自动控制系统的基本概念.ppt

0,自动控制原理 Principles of Automatic Control,河海大学计信院 吴学文 2011-09,1,课程内容,控制系统基本概念 控制系统建模方法 时域分析方法 频域分析方法 控制系统校正设计,2,教材及主要参考书,自动控制原理 李玉惠 晋帆主编 清华大学出版社 2008 参考书 胡松涛，自动控制原理简明教程（第2版），科学出版社，2008 梅晓榕，自动控制原理（第二版），科学出版社，2007 沈传文，自动控制理论，西安交通大学出版社，2007 参考文献： 胡松涛，自动控制原理习题集（第2版），科学出版社，2004年 焦晓红，陈志旺，自动控制原理习题解析（第4版），西安交通大学出版社，2008年,3,第1章 自动控制系统的基本概念,1.1 引言 1.2 开环控制系统和闭环控制系统 1.3 自动控制系统的基本构成 1.4 自动控制系统的分类和应用 1.5 对自动控制系统的基本要求,1.1 引言,自动控制技术在工农业生产、国防、航空航天、人们生活家居等各个领域中起着重要的作用！,广泛应用于各种工程学科领域，并扩展到生物、医学、环境、经济管理和其它许多社会生活领域。,独立的学科并与其它学科相互渗透、相互促进。,自动控制原理是自动控制技术的基础理论，是一门理论性较强的工程科学。,现代的工程技术人员和科学工作者，必须具备一定的自动控制理论基础知识！,1.1 引言,自动控制的概念: 自动控制 是指在没有人的直接参与的情况下，利用自动控制装置（控制器）使工作对象（被控对象）自动地按照预先规定的规律运行，或使它的某些物理量（被控量）按预定的要求变化。 另一种定义：是指机器设备在没有人直接参与的情况下，经过自动检测、信息处理、分析判断、操纵控制实现预期的目标。,自动控制系统: 将被控对象和实现控制功能的控制装置有机组合起来称为自动控制系统。,本课程与其它课程的关系：,1.1 引言,7,1.1.1 自动控制的自然和人造系统,人体自然系统 体温控制系统 心跳控制系统 眼球聚焦系统 新陈代谢系统 血液系统 呼吸系统 肾肝肺系统 这些系统持续的自动控制 保持健康的基本条件 这些系统是在我们非有意 识干预的情况下自动运行的,8,1.1.1 自动控制的自然和人造系统,天体自然系统 银 河 系 的 恒 星 运 动,9,1.1.1 自动控制的自然和人造系统,季节自然系统 四 季 气 候 变 更,10,1.1.1 自动控制的自然和人造系统,人造系统 全自动洗衣机、电冰箱、电饭煲、热水器 刹车防抱死系统ABS、车身稳定系统ESP、速度控制系统、自动巡航系统 温度控制系统、水位控制系统、电梯控制系统、生产线过程控制系统、机器人控制系统 人造卫星、载人航天器、宇宙飞船,自动增益控制环路AGC、自动频率控制环路AFC、自动相位控制环路APC（锁相环环路PLL ）,11,1.1.2 自动控制理论发展 (1),1787年，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。,12,自动控制理论发展 (1),1868年，J.C.Maxwell在论文“论调节器”中首先解释了Watt速度控制系统中出现的不稳定问题，通过线性常微分方程的建立和分析，指出了振荡现象的出现与从系统导出的一个代数方程根的分布有密切的关系，开辟了用数学方法研究控制系统运动特性的途径。,13,自动控制理论发展 (2),1877年 E.J.Routh和1895年 A.Hurwitz分别独立地建立了直接根据代数方程的系数判别系统稳定性的准则。 1892年A.M.Lyapunov用严格的数学分析方法全面地论述了稳定性问题,Lyapunov稳定性理论至今仍然是分析系统稳定性的重要方法。 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。,14,自动控制理论发展 (3),1925年英国电气工程师O.亥维赛把拉普拉斯变换应用到求解电路网络的问题上，创立了运算微积分，随后被应用到分析自动控制系统的问题上，并取得了显著的成就。 1927年美国贝尔实验室的电气工程师H.S.Blsck在解决电子管放大器失真问题时首先引入反馈的概念。,15,自动控制理论发展 (4),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。,16,自动控制理论发展 (5),1948年，美国科学家W.R.Evans提出了有名的根轨迹的分析方法，并于1950年进一步应用于反馈控制系统的设计，形成了与频率响应方法相对应的另一核心方法根轨迹法。 1948年，美国数学家N Wiener出版的控制论具有重要的影响，标记着一门学科的建立。,17,自动控制理论发展 (5),1956年，前苏联科学家L.S.Pontryagin提出极大值原理。同年美国数学家R.Bellman创立动态规划。极大值原理和动态规划为最优控制提供了理论工具。 1959年美国数学家R.E.Kalman提出了著名的卡尔曼滤波器，1960年又提出能控性和能观测性的概念。 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。,18,自动控制理论发展 (6),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。,19,自动控制理论发展 (7),经典控制理论 现代控制理论 大系统理论 智能控制理论,20,自动控制理论发展 (8),经典控制理论 以传递函数为基础,研究单输入单输出一类（SISO）定常控制系统的分析与设计问题。 如：调节电压改变电机的速度； 调整方向盘改变汽车的运动轨迹等。 这些理论发展较早，现已臻成熟。 现代控制理论 以状态空间法为基础，研究多输入多输出（MIMO）、时变、非线性一类控制系统的分析与设计问题。 如：汽车看成是一个具有两个输入（驾驶盘和加速踏 板）和两个输出（方向和速度）的控制系统。 计算机科学地发展，极大地促进了控制科学地发展。,21,经典控制理论与现代控制理论比较,22,自动控制理论发展 (9),大系统控制理论 大系统控制理论是一种过程控制与信息处理相结合的动态系统工程理论，研究的对象具有规模庞大、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。 如：人体，我们就可以看作为一个大系统，其中有体温的控制、情感的控制、人体血液中各种成分的控制等等。 大系统控制理论目前仍处于发展阶段。,23,自动控制理论发展 (10),智能控制 这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的应用。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。,24,自动控制是自动化技术的一门学科 自动化（Automation ）技术的发展历史,公元前我国的自动计时漏壶,公元132年张衡研制的候风地动仪,25,公元235年马钧研制出 能自动指示方向的指南车,26,1788年英国Watt发明的控制蒸汽机速度的离心式调速器,27,1913年美国建成最早的 汽车装配流水线,1952年美国MIT研制出第一台数控机床,28,1954年第一台工业机器人,1981年美国“哥伦比亚”号航天飞机首次发射成功,29,装配机器人,汽车自动焊接生产线,自动控制系统（应用举例）,30,自动立体仓库,自动控制系统（应用举例）,31,注塑机,自动搬运车,自动控制系统（应用举例）,32,智能汽车(竞赛),自动控制系统（应用举例）,月球车,33,机器人干活,机器人跳舞,自动控制系统（应用举例）,34,无人驾驶汽车,自动控制系统（应用举例）,美军“捕食者”无人机,35,机器人足球比赛,自动控制系统（应用举例）,2004-2010年：河海大学“e龙队”在足球机器人小型组项目上保持着国内领先、国际先进的水平，连续获得多个级别冠军。,36,1.1.3 自动控制中的常用术语(1),控制：对于人-机系统，为使某一机器、设备或过程处于希望的状态而对其进行的操作，称为控制。 人工控制：在人直接参与下完成的控制，称为人工控制。 自动控制：指在无人直接干预下，利用物理装置使被控对象或生产过程的某一物理量（如温度、压力、PH值等）按照预期的规律运行。 例如矿井提升机速度的控制、水泥回转窑湿度的控制、造纸厂纸浆浓度的控制、轧钢厂加热炉温度的控制、物料传输机速度的控制等等。,37,控制装置 这种能代替人对生产设备和工艺过程施加控制作用的装置，称为自动控制装置或控制器。 受控对象 被控制的机器、设备或过程称为受控对象或对象。如提升机、回转窑、加热炉等。 被控量 被控制的物理量称为被控量或输出量。 被控量是表征受控对象工作状态的物理量，即速度、湿度、浓度、炉温、电压等。,1.1.3 自动控制中的常用术语(2),38,给定量 决定被控量的物理量称为给定量或参考输入。给定量表征被控量的期望值或受控对象的期望状态。 扰动量 妨碍给定量对被控量进行正常控制的所有因素称为扰动量。 如果扰动量产生在系统内部称为内扰；扰动量产生在系统外部称为外扰。给定量和扰动量都是自动控制系统的输入量。,1.1.3 自动控制中的常用术语(3),39,系统 由一些相互联系和相互制约的环节组成并具有特定功能的整体称为系统。 在工业生产中，一台机器、一套设备或任意工艺过程，如加热炉、扎钢机、化学反应釜、核反应堆等都称为系统。,1.1.3 自动控制中的常用术语(4),40,自动控制系统 为实现某一控制目标所需要的所有物理部件的有效组合体。 自动控制系统由自动控制装置与受控对象组成。 控制系统一般按被控量命名，如速度控制系统、压力控制系统、温度控制系统等。,1.1.3 自动控制中的常用术语(5),41,1.2 开环控制和闭环控制系统,自动控制系统基本控制方式： 开环控制系统 闭环控制系统 复合控制系统,42,1.2.1 开环控制系统,电加热炉温开环控制系统,图1.1 开环控制的电加热炉原理图,43,控制任务 炉温保持恒定 工作原理 调压器电压 加热电阻电流 加热炉温度,电加热炉温开环控制系统,1.2.1 开环控制系统,44,控制结构 存在从左到右的信号传递通道前向通道 图1.2 开环控制的电加热炉方框图,电加热炉温开环控制系统,1.2.1 开环控制系统,45,1.2.1 开环控制系统,特点： 传递具有单向性，只有从输入端到输出端的信号前向通道；控制作用直接由系统的输入产生，输出量对系统的控制作用不发生影响。 结果： 控制结构简单，成本低，容易实现； 按给定值控制，稳定性好；控制精度完全由元件性能决定，精度低。 无抗扰动能力，抗干扰性差。,46,开环控制有两种形式 、按给定值控制 、按扰动补偿 图1.3 两种开环控制形式方框图,1.2.1 开环控制系统,47,应用 前国民经济各部门都广泛应用开环控制系统，如自动售货机、自动洗衣机、产品自动生产流水线及交通指挥的红绿灯转换等。,1.2.1 开环控制系统,48,电加热炉温开环控制系统的缺点： 开环控制系统难以保持炉温恒定。如果无论是否出现扰动都要使炉温保持恒定，就需人工干预。 为此引入闭环控制(反馈控制)：闭环控制是在开环控制基础上引入人工干预过程演变而来的。,1.2.2 闭环控制系统,49,人工电加热炉温控制 图1.4(a) 手动控制电加热炉,1.2.2 闭环控制系统,50,人工干预过程 .用眼观察温度计测量炉温 图1.4 (b)手动控制电加热炉方框图 .大脑中比较实际与给定温度 .相应调整(增加或减小)电压,1.2.2 闭环控制系统,51,人工控制作用 人工的关键性作用是使系统的输出量参与了系统的控制，形成了信号传递的闭环回路。系统一旦出现偏差，就调整控制量，从而保证了输出量的恒定。 人工控制系统也叫做人工反馈系统，或叫人工闭环控制系统。 用自动控制装置来取代人工操作功能，就变成自动控制系统，或叫闭环控制系统。,1.2.2 闭环控制系统,52,电加热炉温闭环控制系统 图1.5 闭环控制的电加热炉原理图,1.2.2 闭环控制系统,53,控制任务 炉温保持恒定 工作原理,1.2.2 闭环控制系统,54,控制结构 图1.6 闭环控制的电加热炉方框图,1.2.2 闭环控制系统,55,特点 系统的输出端与输入端存在反馈回路，输出量对系统的控制作用发生影响的系统。 存在从输入端到输出端的信号前向通道和从输出端到输入端的信号反馈通路，形成一个闭合的回路。 按偏差控制，有抗扰动能力 ，精度高。 结构复杂，稳定性降低，实现较困难。,1.2.2 闭环控制系统,56,应用 广泛应用各行业领域,1.2.2 闭环控制系统,反馈：取出输出量送回到输入端，并与输入信号相比产生偏差信号的过程 负反馈：反馈信号输入信号 正反馈：反馈信号+输入信号 反馈控制（闭环控制）：采用负反馈并利用偏差进行控制的过程,57,复合控制系统：开环控制结构与闭环控制结构于一体 两种基本形式 1、按参考输入 前馈补偿 2、按扰动 前馈补偿 图1.7 复合控制系统,1.2.3 复合控制系统,58,1.3 自动控制系统的基本构成,图1.8 控制系统的一般构成,59,1.3 自动控制系统的基本构成,图1.8 控制系统的一般构成,60,1.3 自动控制系统的基本构成,受控对象（或过程）：加热炉（温度） 测量装置（元件）：热电偶 给定装置（元件）：参考电压 比较装置（元件）：运算比较器 放大装置（元件）： 前置放大、功率放大器 控制器（校正元件）：模电、计算机等 执行机构（元件）：加热器、电机、液压马达等,控制装置（元件）,61,自动控制系统有很多分类方法 按控制方式： 开环控制 闭环控制(反馈控制) 复合控制,1.4 自动控制系统的分类,62,按元件的类型： 机械系统 电气系统 机电系统 液压系统 气动系统 生物系统 ,1.4 自动控制系统的分类,63,按系统性能 （主要元件的特性方程）： 线性系统和非线性系统 定常系统和时变系统 连续系统和离散系统 确定性系统和不确定性系统,1.4 自动控制系统的分类,64,线性定常系统按输入量变化规律： 恒值控制系统：输入信号是一个恒定的数值。如：工业生产中的恒温、恒压等自动控制系统。 随动系统：输入信号是一个未知函数。要求控制系统的输出量跟随输入信号变化。如：火炮自动跟踪系统。 程序控制系统：输入信号是一个已知的函数。系统的控制过程按预定的程序进行，要求被控量能迅速准确地复现输入，如化工中的压力、温度、流量控制。 恒值控制系统可看成输入等于常值的程序控制系统。,1.4 自动控制系统的分类和应用,65,恒值控制系统,调速系统：保持电机转速恒定 图1.9 调速系统原理图 图1.10 调速系统方框图,1.4 自动控制系统的分类,66,随动控制系统,位置伺服系统 图1.11 位置伺服系统工作原理图,1.4 自动控制系统的分类,67,位置伺服系统 图1.12 位置伺服系统方框图,1.4 自动控制系统的分类,随动控制系统,68,程序控制系统,数控机床系统 图1.13 数控机床开环系统方框图,1.4 自动控制系统的分类,69,1.5.1 对自动控制系统的基本要求,1.5 自动控制系统的性能指标,稳定性（稳） 快速性（快） 准确性（准） 系统稳态特性 “稳”与“快”是说明系统动态（过渡过程）品质。 系统的过渡过程产生的原因 ： 系统中储能元件的能量不可能突变。 “准”是说明系统的稳态（静态）品质。 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。,系统动态特性,70,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。 (a)单调过程 (b)衰减振荡过程 (a)单调过程 (b)衰减振荡过程 图1.13 系统给定量突变 图1.14 系统受到扰动,1.5.1 对自动控制系统的基本要求,71,稳定性 2、对随动系统：被控制量始终跟踪输入量的变化。 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。,1.5.1 对自动控制系统的基本要求,72,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，如炮身行动迟缓，仍然抓不住目标。,1.5.1 对自动控制系统的基本要求,73,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。,1.5.1 对自动控制系统的基本要求,1.脉冲函数,1.5.1 对自动控制系统的基本要求,为了便于用统一的方法研究和比较控制系统的性能，通常选用几种确定性函数作为典型外作用。,2. 阶跃函数 3.斜坡（速度）函数,1.5.1 对自动控制系统的基本要求,4. 加速度函数 5. 谐波（正弦）函数 6. 指数信号,1.5.1 对自动控制系统的基本要求,1.5 2 自动控制系统的稳态性能指标,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，它表明了系统控制的准确程度。稳态误差越小，则系统的稳态精度越高。,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。,1.5 2 自动控制系统的稳态性能指标,系统阶跃响应过渡过程,1.5 2 自动控制系统的暂态性能指标,超调量,上升时间,过度时间,（1）最大超调量 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。,1.5.2 自动控制系统的暂态性能指标,（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。调节时间越小，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