自动控制原理第一章

自动控制原理,第一章,自动控制的一般概念,1.1 引言,1.3闭环控制和开环控制,1.2自动控制系统示例,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,历史的回顾,指 南 车 复 原 模 型,1.1 引言,指南车是中国古代用来指示方向的一种具有能自动离合的齿轮系装置的车辆。,其结构为马拉的双轮独辕车，车箱上立一个伸臂的木人。车箱内装有能自动离合的齿轮系。,当车子转弯偏离正南方向时车辕前端就顺此方向移动，而后端则向反方向移动，并将传动齿轮放落，使车轮的传动带动木人下的大齿轮向相反方向转动，恰好抵消车子转弯产生的影响。,指南车 原理,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。,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。,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。,19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。,20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。,经典控制理论 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。,现代控制理论 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。,自动控制原理中的一些术语,1 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过程自动地按照预定要求进行。,2 对象 是一个设备，它是由一些机器零件有机地组合在一起的，其作用是完成一个特定的动作。 在下面的讨论中，称任何被控物体（如加热炉、化学反应器或宇宙飞船）为对象。,3 过程 称任何被控制的运行状态为过程，其具体例子如化学过程、经济学过程、生物学过程。,4 系统 完成一定任务的一些元、部件的组合。,5 扰动 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之一。,反馈本质 测量偏差，利用偏差，减少（乃至消除）偏差,6 反馈控制 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（也称参考量）（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。,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 反馈控制系统 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。,8 随动系统 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。,9 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。,1.2 自动控制系统示例,The Boeing 777 fly-by-wire aircraft,The F-18 aircraft, one of the first production military fighters to use “fly-by-wire” technology.,现代化的化工厂,The Seagate Barracuda 36ES2 disk drive,热力系统的人工反馈控制,热力系统的自动反馈控制,1.3 开环控制与闭环控制,1.3.1 反馈控制系统,1 反馈 负反馈与正反馈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。,2 反馈控制系统 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，整个控制过程成为闭合的，因此反馈控制也称为闭环控制。,3 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。,闭环控制系统,1.3.2 反馈控制系统的基本组成, 被控对象（或过程）,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（即参考量）；,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考量进行比 较，求出它们之间的偏差；,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。,控制装置（续）,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；,反馈控制系统的基本组成图,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；,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。,1.3.3 开环控制系统,定义 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。,1.3.4 闭环与开环控制系统的比较,闭环控制系统的特点： 偏差控制，可以抑制内、外扰动对被控制量产生的影响。精度高、结构复杂，设计、分析麻烦。,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。,1.4 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,按系统功用分,温度控制系统 压力控制系统 位置控制系统 ,控制方式分,按参据量 变化 规律分,1.5 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,恒值控制系统抗扰动,随动系统跟踪输入,程序控制系统跟踪预定规律,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）,简言之：稳 准 快,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。 3 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。线性系统的稳定性由系统的结构决定，与外界因素无关。,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。 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。,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。,1.5.2本课程的任务,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。,2）、根据对系统性