自控课件-第1章绪论

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1、第一章绪论 目录1 1引言1 2自动控制的基本概念1 3自动控制系统的组成1 4自动控制系统的分类1 5自动控制系统的应用实例1 6对自动控制系统的基本要求及教学内容 1 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 所谓自动控制 就是在没有人直接参与的情况下 利用外加的设备或装置 控制装置 使机器 设备或生产过程 控制对象 的某个工作状态或参数 被控量 自动地按照预定的规律运行 1 1引言 2 控制技术应用举例

2、 1 工业控制 电机控制机床控制生产过程自动化控制机器人控制 一 控制技术的应用 3 家用电器 冰箱 洗衣机家庭影院微波炉 控制技术应用举例 2 4 消费类产品 U盘 MP3手机应用产品 控制技术应用举例 3 32 64等合弦音MCU芯片 5 智能楼宇的控制 控制技术应用举例 4 可视对讲 室内报警 远程家电控制 6 汽车电子 汽车电子 电源发动机控制行驶装置报警与安全装置旅居性仪表娱乐通讯 控制技术应用举例 5 7 自动控制理论是研究自动控制共同规律的技术科学 既是一门古老的 已臻成熟的学科 又是一门正在发展的 具有强大生命力的新兴学科 从1868年马克斯威尔 J C Maxwell 提出低

3、阶系统稳定性判据至今一百多年里 自动控制理论的发展可分为四个主要阶段 二 自动控制理论的发展 8 第一阶段 经典控制理论 或古典控制理论 的产生 发展和成熟 第二阶段 现代控制理论的兴起和发展 第三阶段 大系统控制兴起和发展阶段 第四阶段 智能控制发展阶段 9 1 经典控制理论 控制理论的发展初期 是以反馈理论为基础的自动调节原理 主要用于工业控制 第二次世界大战期间 为了设计和制造飞机及船用自动驾驶仪 火炮定位系统 雷达跟踪系统等基于反馈原理的军用装备 进一步促进和完善了自动控制理论的发展 1868年 著名的英国物理学家马克斯威尔 J C Maxwell 提出了低阶系统的稳定性代数判据 18

4、95年 英国数学家劳斯 Routh 和德国数学家赫尔威茨 Hurwitz 分别独立地提出了高阶系统的稳定性判据 即Routh和Hurwitz判据 二战期间 1938 1945年 美国物理学家奈奎斯特 H Nyquist 提出了频率响应理论 美国物科学家1948年 伊万斯 W R Evans 提出了根轨迹法 至此 控制理论发展的第一阶段基本完成 形成了以频率法和根轨迹法为主要方法的经典控制理论 10 经典控制理论的基本特征 1 主要用于线性定常系统的研究 即用于常系数线性微分方程描述的系统的分析与综合 2 只用于单输入 单输出的反馈控制系统 3 只讨论系统输入与输出之间的关系 而忽视系统的内部状

5、态 是一种对系统的外部描述方法 经典控制理论主要是解决单输入单输出控制系统的分析与设计 研究对象主要是线性定常系统 它以拉氏变换为数学工具 以传递函数 频率特性 根轨迹等为主要分析设计工具 构成了经典控制理论的基本框架 简单地可概括为一个函数 传递函数 两种方法 频率响应法和根轨迹法 11 2 现代控制理论 由于经典控制理论只适用于单输入 单输出的线性定常系统 只注重系统的外部描述而忽视系统的内部状态 因而在实际应用中有很大局限性 随着航天事业和计算机的发展 20世纪60年代初 在经典控制理论的基础上 以线性代数理论和状态空间分析法为基础的现代控制理论迅速发展起来 1954年贝尔曼 R Bel

6、man 提出动态规划理论1956年庞特里雅金 L S Pontryagin 提出极大值原理1960年卡尔曼 R K Kalman 提出多变量最优控制和最优滤波理论在数学工具 理论基础和研究方法上不仅能提供系统的外部信息 输出量和输入量 而且还能提供系统内部状态变量的信息 它无论对线性系统或非线性系统 定常系统或时变系统 单变量系统或多变量系统 都是一种有效的分析方法 12 3 大系统理论 20世纪70年代开始 现代控制理论继续向深度和广度发展 出现了一些新的控制方法和理论 如 1 现代频域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以系统辨识和参数估计为基础

7、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 随着控制理论应用范围的扩大 从个别小系统的控制 发展到若干个相互关联的子系统组成的大系统进行整体控制 从传统的工程控制领域推广到包括经济管理 生物工程 能源 运输 环境等大型系统以及社会科学领域 大系统理论是过程控制与信息处理相结合的系统工程理论 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 大系统理论目前仍处于发展和开创性阶段 13 4 智能控制 是近年来新发展起来的一种控制技术 是人工智能在控制上

8、的应用 智能控制的概念和原理主要是针对被控对象 环境 控制目标或任务的复杂性提出来的 它的指导思想是依据人的思维方式和处理问题的技巧 解决那些目前需要人的智能才能解决的复杂的控制问题 被控对象的复杂性体现为 模型的不确定性 高度非线性 分布式的传感器和执行器 动态突变 多时间标度 复杂的信息模式 庞大的数据量 以及严格的特性指标等 智能控制是驱动智能机器自主地实现其目标的过程 对自主机器人的控制就是典型的例子而环境的复杂性则表现为变化的不确定性和难以辨识 智能控制是从 仿人 的概念出发的 一般认为 其方法包括学习控制 模糊控制 神经元网络控制 和专家控制等方法 14 经典控制理论与现代控制理论

9、比较 15 三 控制论 定义 关于控制原理和控制方法的学科 研究事物变化和发展的一般规律 控制三要素 被控对象 控制目标 控制装置 控制论强调 1 所研究的对象是一个系统 2 系统在不断地运动 经历动态历程 包括内部状态和外部行为 3 产生运动的条件是外因 外界的作用 输入 干扰 4 产生运动的根据是内因 系统的固有特性 16 控制论与其它学科结合 形成众多的分支学科 共同的本质特点 通过信息的传递 处理与反馈进行控制 图1 1系统框图 17 1 2自动控制的基本概念自动控制系统 能够对被控对象的工作状态进行自动控制的系统 它一般由控制装置和被控对象组成 被控对象 那些要求实现自动控制的机器

10、设备或生产过程 控制装置 对被控对象起控制作用的设备总体 18 图1 2人的反馈控制系统原理图 反馈控制原理 19 反馈的概念 反馈 把输出量送回到系统的输入端 并与输入信号相比较产生偏差信号的过程 负反馈 若反馈信号是与输入信号相减而使偏差值越来越小 则称为负反馈 显然 负反馈控制是一个利用偏差进行控制并最后消除偏差的过程 又称偏差控制 正反馈 若反馈信号是与输入信号相加而使偏差值越来越大 则称为正反馈 同时 由于有反馈的存在 整个控制过程是闭合的 故也称为闭环控制 20 方框控制装置和被控对象分别用方框表示信号线方框的输入和输出以及它们之间的联接用带箭头的信号线表示输入信号进入方框的信号输

11、出信号离开方框的信号控制系统的输出量就是被控量 它的希望值一般是系统输入信号的函数 输入信号 输出信号 方框图的概念 21 1 2 1人工控制与自动控制的比较图1 3 a 所示是一种人工操纵的水位调节系统 控制要求是保持水箱水位始终处在期望水位 简称给定值 图中水箱是被控制的设备 简称被控对象 水箱水位是被控制的物理量 简称被控量 图1 3 b 所示是水位人工控制过程分析 图1 3 c 所示是人工控制水位的模拟过程 简称控制系统的方框图 图中用方框代表系统中具有相应的功能单元或部件 用箭头表示功能单元之间的信号及其传递方向 22 图1 3 a 水位人工调节原理图 23 图1 3 b 水位人工调

12、节过程分析图1 3 c 水位人工调节系统的方框图 24 图1 4 a 所示是一种简单的水箱水位自动调节系统 图中浮子相当于人的眼睛 用来测量水位高低 连杆机构相当于人的大脑和手 用来进行比较 计算误差并实施控制 连杆的一端由浮子带动 另一端连接着进水调节阀 图1 4 b 所示是水位自动调节过程分析 图1 4 c 所示是连杆自动调节水位系统的方框图 25 图1 4 a 水位自动调节原理图 26 图1 4 b 水位自动调节过程分析图1 4 c 水位自动调节系统方框图 27 图1 5 a 所示是一种改进的水位自动控制系统 图中浮子相当于人的眼睛 对实际水位进行测量 连杆和电位器相当于人的大脑 它将实

13、际水位与期望水位进行比较 给出偏差的大小和极性 电动机和减速器相当于人的手 调节阀门开度 对水位实施控制 图1 5 b 所示是水位自动控制系统的方框图 28 图1 5 a 改进的水位自动控制原理图 29 图1 5 b 水位自动控制系统的方框图 30 在正常情况下 实际水位等于期望值 电位器的滑臂居中 当出水量增大时 浮子下降 带动电位器滑臂向上移动 输出电压 经放大器放大后成为 使直流电机正向旋转 以增大进水阀门开度 使水位回升 当实际水位等于期望值时 水位系统达到新的平衡状态 由此可见 无论何种干扰引起水位出现偏差 该水位系统便能自动进行调节 最终总是使实际水位等于期望值 因而大大提高了控制

14、精度和可靠性 31 自动控制和人工控制极为相似 自动控制系统只不过是把某些装置有机地组合在一起 以代替人的职能而已 这些装置相互配合 承担着控制的职能 通常称之为控制器 或控制装置 被控对象和控制器是自动控制系统中的两个重要组成部分 32 最典型的三种控制方式 开环控制系统闭环控制系统复合控制系统 33 开环控制系统 不带反馈装置的控制系统 即不存在由输出端到输入端的反馈通路 也就是指系统的控制输入不受输出影响的控制系统 在开环控制系统中 输入端与输出端之间 只有信号的前向通道 即信号从输入端到输出端的路径 而不存在反馈通道 即信号从输出端到输入端的路径 1 2 2开环控制系统 34 图1 6

15、 a 所示是一个直流电动机转速开环控制系统 图中 直流电动机是被控对象 电动机的转速称为系统的被控量或输出量 参考电压称为系统的给定量或输入量 电动机负载转矩Mz称为系统的干扰或扰动量 35 图1 6 a 转速开环控制原理由图可知 只有输入量对输出量的单向控制作用 而输出量对输入量却没有任何影响和联系 这样的系统就称为开环控制系统 36 系统的任务是 控制他激式直流电机以恒定的速度带动负载运行 系统的控制原理是 调节电位器从而获得系统的输入量 经过放大环节成为电动机的电枢电压 使直流电动机带动负载运转 在负载恒定的条件下 电动机的转速与电压成正比 显然 只要改变输入量 便可获得相应的电动机转速

16、 37 图1 6 b 是直流电动机转速开环控制系统的方框图 图1 6 b 转速开环控制方框图 38 在开环控制系统中 被控对象的输出量对控制装置 控制器 的输出没有任何影响 即控制装置与被控对象之间只有顺向控制作用 而没有反向联系的控制 正是由于缺少从系统输出端到输入端的反馈回路 因此开环控制系统精度低且适应性差 39 1 2 3闭环控制系统闭环控制系统 输出量直接或间接地反馈到输入端 形成闭环参与控制的系统 也就是将输出量反馈回来和输入量比较 使输出值稳定在期望的范围内 40 在图1 7 a 所示是一个直流电动机转速闭环控制系统 图中 测速发电机由电动机同轴带动 它将电动机的实际转速 系统输出量 测量出来 并转换成电压 再反馈到系统的输入端 与给定电压 系统输入量 进行比较 得出偏差电压 由于该电压能间接地反映出误差的大小和方向 通常称为偏差 偏差 U经放大器放大后成为 用以控制电动机转速 41 图1 7 a 转速闭环控制原理 42 图1 7 b 是直流电动机转速闭环控制系统的方框图 图中 把从系统输入量到输出量之间的通道称为前向通道或正向通道 从输出量到反馈信号之间的通道称为反馈通