第一章自动控制系统的一般概念.

电气工程与自动化学院Tel：13600881675or87528027QQ:286790921◆本课程的重要性◆课程特点◆学习本课程的注意事项内容丰富知识点明确需要记忆的公式少提高课堂效率作业独立完成问题不积累第一章自动控制系统的一般概念§1-1自动控制的基本原理与方式§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§1-2自动控制系统示例§1-1自动控制的基本原理与方式一、自动控制技术及其应用几个基本概念什么是控制？掌握住对象，不使其任意活动或超出范围，或使其按照控制者的意愿活动。什么是自动控制(技术)？★在没有人直接参与的条件下，利用控制装置使被控对象按照预定的技术要求进行工作。或：利用外加设备或装置(控制装置、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)自动地按预定的规律运行(控制目标)。什么是自动控制系统？为到达某一目的，由相互制约的各个部件按一定规律组织成的具有一定功能的整体，一般由控制装置和被控对象组成。被控对象：指需要给以控制的机器、设备或生产过程。被控对象是控制系统的主体，例如火箭、锅炉、机器人、电冰箱等。控制装置：指对被控对象起控制作用的设备总体。被控量：指被控对象中要求保持给定值、要按给定规律变化的物理量。被控量又称输出量、输出信号。给定值：是作用于自动控制系统的输入端并作为控制依据的物理量。给定值又称输入信号、输入指令、参考输入。应用领域：生物、医学、经济管理等人类活动的各个领域。二、自动控制理论：研究自动控制共同规律的技术科学。问题4：如何使给定对象满足性能指标？——系统综合问题3：给定对象是否满足性能指标要求？——系统分析问题2：如何描述控制目标？——性能指标问题1：如何描述一个对象？——数学模型反馈量：由被控量通过反馈元件所产生的信号，它是被控量的函数。干扰量：除给定值之外，凡能引起被控量变化的信号，都是干扰。干扰又称扰动。自动控制理论的发展：①经典(古典)控制理论②现代控制理论③智能控制理论二战期间(20世纪40年代)，为了设计和制造飞机及船用自动驾驶仪、火炮定位系统、雷达跟踪系统以及其它基于反馈原理的军用装备，促进和完善了自动控制理论的发展。战后已形成了完整的自动控制理论体系，这就是以传递函数为基础的经典控制理论，它主要研究单输入—单输出、线性定常系统的分析和设计问题。主要数学工具是积分变换，用频率特性法及根轨迹法研究控制系统的动态特性的理论。研究具有高性能、高精度的多变量变参数系统的最优控制问题。以微分方程、线性代数及数值计算为主要数学工具，用状态空间法研究系统状态运动的理论。正向以控制论、信息论、仿生学为基础的智能控制理论深入。例1：人用手拿物品。控制目标：手拿到物品。1.手:抓取物品。功能：受控对象、执行部件。2.大脑:协调眼、手工作。功能：比较物品与手之间的接近程度(比较元件)；控制手的动作(控制部件)。3.眼睛:观察物品与手的位置。功能：检测元件。相关部件：物品大脑眼睛位置手臂、手眼睛位置手例2：龙门刨床速度控制系统。控制目标：刀架速度恒定。相关部件：放大器FD调节触发器CF电动机控制部件？实现方式：输入恒定电压，电机速度恒定。0un转速n设定速度0u晶闸管整流装置KZau测速发电机tu1.电机(SM)。功能：执行部件。2.测速机(TG)。功能：将速度信号转换为电信号，检测元件。3.放大器(FD)。功能：比较、放大，比较元件。4.调节触发器(CF)。功能：电压放大。5.晶闸管整流装置(KZ)。功能：整流、功率放大，输出电枢电压。au三、反馈控制原理反馈控制：将输出量送回到输入端，并用于控制。负反馈：输出量送回到输入端，与输入信号相减，使偏差越来越小。有静差系统：在稳态时被控量与设定值存在偏差。这个误差称为稳态误差。按偏差控制(误差控制)：根据设定值(期望值)与输出值(实际值)的偏差量，确定对象的动作。正反馈：输出量送回到输入端，与输入信号相加，使偏差越来越大。无静差系统：在稳态时被控量与设定值不存在偏差。四、反馈控制系统的基本构成给定元件：设定被控量的期望值，产生系统输入量(参据量)。比较元件：比较设定值与实际值，产生相应的偏差信号。测量元件：检测被控对象的输出量，将其转换为电信号。也称为传感器、传感元件。放大元件：对偏差信号进行放大，包括信号放大和功率放大。校正元件：为改善系统性能，连接在系统中的部件。也叫补偿元件。可以有串联补偿、反馈补偿、顺馈补偿。执行元件：直接使输出量产生变化的部件。反馈元件：将输出量引回到输入端的部件。典型反馈系统组成：单闭环系统输入量放大元件输出量执行元件补偿元件反馈元件被控对象典型反馈系统组成：双闭环系统主回路主反馈内回路局部反馈输入量输出量补偿元件放大元件被控对象执行元件反馈元件测量元件五、自动控制系统的基本控制方式反馈（闭环）控制方式开环控制方式：被控对象各部件的信号只沿着顺向传递，输出量不会对系统的控制产生影响。顺馈控制方式：在干扰可测量的时候，将干扰量测量出来，送到输入端，产生干扰补偿信号，以减少干扰对系统的影响。本质：按扰动开环控制。输入量放大元件输出量执行元件被控对象输入量干扰测量放大元件输出量执行元件干扰输入被控对象复合控制方式：将反馈控制与顺馈结合的控制方式。输入量干扰测量放大元件输出量执行元件干扰输入补偿元件反馈元件被控对象§1-2自动控制系统示例一、函数记录仪控制目标：纪录笔按要求到达规定位置。控制量：纪录笔位置。控制对象：纪录笔。记录笔运动原理：给定一个电压信号，设定位移量，在输入作用下启动电机，带动齿轮、绳系，拖动纪录笔运动。位置精度考虑：为了使纪录笔能准确到达指定位置，应将纪录笔的位置测量出来，用来反馈。电机拖动考虑：纪录笔有惯性，希望电机速度能按所需位移量进行控制，所以将电机转速测量出来，用来反馈。输入量输出量传动机构放大器记录笔伺服电机位置测量测速电机二、飞机自动驾驶仪系统控制目标：按设定的规律，控制飞机的飞行姿态。飞行姿态：横向，巡航方向。纵向，飞机的升降。舵机控制：位置伺服控制(内回路)。位移传感器测量。纵向控制：给定一个电压信号，设定飞机爬升(俯冲)的倾角,该信号经过放大，控制升降舵的移动。升降舵的角度，决定了飞机爬升(俯冲)的倾角。外回路：飞机倾角的反馈控制。垂直陀螺仪测量。自动驾驶仪：根据飞行要求，提供设定的电压信号。并与测量到的输出信号，产生相应的控制规律。驾驶仪放大器飞机舵机角度测量位移传感器0干扰三、电阻炉微型计算机温度控制系统控制目标：电炉温度在设定的范围内。工作原理：电阻丝通过晶闸管主电路加热。温度依靠电阻丝中的电流大小来调节。温度检测：热电偶。计算机控制器特点：微型计算机采用数字量，按节拍工作。控制器：微型计算机。设定温度微型计算机炉温A/D转换D/A转换晶闸管电阻丝热电偶四、锅炉液位控制系统控制目标：锅炉内水位在设定范围(进水量与蒸发水量平衡)。调节量：通过调节进水阀门开赌的大小，改变进水量。工作原理：由液位测量装置（变送器）测出液位信号，与设定值比较，若液位降低，则加大阀门开度，反之则减小。设定水位调节器水位锅炉阀门液位测量干扰§1-3自动控制系统的分类按控制方式按被控对象按系统性能按给定值变化规律按系统功用按给定值操纵的开环控制按干扰补偿的开环控制按偏差调节的闭环控制复合控制：闭环反馈为主，开环补偿为辅恒值系统随动系统程序控制系统运动控制系统过程控制系统温度控制系统压力控制系统位置控制系统线性/非线性系统连续/离散性系统定常/时变性系统确定/不确定系统参据量是一个常值，要求被控量也等于一个常值(不一定相等)，又称为调节器系统或自动调整系统。如前述锅炉液位系统、炉温调节系统。工业控制中，若被控量是温度、压力、流量、液位等生产过程参量时，这种控制系统称为过程控制系统，它们多数属于恒值控制系统。参据量是预先未知的随时间任意变化的函数，要求被控量以尽可能小的误差跟随参据量的变化，故又称为跟踪系统。如前述自动驾驶仪系统。若参据量是机械位置或其导数时，这类系统称为伺服系统。控制输出量，使之按设定的规律变化。如数控机床、自动生产线。恒值控制系统(调节器)随动系统(伺服系统)程序控制系统线性系统组成系统的元器件的特性均为线性(或基本线性)，能用线性常微分方程描述其输入与输出关系的系统：10101111()()()()()()nnmnnnmmmmdddaytaytaytbutdtdtdtdbutbutdt当系数都是常数时，称为定常或时不变或自治系统；当系数至少有一个是随时间变化时，称为时变或非自治系统。00(,;,)nmaabb00(,;,)nmaabb线性系统的主要特点是具有齐次性和叠加性即有：若输入时，输出为；输入时，输出为。则输入为时，输出为。1u1y1122auau1122ayay2u2y非线性控制系统严格地说，实际物理系统中都含有程度不同的非线性元部件，但只要非线性不严重，能用线性系统理论和方法对待的系统均可称为线性系统。系统中只要有一个元部件的输入—输出特性是非线性的系统，用非线性微分(或差分)方程描述其特性。非线性方程的特点是系数与变量有关，或方程中含有变量及其导数的高次幂或乘积项。如：2()()()()()()ytytytytytut连续系统：各部分的输入输出信号都是连续函数的模拟量。某处或多处的信号为脉冲系列或数码形式，因而信号在时间上是离散的。连续信号经采样开关的采样就可以转换成离散信号去进行控制的系统称为采样控制系统或脉冲控制系统。离散系统描述的特点：用差分方程来描述。离散系统单变量系统：输入量和输出量各有一个，结构简单。多变量系统：输入量和输出量多于一个，结构复杂。确定系统：结构和参数是确定的、已知的，系统输入信号也是确定的，可用解析式或图表确切表示的系统。不确定系统：当系统本身或作用于该系统的输入信号不确定的系统。§1-4对自动控制系统的基本要求一、基本要求的提法稳定性★稳定性是指系统在没有外加信号激励条件下，能否最终停留在一个固定的位置上。输出量偏离平衡状态后应该随着时间收敛并且最后回到初始的平衡状态。稳定性的要求是系统工作的首要条件。平衡点：系统停留的固定点。特点：稳定性与外加输入无关，由系统结构决定。快速性是指当系统输出量与给定的输入量之间产生偏差时，消除这种偏差的快速程度。一般用过渡过程的时间来描述，它是反映暂态响应的一个指标。快速性★准确性★准确性是指在系统稳定后被控制量与期望值接近程度的描述，或称为静态精度。它是反映系统稳态响应的一个性能指标。过渡过程：系统从开始运动到回到平衡点稳定下来的过程，也叫动态过程、暂态响应。稳态：系统稳定后的状态。稳态误差：系统稳定后被控制量与期望值的偏差。同一系统稳、准、快是相互制约的由于受控对象的具体情况不同，各种系统对它们的侧重也不同。例如随动系统对快速性要求较高，而自动调整系统对稳定性提出较严格的要求。二、典型的外作用典型：①容易实现；②有代表性；③便于分析计算。1.阶跃函数00()0tftRt2.斜坡函数00()0tftRtt单位阶跃函数——1R单位斜坡函数——1Rtu0Rtu0R单位脉冲函数——1R3.脉冲函数0()0tft其它4.正弦函数00()sin()0tftAtt满足：()ftdtRtu0tu0tu01-21-5