自动控制一般概念1.pptx

2008-07 1第一章 自动控制的一般概念1.1 引言1.2自动控制系统术语和示例1.3闭环控制和开环控制1.4自动控制系统的分类1.5对自动控制系统的基本要求第1页/共42页2008-07 2历史的回顾18世纪，James Watt 为控制蒸汽机速度设计的离心调节器，是自动控制领域的第一项重大成果。1922年，Minorsky研制出船舶操纵自动控制器，并证明了从系统的微分方程确定系统的稳定性的方法。1932年，Nyquist提出了一种根据系统的开环频率响应(对稳态正弦输入)，确定闭环系统稳定性的方法。1934年，Hezen提出了用于位置控制系统的伺服机构的概念，讨论了可以精确跟踪变化的输入信号的机电伺服机构。第2页/共42页2008-07 319世纪40年代，频率响应法为闭环控制系统提供了一种可行方法，Evans提出并完善了根轨迹法。19世纪50年代末，控制系统设计问题的重点从设计许多可行系统中的一种系统，转到设计在某种意义上的最佳系统。19世纪60年代，数字计算机的出现为复杂系统的基于时域分析的现代控制理论提供了可能。从1960年到1980，确定性系统、随机系统的最佳控制，及复杂系统的自适应和学习控制，都得到充分的研究。从1980年到现在，现代控制理论进展集中于鲁棒控制、H控制及其相关课题。第3页/共42页2008-07 4古典控制理论 以传递函数为基础研究单输入-单输出一类定常控制系统的分析与设计问题。这些理论由于其发展较早，现已臻成熟。现代控制 以状态空间法为基础，研究多输入-多输出、时变、非线性一类控制系统的分析与设计问题。系统具有高精度和高效能的特点。第4页/共42页2008-07 5 1.2自动控制系统术语和示例自动控制对象 过程 系统 扰动 反馈控制反馈控制系统 随动系统 自动调整系统 过程控制系统第5页/共42页2008-07 61 1 自动控制自动控制 在无人直接参与的情况下，通过控制器使被控对象或在无人直接参与的情况下，通过控制器使被控对象或过程自动地按照预定要求进行。过程自动地按照预定要求进行。2 2 对象对象 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、化学反应器或宇宙飞船）为对象。或宇宙飞船）为对象。3 3 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、生物学过程。物学过程。4 4 系统系统 完成一定任务的一些元、部件的组合。完成一定任务的一些元、部件的组合。第6页/共42页2008-07 75 扰动6 反馈控制 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。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）之间的偏差，而且其工作正是基于这一偏差基础之上的。第7页/共42页2008-07 8 反馈控制系统是一种能对输出量与参考输入量进行比较，并力图保持两者之间的既定关系的系统，它利用输出量与输入量的偏差来进行控制。应当指出，反馈控制系统不限于工程范畴，在各种非工程范畴内，诸如经济学和生物学中，也存在着反馈控制系统。7 7 反馈控制系统反馈控制系统第8页/共42页2008-07 9 随动系统是一种反馈控制系统，在这种系统中，输出量是机械位移、速度或者加速度。因此，随动系统这个术语，与位置（或速度或加速度）控制系统是同义语。在现代工业中，广泛采用着随动系统。8 8 随动系统随动系统9 过程控制过程控制 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、燃料成分比例等方面的控制，称为过程控制。第9页/共42页2008-07 10热力系统的例子热力系统的例子热力系统的人工反馈控制热力系统的人工反馈控制第10页/共42页2008-07 11热力系统的自动反馈控制热力系统的自动反馈控制 第11页/共42页2008-07 121.3 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开环控制系统闭环与开环控制系统的比较第12页/共42页2008-07 131.3.1 反馈控制反馈控制系统1 反馈 把取出的输出量送回输入端，并与输入信号相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，称为反馈。若反馈比较产生偏差信号的过程，称为反馈。若反馈的信号与输入信号相减，使产生的偏差越来越的信号与输入信号相减，使产生的偏差越来越小，则称为负反馈；反之，则称为正反馈。小，则称为负反馈；反之，则称为正反馈。能对输入量与输出量进行比较，并且将它们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，以保持两者之间预定的偏差作为控制手段，以保持两者之间预定关系的系统，称为反馈控制系统。由于引入关系的系统，称为反馈控制系统。由于引入了被反馈量的反馈信息，整个控制过程成为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闭环控制。闭合的，因此反馈控制也称为闭环控制。2 2 反馈控制系统反馈控制系统第13页/共42页2008-07 143 3 闭环控制闭环控制 凡是系统输出信号对控制作用有直接影响的系统，都称为闭环系统。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，称为误差信号，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，换句话说，“闭环”这个术语的涵义，就是应用反馈作用来减小系统的误差。第14页/共42页2008-07 15图1-3 闭环控制系统第15页/共42页2008-07 161.3.2 反馈控制系统的基本组成反馈控制系统的基本组成 被控对象控制装置(由具有一定职能的各种基本元件组成)测量元件：其职能是测量被控制的物理量;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（即参据量）。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参据量进行比较，求出它们之间的偏差。放大元件：将比较元件给出的偏差进行放大，用来推动执行元件去控制被控对象。执行元件：直接推动被控对象，使其被控量发生变化。校正元件：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。第16页/共42页2008-07 17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；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。前向通路与主反馈通路共同构成主回路。此外，还有局部反馈通路以及由它构成的内回路。第17页/共42页2008-07 18 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。第18页/共42页温度计 加热电阻丝调压器u(a)原理图220V输出量(手柄位置)输入量 调压器 加热 电阻丝 电炉 恒温箱 受控对象(温度)扰动量(b)方块图控制装置扰动输出量输入量控制装置受控对象开环控制系统的方框图 第19页/共42页MugudoVGT+-(a)原理图给定信号(电压)触发 器电动机受控对象输出量(转速)扰动量(b)方块图控制装置 晶闸管可 控整流器+-+ugudoMiuin(a)原理图R 放大 器 负载 给定信号ug被控量 扰动inui(b)方块图 电压 放大 电阻 R 触发 器 晶阐管可 控整流器 电动 机控制装置与受控对象之间只有顺向作用而无反向联系。开环控制 前馈控制(开环)第20页/共42页2008-07 211.3.4 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。开环控制系统的特点 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。结构简单、调整方便、成本低。第21页/共42页2008-07 221.4 1.4 自动控制系统的分类自动控制系统的分类开环控制闭环控制(反馈控制)复合控制 按控制方式分按控制方式分第22页/共42页复合控制n扰动(ML)uiugut(-)(b)方块图 扰动检 测装置 晶阐管可 控整流器 转速反 馈装置 电动 机 放大器 放大器 触发器udoMR iugutTG(a)原理图 负载放大器 放大器+第23页/共42页2008-07 24机械系统恒张力系统电气系统机电系统全自动照相机，光机 电结合液压系统伺服液压缸，汽车发动机，大型的仿真模拟台气动系统 生物系统按按元元件件类类型型分分第24页/共42页2008-07 25按系统功用分温度控制系统温度控制系统压力控制系统压力控制系统位置控制系统位置控制系统 第25页/共42页2008-07 26线性系统线性系统非线性系统非线性系统连续系统连续系统定常系统定常系统时变系统时变系统确定性系统确定性系统不确定性系统不确定性系统按系统性能分按系统性能分离散系统离散系统第26页/共42页2008-07 27恒值控制系统恒值控制系统随动系统随动系统程序控制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第27页/共42页2008-07 28稳定性：1 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。2 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。1.5 对自动控制系统的基本要求1、对自动控制系统性能的基本要求可以归结为稳定性（长期稳定性）、准确性（精度）和快速性（相对稳定性）。稳 准快第28页/共42页2008-07 29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。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。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，而炮身行动迟缓，仍然抓不住目标。第29页/共42页2、典型外作用 选作典型外作用的条件：（1）易得性 （2）代表性 （3）简单性典型外作用：（1）阶跃函数 （2）斜坡函数 （3）脉冲函数 （4）正弦函数2006-07 30第30页/共42页2008-07 312）根据对系统性能的要求，如何合理地设计校正装置，使系统的性能能全面地满足技术上的要求。1.5.2本课程的任务本课程所要研究的两大课题：1）对于一个具体的控制系统，如何从理论上对它的动态性能和稳态精度进行定性的分析和定量的计算。第31页/共42页2006-07 32 图1-6（a）是一个液位控制系统原理图。在这里，自动控制器通过比较实际液位与希望液位，并通过调整气动阀门的开度，对误差进行修正，从而保持液位不变。图1-6（b）是该控制系统的方框图。试画出相应的人工操纵液位控制系统方块图。例题例题1-11-1第32页/共42页2008-07 33第33页/共42页34控制器：比较、放大的作用控制器：比较、放大的作用浮子：液面高度的反馈元件浮子：液面高度的反馈元件 Q2Q2为系统的干扰量为系统的干扰量气动阀门：执行机构气动阀门：执行机构被控对象：水箱被控对象：水箱第34页/共42页35第35页/共42页2、许多机器，像车床、铣床和磨床，都配有跟随器，用来复现模板的外形。下图就是这样一种跟随系统的原理图。在此系统中，刀具能在原料上复制模板的外形。试说明其工作原理，指出被控对象、被控量和给定量，画出系统方框图。2006-07 36第36页/共42页答：模板与原料同时固定在工作台上。X、Y轴直流伺服马达接受控制器的指令，按输入命令带动工作台做X、Y方向运动。模板随工作台移动时，触针会在模板表面滑动，跟随刀具中的位移传感器将触针感应到的反映模板表面形状的位移信号送到跟随控制器，控制器的输出驱动Z轴直流伺服马达带动切削刀具连同刀具架跟随触针运动，当刀具位置与触针位置一致时，两者位置偏差为零，Z轴伺服马达停止。系统中，刀具是被控对象，刀具位置是被控量，给定量是由模板确定的触针位置。系统方框图如图解1-9所示。最终原料被切割加工成模板的形状。2006-07 37第37页/共42页2006-07 38第38页/共42页39 有一发电机-电动机调速系统如图1-7所示。其工作原理是操纵者转动操纵电位计的手柄，可使电位计的输出电压Ur改变大小和方向。经前置放大器和直流发电机两极放大，使加在伺服电机上的端电压也随之改变大小和方向。从而使负载具有所要求的转速。试说明该系统的给定值、被控量和干扰量，并画出方块图。例题例题1-31-3第39页/共42页40第40页/共42页41作业1-1 1-2 1-4谢谢！第41页/共42页2006-07 自动控制原理42感谢您的观看！第42页/共42页