自动控制原理第一章绪论解读

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1、1,自动控制原理,参考书：自动控制原理 胡寿松主编,经典控制论和现代控制论 主要讲授经典控制论部分 研究对象：单输入单输出 连续及离散线性系统,2,第一章 绪论自动控制原理的基本概念,主要内容 自动控制及系统的基本概念和术语 开环控制系统与闭环控制系统 自动控制系统的分类和基本组成 自动控制系统的性能指标 发展状况 小结,3,第一章 绪论（基本概念）,学习重点 了解自动控制系统的基本结构和特点及其工作原理； 了解闭环控制系统的组成和基本环节； 掌握反馈控制系统的基本要求； 学会分析自动控制系统的类型及本质特征。,4,第一章 绪论,本课程与其它课程的关系：,5,1.1 引言,控制论的形成始于工程

2、技术因而首先发展的是(1)工程控制论然后逐渐向非工程领域渗透、并以相关的分析观点派生出许多新型的边缘学科。其中包括(2)生物控制论、(3)经济控制论和(4)社会控制论。自动控制理论仅仅是工程控制论的一个部分。 研究对象 广义上，控制论是研究信息的产生、转换、传递、控制、预报的科学，即研究有输入输出的信息系统。工程上，研究对象可狭义地定义为可根据期望的输出来改变输入，使系统输出能有某种预期的效果的信息系统。 与数学及自动化技术的关系 控制论是应用数学的分支，是对从实际系统中抽象出来的数学模型的理论分析。解决实际问题，要靠工程领域相应的自动化技术来实现。,6,1.2 自动控制和自动控制系统,自动控

3、制 自动控制是在没有人的直接干预下，利用物理装置（控制器）对生产设备和工艺过程（被控对象）进行合理的控制，使被控制对象的控制量按照预先给定的规律变化，例如矿井提升机的速度控制、轧钢厂加热炉温度的控制等等。 自动控制系统 自动控制系统是为实现某一控制目标所需要的所有物理部件的有机组合体。,7,1.3 开环控制系统和闭环控制系统,1.3.1开环控制系统 例1-1 温度控制系统,性能指标 工作过程,8,1.3 开环控制系统和闭环控制系统,图中：,9,1.3 开环控制系统和闭环控制系统,（1）开环控制 只有输入量对输出量产生控制作用，输出量不参与对系统的控制。 （2）开环控制特点 输入控制输出 输出不

4、参与控制 系统没有抗干扰能力,10,图 微型计算机控制机床（开环系统）,11,系统每一个输入信号，必有一个固定的工作状态和一个系统的输出量与之相对应。但是不具有修正由于扰动而出现的被控制量希望值与实际值之间误差的能力。例如，执行机构步进电机出现失步，机床某部分未能准确地执行程序指令的要求，切削刀具偏离了希望值，控制指令并不会相应地改变。 开环系统结构简单，成本低廉，工作稳定。但开环控制不能自动修正被控制量的误差、系统元件参数的变化以及外来未知干扰都会影响系统精度,12,1.3 开环控制系统和闭环控制系统,1.3.2 闭环控制系统 （1）人工闭环控制,13,1.3 开环控制系统和闭环控制系统,（

5、2）自动闭环控制,14,1.3 开环控制系统和闭环控制系统,闭环控制结构图 1-控制器 2-控制对象 3-检测装置,15,1.3 开环控制系统和闭环控制系统, 反馈控制 把输出量检测出来, 按一定比例变换后反馈到输入端,与给定信号进行比较，产生偏差,此偏差经过控制器产生控制作用,使输出量按照要求的规律变化 。 反馈信号与给定信号极性相反为负反馈,反之为正反馈 反馈控制特点 输入控制输出 输出参与控制 检测偏差纠正偏差 具有抗干扰能力,16,闭环控制系统 系统输出信号与输入端之间存在反馈回路的系统，叫反馈控制系统，也叫闭环控制系统。,图 微型计算机控制机床（闭环系统）,17,在上图中，引入了反馈

6、测量元件，闭环控制系统由于有“反馈”作用的存在，具有自动修正被控制量出现偏差的能力，可以修正元件参数变化及外界扰动引起的误差，所以其控制效果好，精度高。 闭环控制系统不足之处，除了结构复杂，成本较高外，一个主要的问题是由于反馈的存在，控制系统可能出现“振荡”。,18,1.4 闭环控制系统的组成和基本环节,1.闭环控制系统的基本环节及结构图,1-给定环节；2-比较环节；3-校正环节；4-放大环节； 5-执行机构；6-被控对象；7-检测装置,19,1.4 闭环控制系统的组成和基本环节,2.闭环控制系统的基本环节 （1）控制对象或调节对象 6 要进行控制的设备或过程。 （2）执行机构5 一般由传动装

7、置和调节机构组成。执行机构直接作用于控制对象，使被控制量达到所要求的数值。 （3）检测装置或传感器7 该装置用来检测被控制量，并将其转换为与给定量相同的物理量。,20,1.4闭环控制系统的组成和基本环节,（4）给定环节 1 设定被控制量的给定值的装置。 （5）比较环节2 将所检测的被控制量与给定量进行比较，确定两者之间的偏差量。 （6）中间环节3，4 一般包括校正环节和放大环节。,21,1.4 闭环控制系统的组成和基本环节,被控对象 被控量或输出量 控制量或操作量 (4) 设定量或输入量 (5) 扰动量 (6) 反馈量 (7) 偏差量,3.闭环控制系统中的基本术语,(8) 前向通道或正向通道

8、(9) 反馈通道或反向通道 (10) 实际输出 (11) 理想输出,22,1.4 闭环控制系统的组成和基本环节,4.复合控制,(a)给定输入补偿,(b)扰动输入补偿,23,复合控制系统 复合控制是闭环控制和开环控制相结合的一种方式。它是在闭环控制等基础上增加一个干扰信号的补偿控制，以提高控制系统的抗干扰能力。,图1-5 复合控制系统框图,24,复合控制增加干扰信号的补偿控制作用，可以在干扰对被控量产生不利影响的同时及时提供控制作用以抵消此不利影响。纯闭环控制则要等待该不利影响反映到被控信号之后才引起控制作用，对干扰的反应较慢。两者的结合既能得到高精度控制，又能提高抗干扰能力。,25,1.4 闭

9、环控制系统的组成和基本环节,包含给定输入和扰动输入补偿的双闭环系统,26,1.5 自动控制系统分类,1.按照主要元件的特性方程的输入输出特征划分 (数学描述) 1）线性系统 （时变，定常） 由线性元件组成的系统，其微分方程中输出量及其各阶导数都是一次的，并且各系数与输入量（自变量）无关。 2）非线性系统（本质非线性，非本质非线性） 含有非线性元件的系统，其微分方程式的系数与自变量有关。,27,1.5 自动控制系统分类,2.按照信号传递方式划分 1）连续控制系统 系统各部分的信号都是时间的连续函数。 2）离散控制系统 系统的一处或几处，信号是以脉冲序列或数码的形式传递。（采样，使连续信号 离散化

10、）,28,1.5 自动控制系统分类,3.按照系统的输入输出数量划分 1）单变量系统（SISO） 用传递函数分析 2）多变量系统（MIMO） 现代控制理论研究对象，状态空间法,29,1.5 自动控制系统分类,4.按照给定输入信号的特征划分 1）恒值控制系统 给定信号一经设定就维持不变 2）随动控制系统（系统跟随性能很重要） 给定信号的变化规律是事先不能确定的随机信号 3）程序控制系统 给定信号的变化规律不是随机的，而是按事先预 定的规律变化。,30,1.6 自动控制系统的性能指标 自动控制系统还应满足动态过程的性能要求，自动控制系统被控量变化的动态特性有以下几种。,31,1.6 自动控制系统的性

11、能指标,稳定性（稳）、快速性（快）、准确性（准） 过渡过程产生的原因 ：系统中储能元件的能量不可能突变 稳定性是保证控制系统正常工作的先决条件。线性控制系统的稳定性由系统本身的结构与参数所决定的，与外部条件和初始状态无关。还要有稳定裕度。 “稳”与“快”是说明系统动态（过渡过程）品质。 （平稳）（快速） “准”是说明系统的稳态（静态）品质。,1. 对自动控制系统基本要求,32,1.6 自动控制系统的性能指标,2. 稳态性能指标 稳态误差 当系统从一个稳态过渡到新的稳态，或系统受扰动作用又重新平衡后，系统可能会出现偏差，这种偏差称为稳态误差。 系统稳态误差的大小反映了系统的稳态精度，它表明了系统

12、控制的准确程度。稳态误差越小，则系统的稳态精度越高。,33,1.6 自动控制系统的性能指标,有差系统（图a） 若稳态误差不为零，则系统称为有差系统。 无差系统（图b） 若稳态误差为零，则系统称为无差系统。,34,1.6 自动控制系统的性能指标,3. 暂态性能指标,35,（1）超调量 输出最大值与输出稳态值的相对误差。 反映了系统的平稳性。最大超调量越小，则说明系统过渡过程越平稳。 （2）上升时间 指系统的输出量第一次到达输出稳态值所对应的时刻。,1.6 自动控制系统的性能指标,36,（3）过渡过程时间（调节时间） 系统的输出量进入并一直保持在稳态输出值附近的允许误差带内所需的时间。允许误差带宽

13、度一般取稳态输出值的2%或5%。 调节时间的长短反映了系统的快速性。调节时间越短，系统的快速性越好。 （4）振荡次数 在调节时间内，输出量在稳态值附近上下波动的次数。 它也反映系统的平稳性。振荡次数越少，说明系统的平稳性越好。,1.6 自动控制系统的性能指标,37,1.7 自动控制原理发展概况,早期发展,工程工艺师的杰作，还没上升到理论。如指南车、蒸汽锅炉的水位调节器等。,1. 经典控制论,劳斯和赫尔维茨判据（1877，1896）,1892年，李亚普诺夫的运动稳定性的一般问题,20世纪30年代，奈奎斯特提出线性系统频域法 稳定性判据。 1945年伯德发表“网络分析与反馈放大器设计”，,38,1

14、.7 自动控制原理发展概况,将反馈放大器原理应用到自控系统中，出现了闭环负反馈控制系统。 1948年伊万斯发表了“根轨迹法”提供了从系统微分方程模型研究问题的方法。 以上理论通称经典控制理论。 三个局限： 线性定常系统，单入单出系统，设计或综合时用试探法。,39,总结:经典控制理论的分析方法为复数域方法,以传递函数作为系统数学模型，常利用图表进行分析设计，比求解微分方程简便。 优点:可通过试验方法建立数学模型，物理概念清晰，得到广泛的工程应用。 缺点:只适应单变量线性定常系统，对系统内部状态缺少了解，且复数域方法研究时域特性，得不到精确的结果。,40,2. 现代控制论,1954年，钱学森的工程

15、控制论启蒙著作,庞特里亚金， “最佳控制的极大值原则”,Bellman，1957发表的“动态规划论” Kalman, 1961发表“最优滤波和线性最优调节器”理论 等奠定了现代控制论的基础。,状态空间方法属于时域方法，其核心是最优化技术。 它以状态空间描述（实质上是一阶微分或差分方程组） 作为数学模型，利用计算机作为系统建模分析、设计乃至控制的手段，适应于多变量、非线性、时变系统,41,3、大系统控制理论阶段 20世纪70年代开始，出现了一些新的控制方法和理论。如（1）现代频域方法，该方法以传递函数矩阵为数学模型，研究线性定常多变量系统；（2）自适应控制理论和方法，该方法以系统辨识和参数估计为基础，处理被控对象不确定和缓变时，在实时辨识基础上在线确定最优控制规律；（3）鲁棒控制方法，该方法在保证系统稳定性和其它性能基础上，设计不变的鲁棒控制器，以处理数学模型的不确定性；（4）预测控制方法，该方法为一种计算机控制算法，在预测模型的基础上采用滚动优化和反馈校正，可以处理多变量系统。,42,大系统理论是过程控制与信息处理相结合的综合自动化理论基础，是动态的系统工程理论，具有规模庞大、结构复杂、功能综合、目标多样、因素众多等特点。它是一个多输入、多输出、多干扰、多变量的系统。