自动控制原理 课件 项目1 自动控制系统概述

项目一自动控制系统概述任务一自动控制的基本原理与其理论的发展史任务二自动控制系统的基本组成与结构任务三自动控制系统的分类与其性能的基本要求任务一自动控制的基本原理与其理论的发展史任务一自动控制的基本原理与其理论的发展史

在工业生产中,许许多多的技术设备、机器和生产过程都必须按照相应的要求、规定运行。例如,若要使发电机正常供电,其输出电压就必须保持恒定,尽量不受负荷变动的干扰;若要使数控机床加工出高精度的零件,其刀架的进给量就必须准确地按照程序指令的设定值变化。其中发电机、机床是工作的主体设备,而输出电压、进给量是表征这些设备工况的关键参数,额定电压、设定进给量就是设备在运行中对工况参数的具体要求。一、自动控制的基本原理任务一自动控制的基本原理与其理论的发展史

如果一个任务不是直接由人工承担的,而是靠控制装置来完成的,即在无人直接参与的情况下,利用控制装置操纵被控对象,使被控对象的被控量按给定值或给定信号的变化规律去变化,则称其为自动控制。任务一自动控制的基本原理与其理论的发展史被控对象是指被控制的机器设备被控量是指表征其工况的关键参数给定值(或为输入量、参考输入)是指对这些工况参数所希望达到的值。在控制装置运行中,若被控量以时间函数c(t)表示,给定值以r(t)表示,则自动控制的任务是使被控对象满足c(t)≈r(t)任务一自动控制的基本原理与其理论的发展史自动控制系统：由被控对象和控制器按一定方式连接起来,并完成一定自动控制任务的总体称为自动控制系统。自动控制原理的主要任务是对自动控制系统的性能进行分析和设计。任务一自动控制的基本原理与其理论的发展史【例】人工控制水位保持恒定的供水系统如图所示。人工控制水位供水系统的原理,如图所示。任务一自动控制的基本原理与其理论的发展史在人工控制水位保持恒定中,反馈的过程如下。(1)

设定目标:希望的水位高度。(2)

测量状态:用眼睛观察水位。(3)

比较:测量到的状态与设定目标比较,判断二者的差距及向哪个方向操纵阀门。(4)

调整行动:根据偏差的大小决定阀门的开关方向。(5)

实际执行:用手调整阀门的开合度。任务一自动控制的基本原理与其理论的发展史【例】同样是水位控制系统,若用浮子测量实际水位的高低,并与要求的水位比较,得出偏差;再由调节元件根据偏差的大小和正负产生控制信号;最后由执行元件根据控制信号产生控制作用,就构成了水位自动控制系统。任务一自动控制的基本原理与其理论的发展史水位自动控制系统的原理在水位自动控制系统中,水池的水位是被控量,水池是被控对象,浮子是检测元件,代替人的眼睛,用来测量水位高低。任务一自动控制的基本原理与其理论的发展史浮子测出实际水位,由连杆和电位器进行比较:当浮子低时,电位器上得到正电压,经放大器放大后使电动机向进水阀门开大的方向旋转;反之,当浮子高时,电位器上得到负电压,电动机向进水阀门关小的方向旋转;若水位正好,则电位器上电压为零,电动机不转,阀门不动。连杆和电位器相当于人的大脑,起调节作用。电动机和减速器具有手的功能,称为执行机构。整个过程中无须人工直接参与,控制过程是自动进行的。任务一自动控制的基本原理与其理论的发展史自动控制理论是在人类征服自然的生产实践活动中孕育、产生并随着社会生产和科学技术的进步而不断发展、完善起来的。自动控制理论的发展大体上分为三个不同的阶段。这种阶段性的发展过程是由简单到复杂、由量变到质变的辩证发展过程。二、自动控制理论的发展史经典控制理论阶段现代控制理论阶段大系统与智能控制系统理论阶段任务一自动控制的基本原理与其理论的发展史1788年,英国人瓦特(JamesWatt)在他发明的蒸汽机上使用了离心调速器,解决了蒸汽机的速度控制问题。1868年,英国物理学家麦克斯韦通过对调速系统线性常微分方程的建立和分析,开辟了用数学方法研究控制系统的途径。1877年,英国数学家劳斯建立根据代数方程的系数判别系统稳定性的准则。1895年,德国数学家赫尔维茨(A.Hurwitz)也建立了判别系统稳定性的准则。1932年,美国物理学家奈奎斯特(H.Nyquist)运用复变函数理论建立了以频率特性为基础的稳定性判据。1948年,美国科学家伊万斯(W.R.Evans)创立了根轨迹分析方法。1.经典控制理论阶段(20世纪50年代末期以前)任务一自动控制的基本原理与其理论的发展史

到20世纪50年代,经典控制理论的发展相对成熟,形成了相对完整的理论体系,为当时的控制工程发挥了极大的作用。其中最突出的成果是PID控制规律的产生。PID控制原理简单易于实现,具有一定的自适应性与鲁棒性,对于无时间延迟的单回路控制系统很有效,在工业过程控制中仍然被广泛应用。

经典控制理论研究的对象基本上是以线性定常系统为主的单输入—单输出系统,还不能解决如时变参数问题,多变量、强耦合等复杂的控制问题。任务一自动控制的基本原理与其理论的发展史现代控制理论是基于时域内的状态空间分析法,它是面向对多输入—多输出(MIMO)系统进行最优化控制的研究。1956年,苏联科学家庞特里亚金提出极大值原理;同年,美国数学家R.贝尔曼创立了动态规划。1959年,美国数学家卡尔曼提出了著名的卡尔曼滤波器。1960年,卡尔曼又提出系统的可控性和可观测性概念。20世纪60年代初,一套以状态方程作为描述系统的数学模型以最优控制和卡尔曼滤波为核心的控制系统分析、设计的新原理和方法基本确定,现代控制理论应运而生。2.现代控制理论阶段(50年代末期至70年代初期)任务一自动控制的基本原理与其理论的发展史大系统是指规模庞大、结构复杂、变量众多、关联严重、信息不完备的信息与控制系统。智能控制系统是指具有某些仿人智能的工程控制与信息处理系统,其中最典型的是智能机器人。70年代初期,Smith提出采用性能模式识别器来学习最优控制法以解决复杂系统的控制问题。傅京孙、Gloriso和Saridis提出分级递阶智能控制理论,并成功应用于核反应、城市交通控制领域。70年代中期,Mamdani创立了基于模糊语言描述控制规则的模糊控制器,并成功应用于工业控制。80年代以来,专家系统、神经网络理论及应用对智能控制起着促进作用。3.大系统与智能控制系统理论阶段(70年代初期至现在)任务二自动控制系统的基本组成与结构任务二自动控制系统的基本组成与结构任何一个自动控制系统都是由被控对象和控制装置构成的。自动控制系统的基本框图。一、自动控制系统的基本组成方框代表系统中具有相应职能的元件;箭头表示元件之间的信号及其传递方向。前向通道：从系统输入量到输出量之间的通道。反馈通道：从输出量到反馈信号之间的通道。⊗表示比较环节,其输出量等于各个输入量的代数和。因此,各个输入量均须用正、负号表明其极性,如果输入量为正,则正号可以省略。控制器、检测元件和执行机构这些功能元件分别承担相应的职能,从而共同完成控制任务。任务二自动控制系统的基本组成与结构自动控制系统中的常用术语。任务二自动控制系统的基本组成与结构任务二自动控制系统的基本组成与结构1.开环控制系统系统的控制输入不受输出影响的控制系统称为开环控制系统。在开环控制系统中,输入端与输出端之间只有信号的前向通道,而不存在由输出端到输入端的反馈通道。二、自动控制系统的结构直流电动机转速控制系统就是一个开环控制系统,如图所示。任务二自动控制系统的基本组成与结构工作原理：调节电位器R的滑臂,使其输出给定参考电压ur;ur经电压放大器和功率放大器放大后成为ua,送到直流电动机的电枢端,用来控制直流电动机转速;在负载恒定的条件下,直流电动机的转速ω与电枢电压ua成正比,只要改变给定电压ur,便可得到相应的直流电动机转速ω。直流电动机转速开环控制系统可用方框图表示,如图所示。任务二自动控制系统的基本组成与结构优点：结构比较简单,成本较低。缺点：控制精度不高,抑制干扰能力差,且对系统参数变化比较敏感。任务二自动控制系统的基本组成与结构闭环控制系统又称反馈控制系统,它是通过反馈回路使系统构成闭环,并按偏差产生控制作用,用以减小或消除偏差的控制系统。2.闭环控制系统直流电动机转速闭环控制系统,如图所示。任务二自动控制系统的基本组成与结构工作原理测速发电机由直流电动机同轴带动,它将直流电动机的实际转速ω(系统输出量)测量出来,并转换成电压uf,再反馈到系统的输入端,与给定值电压ur(系统输入量)进行比较,从而得出电压ue=ur-uf。偏差ue经电压放大器和功率放大器放大后成为ua,用以控制电动机转速ω。任务二自动控制系统的基本组成与结构直流电动机转速闭环控制系统可用方框图来表示,如图所示。任务二自动控制系统的基本组成与结构闭环控制是常用的控制方式,通常所说的控制系统,一般是指闭环控制系统。优点：不论是输入信号的变化,还是干扰的影响,或者是系统内部的变化,只要被控量偏离了规定值,系统都会产生相应的作用去消除偏差。缺点：造价较高，系统复杂性;如果系统的结构参数选取不适当,则控制过程可能变得很差,甚至出现振荡或发散等不稳定的情况。前馈补偿控制与反馈控制相结合,就构成了复合控制,可以有效提高系统的控制精度。复合控制有两种基本形式:按输入前馈补偿的复合控制和按扰动前馈补偿的复合控制,如图所示。3.复合控制系统任务二自动控制系统的基本组成与结构按输入前馈补偿的复合控制按扰动前馈补偿的复合控制任务三自动控制系统的分类与其性能的基本要求定值控制系统和随动控制系统线性系统和非线性系统单变量系统和多变量系统定常系统和时变系统连续系统和离散系统一、自动控制系统的分类任务三自动控制系统的分类及其性能的基本要求二、对自动控制系统性能的基本要求任务三自动控制系统的分类及其性能的基本要求通常将系统输入量(给定值或干扰)变化时,系统的输出变量由初始状态达到最终稳态的中间变化过程称过渡过程,又称瞬态过程。过渡过程结束后的输出响应称为稳态过程。系统的输出响应c(t)由过渡过程和稳态过程组成。对于已知系统结构和参数的各类系统,在某种典型输入信号下,对其被控量变化的全过程提出的基本要求都是一样的,可以归纳为稳定性、准确性和快速性。准确性快速性稳定性1.稳定性任务三自动控制系统的分类及其性能的基本要求稳定性有两层含义:稳定和平稳。控制系统的动态过程如图所示。如果控制过程中出现被控量围绕给定值振荡,而振荡不十分激烈且逐渐减弱,即图中曲线c1(t

),则说明系统具有稳定性。如果控制过程呈曲线c2(t

)和曲线c3(t

)的振荡或发散变化,则系统是不稳定的。2.准确性任务三自动控制系统的分类及其性能的基本要求准是指动态过程的准确性,是对系统稳态(静态)性能的要求。对一个稳定的系统而言,当过渡过程结束后,系统输出量的实际值与期望值之差称为稳态误差,它是衡量系统控制精度的重要指标。“准”则误差小,控制精度高。3.快速性快是指动态过程的快速性。它表明系统输出对输入响应的快慢程度,可通过动态过程时间长短来表征快速性优劣,时间越短说