自动控制超经典课件

1《自动控制原理》上海交通大学自动化系田作华[e-mail]2《自动控制原理》参考教材1.《自动控制理论与设计》上海交大出版社徐薇莉等(推荐教材)2.《控制理论基础》科学出版社王显正等3.《自动控制系统》高教出版社汪小帆等4.《AutomaticControlSystem》BenjaminC.Kuo（高教出版社）31.自动控制指在脱离人的直接干预，利用控制装置（简称控制器）使被控对象（或生产过程等）的某一物理量（如温度、压力、PH值等）准确地按照预期的规律运行。另一种定义：是指机器设备在没有人直接参与的情况下，经过自动检测、信息处理、分析判断、操纵控制实现预期的目标。第一章导论自动化（Automation或Automatization）什么叫自动控制？什么叫自动控制系统？自动控制主要研究解决什么问题（举例说明）？1－1概述4自动化的核心是“控制”自动化技术的两个方面：①人手（脚）的延伸——动力方面的自动化技术：工业化②人脑的延伸——信息处理方面的自动化技术:信息化2.自动控制系统是指实现上述控制目的，由相互制约的各部分按一定规律组成的具有特定功能的整体。例：交通控制、水位控制、经济控制、人体控制第一章导论53.自动化的发展历史公元前我国的自动计时漏壶公元132年张衡研制的候风地动仪第一章导论6公元235年马钧研制出能自动指示方向的指南车第一章导论71788年英国Watt发明的控制蒸汽机速度的离心式调速器第一章导论81913年美国建成最早的汽车装配流水线1952年美国MIT研制出第一台数控机床第一章导论91954年第一台工业机器人1981年美国“哥伦比亚”号航天飞机首次发射成功第一章导论10装配机器人汽车自动焊接生产线4.自动控制系统（应用举例）11自动立体仓库4.自动控制系统（应用举例）12注塑机自动搬运车4.自动控制系统（应用举例）13机器人足球比赛4.自动控制系统（应用举例）月球车14机器人干活机器人跳舞4.自动控制系统（应用举例）154.自动控制系统（应用举例）2006.8.21我校获全国大学生智能汽车比赛亚军（于清华大学）162006.8.21我校获全国大学生智能汽车比赛亚军（于清华大学）17无人驾驶汽车4.自动控制系统（应用举例）交大自动化系研制空中飞艇181－2自动控制理论的内容2.现代控制理论3.大系统理论4.智能控制理论1.线性控制理论经典控制理论非线性控制理论采样控制理论191、经典控制理论研究的主要对象是单输入、单输出——单变量系统。如：调节电压改变电机的速度；调整方向盘改变汽车的运动轨迹等。2、现代控制理论研究的主要对象是多输入、多输出——多变量系统。如:汽车看成是一个具有两个输入（驾驶盘和加速踏板）和两个输出（方向和速度）的控制系统。计算机科学的发展，极大地促进了控制科学的发展。1－2自动控制理论的内容20经典控制理论与现代控制理论项目经典控制理论现代控制理论研究对象线性定常系统（单输入、单输出）线性、非线性、定常、时变系统（多输入、多输出）描述方法传递函数（输入、输出描述）向量空间（状态空间描述）研究办法根轨迹法和频率法状态空间法研究目标系统分析及给定输入、输出情况下的系统综合。揭示系统的内在规律，实现在一定意义下的最优控制与设计。21大系统控制理论是一种过程控制与信息处理相结合的动态系统工程理论，研究的对象具有规模庞大、结构复杂、功能综合、目标多样、因素众多等特点。它是一个多输入、多输出、多干扰、多变量的系统。如：人体，我们就可以看作为一个大系统，其中有体温的控制、情感的控制、人体血液中各种成分的控制等等。大系统控制理论目前仍处于发展阶段。1－2自动控制理论的内容3、大系统控制理论22这是近年来新发展起来的一种控制技术，是人工智能在控制上的应用。它的指导思想是依据人的思维方式和处理问题的技巧，解决那些目前需要人的智能才能解决的复杂的控制问题。学派：结构派和功能派它是一门新兴的控制学科，有些问题尚存有争议，然而由于它实用性强，能运用人们的经验与技巧解决许多以往控制中难以解决的棘手问题（如建模等），因此得到了人们极大的重视。1－2自动控制理论的内容4、智能控制231－3控制系统的基本组成控制系统的组成：输入部分、控制系统部分和输出部分。从物理角度上看，自动控制研究的是特定激励作用下的系统响应变化情况；从数学角度上看，研究的是输入与输出之间的映射关系。输入输出控制系统24例1.a.温度——人工控制调压器温度计电热丝炉子2201－3控制系统的基本组成25输入信号（期望炉温）输出信号（实际炉温）脑（计算、比较）放大、执行（手臂、手）被控对象（电热丝、炉）测量（眼睛）1－3控制系统的基本组成控制目标：炉子的温度恒定在期望的数值上。调压器温度计电热丝炉子22026电压放大器功率放大器Eurubu+_+_炉子热电偶电热丝给定信号电动机减速器调压器220+_b.温度——自动控制1－3控制系统的基本组成调压器温度计电热丝炉子22027闭环控制系统的基本组成1－3控制系统的基本组成电压放大器功率放大器Eurubu+_+_炉子热电偶电热丝给定信号电动机减速器调压器220+_buu+_实际温度电压放大器功率放大器炉子热电偶电机、减速器、调压器期望温度ru放放放放放放放放放放28控制系统的基本组成输入信号——系统控制目标的反映，是人的意志的具体体现。控制系统——主要完成对有关信号的变换、处理，发出控制量，驱动执行机构完成控制功能。输出信号——系统的控制结果，反映了被控对象的运行状态。1－3控制系统的基本组成输入信号输出信号放大比较执行被控对象测量（反馈）29例2：火炮自动跟踪系统——“火炮打飞机”1－3控制系统的基本组成+__受信仪放大器减速器校正装置检测装置电机+30典型的反馈控制系统的结构图输入信号偏差信号比较元件主反馈反馈信号输出信号+_()rt()et()bt()ct控制元件放大元件执行元件被控对象反馈元件1－3控制系统的基本组成31A、按信号的传递路径来分类1、开环控制系统特点：系统的输出端与输入端不存在反馈回路。输出量对系统的控制作用不发生影响的系统。图纸程序指令（步进电机）微型计算机放大器执行机构工作机床切削刀具1－4控制系统的分类二.控制系统的分类322、闭环控制系统（反馈控制系统）特点：系统输出信号与测量元件之间存在反馈回路。“闭环”这个术语的含义，就是将输出信号通过测量元件反馈到系统的输入端，通过比较、控制来减小系统误差。位移微型计算机放大器执行机构工作机床切削刀具反馈测量元件图纸1－4控制系统的分类33导向阀伺服阀内燃机燃料阀门开飞球降速升速压力油回油回油调速弹簧滑块负载燃油控制阀阀门关内燃机转速控制系统应用瓦特式转速调节器的内燃机转速控制系统341、恒值控制系统（或称自动调节系统、自动镇定系统）特点：输入信号是一个恒定的数值。工业生产中的恒温、恒压等自动控制系统都属于这一类型。2、过程控制系统（或称程序控制系统）特点：输入信号是一个已知的函数。系统的控制过程按预定的程序进行，要求被控量能迅速准确地复现输入，如化工中的压力、温度、流量控制。恒值控制系统可看成输入等于常值的过程控制系统。1－4控制系统的分类二、按系统的控制作用来分类35特点：输入信号是一个未知函数。要求控制系统的输出量跟随输入信号变化。如：火炮自动跟踪系统。该系统要求有较好的跟踪能力。1－4控制系统的分类3、随动系统（或称伺服系统）361、连续系统特点：系统各部分信号都是模拟的连续函数。目前工业中普遍采用的常规仪表PID调节器控制的系统。2、离散系统特点：系统的某一处或几处信号以脉冲序列或数码形式传递的控制系统。系统中用脉冲开关或采样开关，将连续信号转变为离散信号。其中离散信号以脉冲形式传递的系统又叫脉冲控制系统，离散信号以数码形式传递的系统又叫数字控制系统。1－4控制系统的分类三、按系统传输信号的性质来分类37输入输出采样开关+_()et()et保持器被控过程输入输出+_A/DD/A计算机放大器执行器被控对象反馈装置1－4控制系统的分类38四、按描述系统的数学模型不同来分类1、线性系统特点：系统由线性元件构成，描述运动规律的数学模型为线性微分方程。运动方程一般形式：式中：r(t)——系统输入量；c(t)——系统输出量主要特点是具有叠加性和齐次性。c(t)adtdc(t)adtc(t)dadtc(t)da011-n1-n1-n1-nnnnnr(t)bdtdr(t)bdtr(t)dbdtr(t)db011-m1-m1-m1-mmmmm1－4控制系统的分类392、非线性系统特点：在构成系统的环节中有一个或一个以上的非线性环节。非线性的理论研究远不如线性系统那么完整，目前尚无通用的方法可以解决各类非线性系统。其他的分类方法：按功能来分：温度控制系统、速度控制系统、位置控系统等。按元件组成分：机电系统、液压系统、生物系统等。1－4控制系统的分类40分类小结闭环系统开环系统按传递路径.1随动系统程序控制系统恒值控制系统按控制作用.2离散系统连续系统按信号性质.3非线性系统线性系统按数学模型.41－4控制系统的分类411－5系统的基本要求及典型信号典型信号：1.脉冲信号hththttr0,10,,0)(　　　　　　　　1)(0,0,0)(dttrtttr　　　　　　1)(sR基本要求：稳定性稳态特性动态特性（稳、准、快）422.阶跃信号3.斜坡（速度）信号000t)t(aut)t(rssR1)(21)(ssR000)(tatttr1－5系统的基本要求及典型信号434.加速度信号5.谐波信号6.指数信号00210)(2ttattr31)(ssR1－5系统的基本要求及典型信号)sin()(tAtr22(sin)Lts