第一章--109自动控制原理

1自动控制原理AutomaticControlPrinciple张伟2012年9月2胡寿松《自动控制原理》科学出版社胡寿松《自动控制原理习题集》科学出版社王建辉《自动控制原理》清华大学出版社吴麒《自动控制原理》清华大学出版社梅晓榕《自动控制原理》科学出版社梅晓榕《自动控制原理学习与考研指导》科学出版社参考书3控制理论发展史古典控制理论时期--20世纪40年代一60年代主要采用传递函数、频率特性、根轨迹等频域分析方法来解决单输入单输出系统的控制问题。包括伯德提出的伯德图法，伊文思的根轨迹法。1948年维纳的著作《控制论》和钱学森的《工程控制论》是这一阶段的代表作4现代控制理论时期--20世纪60年代-70年代，主要采用状态空间法解决多输人多输出的线性、非线性，定常、时变系统。其代表性成果包括庞特里亚金的极大值原理、贝尔曼的动态规划、卡尔曼和布西提出的卡尔曼滤波器。控制理论发展史5控制理论发展史智能控制理论--20世纪80年代以来，控制理论在广度上向“大系统理论”开拓，深度上向“智能控制’’方向挖掘，以神经网络和模糊控制为代表的智能控制理论是现代控制理论的研究热点6自动控制理论的发展史上的著名事件人类对控制系统的基本原理（反馈）早有认识，并利用它创造许多装置。如2000年前，罗马人：水位控制系统（淋浴），神庙（开关门）英雄装置。中国能工巧匠（技师、工程师、科学家）：苏颂的水运仪象台，张衡的地震方向测定仪。1786年，JamesWatt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。7瓦特8瓦特的蒸汽机9离心调速器工作原理10工作原理：进入蒸汽缸中的蒸汽量，可根据蒸汽机的希望转速与实际转速的差值自动地进行调整。它的工作原理是：根据希望的转速，设置输入量(控制量)。如果实际转速降低到希望的转速值以下，则调速器的离心力下降，从而使控制阀上升，进入蒸汽机的蒸汽量增加，于是蒸汽机转速随之增加，直至上升到希望的转速值时为止。反之，若蒸汽机的转速增加到超过希望的转速值，调速器的离心力便会增加，造成控制阀向下移动。这样就减少了进入蒸汽机的蒸汽量，蒸汽机的转速也就随之下降，直到下降至希望的转速时为止。111868年，英国J.C麦克斯韦首先解释了瓦特速度控制系统中出现的不稳定问题。1877年劳斯，1892年李雅普诺夫分别独立地得出了劳斯判据和李雅普诺夫稳定判据。1922年，Minorsky研制出船舶操纵自动控制器，并证明了从系统的微分方程确定系统的稳定性的方法。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。12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。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。1948年,美国数学家N.Wiener出版《Cybernetics》是一个控制科学里程碑。《控制论》的副标题是关于人、动物及其通讯的科学。1319世纪50年代末，控制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。19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1960－1980，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－现在，智能控制理论集中于3C（Computer计算机、Control控制、Communication通信）控制系统及其相关课题。14第一章控制系统导论1-1自动控制的基本原理1-2自动控制系统示例1-3自动控制系统的分类1-4对自动控制系统的基本要求151-1自动控制的基本原理自动控制技术及其应用自动控制的基本概念自动控制系统的基本控制方式反馈控制系统的原理及结构16自动控制是指在无人直接参加的情况下，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（称被控对象）的某个工作状态或参数（称被控量）自动地按照预定规律运行。第一章控制系统导论1.自动控制技术及其应用17自动控制：在无人直接参加的情况下，利用外加的设备或装置（控制器）使机器、设备或生产过程（被控对象）的某个工作状态或参数（被控量）自动地按预定规律运行。被控对象：控制系统要进行控制的受控客体被控量：控制对象要实现的量2.自动控制的基本概念18自动控制理论：研究自动控制共同规律的技术科学。自动控制系统：是由控制装置和被控对象所组成，它们按照一定的方式连接起来，组成一个有机总体。2.自动控制的基本概念19(-)utug扰动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n(b)方框图ueudoRP1ugR0R0R1-utRP2-+-++TGMudouc(a)原理图+20反馈控制——采用负反馈(正反馈较少)并利用偏差进行控制的过程。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.反馈控制系统的组成21图1.5闭环控系统基本组成框图被控量——反馈控制系统的基本组成串连校正装置放大装置执行机构被控对象反馈校正装置测量装置给定装置22给定装置：产生给定值或输入信号（量）（即参考量或期望值）测量装置：测量被控制的物理量（被控量），用于产生反馈信号。各种传感器：测速发电机、电位计、热电偶等。比较装置：把测量元件检测的实际值（被控量）与给定元件给出的参考量进行比较，求出它们之间的偏差。如差动放大器、自整角机。反馈控制系统的基本组成23放大装置：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，如放大器、晶闸管。执行机构：直接推动被控对象，使其被控量发生变化。如步进电机，继电器开关。补偿装置：它是结构或参数便于调整的元件或机构，用串联或反馈的方式连接在系统中，以改善控制系统性能。工业应用的控制系统：电动、汽（气）动、液动。反馈控制系统的基本组成24输出量环节名称(或特性)输入量(a)(-)(b)re=r-bb(c)c引出点cc•闭环控制系统的方框图•方框图的组成：被控量偏差信号(-)参考输入信号r(t)调节器(或控制器)u(t)受控系统e(t)c(t)反馈信号控制量扰动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)25用“○”号代表比较装置，“—”号代表两者符号相反。前向通路：信号沿箭头方向从输入端到达输出端的传输通路称；主反馈通路：系统输出量经测量装置反馈到输入端的传输通路称。前向通路与主反馈通路共同构成主回路。局部反馈通路以及由它构成的内回路。反馈控制系统的基本组成264.自动控制系统的控制方式开环控制方式：开环控制是指控制器与被控对象之间只有顺向作用而没有反向联系的控制过程。分为按给定控制的开环控制系统和按扰动控制的开环控制系统主要控制方式有：开环控制、反馈控制和复合控制27控制器被控制对象给定值输出量按给定值控制的原理方框图按给定控制的开环控制系统28功率放大SM负载++++u0nua电动机速度控制系统电动机速度开环控制系统(补充)29信号由给定值至输出量单向传递。一定的给定值对应一定的输出量。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扰动或特性参数的变化无法自动补偿。。控制形式：30输出不影响输入，对输出不需要测量，容易实现；对构成系统的元部件精度要求高，只有元部件精度高，系统的精度才能高；系统的稳定性不是主要问题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主要特点：31扰动输出量控制器被控制对象测量装置按扰动补偿的原理方框图按扰动控制的开环控制方式：32按扰动控制的速度控制系统(P6)负载功率放大放大电压SM+++++u0nuaucubRi33控制形式：利用对扰动信号的测量产生控制作用，以补偿扰动对输出量的影响。由于扰动信号经测量装置，控制器至被控对象的输出量是单向传递的，故属于开环控制方式。系统自身无法控制。特点：对于不可测扰动以及被控对象及各功能部件内部参数变化给输出量造成的影响不能控制，控制精度较低应用：常用于工作机械的恒速控制（如稳定刀具转速）以及电源系统的稳压，稳频控制。34反馈控制方式：反馈：取出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负反馈控制原理：利用反馈产生偏差，并利用偏差进行控制直至最后消除偏差分类：正反馈和负反馈35输入量输出量反馈控制典型方框图控制器被控制对象扰动反馈控制方式：测量装置36特点：按偏差进行控制，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；因为可能发生超调，振荡，所以稳定性很重要37闭环与开环控制系统的比较开环控制：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。在精度要求不高或扰动影响较小的场合，这种控制方式有一定的实用价值（步进电机，水泵，风扇）。闭环控制：为偏差控制，可以抑制内（系统参数变化）、外扰动（负载变化）对被控制量产生的影响，因此，控制精度高。但是结构复杂，成本高（价格成倍增加）；系统设计、分析麻烦。38控制方式：按偏差控制和按扰动控制相结合的一种控制方式优点：构成高精度控制系统的一种有效控制方式，使控制系统具有良好的控制性能。复合控制方式：分类：按输入前馈补偿的复合控制按干扰前馈补偿的复合控制39图1.4输入补偿的复合控制系统框图输入量控制器控制对象测量元件输出量反馈回路被控量干扰量前馈补偿按输入顺馈补偿的复合控制方式：40图1.3干扰补偿的复合控制系统框图输入量控制器控制对象测量元件输出量反馈回路被控量干扰量前馈补偿按扰动前馈补偿的复合控制方式41电动机速度复合控制系统(P7)+++++电压放大+u0nuaueutRi电压放大功率放大负载SMTG42按扰动前馈补偿的复合控制方式实例--电动机控制电压放大器电动机扰动Mc功率放大器电压放大器电阻R测速发电机输入量输出量43函数记录仪原理示意图(P8)RQRWΔuLtur变换器放大器绳轮电机测速机减速器1.2自动控制系统示例44函数记录仪方块图(P8)451.2自动控制系统示例飞机——自动驾驶仪系统46给定装置放大器舵机飞机反馈电位器垂直陀螺仪θ0θ扰动俯仰角控制系统方块图飞机方块图47电阻炉微型计算机温度控制系统48锅炉液位控制系统49液位控制系统(P19)控制器减速器电动机电位器浮子用水开关Q2Q1cifSM50仓库大门终点开闭控制系统(P19)51发电机自动调压系统(P20)SMGK负载uffi+fiG负载K++Δ110V110VΔU521.3自动控制系统的分类按控制方式分类开环控制、闭环控制、复合控制按系统性能分类线性系统和非线性系统定常系统和时变系统连续系统和离散系统53按系统的功能分类温度控制系统、位置控制系统压力控制系统、调速系统54)()()()()()()()(1111011110trbtrdtdbtrdtdbtrdtdbtcatcdtdatcdtdatcdtdammmmmmnnnnnn1.3.1线性连续系统式中c(t)--系统输出量r(t)--是系统输入量，系数是常数时，称为定常系统；系数随时间变化时，称为时变系统。55恒值控制系统：也称调节器。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，扰动可随时变化的系统称为恒值系统，随动系统：这类系统的特点是系统的给定值变化规律完全取决于事先不能确定的时间函数。输出量能以一定精度跟随给定值变化，又称为跟踪系统。程序控制系统：自动控制系统的参据量是按预定规律随时间变化的函数，被控制量要迅速、准确地加以复现。按输入输出分类561.3.2线性定常离散控制系统系统中只要有一个传递的信号是时间上断续的信号，则称为离散系统。计算机控制系统一定是离散系统。离散系统用差分方程描述：。为输入和输出采样序列)(),()()1()1()()()1()1()(110110kckrkrbk