4050年代,研究对象:线性定常单输入单输出系统 主要数学工具:微分方程、传递函数、结构框图、频率特性等 主要研究方法:时域法、频域法、根轨迹法 主要解

5、决的问题:单机装置的稳定性、快速性、准确性。,大系统理论是控制理论在广度上的拓展，例如控制对象延伸到了社会、经济、管理系统，以及生态环境系统等复杂系统。 智能控制理论是控制理论在深度上的挖掘，为解决模拟人脑功能，形成了新的学科 模拟人脑思维 形成 模糊控制、专家系统等 模拟人脑结构或功能 形成 人工神经网络,20世纪70年代,20世纪60年代,20世纪4050年代,广度上扩展的更为复杂的系统,多输入多输出复杂系统,单变量定常控制系统,控制理论发展经过了三个时期：,我国著名科学家钱学森将控制理论应用于工程实践，并与1954年出版了工程控制论。,自动控制的任务：,通常，在自动控制技术中，把工作的机

6、器设备称为被控对象，把表征这些机器设备工作状态的物理参量称为被控量，而对这些物理参量的要求值称为给定值或希望值（或参考输入）。,液位控制系统,目标液位,自动控制的任务：,大脑,手臂,手,控制任务：,维持水箱内水位恒定；,控制装置：,气动阀门、控制器；,受控对象：,水箱、供水系统；,被控量：,水箱内水位的高度；,给定值：,控制器刻度盘指针标定的预定水位高度；,测量装置：,浮子；,比较装置：,控制器刻度盘；,干扰：,水的流出量和流入量的变化都将破坏水位保持恒定；,自动控制即没有人直接参与的控制，其基本任务是：在无人直接参与的情况下，只利用控制装置操纵被控对象，使被控制量等于给定值。,由此可见：,1

7、-自动控制的基本方式,闭环控制,复合控制,开环控制,一、开环控制,控制装置与被控对象之间只有顺向作用而没有反向联系 的控制。,炉温开环控制系统,开关闭合后，不同的输入电压u对应于不同的温度t。,给定值,控制方式： 按给定值操纵。信号由给定值至输出量单向传递。一定的给定值对应一定的输出量。系统的控制精度取决于系统事先的调整精度。对于工作过程中受到的扰动或特性参数的变化无法自动补偿。多用于系统结构参数稳定和扰动信号较弱的场合.,开环控制系统特点： 信号从输入到输出无反馈,单向传递. 结构简单，成本低廉. 控制精度不高,无法抑制扰动.,当加热物件增多时，系统温度调节过程如下：,经电压放大 电动机正转

8、,电位器,放大器,电动机,减速器,变压器,电阻炉,热电偶,一、开环控制系统和闭环控制系统,二、闭环控制,反馈,1-自耦变压器 2-电加热器 3-热电偶 4-电动机 5-减速器,炉温闭环控制系统,反 馈： 输出量送回至输入端并与输入信号比较的过程 负反馈： 反馈的信号与输入信号相减而使偏差越来越小,典型闭环系统方框图,闭环控制: 是指控制器与控制对象之间既有顺向作用又有反向联系 的控制过程。,特点: 输出影响输入，所以能削弱或抑制干扰；低精度元件可组成高精度系统；因为可能发生超调，振荡，所以稳定性很重要,开环 优点：结构简单，成本低廉，工作稳定，当输入信号和扰动能预先知道时，控制效果较好。,缺点

9、：不能自动修正被控制量的偏离，系统的元件参数变化以及外来的未知扰动对控制精度影响较大。,闭环 优点：具有自动修正被控制量出现偏离的能力，可以修正元件参数变化及外界扰动引起的误差，控制精度高。,缺点：被控量可能出现振荡，甚至发散。,三、开环控制与反馈控制的比较,主反馈：与输出成正比或某种函数关系； 偏 差：给定信号与主反馈信号之差的信号； 控制单元：接受偏差信号，通过转换与运算，产生期望的控制量 扰动： 对系统输出产生不利影响的信号； 反馈单元：将输出信号转换成反馈信号。,四、闭环控制系统的术语和定义,P7,方框图的组成：,方框图?,五、复合控制,复合控制就是开环控制和闭环控制相结合的一种控制。

10、对于主要扰动采用适当的补偿装置实现按扰动控制，同时再组成反馈控制系统实现按偏差控制。,按扰动 补偿,下图是一个阀门的人工控制系统原理示意图。操作员根据仪表显示的液体浓度来调节阀门，达到控制处理罐输出液体浓度的目的。 （1）该系统是开环控制还是闭环控制系统。 （2）指出什么是输入量，什么是输出量。,习题1.4,一、按控制系统元件特性分类,按组成控制系统的各元器件的输入/输出特性分为线性控制系统和非线性控制系统。,1线性控制系统,1-3 控制系统的分类,线性控制系统具有一个很显著的特点，即满足叠加性和齐次性。,2非线性控制系统 如果描述系统动态过程的微分方程是一个非线性微分方程，则该系统就是一个非

11、线性系统。或者说，当系统中至少有一个元器件的输入/输出特性为非线性的，则该系统就是非线性系统。,二、 按控制系统信号形式分类,1连续控制系统,当控制系统各处的信号都是时间的连续函数时，称为连续控制系统。,2离散控制系统 当控制系统的某一处或几处的信号是以脉冲序列或数码形式传递的，在时间上是离散的，此系统称为离散控制系统。,离散信号取脉冲形式的系统称为脉冲控制系统；而对于采用数字计算机或数字控制器的系统，其离散信号为数字形式，称为数字控制系统。,三、 按输入量的变化形式分类,1恒值控制系统,输入量是不变的常数，要求输出量尽可能保持在期望值上。如恒温、恒压、恒速系统.,2程序控制系统,系统的输入量

12、是按照预先设定的时间函数变化，要求输出量准确或以一定的精度跟踪变化。如程控机床.,3随动控制系统（又称伺服系统）,系统的输入量是随时间任意变化的，要求输出量准确或以一定的精度跟随输入量的变化。如雷达、导弹瞄准、跟踪卫星的雷达天线控制系统等。,稳定性 被控制信号能跟踪已变化的输入信号，从一种状态到另一种状态. 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。 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。,1-4 对自动控制系统系统的要求,一、稳定性

13、,暂态：把输出量处于变化状态称为暂态或动态。,稳态：把输出量处于相对稳定的状态（达到的平衡状态）称为稳态或静态。,所谓稳定是指当系统受到瞬时扰动的作用，使输出量偏离了原来的平衡状态而产生偏差，当扰动消失后，输出量能够恢复到（或接近于）原来的平衡状态。,二、 准确性,自动控制系统的准确性即控制精度的高低，通常用稳态误差来表示。,对于一个稳定的系统，当暂态过程结束到达稳态时，系统输出量的实际值与期望值之差，称为稳态误差。,自动控制系统的稳态误差,(b) 有差系统,(a) 无差系统,三、快速性,对于一般的控制系统，当给定量突然增加某一值时，输出量在暂态过程中的变化形式可能有：,1单调过程,此暂态过程输出量单调变化，且变化比较缓慢，暂态过程的时间较长。,2衰减振荡过程,输出量变化较快，以致调节过头而产生超调，经过几次振荡后，达到新的稳定工作状态,3持续振荡过程,输出量在新的平衡状态上下振荡而且是持续的，始终达不到新的平衡状态。,4发散振荡过程,不但不能纠正偏差，反而使偏差越来越大，总也达不到所要求的稳定工作状态。,t,n,n1,(a),0,(b),n,t,0,n0,n1,t,0,n,(c),n,0,t,(e),n1,n,0,t,(d),n0,n1,n,0,t,(f),(a)、(b)非周期振荡；(c)发散振荡；(d)、(e)收敛振荡；(f)等幅振荡。,本章小结,