自动控制知识

自动控制概论第一节概述第二节基本控制方式第三节自动控制系统的组成及术语第四节自动控制系统的分类第五节自动控制理论概要一、自动控制的概念二、自动控制理论的发展史返回§1-1概述自动控制是指在无人直接参与的情况下，利用控制器使被控对象(或过程)的某些物理量(或状态)自动地按照预定的规律运行。一.自动控制的概念返回二.自动控制理论的发展史(一)经典控制理论（第一阶段）1765年英国Wate发明蒸汽机1788年Wate利用反馈原理发明蒸汽机用的离心飞锤调速器。1868年J.C.Maxwell“OnGovernors”(关于调速器)，讨论运行的稳定性。1877年，1895年，E.J.Routh和Hurwitz先后提出判别系统稳定性的代数方法。经历了三个阶段：经典控制理论、现代控制理论、大系统控制理论1892年俄国李雅普诺夫在《论运动稳定性的一般问题》中建立了动力学系统的一般稳定性理论。1932年Nyquist提出了根据频率响应判断系统稳定性的准则。1945年美国Bode在《网络分析和反馈放大器设计》中提出频率响应分析法－Bode图。1948年瑞士W.R.Evans提出根轨迹法至此，经典控制理论成熟。包括：时域分析法,频率特性法、根轨迹法等。(二)现代控制理论（第二阶段）1960年美R.E.Kalman成功地应用了状态空间法，提出能控、能观新概念。1961年庞特里亚金证明了最优控制中的极大值原理。1965年R.Bellman提出了寻求最优控制的动态规划方法。(三)、大系统理论和智能控制论（第三阶段）1970年以后1.大系统理论是指规模庞大、结构复杂、变量众多的信息与控制系统，交通运输、生物工程、社会经济和空间技术等复杂系统。2.智能控制论是具有某些仿人智能的工程控制与信息处理系统，如智能机器人、无人驾驶飞机。vcd返回返回一、开环控制二、闭环控制三、复合控制四、自动控制系统举例返回§1-2基本控制方式1、定义：如果系统的输出量不参与对系统的控制，则称为开环控制。2、例子：直流电动机转速开环控制系统一、开环控制原理方框图控制器(放大器)被控对象(直流电机)扰动量ur(t)输入量输出量(被控制量)n(t)ua直流电动机转速开环控制系统3.开环控制系统的特点优点：线路简单、成本低、工作稳定。缺点：控制精度低。返回按扰动补偿的开环控制控制器被控对象扰动量输入输出补偿器+u前馈控制器1.定义如果系统的输出量参与对系统的控制，则称为闭环控制。2.例子：直流电动机转速闭环控制系统二、闭环控制返回3.闭环控制系统的特点负反馈控制原理：将系统输出量引回输入端，与输入量相比较，利用所得偏差进行控制，使偏差减小或消除。优点：具有较强的抗干扰能力，控制精度高。缺点：系统参数配合不当时，容易产生振荡甚至不稳定，使系统无法工作。1、构成：将开环控制和闭环控制结合起来。2、特点：兼有开环和闭环系统的优点，控制精度高，控制作用快，但结构也较为复杂。返回三、复合控制四、自动控制系统举例恒温箱自动控制系统一、自动控制系统的组成二、控制系统中的常用术语返回§1-3自动控制系统的组成及术语一、自动控制系统的组成由控制器与被控对象组成,控制器是系统中对被控对象起控制作用的各部分的总称。执行元件校正放大调节元件比较元件测量元件控制器被控对象自控系统自动控制系统方框图返回给定量(输入量)：系统输出量的要求值。被控量(输出量)：被控系统所控制的物理量。反馈量：与输出成正比或成某种函数关系,与给定量有相同量纲和数量级的信号。偏差量：给定量与主反馈量之差。控制量：作用于被控对象的信号。扰动量：对系统输出量有不利影响的输入量。被控对象：被控制的机器、设备或生产过程。返回二、控制系统中的常用术语一、按给定信号分类:1、恒值控制系统：输入为常数，系统能排除扰动影响，使输出保持恒定不变。2、随动控制系统：输入是时间的未知函数，要求输出跟随输入信号变化。3、程序控制系统：输入量是时间的已知函数，要求输出以一定精度跟随输入信号变化。返回§1-4自动控制系统的分类二、按数学描述分类:1、线性系统：用线性方程描述的系统。性质：1）组成系统的所有元件都是线性元件；2）具有齐次性和叠加性。2、非线性系统：用非线性方程描述的系统。性质：1）系统中只要有一个非线性元件就是非线性系统。2）不满足叠加原理。三、按时间信号的性质分类1.连续时间系统：系统中所有信号都是连续函数形成的模拟量。2.离散时间系统：系统中的信号至少有一处是以脉冲序列或数码形式传递。四.按系统输入输出信号的数量分类1.单输入单输出系统：输入、输出各为一个。2.多输入多输出系统：有两个或两个以上的输入量或输出量的系统。二.自动控制系统的设计原则一.对控制系统的基本要求§1-5自动控制理论概要1.系统的绝对稳定性2.系统具有良好的动态性能和稳态性能动态性能：稳――动态过程平稳快――响应动作快稳态性能：准――跟踪值准确一.对控制系统的基本要求一、稳定性•系统稳定是系统正常工作的基本条件二、过渡过程指标•表示对自动控制系统动态性能的要求三、稳态误差•系统要求（或希望）的输出量与实际输出量之差称为误差；•误差的稳态分量称为稳态误差；•稳态误差表示到达平衡状态（过渡过程结束）的精度。1、系统分析2、系统设计3、实验仿真4、控制实现二.自动控制系统的设计原则返回