自动控制系统概述精品文稿.ppt

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1、自动控制系统概述1第1 页，本讲稿共36 页1-1 引言自动控制自动控制 指 指 在 在 没 没 有 有 人 人 参 参 与 与 的 的 情 情 况 况 下 下，通 过 控 制 器 或 控 制 装 置 来 控 制机 器 或 者 设 备 等 物 理 装 置，使 得 机 器 设 备 的 受 控 物 理 量 按 照 希望的规律变化，达到控制的目的。自动控制技术广泛应用在各个领域自动控制技术广泛应用在各个领域 不 仅 广 泛 应 用 于 工 业 控 制 中，在 军 事、农 业、航 空、航 海、核 能利用等领域也发挥着重要作用。回章首2 第2 页，本讲稿共36 页“自自动动控控制制原原理理”是是自自动动

2、控控制制学学科科的的基基础础理理论论，是一门理论性较强的工程科学。是一门理论性较强的工程科学。本 本 课 课 程 程 的 的 主 主 要 要 任 任 务 务 是 研 究 与 讨 论 控 制 系 统 的 一 般 规 律，从而 设 计 出 合 理 的 自 动 控 制 系 统，满 足 工 农 业 生 产 和 各 种 工 程上的需要。回章首回节首3 第3 页，本讲稿共36 页 自动控制理论的发展与应用自动控制理论的发展与应用v 可以 改善劳动条件 改善劳动条件，把人类从繁重的劳动中解放出来；v 由 于 自 动 控 制 系 统 能 以 某 种 最 佳 方 式 运 行，可 以 提 提 高 高 劳 劳 动

3、动 生 生 产 产 率 率，提高产品质量，节约能源，降低成本 提高产品质量，节约能源，降低成本。自 动 控 制 理 论 的 应 用 是 实 现 工 业、农 业、国 防 等 方 面 科 学技术现代化的有利工具。回章首回节首4第4 页，本讲稿共36 页1-2 开环控制与闭环控制 系统 系统 指 由 内 部 互 相 联 系 的 部 件 按 照 一 定 规 律 组 成，能 够 完 成 一 定功能的有机整体。控制系统的两种最基本的形式：控制系统的两种最基本的形式：开环控制和闭环控制 开环控制和闭环控制，如图1-1(a)、(b)所示。回章首5 第5 页，本讲稿共36 页输入量控制器控制量受控对象输出量（a

4、）开环控制系统图1-1 开环控制系统与闭环控制系统回章首回节首控制量输入量控制器受控对象输出量反馈元件-+（b）闭环控制系统6 第6 页，本讲稿共36 页 开环控制开环控制 开环控制是最简单的一种控制方式。特 特 点 点：控 控 制 制 量 量 与 与 输 输 出 出 量 量 之 之 间 间 仅 仅 有 有 前 前 向 向 通 通 路 路，而 而 没 没 有 有 反 反 馈 馈 通 通 路 路。也 也就是说，输出量不能对控制量产生影响。就是说，输出量不能对控制量产生影响。开 环 控 制 系 统 结 结 构 构 简 简 单 单、维 维 护 护 容 容 易 易、成 成 本 本 低 低、不 不 存

5、存 在 在 稳 稳定性问题 定性问题，应用于许多控制设备中。回章首 回节首7 第7 页，本讲稿共36 页缺点：缺点：q 控 制 精 度 取 决 于 组 成 系 统 的 元 件 的 精 度，因 此 对 元 器 件 的 要 求 比较高。q 由 于 输 出 量 不 能 反 馈 回 来 影 响 控 制 量，所 以 输 出 量 受 扰 动 信 号的影响比较大，系统抗干扰能力差。根 据 上 述 特 点，开 开 环 环 控 控 制 制 方 方 式 式 仅 仅 适 适 用 用 于 于 输 输 入 入 量 量 已 已 知 知，控 控 制 制 精 精度要求不高，扰动作用不大的情况。度要求不高，扰动作用不大的情况。

6、开环控制系统 一般是根据经验设计 一般是根据经验设计的。回章首 回节首8第8 页，本讲稿共36 页 闭环控制闭环控制 不仅有一条从输入端到输出端的前向通路，还有一条从输出端到输入端的反馈通路。输 出 量 通 过 一 个 测 量 变 送 元 件 反 馈 到 输 入 端，与 输 入信 号 比 较 后 得 到 偏 差 信 号 来 作 为 控 制 器 的 输 入，反 反 馈 馈 的 的 作 作 用 用是减小偏差 是减小偏差，以达到满意的控制效果。闭环控制又称为反馈控制。闭环控制又称为反馈控制。回章首 回节首9 第9 页，本讲稿共36 页 反馈：反馈：系统的输出量通过测量变送元件返回到系统的输入端，并和

7、系统的输入量作比较的过程就称为反馈。负反馈：负反馈：如果输入量和反馈量相减则称为负反馈。正反馈：正反馈：如果输入量和反馈量相加则称为正反馈。控制系统中 一般采用负反馈方式。一般采用负反馈方式。偏差信号：偏差信号：输入量与反馈量之差称为偏差信号。回章首回节首10 第10 页，本讲稿共36 页 闭环控制系统在控制上的特点 闭环控制系统在控制上的特点 由 于 输 出 信 号 的 反 馈 量 与 给 定 信 号 作 比 较 产 生 偏 差 信 号，利 用 偏 差 信 号 实 现 对 输 出 量 的 控 制 或 者 调 节，所 以 系 统 的 输 出量 能 够 自 动 地 跟 踪 给 定 量，减 小 跟

8、 踪 误 差，提 高 控 制 精 度，抑 制 扰动信号的影响。其 其 他 他 的 的 优 优 点 点：引 进 反 馈 通 路 后，使 得 系 统 对 前 向 通 路 中 元件 参 数 的 变 化 不 灵 敏，从 而 系 统 对 于 前 向 通 路 中 元 件 的 精 度 要求 不 高；反 馈 作 用 还 可 以 使 得 整 个 系 统 对 于 某 些 非 线 性 影 响 不 灵敏等等。回章首 回节首1 1第1 1 页，本讲稿共36 页图1-2 直流电动机转速开环控制功率放大器电动机负载电位器V+举例说明开环控制与闭环控制 举例说明开环控制与闭环控制 图1-2 是直流电动机转速开环控制示意图。电

9、 动 机 的 转 速 可 由 调 节 电 位 器 来 给 定。但 当 电 动 机 受到负载变化影响时，电动机的转速是要发生变化的。开环控制系统不能做到自动调节，控制的精度是比较低的。开环控制系统不能做到自动调节，控制的精度是比较低的。回章首 回节首12第12 页，本讲稿共36 页 图1-3 中，增 增 加 加 了 了 一 一 个 个 由 由 测 测 速 速 发 发 动 动 机 机 构 构 成 成 的 的 反 反 馈 馈 回 回 路 路，检 测 输出转速的变化并进行反馈。闭环控制可以实现电动机转速的自动调节。闭环控制可以实现电动机转速的自动调节。图1-3 是直流电动机转速闭环控制示意图。图1-3

10、 直流电动机转速闭环控制V+功率放大器电动机负载电位器测速发电机回章首 回节首13 第13 页，本讲稿共36 页系统自动调节电动机转速的过程如下：系统自动调节电动机转速的过程如下：当系统受到负载扰动作用时，如果负载增大，则电动机的转速降低，测速发电机的端电压减小，功率放大器的输入电压增加，电动机的电枢电压上升，使得电动机的转速增加。如果负载减小，则电动机转速调节的过程与上述过程相反。这样，消除或者抑制了负载扰动对于电动机转速的影响，这样，消除或者抑制了负载扰动对于电动机转速的影响，提高了系统的控制精度。提高了系统的控制精度。回章首 回节首14 第14 页，本讲稿共36 页综上所述 闭环控制系统

11、的自动控制或者自动调节作用是基于输出信号的负反 闭环控制系统的自动控制或者自动调节作用是基于输出信号的负反馈作用而产生的。馈作用而产生的。经典控制理论 经典控制理论 主要研究对象是 负反馈的闭环控制系统 负反馈的闭环控制系统。研究目的 研究目的是得到它的一般规律，从而可以设计出符合设计要求的，满足实际需要的，性能指标优良控制系统。回章首 回节首15第15 页，本讲稿共36 页1-3 自动控制与自动控制系统1-3-1 1-3-1 自动控制系统的组成及定义自动控制系统的组成及定义 自动控制系统的基本结构如图1-4 所示。控制器Gc受控对象Go反馈环节H+-输入量r ucn扰动量输出量反馈量b偏差控

12、制量图1-4 自动控制系统的基本结构回章首16第16 页，本讲稿共36 页受控对象 是 指 被 控 制 的 装 置 或 者 设 备(如 电 动 机、车 床 等)，有 时也指受控的物理量。受控过程 受 控 物 理 量 的 变 化 过 程 称 为 受 控 过 程。例 如 化 学 反 应 过程、水泥窑炉的生产过程等。一般用符号G Go o表示。参考输入(设定值)系 统 的 给 定 输 入 信 号，或 者 称 为 希 望 值，一 般 用 符 号r r 表示。回章首 回节首1.1.控制系统的一些常用术语控制系统的一些常用术语17 第17 页，本讲稿共36 页控制量 施加给受控对象的信号，使受控对象按照一

13、定的规律运行，一般用符号u u 表示。输出量 控制系统的输出，即受控的物理量，一般用符号c c 表示。偏差信号 系 统 的 参 考 输 入 信 号 与 反 馈 信 号 之 差 称 为 偏 差，是 控 制 系 统 中的一个重要参数，一般用符号 表示。回章首 回节首18 第18 页，本讲稿共36 页扰动信号 外界或者系统内部影响系统输出的干扰信号。外部的扰动称为外扰，它是系统的一个输入量。内部的扰动称为内扰，也可等价为系统的一个输入量。一般用符号n n 表示。前向通路 从输入端到输出端的单方向通路。反馈通路 从输出端到输入端的反方向通路。回章首 回节首19第19 页，本讲稿共36 页2.2.控制系

14、统的组成控制系统的组成 一个典型的控制系统由以下几部分组成：q 受控对象 受控对象(或者受控过程，其定义如前所述)q 定值元件 定值元件 在 在 常 常 规 规 仪 仪 表 表 控 控 制 制 中 中，用 它 来 产 产 生 生 参 参 考 考 输 输 入 入 或 或 者 者 设 设 定 定 值 值。设定 值 既 可 以 由 手 动 操 作 设 定，也 可 以 由 自 动 装 置 给 定。参 考 输 入 的 值根据实际情况而定，其类型与变送器的类型相一致。在 在 当 当 前 前 的 的 计 计 算 算 机 机 控 控 制 制 中 中，参 考 输 入 或 者 设 定 值 一 般 可 以 由计算机

15、给出，因此没有专用的定值元件。回章首 回节首20 第20 页，本讲稿共36 页q 控制器 控制器 接 接 收 收 偏 偏 差 差 信 信 号 号 或 或 者 者 输 输 入 入 信 信 号 号，通 通 过 过 一 一 定 定 的 的 控 控 制 制 规 规 律 律 给 给 出 出 控 控制量，送到执行元件。制量，送到执行元件。如 常 规 控 制 仪 表(电 动 仪 表，气 动 仪 表)、可 编 程 逻 辑 控 制器(PLC)、工业控制计算机等都属于控制器。q 执行元件 执行元件 控 控 制 制 器 器 与 与 受 受 控 控 对 对 象 象 之 之 间 间 实 实 现 现 功 功 率 率 级

16、级 别 别 转 转 换 换 或 或 者 者 物 物 理 理 量 量 纲 纲 转 转换的装置称为执行元件，又常称为执行机构或者执行器。换的装置称为执行元件，又常称为执行机构或者执行器。常 见 的 执 行 元 件 有 步 进 电 动 机、电 磁 阀、气 动 阀、各 种 驱动装置等。回章首回节首21 第21 页，本讲稿共36 页q 测量变送元件 测量变送元件 又 又 称 称 传 传 感 感 器 器，用 用 于 于 检 检 测 测 受 受 控 控 对 对 象 象 的 的 输 输 出 出 量 量，如 温 度、压 力、流量、位 置 转 速 等 非 电 量，并 并 变 变 换 换 成 成 标 标 准 准 信

17、 信 号 号(一 一 般 般 是 是 电 电 信 信 号 号)后 后 作 作为反馈量送到控制器。为反馈量送到控制器。例 如 各 种 压 力 传 感 器、流 量 传 感 器、差 压 变 送 器、测 速发电机等。q 比较元件 比较元件 用以产生偏差信号来形成控制。用以产生偏差信号来形成控制。有 的 系 统 以 标 准 装 置 的 方 式 配 以 专 用 的 比 较 器，大 大 部 部 分 分 是 是 以 以隐藏的方式合并在其它控制装置中 隐藏的方式合并在其它控制装置中，如计算机控制系统等。回章首回节首22 第22 页，本讲稿共36 页1-3-2 1-3-2 自动控制系统的分类自动控制系统的分类 前

18、 面 已 经 介 绍 过 开 开 环 环 控 控 制 制 系 系 统 统 与 与 闭 闭 环 环 控 控 制 制 系 系 统 统，这 这 是 是 按 按 照 照控 控 制 制 原 原 理 理 来 来 分 分 类 类 的 的。下 面 再 介 绍 自 动 控 制 系 统 的 另 外 几 种 主 要 分类方法。1 1 恒值控制系统与随动控制系统 恒值控制系统与随动控制系统 根据给定的参考输入信号的不同来分类。根据给定的参考输入信号的不同来分类。恒 恒 值 值 控 控 制 制 系 系 统 统：系 统 的 参 考 输 入 为 恒 值 或 者 波 动 范 围 很 小，系统的输出量也要求保持恒定，这类控制系

19、统称为恒值控制系统。例如恒温控制系统和转速控制系统等。回章首 回节首23 第23 页，本讲稿共36 页 随 随 动 动 控 控 制 制 系 系 统 统 又 又 称 称 伺 伺 服 服 控 控 制 制 系 系 统 统：其 参 考 输 入 值 不 断 地 变化，而且变化规律未知。控 制 的 目 目 的 的 是 是 使 使 得 得 系 系 统 统 的 的 输 输 出 出 量 量 能 能 够 够 准 准 确 确 地 地 跟 跟 踪 踪 输 输 入 入 量 量 的 的 变 变化。化。随 动 控 制 系 统 常 用 于 军 事 上 对 于 机 动 目 标 的 跟 踪，例 如 雷达跟踪系统、坦克炮塔自稳系统

20、等。回章首 回节首24 第24 页，本讲稿共36 页2.2.线性系统与非线性系统 线性系统与非线性系统 根据系统数学性质的不同来分类。根据系统数学性质的不同来分类。线性系统的主要特征是满足叠加原理 线性系统的主要特征是满足叠加原理，即：当系统在输入信号u1(t)的作用下产生系统的输出y1(t)，当系统在输入信号u2(t)的作用下产生系统的输出y2(t)，系 数a，b 可 以 是 常 数，也 可 以 是 时 变 参 数。这 这 样 样 的 的 系 系 统 统 称 称 为 为 线 线 性 性系统，否则称为非线性系统。系统，否则称为非线性系统。本书所研究和讨论的 主要是线性定常系统 主要是线性定常系

21、统。如果系统的输入信号为系统的输出满足回章首 回节首25第25 页，本讲稿共36 页3.3.连续时间系统与离散时间系统 连续时间系统与离散时间系统 根据时间信号的不同方式来对系统进行分类的。根据时间信号的不同方式来对系统进行分类的。连 连 续 续 时 时 间 间 系 系 统 统：当 系 统 的 输 入 信 号 与 输 出 信 号 均 是 以 连 续 时 间函数u(t)与y(t)来表示，则称为连续时间系统。离 离 散 散 时 时 间 间 系 系 统 统：当 系 统 的 输 入 信 号 与 输 出 信 号 均 以 离 散 时 间 量u(kT)与y(kT)来表示，则称为离散时间系统。回章首 回节首t

22、u(t)0tu(kT)0T 2T nT 图 1-5 连续时间信号与离散时间信号两类时间信号如图1-5 所示。26 第26 页，本讲稿共36 页给定值A/D 数字计算机D/A执行器受控对象传感器输出数字控制器+-图 1-6 计算机控制系统 在 数 字 化 与 计 算 机 控 制 的 当 今 时 代，是 将 连 续 时 间 系 统 等价 为 离 散 时 间 系 统 来 分 析 与 研 究 的，这 样 可 方 便 地 利 用 计 算 机作为控制器来实现系统控制。计算机控制系统如图1-6 所示。回章首 回节首27 第27 页，本讲稿共36 页 4 4 单输入 单输入-单输出系统与多输入 单输出系统与多

23、输入-多输出系统 多输出系统 回章首 回节首图 1-7 单输入-单输出系统与多输入-多输出系统系统uy(a)SISO 系统(b)MIMO 系统 系统u1u2umy2yry1单输入-单输出系统与多输入-多输出系统如图1-7 所示。28 第28 页，本讲稿共36 页 从端口关系上来分类，故不考虑端口内部的通路与结构。从端口关系上来分类，故不考虑端口内部的通路与结构。单 单 输 输 入 入-单 单 输 输 出 出 系 系 统 统(SISO)SISO)：只 有 一 个 输 入 量 和 一 个 输 出 量。单输入-单输出系统是 经典控制理论的主要研究对象 经典控制理论的主要研究对象。多 多 输 输 入

24、入-多 多 输 输 出 出 系 系 统 统(MIMO)MIMO)：多 个 输 入 量 和 多 个 输 出 量，其 主 要 特 点 是 输 出 与 输 入 之 间 呈 现 多 路 耦 合。与 单 输 入-单 输 出系统相比，系统的结构要复杂得多，本书基本不予讨论 本书基本不予讨论。除 了 以 上 提 到 的 分 类 方 法 外，自 动 控 制 系 统 还 有 其 他 的 分 类 方 法，如集中参数系统与分布参数系统、确定性系统与随机控制系统等。如集中参数系统与分布参数系统、确定性系统与随机控制系统等。回章首 回节首29 第29 页，本讲稿共36 页1-3-3 1-3-3 自动控制系统的设计自动控

25、制系统的设计 自动控制系统的设计方法根据实际情况的不同而不同。首 首 先 先 要 符 合 自 动 控 制 系 统 的 基 本 要 求，其 其 次 次 要 遵 循 自 动 控 制 系 统设计的基本原则。1.1.对自动控制系统的基本要求 对自动控制系统的基本要求 对 于 一 个 控 制 系 统 首 首 要 要 的 的 要 要 求 求 是 是 系 系 统 统 的 的 绝 绝 对 对 稳 稳 定 定 性 性。在 系 统稳 定 的 前 提 之 下，要 要 求 求 系 系 统 统 的 的 动 动 态 态 性 性 能 能 和 和 稳 稳 态 态 性 性 能 能 要 要 好 好。系 统 的 动态性能和稳态性能

26、是由相应的性能指标来描述的。在此，对于系统的性能要求可以 简要概括 简要概括为:响应动作要快 响应动作要快 动态过程平稳 动态过程平稳 跟踪值要准确 跟踪值要准确上述三条自动控制系统的基本要求如图1-8 所示。回章首 回节首30第30 页，本讲稿共36 页c(t)给定值 响 应 缓慢 响应快速 tc(t)变化剧烈 响 应 平 稳 tc(t)跟踪误差 t图1-8 控制系统的基本要求(a)响应快速性(b)动态平稳性(c)跟踪准确性回章首 回节首31 第31 页，本讲稿共36 页 图 图(a)a)显示了给定恒值信号时，系统达到稳态值的快速性。图 图(b)b)说 明 了 给 定 恒 值 信 号 时，系

27、 统 的 响 应 能 够 很 快 稳定在稳态值附近与在稳态值附近上下波动的两种比较情况。图 图(c)c)说 明 了 跟 踪 等 速 率 变 化 信 号 时，系 统 的 响 应 能 否 准 确 地跟 踪 输 入 信 号。能 够 准 确 地 跟 踪 的 系 统，就 没 有 跟 踪 误 差 或 者 跟 踪误差很小，否则，跟踪误差就大。回章首 回节首32 第32 页，本讲稿共36 页2.2.自动控制系统的设计原则 自动控制系统的设计原则 自 动 控 制 系 统 设 设 计 计 的 的 目 目 的 的 是 要 保 证 系 统 的 输 出 在 给 定 性 能 要 求的基础上跟踪输入信号,并且要有一定的抗干

28、扰能力。自动控制系统的设计大体上 可以归结为以下几个步骤：可以归结为以下几个步骤：(1)(1)系统分析 系统分析(2)(2)系统设计 系统设计(3)(3)实验仿真 实验仿真(4)(4)控制实现 控制实现 回章首 回节首 在 本 书 中，重 重 点 点 从 从 理 理 论 论 上 上 探 讨、研 究 自 动 控 制 系 统 的 分 析 问 题 和 系统的设计问题(自动控制系统的校正)。33 第33 页，本讲稿共36 页1-4 自动控制理论的发展1-4-1 1-4-1 经典控制理论发展阶段经典控制理论发展阶段 自动控制理论的发展到目前为止经历了以下几个阶段。回章首 到 了 第 二 次 世 界 大

29、战 时 期，由 于 工 业 技 术 发 展 的 需 要 和 战 争的 需 要，在 其 他 相 关 学 科 的 发 展 促 进 之 下，经 典 控 制 理 论 逐 渐 发展成熟而形成为独立学科。在 经 典 控 制 理 论 的 研 究 中，所 所 使 使 用 用 的 的 数 数 学 学 工 工 具 具 主 主 要 要 是 是 线 线 性 性微分方程和基于拉普拉斯变换的传递函数。微分方程和基于拉普拉斯变换的传递函数。研 研 究 究 对 对 象 象 基 基 本 本 是 是 单 单 输 输 入 入-单 单 输 输 出 出 系 系 统 统，以 以 线 线 性 性 定 定 常 常 系 系 统 统为主。为主。

30、34 第34 页，本讲稿共36 页1-4-2 1-4-2 现代控制理论发展阶段现代控制理论发展阶段 从50年 代 开 始，为 了 适 应 空 间 技 术 与 军 事 技 术 发 展 的需 要，在 经 典 控 制 理 论 充 分 发 展 的 基 础 上，现 代 控 制 理 论得 到 了 长 足 的 发 展。许 多 经 典 控 制 理 论 不 能 解 决 的 问 题，在此期间都得到了满意的答案。现代控制理论研究使用的数学工具主要是状态空间法。现代控制理论研究使用的数学工具主要是状态空间法。研 研 究 究 对 对 象 象 更 更 为 为 广 广 泛 泛。如 线 性 系 统 与 非 线 性 系 统、定

31、 常 系统与时变系统、多输入-多输出系统、强变量耦合系统等。回章首 回节首35 第35 页，本讲稿共36 页1-4-3 1-4-3 智能控制理论研究阶段智能控制理论研究阶段 智能控制理论的研究是建立在现代控制理论的发展和其他相关学科的发展基础之上的。智能，全称人工智能，智能，全称人工智能，是基于人脑的思维、推理决策功能 是基于人脑的思维、推理决策功能而言的 而言的，早已超出了传统的工程技术的范畴，是当前控制理论学科研究的前沿领域。智能控制理论的研究以人工智能的研究为方向，引导人 智能控制理论的研究以人工智能的研究为方向，引导人们去探讨自然界更为深刻的运动机理。们去探讨自然界更为深刻的运动机理。当前主要的研究方向有自适应控制理论研究、模糊控制理论研究、人工神经元网络研究以及混沌理论研究等，并且有许多研究成果产生。回章首 回节首36 第36 页，本讲稿共36 页