第一章_自動控制的一般概念

1、1,講 述 人 ：孫繼衛(wèi) 聯(lián)系地址：信息系辦公室（3423） 電 話自動控制原理,2,教學(xué)參考資料,參考教材： 胡壽松主編自動控制原理（第5版）科學(xué)出版社 參考書： 李友善主編 自動控制原理 國防工業(yè)出版社 胡壽松主編 自動控制原理習(xí)題集科學(xué)出版社 夏德鈐、翁貽方編著 自動控制理論 機械工業(yè)出版社 高國燊，余文烋編著 自動控制原理華南理工大學(xué)出版社,3,課程性質(zhì)：專業(yè)基礎(chǔ)課、自動化類專業(yè)的核心課程。 學(xué)時安排：自動控制原理（4學(xué)分/60學(xué)時） 上課周次：1-13周 成績評定：考試70%（閉卷考試）、考勤10%、作業(yè)10%、提問10%,課程導(dǎo)論,4,本課程與其它課程的關(guān)

2、系,課程導(dǎo)論,5,課程學(xué)習(xí)要面臨,數(shù)學(xué)基礎(chǔ)寬而深 控制原理抽象 計算復(fù)雜且繁瑣,6,自動控制理論,二十世紀(jì)三項科學(xué)革命：控制論、量子論、相對論 控制論：研究自動控制技術(shù)的基礎(chǔ)理論。 經(jīng)典控制理論（古典控制理論） 現(xiàn)代控制理論（智能控制理論）,7,經(jīng)典控制理論(古典控制理論),以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)，研究單輸入-單輸出定?？刂葡到y(tǒng)的分析與設(shè)計問題。 線性控制系統(tǒng)分析：時域分析、穩(wěn)定性與穩(wěn)態(tài)誤差分析、根軌跡分析、頻域分析。 非線性控制系統(tǒng)分析：相平面分析、描述函數(shù)分析。,8,9,現(xiàn)代控制理論,以狀態(tài)空間法為基礎(chǔ)，研究多輸入-多輸出時變、非線性、高精度、高效能控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計問題： （自適應(yīng)控制、最優(yōu)

3、控制、魯棒控制、最佳估計、容錯控制、系統(tǒng)辨識、集散控制、大系統(tǒng)復(fù)雜系統(tǒng)） 智能控制（專家系統(tǒng)、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法）,10,11,12,第一章 自動控制的一般概念,1.1 自動控制的基本原理與方式 1.2 自動控制系統(tǒng)分類 1.3 自動控制系統(tǒng)示例 1.4 對自動控制系統(tǒng)的基本要求,13,本章重點：,了解自動控制的一些基本概念； 了解閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成和基本環(huán)節(jié)； 掌握反饋控制系統(tǒng)的基本要求； 學(xué)會分析系統(tǒng)工作原理并繪制原理方塊圖。,14,1.1自動控制的基本原理與方式,自動控制理論與技術(shù)的廣泛應(yīng)用： 航空航天和運輸 信息和網(wǎng)絡(luò) 機器人與智能機器 生物和醫(yī)藥 材料和加工 環(huán)境科學(xué)、經(jīng)濟(jì)

4、和金融 ,15,飛機導(dǎo)航系統(tǒng),制導(dǎo)導(dǎo)彈,導(dǎo)彈長上了“眼睛”和“大腦”，去緊緊盯住目標(biāo)。,16,哈勃望遠(yuǎn)鏡特殊地衛(wèi)星,中巴資源衛(wèi)星,控制其準(zhǔn)確地進(jìn)入預(yù)定軌道運行并回收,人造地球衛(wèi)星,17,自動灌概,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程,18,問題： 什么是自動控制？ 為什么要做自動控制？ 如何實現(xiàn)自動控制？ 有哪些種類的自動控制系統(tǒng)？等等,19,問題：人工控制過程如何？ 觀測恒溫箱內(nèi)的溫度（被控制量） 與要求的溫度（給定值）進(jìn)行比較得到溫度偏差的大小和方向 根據(jù)偏差大小和方向調(diào)節(jié)調(diào)壓器，控制加熱電阻絲的電流以調(diào)節(jié)溫度回復(fù)到要求值。,實質(zhì) 檢測偏差再糾正偏差。,例1.恒溫箱,1. 自動控制與自動控制系統(tǒng),20,例2.液位

5、控制,問題1：人工控制過程如何？,問題2：能否用些裝置代替工人工作？,比較： 人工和自動控制系統(tǒng)的工作原理相似點： 眼睛測量裝置（傳感器） 頭腦自動控制器 肌體執(zhí)行機構(gòu),21,自動控制 (Automatic control) 在沒有人直接參與的情況下，利用外加的設(shè)備或裝置（稱自動控制裝置）,使機器、設(shè)備或生產(chǎn)過程（統(tǒng)稱被控對象）的工作狀態(tài)或參數(shù)（稱為被控量）自動地按照預(yù)定的規(guī)律運行。,自動控制系統(tǒng) (Control system) 將被控對象和控制裝置按照一定的方式連接起來，組成一個有機總體，即自動控制系統(tǒng)。,22,2.反饋控制原理,什么是反饋？ -我們把輸出量送回到輸入端，并與輸入信號相比較

6、產(chǎn)生偏差信號的過程，稱為反饋。,反饋控制系統(tǒng)的工作原理： 檢測輸出量（被控制量）的實際值； 將輸出量的實際值與給定值（輸入量）進(jìn)行比較得出偏差； 用偏差值產(chǎn)生控制調(diào)節(jié)作用去消除偏差，使得輸出量維持期望的輸出。,23,2.反饋控制原理,人本身就是一個具有高度復(fù)雜控制能力的反饋控制系統(tǒng)。,人取書的反饋控制系統(tǒng)方塊圖,24,25,開環(huán)控制 按給定值控制的開環(huán)控制 按干擾補償?shù)拈_環(huán)控制 按偏差調(diào)節(jié)的閉環(huán)控制 復(fù)合控制,下面根據(jù)不同的信號源來分析自動控制的幾種基本控制方式,3. 自動控制系統(tǒng)基本控制方式,26,開環(huán)控制系統(tǒng)（Open-loop control system）:,用執(zhí)行機構(gòu)直接控制被控對象

7、（過程）的控制系統(tǒng)。,1）按給定量控制：信號由給定值向輸出量單向傳遞。,2）按擾動補償（順饋）：通過對擾動信號的測量產(chǎn)生控制作用，以補償擾動對輸出量的影響。,27,例1：轉(zhuǎn)臺速度控制,(b)框圖模型,開環(huán)控制系統(tǒng)采用控制器或控制執(zhí)行機構(gòu)來實現(xiàn)期望的響應(yīng),28,閉環(huán)控制系統(tǒng)（Closed-loop control system）:,按反饋控制原理構(gòu)成的閉環(huán)系統(tǒng),是一種重要的并被廣泛應(yīng)用的控制系統(tǒng)。是自動控制理論主要的研究對象。,29,溫度偏差信號經(jīng)電壓、功率放大后，驅(qū)動執(zhí)行電動機，并通過傳動機構(gòu)拖動調(diào)壓器動觸頭。當(dāng)溫度偏高時，動觸頭向減小電流的方向運動，反之加大電流，直到溫度達(dá)到給定值為止，此時

8、，偏差u=0,電機停止轉(zhuǎn)動。,實施過程,例2：恒溫箱,30,系統(tǒng)原理方塊圖,實質(zhì) 檢測偏差糾正偏差,31,例3 引入反饋后的直流電機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng),32,方框圖,33,正反饋用于控制系統(tǒng)的內(nèi)回路,負(fù)反饋,正反饋,減弱輸入信號作用,檢測偏差，糾正偏差 按偏差控制,增強輸入信號作用,使系統(tǒng)的偏差越來越大(振蕩),34,1）輸出影響輸入，所以能削弱或抑制干擾； 2）低精度元件可組成高精度系統(tǒng)； 3）因為可能發(fā)生超調(diào)，振蕩，所以穩(wěn)定性很重要。,閉環(huán)控制,1）輸出不影響輸入，對輸出不需要測量，通常易實現(xiàn)； 2）組成系統(tǒng)的元部件精度高，系統(tǒng)的精度才能高； 3）系統(tǒng)的穩(wěn)定性不是主要問題。,開環(huán)控制,開環(huán)控制與

9、閉環(huán)控制的比較：,35,復(fù)合控制方式：,復(fù)合控制就是開環(huán)控制和閉環(huán)控制相結(jié)合的一種控制。在閉環(huán)控制回路的基礎(chǔ)上，附加了一個輸入信號或擾動作用的順饋通路。,36,元部件 方框（塊）圖 信號（物理量）及傳遞方向中的符號 比較點 引出點 表示負(fù)反饋,方框圖中各符號的意義,4. 控制系統(tǒng)的組成,37,38,3比較元件： 對給定信號和反饋信號進(jìn)行比較，產(chǎn)生偏差信號。 4放大元件： 對偏差信號進(jìn)行放大，使之有足夠的能量驅(qū)動執(zhí)行元件實現(xiàn)控制功能。 5執(zhí)行元件： 直接對受控對象進(jìn)行操縱的元件，如電動機、液壓馬達(dá)等。,39,控制系統(tǒng)中比較元件、放大元件、執(zhí)行元件和反饋元件等共同起控制作用，統(tǒng)稱為自動控制裝置。

10、實際的控制系統(tǒng)中，擾動總是不可避免的。 擾動分為內(nèi)部擾動和外部擾動。,6.校正元件： 用以改善系統(tǒng)控制質(zhì)量的裝置。 校正元件分為串聯(lián)和并聯(lián)兩種。,40,分類方法很多，一般組合應(yīng)用。例如：,按控制方式分：,開環(huán)控制 閉環(huán)（反饋）控制 復(fù)合控制,1.2 自動控制系統(tǒng)的分類,按元件類型分：,機械系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)等,按系統(tǒng)功用分：,溫度控制、位置控制等,41,1、按信號傳遞路徑劃分,1）開環(huán)控制 2）閉環(huán)控制 3）復(fù)合控制,2、按給定信號的特征劃分,1）恒值控制系統(tǒng) 2）隨動控制系統(tǒng) 3）程序控制系統(tǒng),例如：液位控制系統(tǒng) 例如：火炮自動瞄準(zhǔn)系統(tǒng) 例如：機床數(shù)控加工系統(tǒng),控制系統(tǒng)中通常如何分類？,控制理論

11、研究的重點是信息的傳遞和轉(zhuǎn)換，因此以系統(tǒng)信息為出發(fā)點進(jìn)行分類，如下：,42,3、按系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型,1）線性系統(tǒng) 2）非線性系統(tǒng),線性系統(tǒng)：系統(tǒng)各元件輸入輸出特性是線性的，系統(tǒng)的狀態(tài)和性能可以用線性微分（或差分）方程來描述，其突出特點是：滿足疊加原理。,非線性系統(tǒng)：系統(tǒng)中只要存在一個非線性的元件，系統(tǒng)就用非線性方程來描述，通常在一定條件下線性化處理。,43,4、按信號傳遞的連續(xù)性劃分,1）連續(xù)系統(tǒng) 2）離散系統(tǒng),連續(xù)系統(tǒng)：特點是系統(tǒng)中各元件的輸入輸出信號都是時間連續(xù)的函數(shù)（工程上稱為模擬量），其運動狀態(tài)一般用微分方程來描述。,離散系統(tǒng)：系統(tǒng)中總有至少一處信號是脈沖序列（采樣序列）或數(shù)碼形式，其運動

12、狀態(tài)一般用差分方程來描述。,44,5、按系統(tǒng)輸入輸出信號的數(shù)量劃分,1）單變量系統(tǒng)（SISO） 2）多變量系統(tǒng)（MIMO）,單變量系統(tǒng)：從系統(tǒng)外部變量來說的，給定輸入是單一的，響應(yīng)也是單一的。是經(jīng)典控制理論的主要研究對象，以傳遞函數(shù)為基本數(shù)學(xué)工具，討論線性定常系統(tǒng)的分析和設(shè)計問題。,多變量系統(tǒng)：系統(tǒng)有多個輸入量和多個輸出量，是現(xiàn)代控制理論的主要研究對象，以狀態(tài)空間法為數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，討論多變量、變參數(shù)、非線性、高精度等控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計問題。,45,1、家用電冰箱溫控系統(tǒng) 2、函數(shù)記錄儀,1.3 自動控制系統(tǒng)示例,46,被控對象：,冰箱,被控量：,輸入量：,控制器設(shè)定值（代表溫度的期望值）,擾動量

13、：,開門時的外界溫度,請問1：,冰箱內(nèi)溫度,1. 家用電冰箱溫控系統(tǒng),47,請問2：工作原理？畫出系統(tǒng)方塊圖？,工作原理:閉環(huán)控制方式 控制器設(shè)定溫度與冰箱內(nèi)溫度比較，產(chǎn)生偏差值，當(dāng)偏差電壓達(dá)到使繼電器接通時，壓縮機工作，將蒸發(fā)器中高溫低壓氣態(tài)制冷液送至冷卻器散熱，降溫后的低溫低壓制冷液壓縮成高壓液態(tài)進(jìn)入蒸發(fā)器，急速降壓擴(kuò)散成氣體，吸收箱體內(nèi)熱量，使冰箱溫度下降，如此循環(huán)操作，使箱體溫度達(dá)到希望溫度，此時繼電器斷開，壓縮機停止工作。方塊圖如下：,48,2.函數(shù)記錄儀,49,函數(shù)記錄儀方框圖,50,51,定義：通常將系統(tǒng)受到給定值或干擾信號作用后，控制被控量變化的全過程稱為系統(tǒng)的動態(tài)過程。,工程

14、上常從穩(wěn)、快、準(zhǔn)三個方面來評價控制系統(tǒng)。 穩(wěn)： 指動態(tài)過程的平穩(wěn)性。 快： 指動態(tài)過程的快速性。 準(zhǔn)： 指動態(tài)過程的最終精度。,1.4 對自動控制系統(tǒng)的基本要求,1.4.1 基本要求：“穩(wěn)、快、準(zhǔn)”,52,穩(wěn)：指動態(tài)過程的平穩(wěn)性,控制系統(tǒng)動態(tài)過程曲線,如上圖所示，系統(tǒng)在外力作用下，輸出逐漸與期望值一致，則系統(tǒng)是穩(wěn)定的，如曲線所示；反之，輸出如曲線所示，則系統(tǒng)是不穩(wěn)定的。,53,快：指動態(tài)過程的快速性,快速性即動態(tài)過程進(jìn)行的時間的長短。過程時間越短，說明系統(tǒng)快速性越好，反之說明系統(tǒng)響應(yīng)遲鈍，如曲線所示。,穩(wěn)和快反映了系統(tǒng)動態(tài)過程性能的好壞。既快又穩(wěn)，表明系統(tǒng)的動態(tài)精度高。,54,準(zhǔn)： 指系統(tǒng)在動

15、態(tài)過程結(jié)束后，其被控量（或反饋量）與給定值的偏差，這一偏差稱為穩(wěn)態(tài)誤差，是衡量穩(wěn)態(tài)精度的指標(biāo)，反映了系統(tǒng)后期穩(wěn)態(tài)的性能。,不穩(wěn)定系統(tǒng)，沒有必要討論準(zhǔn)確性,偏差：0,偏差：0.5,55,注意： “穩(wěn)、準(zhǔn)、快”相互制約，不同性質(zhì)的系統(tǒng)，對穩(wěn)、準(zhǔn)和快的要求各有側(cè)重，如：恒值系統(tǒng)對“穩(wěn)、準(zhǔn)”要求嚴(yán)格，隨動系統(tǒng)對“快”要求嚴(yán)格，具體設(shè)計時要折中考慮。,綜上所述，對自動控制系統(tǒng)的要求，在時域中一般可歸納為：,要求系統(tǒng)絕對穩(wěn)定且有一定的穩(wěn)定裕量；瞬態(tài)響應(yīng)過程具有一定的快速和平穩(wěn)性；系統(tǒng)最終響應(yīng)的準(zhǔn)確度在工程允許的范圍內(nèi)。,56,為了能對不同的控制系統(tǒng)的性能用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)來恒量，通常需要選擇幾種典型的外作用。,

16、1.4.2 典型外作用,選取原則： （1）在現(xiàn)場及實驗中容易產(chǎn)生 （2）控制系統(tǒng)在這種函數(shù)作用下的性能應(yīng)代表實際工作條件下的性能。 （3）數(shù)學(xué)表達(dá)式簡單，便于理論分析。,57,1、階躍信號 (Step Signal),R=1時，稱為單位階躍信號，用1(t )表示 或用(t )表示,典型信號,階躍信號：含寬頻帶諧波分量，產(chǎn)生容易，是最常用系統(tǒng)性能測試信號。,58,2、斜坡信號(Ramp Signal),當(dāng)R=1時，則稱為單位斜坡信號,斜坡信號：為勻速信號，適于測試勻速系統(tǒng)。,典型信號,59,3、加速度信號（拋物線信號(Parabolic Signal)）,當(dāng)R=1時，則稱為單位加速度信號,拋物線

17、信號：為勻加速信號，適于測試 勻加速系統(tǒng),典型信號,60,4、脈沖信號(Impulse Signal),當(dāng)面積R=1時就得理想的單位脈沖信號(亦稱(t ) 函數(shù))。,脈沖信號：可用于測試系統(tǒng)抗沖擊能力,典型信號,61,5、正弦信號(Sin Signal),A為幅值,T為周期， =2/T為角頻率,正弦信號：為單頻率信號，適于測試系統(tǒng)頻率特性,典型信號,62,自動控制系統(tǒng)分析與設(shè)計工具,63,本課程研究的主要內(nèi)容,控制系統(tǒng)的分析： 1）建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型； 2）分析系統(tǒng)性能：“穩(wěn)”、“準(zhǔn)”、“快”； 3）分析參數(shù)變化對性能指標(biāo)的影響。,控制系統(tǒng)的設(shè)計： 1）性能要求（系統(tǒng)性能，約束條件）：想要什么樣的系統(tǒng)，達(dá)到什么樣的指標(biāo)； 2）控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)設(shè)計與整定； 3）性能校核（計算，仿真，實驗）：系統(tǒng)的實現(xiàn)和分析。,掌握控制理論的基本思想，能進(jìn)行一般應(yīng)用問題的設(shè)計； 初步具備控制系統(tǒng)設(shè)計的能力。,教學(xué)目標(biāo)：,64,控制理論三大任務(wù),1、建立數(shù)學(xué)模型 ch