第1讲 自动控制的一般概念.ppt

第一章第一章 自动控制的一般概念自动控制的一般概念1.1 自动控制系统的组成、分类和发展自动控制系统的组成、分类和发展1.2 术语术语1.3 闭环控制和开环控制闭环控制和开环控制1.4 自动控制系统的分类自动控制系统的分类1.5 对自动控制系统的基本要求对自动控制系统的基本要求1.6 典型外作用典型外作用1.1 自动控制系统的组成、分类和发展自动控制系统的组成、分类和发展开环系统开环系统控制器控制器被控对象被控对象控制量被控量给定值r(t)u(t)y(t)kudnug例：直流电动机调速系统例：直流电动机调速系统优点：简单优点：简单 缺点：对扰动没有抑制能力缺点：对扰动没有抑制能力反反映映了了控控制制量量与与被被控控制制量量相相互互间间的的矛矛盾盾,动动静静性性能得到提高。能得到提高。闭环系统：闭环系统：负反馈：构成按偏差调节的闭环系统负反馈：构成按偏差调节的闭环系统控制器控制器被控对象被控对象控制量被控量给定值r(t)u(t)y(t)测量元件测量元件偏差e(t)ug kudnub按偏差调节：按偏差调节：nub(ug-ub)ud n例：直流电动机调速系统例：直流电动机调速系统控控制制量量：ud=K(ug-ub)偏差信号：偏差信号：ug-ub1 经典控制理论经典控制理论4050年代形成年代形成 SISO系统系统 基于：二战军工技术基于：二战军工技术目标：反馈控制系统目标：反馈控制系统基本方法：传递函数，频率法，基本方法：传递函数，频率法，PID调节器调节器(频域频域)2 现代控制理论现代控制理论6070年代形成年代形成 MIMO系统系统 基于：基于：冷战时期空间技术，计算机技术冷战时期空间技术，计算机技术目标：最优控制目标：最优控制基本方法：状态方程基本方法：状态方程 （时域）（时域）控制理论的发展：控制理论的发展：（工业控制理论）3 智能控制技术智能控制技术 90年代开始发展年代开始发展 专家系统专家系统 模糊控制模糊控制 神经网络神经网络4 正在发展的各个领域正在发展的各个领域 自适应控制自适应控制 大系统理论大系统理论 H鲁棒控制鲁棒控制 非线性控制（微分几何，混沌，变结构）非线性控制（微分几何，混沌，变结构）1.2 术语术语 自动控制自动控制 对象对象 过程过程 系统系统 扰动扰动 反馈控制反馈控制 反馈控制系统反馈控制系统 随动系统随动系统 自动调整系统自动调整系统 过程控制系统过程控制系统1 1 自动控制自动控制自动控制自动控制 在无人直接参与的情况下，在无人直接参与的情况下，在无人直接参与的情况下，在无人直接参与的情况下，通过控制器使被控对象或通过控制器使被控对象或通过控制器使被控对象或通过控制器使被控对象或过程自动地按照预定要求过程自动地按照预定要求过程自动地按照预定要求过程自动地按照预定要求进行。进行。进行。进行。2 2 对象对象对象对象 是一个设备，它是由一些是一个设备，它是由一些是一个设备，它是由一些是一个设备，它是由一些机器零件有机地组合在一机器零件有机地组合在一机器零件有机地组合在一机器零件有机地组合在一起的，其作用是完成一个起的，其作用是完成一个起的，其作用是完成一个起的，其作用是完成一个特定的动作。在下面的讨特定的动作。在下面的讨特定的动作。在下面的讨特定的动作。在下面的讨论中，称任何被控物体论中，称任何被控物体论中，称任何被控物体论中，称任何被控物体（如加热炉、化学反应器（如加热炉、化学反应器（如加热炉、化学反应器（如加热炉、化学反应器或宇宙飞船）为对象。或宇宙飞船）为对象。或宇宙飞船）为对象。或宇宙飞船）为对象。3 3 过程过程过程过程 称任何被控制的运行状态称任何被控制的运行状态称任何被控制的运行状态称任何被控制的运行状态为过程，其具体例子如化为过程，其具体例子如化为过程，其具体例子如化为过程，其具体例子如化学过程、经济学过程、生学过程、经济学过程、生学过程、经济学过程、生学过程、经济学过程、生物学过程。物学过程。物学过程。物学过程。4 4 系统系统系统系统 完成一定任务的一些元、完成一定任务的一些元、完成一定任务的一些元、完成一定任务的一些元、部件的组合。部件的组合。部件的组合。部件的组合。5 扰动扰动6 反馈控制反馈控制 扰动是一种对系统的输出产生不利影扰动是一种对系统的输出产生不利影响的信号。如果扰动产生在系统内部响的信号。如果扰动产生在系统内部称为内扰；扰动产生在系统外部，则称为内扰；扰动产生在系统外部，则称为外扰。外扰是系统的输入量。称为外扰。外扰是系统的输入量。反馈控制是这样一种控制过程，它能够反馈控制是这样一种控制过程，它能够在存在扰动的情况下，力图减小系统在存在扰动的情况下，力图减小系统的输出量与参考输入量（也称参据量）的输出量与参考输入量（也称参据量）（或者任意变化的希望的状态）之间（或者任意变化的希望的状态）之间的偏差，而且其工作正是基于这一偏的偏差，而且其工作正是基于这一偏差基础之上的。差基础之上的。8 8 随动系统随动系统9 9 过程控制过程控制 在工业生产过程中，诸如对压力、温在工业生产过程中，诸如对压力、温度、湿度、流量、频率以及原料、燃料成度、湿度、流量、频率以及原料、燃料成分比例等方面的控制，称为过程控制。分比例等方面的控制，称为过程控制。该该系系统统的的控控制制输输入入量量是是一一个个事事先先无无法法确确定定的的任任意意变变化化的的量量,要要求求系系统统的的输输出出量量能能迅迅速速平平稳稳地地复复现现或或跟跟踪踪输输入入信信号号的的变变化化。如如雷雷达达天天线线的的自自动动跟跟踪踪系系统统和高炮自动描准系统就是典型的随动系统。和高炮自动描准系统就是典型的随动系统。1.3 1.3 闭环控制与开环控制闭环控制与开环控制反馈控制系统反馈控制系统开环控制系统开环控制系统闭环与开环控制系统的比较闭环与开环控制系统的比较1.3.1 反馈控制反馈控制系统系统1 反馈反馈反馈反馈 把取出的输出量送回输入端，并与输入信把取出的输出量送回输入端，并与输入信把取出的输出量送回输入端，并与输入信把取出的输出量送回输入端，并与输入信号相比较产生偏差信号的过程，称为号相比较产生偏差信号的过程，称为号相比较产生偏差信号的过程，称为号相比较产生偏差信号的过程，称为反馈反馈反馈反馈。若。若。若。若反馈的信号与输入信号相减，使产生的偏差越反馈的信号与输入信号相减，使产生的偏差越反馈的信号与输入信号相减，使产生的偏差越反馈的信号与输入信号相减，使产生的偏差越来越小，则称为来越小，则称为来越小，则称为来越小，则称为负反馈负反馈负反馈负反馈；反之，则称为；反之，则称为；反之，则称为；反之，则称为正反馈正反馈正反馈正反馈。能对输入量与输出量进行比较，并且将它能对输入量与输出量进行比较，并且将它能对输入量与输出量进行比较，并且将它能对输入量与输出量进行比较，并且将它们的偏差作为控制手段，以保持两者之间预们的偏差作为控制手段，以保持两者之间预们的偏差作为控制手段，以保持两者之间预们的偏差作为控制手段，以保持两者之间预定关系的系统，称为定关系的系统，称为定关系的系统，称为定关系的系统，称为反馈控制系统反馈控制系统反馈控制系统反馈控制系统。由于引。由于引。由于引。由于引入了被反馈量的反馈信息，整个控制过程成入了被反馈量的反馈信息，整个控制过程成入了被反馈量的反馈信息，整个控制过程成入了被反馈量的反馈信息，整个控制过程成为闭合的，因此反馈控制也称为为闭合的，因此反馈控制也称为为闭合的，因此反馈控制也称为为闭合的，因此反馈控制也称为闭环控制闭环控制闭环控制闭环控制。2 2 反馈控制系统反馈控制系统反馈控制系统反馈控制系统3 3 闭环控制闭环控制 输入信号和反馈信号（反馈信号可以是输出信输入信号和反馈信号（反馈信号可以是输出信号本身，也可以是输出信号的函数或导数）之差，号本身，也可以是输出信号的函数或导数）之差，称为称为误差信号误差信号，误差信号加到控制器上，以减小系，误差信号加到控制器上，以减小系统的误差，并使系统的输出量趋于所希望的值，换统的误差，并使系统的输出量趋于所希望的值，换句话说，句话说，“闭环闭环”这个术语的涵义，就是应用反馈这个术语的涵义，就是应用反馈作用来减小系统的误差。作用来减小系统的误差。1.3.2 反馈控制系统的基本组成反馈控制系统的基本组成 被控对象被控对象控制装置控制装置(由具有一定职能的各种基本元件组成由具有一定职能的各种基本元件组成)测量元件：测量元件：其职能是测量被控制的物理量其职能是测量被控制的物理量;给定元件：给定元件：其职能是给出与期望的被控量相对应的系统输入量其职能是给出与期望的被控量相对应的系统输入量（即参据量）。（即参据量）。比较元件：比较元件：把测量元件检测的被控量实际值与给定元件给出的把测量元件检测的被控量实际值与给定元件给出的参据量进行比较，求出它们之间的偏差。参据量进行比较，求出它们之间的偏差。放大元件：放大元件：将比较元件给出的偏差进行放大，用来推动执行元将比较元件给出的偏差进行放大，用来推动执行元件去控制被控对象。件去控制被控对象。执行元件：执行元件：直接推动被控对象，使其被控量发生变化。直接推动被控对象，使其被控量发生变化。校正元件：校正元件：亦称补偿元件，它是结构或参数便于调整的元件，亦称补偿元件，它是结构或参数便于调整的元件，用串联或反馈的方式连接在系统中，以改善系统性能。用串联或反馈的方式连接在系统中，以改善系统性能。用“”号代表比较元件，“”号代表两者符号相反，“+”号代表两者符号相同。信号沿箭头方向从输入端到达输出端的传输通路称前向通路前向通路；系统输出量经测量元件反馈到输入端的传输通路称主反馈通路主反馈通路。前向通路与主反馈通路共同构成主回路主回路。此外，还有局部反馈通路局部反馈通路以及由它构成的内回路。这种控制方式这种控制方式特点特点：无论是由于干扰造成：无论是由于干扰造成,还还是由于结构参数的变化引起被控量出现偏差是由于结构参数的变化引起被控量出现偏差,系统系统就利用偏差去纠正偏差就利用偏差去纠正偏差,故这种控制方式为按偏差故这种控制方式为按偏差调节。调节。闭环控制系统的突出闭环控制系统的突出优点：优点：是利用是利用偏差偏差来纠来纠正偏差正偏差,使系统达到较高的控制精度。使系统达到较高的控制精度。但与但与开环控制系统开环控制系统比较比较,闭环系统的结构比较闭环系统的结构比较复杂复杂,构造比较困难。构造比较困难。需要指出的是需要指出的是,由于闭环控由于闭环控制存在反馈信号制存在反馈信号,利用偏差进行控制利用偏差进行控制,如果设计得如果设计得不好不好,将会使系统无法正常和稳定地工作将会使系统无法正常和稳定地工作。1.3.3 开环控制系统开环控制系统定义定义 如果系统的输出量与输入量间不存在反馈的通道，如果系统的输出量与输入量间不存在反馈的通道，这种控制方式称为开环控制系统。这种控制方式称为开环控制系统。信号由给定值至被控量单向传递信号由给定值至被控量单向传递。这种控制。这种控制较简单较简单,但有较大的缺陷但有较大的缺陷,即对象或控制装置受到即对象或控制装置受到干扰干扰,或工作中特性参数发生变化或工作中特性参数发生变化,会直接影响被会直接影响被控量控量,而无法自动补偿。因此而无法自动补偿。因此,系统的系统的控制精度控制精度难难以保证。从另一种意义理解以保证。从另一种意义理解,意味着对受控对象和意味着对受控对象和其它控制元件的技术要求较高。如数控线切割机其它控制元件的技术要求较高。如数控线切割机进给系统、包装机等多为开环控制。进给系统、包装机等多为开环控制。1.3.4 闭环与开环控制系统的比较闭环与开环控制系统的比较闭环控制系统的特点闭环控制系统的特点 偏差控制，可以抑制内、外扰动对被控制偏差控制，可以抑制内、外扰动对被控制偏差控制，可以抑制内、外扰动对被控制偏差控制，可以抑制内、外扰动对被控制量产生的影响。精度高、结构复杂，设计、分量产生的影响。精度高、结构复杂，设计、分量产生的影响。精度高、结构复杂，设计、分量产生的影响。精度高、结构复杂，设计、分析麻烦。析麻烦。析麻烦。析麻烦。开环控制系统的特点开环控制系统的特点 顺向作用，没有反向的联系，没顺向作用，没有反向的联系，没有修正偏差能力，抗扰动性较差。结有修正偏差能力，抗扰动性较差。结构简单、调整方便、成本低。构简单、调整方便、成本低。1.4 1.4 自动控制系统的分类自动控制系统的分类开环控制开环控制闭环控制闭环控制(反馈控制反馈控制)复合控制复合控制 按控制方式分按控制方式分按控制方式分按控制方式分机械系统机械系统恒张力系统恒张力系统电气系统电气系统机电系统机电系统全自动照相机，光机全自动照相机，光机 电结合电结合液压系统液压系统伺服液压缸，汽车发伺服液压缸，汽车发动机，大型的仿真模拟台动机，大型的仿真模拟台气动系统气动系统 生物系统生物系统按按元元件件类类型型分分按系统功用分按系统功用分温度控制系统压力控制系统位置控制系统 线性系统非线性系统连续系统定常系统时变系统离散系统按系统性能分按系统性能分恒值控制系统随动系统程序控制系统按参据量变化规律分按参据量变化规律分稳定性：稳定性：1 对恒值系统，要求当系统受到扰动后，经过一定对恒值系统，要求当系统受到扰动后，经过一定时间的调整能够回到原来的期望值。时间的调整能够回到原来的期望值。2 对随动系统，被控制量始终跟踪参据量的变化。对随动系统，被控制量始终跟踪参据量的变化。稳定性是对系统的基本要求，不稳定的系统不能实稳定性是对系统的基本要求，不稳定的系统不能实现预定任务。稳定性，通常由系统的结构决定与外界现预定任务。稳定性，通常由系统的结构决定与外界因素无关。因素无关。1.5 对自动控制系统的基本要求对自动控制系统的基本要求1.5.1对自动控制系统性能的基本要求对自动控制系统性能的基本要求可以归结为可以归结为稳稳定性（长期稳定性）、定性（长期稳定性）、准准确性确性（精度）和（精度）和快快速性（相对稳定性）。速性（相对稳定性）。稳稳 准准快快准确性：准确性：用用稳态稳态误差来表示。误差来表示。在参考输入信号作用下，当系统达到稳态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后，其稳态输出与参考输入所要求的期望输出之差叫做输出之差叫做给定稳态误差给定稳态误差。显然，这种显然，这种误差越小，表示系统的输出跟随参考输入误差越小，表示系统的输出跟随参考输入的精度越高。的精度越高。快速性：快速性：对过渡过程的形式和快慢提出要求，一般对过渡过程的形式和快慢提出要求，一般称为称为动态动态性能。性能。稳定高射炮射角随动系统，虽然炮身最终稳定高射炮射角随动系统，虽然炮身最终能跟踪目标，但如果目标变动迅速能跟踪目标，但如果目标变动迅速，而炮而炮身行动迟缓，仍然抓不住目标身行动迟缓，仍然抓不住目标。应用1 图图I I是一个液位控制系统原理图。在这里，自动是一个液位控制系统原理图。在这里，自动控制器通过比较控制器通过比较实际液位实际液位与与希望液位希望液位，并通过调整，并通过调整气动阀门的开度，对误差进行修正，从而保持液位气动阀门的开度，对误差进行修正，从而保持液位不变。不变。控制器：控制器：控制器：控制器：比较、放大的作用比较、放大的作用比较、放大的作用比较、放大的作用浮子：浮子：浮子：浮子：液面高度的反馈元件液面高度的反馈元件液面高度的反馈元件液面高度的反馈元件 Q2Q2Q2Q2为系统的干扰量为系统的干扰量为系统的干扰量为系统的干扰量气动阀门：气动阀门：气动阀门：气动阀门：执行机构执行机构执行机构执行机构被控对象：被控对象：被控对象：被控对象：水箱水箱水箱水箱图图III是该控制系统相应的人工操纵液位控制系统方块图。是该控制系统相应的人工操纵液位控制系统方块图。温度控制系统温度控制系统应用2硬磁盘中的磁头位置控制系统硬磁盘中的磁头位置控制系统应用3 对于一个实际系统其输入信号往往是比较复杂对于一个实际系统其输入信号往往是比较复杂的的,而系统的输出响应又与输入信号类型有关。因此而系统的输出响应又与输入信号类型有关。因此,在研究自动控制系统的响应时在研究自动控制系统的响应时,往往选择一些典型输往往选择一些典型输入信号入信号,并且以最不利的信号作为系统的输入信号并且以最不利的信号作为系统的输入信号,分析系统在此输入信号下所得到的输出响应是否满分析系统在此输入信号下所得到的输出响应是否满足要求。估计系统在比较复杂信号作用下的性能指足要求。估计系统在比较复杂信号作用下的性能指标。标。常采用的典型输入信号有：常采用的典型输入信号有：1.6.1 阶跃函数阶跃函数 它的数学表达式为：它的数学表达式为：1.6 典型外作用典型外作用 它表示一个在时出现的，幅值为它表示一个在时出现的，幅值为A A的阶跃变化的阶跃变化函数，如图所示。在实际系统中，如负荷突然增函数，如图所示。在实际系统中，如负荷突然增大或减小，流量阀突然开大或关小均可以近似看大或减小，流量阀突然开大或关小均可以近似看成阶跃函数的形式。成阶跃函数的形式。A=1=1的函数称为单位阶跃函数，记作的函数称为单位阶跃函数，记作1(1(t)。因此，因此，幅值为幅值为A A的阶跃函数也可表示为的阶跃函数也可表示为 出现在出现在 时刻的阶跃函数，表示为时刻的阶跃函数，表示为 1.6.2 斜坡函数（等速度函数）斜坡函数（等速度函数）它的数学表达式为它的数学表达式为 斜坡函数从斜坡函数从t=0时刻开始，时刻开始，随时间以恒定速度增加。如图随时间以恒定速度增加。如图所示。所示。A=1时斜坡函数称作单时斜坡函数称作单位斜坡函数。位斜坡函数。斜坡函数等于阶跃函数对斜坡函数等于阶跃函数对时间的积分，反之，阶跃函数时间的积分，反之，阶跃函数等于斜坡函数对时间的导数。等于斜坡函数对时间的导数。它的数学表达式为它的数学表达式为 曲线如图所示。曲线如图所示。当当A=1时，称为单位时，称为单位抛物线函数。抛物抛物线函数。抛物线函数是斜坡函数线函数是斜坡函数对时间的积分。对时间的积分。1.6.3 抛物线函数（等加速度函数）抛物线函数（等加速度函数）1.6.4 脉冲函数脉冲函数 它的曲线如图所示，数它的曲线如图所示，数学表达式为学表达式为 其面积为其面积为A。即即 面积面积A表示脉冲函数的强度。表示脉冲函数的强度。的脉冲函数称为单的脉冲函数称为单位脉冲函数，记作位脉冲函数，记作 ，即，即 表示在时刻表示在时刻 出现的单位出现的单位脉冲函数，即脉冲函数，即 单位脉冲函数是单位阶跃函数的导数单位脉冲函数是单位阶跃函数的导数 1.6.5 正弦函数正弦函数 它的数学表达式为它的数学表达式为 式中式中A为振幅，为振幅，为角频率，正弦函数为周期函数。为角频率，正弦函数为周期函数。当正弦信号作用于线性系统时，系统的稳态分量当正弦信号作用于线性系统时，系统的稳态分量是和输入信号同频率的正弦信号，是和输入信号同频率的正弦信号，仅仅是幅值和初仅仅是幅值和初相位不同。相位不同。根据系统对不同频率正弦输入信号的稳根据系统对不同频率正弦输入信号的稳态响应，可以得到系统性能的全部信息。态响应，可以得到系统性能的全部信息。