DOC《幻灯片1》

幻灯片1

第一章 绪论 1.

1 自动控制系统简介 1.2 自动控制系统分类 1.3 自动控制理论的发展简史 1.4 工程控制问题的基本要求 幻灯片2 0.1 控制的含义 控制(CONTROL)----某个主体使某个客体按照一定的目的动作 主体---人:人工控制;

机器:自动控制 客体---指一件物体,一套装置,一个物化过程,一个特定系统. 物体--飞船,电炉.(飞船控制) 装置--锅炉,汽机.(锅炉控制) 过程--燃烧,传动.(燃烧控制) 系统--电力,化工,冶金.(电力控制) 幻灯片3 0.1 人工控制与自动控制 煤气灶上油煎鸡蛋时的油温控制 自行车速度控制 汽车驾驶 收音机音量调节 电饭煲 空调 抽水马桶 汽轮机转速控制 导弹飞行控制 声控光控路灯 幻灯片4 1.1 自动控制系统简介

1、自动控制、系统、自动控制系统 自动控制:是指在没有人直接参与的情况下,利用外加的设备或装置(称控制装置或控制器),使机器、设备或生产过程(统称被控对象)的某个工作状态或参数(即被控量)自动地按照预定的规律(给定值)运行. 系统:是指按照某些规律结合在一起的物体(元部件)的组合,它们相互作用、相互依存,并能完成一定的任务. 自动控制系统 :能够实现自动控制的系统就可称为自动控制系统,一般由控制装置和被控对象组成. 幻灯片5 幻灯片6 幻灯片7 Watt'

s flyball governor 幻灯片8 炉温控制系统 幻灯片9

2、自动控制的应用领域 机械转速、位置的控制 工业过程中温度、压力、流量的控制 远洋巨轮航行控制 深水潜艇的控制 飞机自动驾驶 神舟飞船的返回控制 勇气 号、 机遇 号的火星登陆控制 等等 总之,自动控制技术的应用几乎无所不在 . 幻灯片10

3、自动控制原理及其要解决的基本问题 自动控制原理:是研究自动控制共同规律的技术科学,而不是对某一过程或对象的具体控制实现(正如微积分是一种数学工具一样). 解决的基本问题: 建立系统的数学模型(建模) 分析控制系统的性能(分析) 控制系统的综合与校正――控制器设计(综合) 幻灯片11

4、自动控制原理研究的主要内容 经典控制理论 现代控制理论 研究对象 单输入、单输出系统(SISO) 多输入、多输出系统(MIMO) 数学模型 传递函数 状态方程 研究手段 频域法、根轨迹法 状态空间方法 研究目的 系统综合、校正 最优控制、系统辨识、最佳估计、自适应控制 幻灯片12 炉温控制系统方框图 炉温控制系统方框图 幻灯片13 控制系统的功能框图 幻灯片14

6、控制系统的组成 被控对象:在自动化领域,被控制的装置、物理系统或过程称为被控对象. 控制器:对控制对象产生控制作用的装置称为控制器,有时也称为控制元件、调节器等. 执行元件:直接改变被控变量的元件称为执行元件. 幻灯片15 测量元件:能够将一种物理量检测出来并转化成另一种容易处理和使用的物理量的装置称为传感器或测量元件(热敏电阻) . 参考输入元件:将指令输入信号变成参考输入信号的元件可称为参考输入元件(电位器). 幻灯片16

8、控制系统中常用的信号和变量 输入信号:由外部加到系统中的变量,它不受系统中其他变量的影响和控制. 输出信号:由系统或元件产生的变量,其中最受关注的输出信号又称为被控变量 幻灯片17 控制变量:控制器的输出信号称为控制变量,它作用在控制对象(执行元件、功率放大器)上,影响和改变被控变量(放大器(控制器)的输出信号). 被控变量:在控制系统中被控制的物理量是被控变量.(空气温度) 反馈信号:是被控变量经传感器等元件变换并返回到输入端的信号,一般与被控变量成正比(热敏电阻即温度传感器的输出信号). 给定值:又称为指令输入信号,它与被控变量是同一物理单位,用来表示被控变量的设定值(室内温度的设定值) . 幻灯片18 参考输入信号:代表指令输入信号与反馈信号进行比较的基准信号称为参考输入信号(电位器的输出电压). 偏差信号:参考输入信号与反馈信号之差称为偏差信号(e= r - y). 扰动信号:是加于系统上的不希望的外来信号,它对被控变量产生不利的影响(周围环境温度的变化及房间散热条件的变化等). 幻灯片19 1.2 自动控制系统分类 开环控制和闭环控制 按照控制方式和策略,系统可分为开环控制系统和 闭环控制系统两大类. 幻灯片20

1、开环控制系统 控制器和控制对象间只有正向控制作用,系统的输出量不会对控制器产生任何影响;

结构简单,成本低,容易控制,但控制精度低 ;

一般适合于干扰不强或可预测的、控制精度要求不高的场合;

如果系统的给定输入与被控量之间的关系固定,且其内部参数或外来扰动的变化都比较小,或这些扰动因素可以事先确定并能给予补偿,则采用开环控制也能取得较为满意的控制效果;

对扰动没有抑制能力. 幻灯片21 幻灯片22 幻灯片23 例:直流电动机调速系统 幻灯片24

2、闭环控制系统 系统输出量对控制作用有直接影响 ;

实现了按偏差控制;

也称为反馈控制;

闭环控制系统由前向通道(控制器和控制对象)和反馈通道(反馈装置)构成(如图1-4);

反馈控制:正反馈和负反馈;

具有正反馈形式的系统一般不能改进系统性能,而且容易使系统性能变坏 ;

通常而言,反馈控制就是指负反馈控制. 闭环系统必须考虑稳定性问题 幻灯片25 幻灯片26 例:直流电动机调速系统 控制量:ud = k (ug-ub) 偏差信号:ug-ub 按偏差调节:n↑→ub↑→( ug-ub)↓→ud↓→ n↓ 幻灯片27

3、闭环系统与开环系统的区别 与开环控制系统相比,闭环控制系统的最大特点是检测偏差、纠正偏差 ;

从系统结构上看,闭环系统具有反向通道;

从功能上看,闭环系统具有如下特点: 由于增加了反馈通道,系统的控制精度得到了提高,若采用开环控制,要达到同样的精度,则需要高精度的控制器,从而大大增加了成本;

由于存在系统的反馈,可以较好地抑制系统各环节中可能存在的扰动和由于器件的老化而引起的结构和参数的不确定性;

反馈环节的存在可以较好地改善系统的动态性能. 幻灯片28 开环控制 闭环控制 结构 简单、成本低 复杂、成本高 精度 精度低、对元器件要求高 精度高、对元器件要求低 稳定性 通常不考虑 必须考虑 幻灯片29

二、线性控制系统和非线性控制系统 按照系统是否满足叠加原理,系统可分为线性系统和非线性系统两类 . 线性控制系统 组成控制系统的元件都具有线性特性;

输入输出关系一般可以用微分方程、差分方程、传递函数以及状态空间表达式来描述;

线性系统的主要特点是具有齐次性和适用叠加原理;

如果线性系统中的参数不随时间变化,则称为线性定常系统;

否则称为线性时变系统 . 幻灯片30 非线性控制系统 控制系统中,若至少有一个元件具有非线性特性;

一般不具有齐次性,也不适用叠加原理;

输出响应和稳定性与输入信号和初始状态有很大关系;

也有时变和定常系统之分;

严格地讲,绝对线性的控制系统(或元件)是不存在的. 幻灯片31

三、定值控制系统、伺服系统和程序控制系统 按照输入信号分类,控制系统可分为定值控制系统、伺服系统和程序控制系统. 定值控制系统(r(t) = const.) 输入信号是恒值,要求被控变量保持相对应的数值不变 室温控制系统、直流电机转速控制系统 幻灯片32 伺服系统(r(t) 不可预测) 输入信号是变化规律未知的任意时间函数 ;

系统的任务是使被控变量按照同样规律变化并与输入信号的误差保持在规定的范围内;

导弹发射架控制系统、火炮随动系统、雷达天线控制系统 ;

当被控量为位置或角度时,伺服系统又称为随动系统. 幻灯片33 程序控制系统( r(t) 变化事先已知) 输入信号是按已知的规律(事先规定的程序)变化;

要求被控变量也按相应的规律随输入信号变化,误差不超过规定值;

热处理炉的温控系统、机床的数码加工系统和仿形控制系统. 幻灯片34

四、连续控制系统和离散控制系统 连续控制系统:控制系统中各部分的信号都是时间的连续函数. 离散控制系统:在控制系统各部分的信号中只要有一个是时间的离散信号. 离散模型是计算机控制的最主要模型. 幻灯片35 思考题:指出下列方程分别表示哪类系统? 幻灯片36 1.3 自动控制理论的发展简史

1 经典控制理论 40~50年代形成 SISO系统 基于:二战军工技术 目标:反馈控制系统的镇定 基本方法:传递函数,频率法,PID调节器 (频域)

2 现代控制理论 60~70年代形成 MIMO系统 基于: 冷战时期空间技术,计算机技术 目标:最优控制 基本方法:状态方程(时域) 幻灯片37 幻灯片38

3 智能控制技术 90年代开始发展 专家系统――姑苏慕容 模糊控制――醉拳 神经网络 预测控制 幻灯片39

4 正在发展的各个领域 自适应控制――独孤九剑 大系统理论 鲁棒控制――金钟罩铁布衫 多率周期控制 非线性控制(微分几何,混沌,变结构) 幻灯片40 1.4 工程控制问题的基本要求 为实现自动控制,必须对控制系统提出一定的要求;

对于一个闭环控制系统而言,当输入量和扰动量均不变时,系统输出量也恒定不变,这种状态称为平衡态或静态、稳态;

当输入量或扰动量发生变化时,反馈量将与输入量产生偏差,通过控制器的作用,从而使输出量最终稳定,即达到一个新的平衡状态 ;

由于系统中各环节总存在惯性,系统从一个平衡点到另一个平衡点无法瞬间完成,即存在一个过渡过程,该过程也称为动态过程或暂态过程. 幻灯片41 根据系统稳态输出和暂态过程的特性,对闭环控制系统的 基本要求可以归纳为三个方面:稳、快、准.

1、稳:控制系统的稳定性与平稳性. 稳定性是指控制系统偏离平衡状态后,自动恢复到平衡状态的能力;

控制系统必须具有稳定性(系统正常工作的必要条件);

稳定的控制系统必然存在过渡过程;

稳定与否通常可以用曲线来描述(如下图所示). 幻灯片42 平稳是指动态过程振荡的振幅和频率.即被控量围绕给定值摆动的幅度和摆动的次数.好的动态过程摆动的幅度小,摆动的次数少.

2、快:系统的快速性,即动态过程进行的时间长短. 稳和快反映了系统在控制过程中的性能.系统在跟踪过程中,被控量偏离给定值越小,偏离时间越短,说明系统的动态精度越高. 幻灯片43

3、准:就是要求被控量和设定值之间的误差达到所要求的精度范围 . 准确性反映了系统的稳态精度 通常控制系统的稳态精度可以用稳态误差来表示: cr(t)――系统希望输出;

c(t) ――实际输出 两者误差―― e(t) = cr(t) - c(t) 稳态误差―― 幻灯片44 根据输入点的不同,一般可以分为参考输入稳态误差和扰动输入稳态误差. 稳态误差与系统的类型和输入信号有关. 对于随动系统或其他有控制轨迹要求的系统,还应当考虑动态误差 . 应当注意,不同的系统对稳、快、准的要求应有所侧重.而对于同一系统,稳、快、准的要求是相互制约的. ........