chap自动控制理论的一般概念实用实用教案

1、第1页/共31页第一页，共32页。17651765年，瓦特发明蒸汽机，用离心式调速器控制蒸气机年，瓦特发明蒸汽机，用离心式调速器控制蒸气机19481948年，维纳控制论或关于年，维纳控制论或关于(guny)(guny)在动物和机器在动物和机器中控制和通中控制和通 信的科学产生信的科学产生40406060年代年代 经典控制理论（频域法为主）经典控制理论（频域法为主）60607070年代年代 现代控制理论（时域法为主现代控制理论（时域法为主) )7070年代以后年代以后 大系统控制理论大系统控制理论自动控制：自动控制： 在没有人直接参与的情况下，采用控在没有人直接参与的情况下，采用控制装置或机械使

2、被控制对象达到预期制装置或机械使被控制对象达到预期(yq)的目标的目标 。发展简史：发展简史：第2页/共31页第二页，共32页。自动控制研究自动控制研究(ynji)(ynji)的内容：的内容： 经典控制理论经典控制理论 现代控制理论现代控制理论经典控制理论经典控制理论 主要研究主要研究(ynji)(ynji)对象对象: :对单输入单输出线性定对单输入单输出线性定常系统的分析和设计问题。常系统的分析和设计问题。现代控制理论现代控制理论 主要研究主要研究(ynji)(ynji)对象对象: :多输入、多输出、时变多输入、多输出、时变参数、高精度复杂系统的分析和设计问题。参数、高精度复杂系统的分析和设

3、计问题。第3页/共31页第三页，共32页。研究对象研究对象数学工具数学工具分析方法分析方法局限性局限性经典经典控制控制理论理论单单I/OI/O线性定常线性定常系统系统微分方程，微分方程，传递函数传递函数时域法时域法频域法频域法根轨迹法根轨迹法对复杂多变量对复杂多变量系统、时变和系统、时变和非线性系统无非线性系统无能为力能为力现代现代控制控制理论理论多输入多输入- -多多输出变系输出变系数，非线数，非线性等系统性等系统线性代数、线性代数、矩阵理论矩阵理论状态状态空间法空间法比较繁琐比较繁琐（但由于计（但由于计算机技术的算机技术的 迅速发展，迅速发展，已克服已克服) )第4页/共31页第四页，共3

4、2页。第5页/共31页第五页，共32页。 控制控制(kngzh)装置与被控对象之间只有顺向装置与被控对象之间只有顺向作用而没有反向联系的控制作用而没有反向联系的控制(kngzh)。或者说系。或者说系统的输出量对系统的控制统的输出量对系统的控制(kngzh)作用无影响的作用无影响的控制控制(kngzh)系统。系统。温度计 加热电阻丝u220Vk炉温开环控制系统炉温开环控制系统 开关闭合后，不开关闭合后，不同的输入电压同的输入电压u u对应于对应于不同的温度不同的温度t t。第6页/共31页第六页，共32页。给定(i dn)值输出量控制器被控制对象扰动输出量 受控对象控制装置 (电源 )输入量(

5、(温度) )扰动量开关电炉恒温箱加热电阻丝炉温开环控制系统方框图炉温开环控制系统方框图第7页/共31页第七页，共32页。控制方式：控制方式： 按给定值操纵。信号由给定值至输出量单向传递。一按给定值操纵。信号由给定值至输出量单向传递。一定的给定值对应定的给定值对应(duyng)一定的输出量。系统的控制精一定的输出量。系统的控制精度取决于系统事先的调整精度。对于工作过程中受到的度取决于系统事先的调整精度。对于工作过程中受到的扰动或特性参数的变化无法自动补偿。结构简单，成本扰动或特性参数的变化无法自动补偿。结构简单，成本低廉，多用于系统结构参数稳定和扰动信号较弱的场合低廉，多用于系统结构参数稳定和扰

6、动信号较弱的场合.开环控制系统特点：开环控制系统特点： 信号从输入到输出无反馈信号从输入到输出无反馈, ,单向传递单向传递(chund). (chund). 结构简单结构简单. . 控制精度不高控制精度不高, ,无法抑制扰动无法抑制扰动. .第8页/共31页第八页，共32页。输出量对输入量没有影响输出量对输入量没有影响(yngxing)(yngxing)的系统称为开环系统的系统称为开环系统 第9页/共31页第九页，共32页。反馈(fnku)第10页/共31页第十页，共32页。控制控制(kngzh)(kngzh)任务：保持工作机械恒速任务：保持工作机械恒速运行运行. .控制控制(kngzh)(k

7、ngzh)过程：过程：fanuuun 第11页/共31页第十一页，共32页。典型典型(dinxng)闭环系统方框图闭环系统方框图第12页/共31页第十二页，共32页。特点特点: : 输出影响输入，所以能削弱或抑制干扰；输出影响输入，所以能削弱或抑制干扰；低精度元件可组成高精度系统；因为可能发生低精度元件可组成高精度系统；因为可能发生超调，振荡超调，振荡(zhndng)(zhndng)，所以稳定性很重要，所以稳定性很重要第13页/共31页第十三页，共32页。第14页/共31页第十四页，共32页。主主 反反 馈馈 与输出成正比或某种函数关系，但量纲与给定信号相同；与输出成正比或某种函数关系，但量纲

8、与给定信号相同；偏偏 差差 给定信号与主反馈信号之差的信号；给定信号与主反馈信号之差的信号；控制单元控制单元 接受偏差信号，通过转换与运算，产生期望的控制量；接受偏差信号，通过转换与运算，产生期望的控制量；扰扰 动动 对系统输出产生不利影响对系统输出产生不利影响(yngxing)(yngxing)的信号；的信号；反馈环节反馈环节 检测输出信号并转换与给定输入信号相同量纲的信号。检测输出信号并转换与给定输入信号相同量纲的信号。第15页/共31页第十五页，共32页。输出量环节名称（或特性）输入量(a) (- -)(b)re=r-b b(c)c引出点cc 扰动被控量偏差信号 (- -) 参考 输入信

9、号r(t) 调节器(或控制器)u(t)受控系统e(t) c(t)反馈信号 控制量 给定 控制 环节 放大 元件 执行 机构 受控 对象 反馈装置 (测量元件)第16页/共31页第十六页，共32页。扰动(b) 方框图(- -)utug 给定 装置 放大器 电动机 转速反 馈装置 触发器 晶阐管可 控整流器控 制 装 置受控对象nueudo第17页/共31页第十七页，共32页。 它是把按偏差控制与按扰动它是把按偏差控制与按扰动(rodng)控制结合起来，对于主要扰动控制结合起来，对于主要扰动(rodng)采用适当的补偿装置实现按扰动采用适当的补偿装置实现按扰动(rodng)控制，同时再组成反馈控制

10、系统实现按偏控制，同时再组成反馈控制系统实现按偏差控制，以消除其余扰动差控制，以消除其余扰动(rodng)产生的偏差。产生的偏差。按扰动(rodng)补偿ou 输入信号 (- -) 电压放大器功率放大器 电动机测速发电机电压放大器电阻R电动机速度复合控制系统方框图电动机速度复合控制系统方框图eutunMc第18页/共31页第十八页，共32页。 也称镇定系统。输出量以一定的精度等于给定也称镇定系统。输出量以一定的精度等于给定值，而给定值一般不变化或变化很缓慢，扰动可随值，而给定值一般不变化或变化很缓慢，扰动可随时变化的系统称为时变化的系统称为(chn wi)恒值系统，在生产恒值系统，在生产过程中

11、，这类系统非常多。例如，冶金部门的恒温过程中，这类系统非常多。例如，冶金部门的恒温系统，石油部门的恒压系统等。系统，石油部门的恒压系统等。恒值系统恒值系统(xtng)：第19页/共31页第十九页，共32页。 系统通过间隙传感器实时测量出密封间隙值并送入计算机，与设定值比较后，发出控制指令系统通过间隙传感器实时测量出密封间隙值并送入计算机，与设定值比较后，发出控制指令至电动机提升机构，调整密封板的位置，达到维持密封间隙值恒定至电动机提升机构，调整密封板的位置，达到维持密封间隙值恒定(hngdng)的目的。的目的。第20页/共31页第二十页，共32页。 输出量能以一定精度跟随给定值变化输出量能以一

12、定精度跟随给定值变化的系统的系统(xtng)称随动系统称随动系统(xtng)，又称，又称为跟踪系统为跟踪系统(xtng)。这类系统。这类系统(xtng)的的特点是系统特点是系统(xtng)的给定值变化规律完全的给定值变化规律完全取决于事先不能确定的时间函数，而输出取决于事先不能确定的时间函数，而输出量是与输入量同样的物理量并且能以一定量是与输入量同样的物理量并且能以一定的精度跟随输入量变化的系统的精度跟随输入量变化的系统(xtng)。例。例如：火炮系统如：火炮系统(xtng)，卫星控制系统，卫星控制系统(xtng)等。等。随动系统随动系统(xtng)：第21页/共31页第二十一页，共32页。控

13、制任务：控制任务：要求工作机械能够跟随指令机构同要求工作机械能够跟随指令机构同步转动步转动, ,即要使工作机械的角位置跟随给定指令即要使工作机械的角位置跟随给定指令转角，亦即使：转角，亦即使：oi第22页/共31页第二十二页，共32页。 首先确定以下基本问题：首先确定以下基本问题：（1 1）受控对象）受控对象: : 工作机械；工作机械；（2 2）被）被 控控 量量: : 角位置；角位置；（3 3）指令转角）指令转角: : 给定值；给定值；（4 4）测量元件）测量元件: : 通过两个相同的电位计测量转角值，并转换为通过两个相同的电位计测量转角值，并转换为 相应的电压值；相应的电压值；（5 5）计

14、算比较）计算比较: : 两个测量电位计的桥式连接，即完成了减法运算，两个测量电位计的桥式连接，即完成了减法运算， 两电刷之间的电压代表了被控量对给定量的误差两电刷之间的电压代表了被控量对给定量的误差(wch)(wch)；（6 6）执行机械）执行机械: : 电机减速装置。电机减速装置。系统的工作系统的工作(gngzu)(gngzu)原理：原理： 如果工作如果工作(gngzu)(gngzu)机械转角等于指令转角，则机械转角等于指令转角，则经事先整定，经事先整定，即电机不动，系统处于平衡状态。当指令转角改变，随之改变，而工作即电机不动，系统处于平衡状态。当指令转角改变，随之改变，而工作(gngzu)

15、(gngzu)机械仍处于原位，则从而使电动机拖动工作机械仍处于原位，则从而使电动机拖动工作(gngzu)(gngzu)机械朝所要求的方向快速机械朝所要求的方向快速偏转，直至电机停转，此时系统在新的位置上处于与指令同步的平衡工作偏转，直至电机停转，此时系统在新的位置上处于与指令同步的平衡工作(gngzu)(gngzu)状态，即完成了跟随的任务。状态，即完成了跟随的任务。第23页/共31页第二十三页，共32页。 自动控制系统自动控制系统(kn zh x tn)的的被控制量如果是根据预先编好的程序进被控制量如果是根据预先编好的程序进行控制的系统称程序控制系统行控制的系统称程序控制系统(kn zh x

16、 tn)。例如：炼钢炉中的微机控制系。例如：炼钢炉中的微机控制系统统(kn zh x tn)，洲际弹道导弹的，洲际弹道导弹的程序控制系统程序控制系统(kn zh x tn)等。等。程序程序(chngx)控制控制系统：系统：第24页/共31页第二十四页，共32页。稳定性稳定性 被控制信号能跟踪已变化的输入信号，从一种状态到另一种状态，如果能做到，我们就认被控制信号能跟踪已变化的输入信号，从一种状态到另一种状态，如果能做到，我们就认为该系统为该系统(xtng)(xtng)是稳定的，这是对反馈控制系统是稳定的，这是对反馈控制系统(xtng)(xtng)提出的最基本要求。提出的最基本要求。 稳定有绝对

17、稳定和相对稳定。稳定有绝对稳定和相对稳定。快速性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。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稳定高射炮射角随动系统(xtng)(xtng)，虽然炮身最终能跟踪目标，但如果目标变动迅速，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。而炮身行动迟缓，仍然抓不住目标。准确性准确性用稳态误差来表示。用稳态误差来表示。在参考输入信号作用下，当系统在参考输入信号作用下，当系统(xtng)(xtng)达到稳态后，其稳态输出与参考输入所要求的达到稳态后，其稳态输出与参考输入所要求的期望输出之差叫做

18、给定稳态误差。显然，这种误差越小，表示系统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(xtng)(xtng)的输出跟随参考的输出跟随参考输入的精度越高。输入的精度越高。第25页/共31页第二十五页，共32页。. .稳定性：是保证控制系统正常工作的先决条件。稳定性：是保证控制系统正常工作的先决条件。. .快速性：动态性能，有指标快速性：动态性能，有指标(zhbio)(zhbio)。. .准确性：稳态（过渡过程结束后的）值应尽量与期望值一准确性：稳态（过渡过程结束后的）值应尽量与期望值一致。致。tnn1(a)0(b)nt0n0n1t0n(c)n0t(e)n1n0t(d)n0n1n0t(f)第26页/共31页第二十六页，共32页。控制系统控制系统(kn(kn zh x tn zh x tn) )的分析