自动控制原理讲课

自动控制原理 信息科学与技术部 马亮 自动控制原理 自动控制系统概述 控制系统的数学模型 控制系统的时域分析 *根轨迹法 控制系统的频域分析 控制系统的综合与校正 离散系统的理论基础 *非线性系统的理论分析 第一章 自动控制系统概述 控制系统的基本概念 控制理论的发展历程 控制系统分类 控制系统的性能指标 举例: 液位自动控制系统 目标液位 §1-1 控制系统的基本概念 一、基本术语 自动控制：在没有人的直接干预下，利用物理装置对生产设备和工艺过程进行合理的控制，使被控制的物理量保持恒定或按一定的规律变化。如液位，炉温，轧辊辊速，带钢张力等控制。 自动控制系统：为实现某一控制目标，所需要的所有物理部件的有机组合称为自动控制系统。 §1-1 控制系统的基本概念 §1-1 控制系统的基本概念 控制对象：（被控对象、调节对象、对象） 是指被控的设备或过程。 被控制量：（被调参数、输出量） 是指被控制的物理量，常常是表征设备或过程的运行情况或状态，且需要加以控制的参数。 给定信号：（参考输入量） 设定的与被控参数期望值成比例的信号，其作用是为了保证输出量达到所要求的目标。 （上例中的水槽） （上例中的实际液位）。 （上例中要求的液位）。 §1-1 控制系统的基本概念 扰动信号：（扰动输入量） 是一种妨碍被控参数达到期望值的外部作用，对系统工作不利。（上例中的排水量） 测量信号： 检测仪表的输出经变送器变换后的与被控信号实际值成比例的信号。 偏差信号： 给定信号与测量信号的差值信号。 执行机构：传动机构+调节机构 控制对象 被控制量 目标液位 给定信号 扰动信号 测量信号 偏差信号 执行机构 液位自动控制系统 §1-1 控制系统的基本概念 §1-1 控制系统的基本概念 上例中，将系统按基本组成部分分解： 水槽 注水阀 减速器 电动机 放大器 电位器 浮子 输入 输出 给定信号 被控量 测量信号 F 被控对象 扰动信号 偏差信号 执行机构 二、控制系统传递方框图 （二）传递方框图：将构成系统的所有环节用有向线段连接起来所构成的系统结构图。 有向线段：表示信号传递，指向环节的作用线表示输入，背向环节的作用线表示输出。 测量信号与给定信号通过相加点叠加，符号代表信号的极性。 整个系统的输出为被控参数，整个系统的输入为给定信号或扰动信号。 （一）环节：构成系统的基本组成部分，用一个方块表示。 §1-1 控制系统的基本概念 信号传递单向性； 作用线只表示信号的传递方向，不表示物流方向； 方框图可简可繁； 尽管实际控制系统元器件各不相同，但概括起来，一般都应包括以下几个基本环节： （三）关于传递方框图的几点说明 给定 环节 §1-1 控制系统的基本概念 给定环节 设定被控量的给定值，如电位器，自整角机等模拟信号，还有精度更高的数字给定装置。 （三）关于传递方框图的几点说明 给定 环节 比较 环节 §1-1 控制系统的基本概念 比较环节 将检测到的被控量与给定量比较得到偏差信号，该信号功率较小或物理性质不同，不能直接作用执行机构，需要性能比较增加中间环节3、4。 （三）关于传递方框图的几点说明 给定 环节 比较 环节 校正 环节 §1-1 控制系统的基本概念 校正环节 是为改善系统动态品质或稳态性能而加入的装置，它可以对偏差信号按照某种规律进行运算，如比例、积分、微分等。 （三）关于传递方框图的几点说明 给定 环节 比较 环节 校正 环节 放大 环节 §1-1 控制系统的基本概念 放大环节 将偏差信号转换成适合于执行器工作的信号(功放，SCR)。 注意: 2、3、4合为一体→控制器。 （三）关于传递方框图的几点说明 给定 环节 比较 环节 校正 环节 放大 环节 执行 机构 §1-1 控制系统的基本概念 （三）关于传递方框图的几点说明 给定 环节 比较 环节 校正 环节 放大 环节 执行 机构 被控 对象 执行机构 直接作用于控制对象（调节机构、传动装置、电机）。 §1-1 控制系统的基本概念 控制对象 要控制的机器，设备或生产过程(水槽→控制量水位；炉体→炉温；轧辊→辊速压下量......)。 （三）关于传递方框图的几点说明 给定 环节 比较 环节 校正 环节 放大 环节 执行 机构 被控 对象 检测 装置 §1-1 控制系统的基本概念 检测装置 检测被控制量并转换成与给定量同物理量信号，要求：精度高、反映灵敏、性能稳定的传感器(光电码盘、热电偶等)。 （三）关于传递方框图的几点说明 给定 环节 比较 环节 校正 环节 放大 环节 执行 机构 被控 对象 检测 装置 §1-1 控制系统的基本概念 主反馈：输出量引回到输入端的反馈为主反馈。 局部反馈：在正向通道里，后面环节的输出对前面环节的返回影响称为局部反馈。 1 2 7 5 6 3 4 输入 输出 注意： 主反馈一定是负反馈，局部反馈可正可负。 §1-1 控制系统的基本概念 综上所述，控制系统的工作原理可归纳如下： （1）通过测量元件检测输出量的实际值。 （2）将输出量的实际值与给定值进行比较，得到偏差信号。 （3）用偏差产生控制调节作用去消除偏差。 注意，研究控制系统应首先解决以下四个问题： （1）控制目的（2）受控对象（3）被控制量 （4）输出信号的检测 §1-1 控制系统的基本概念 三、控制系统举例 （1）人手拿书 （2）汽车行驶的位置控制 （3）温度自动控制系统，例如空凋、冰箱。 §1-1 控制系统的基本概念 一、自动控制理论是研究“自动控制”共同规律的一门技术科学。 数控机床按照预定程序自动的对工件进行切削加工； 化学反应釜的温度或流量及压力自动的维持恒定； 雷达和计算机组成的火炮或导弹的发射和制导系统，自动的将炮弹或导弹引导到敌方目标； §1-2 控制理论的发展历程 轧钢机按照预定的轧制速度和板材厚度自动的变化轧辊速度和压下装置的位移； 人造卫星准确的进入预先计算好的轨道和位置，自动的保持正确的姿态运行并准确回收。 这些都是以高水平的自动控制技术为前提的。 §1-2 控制理论的发展历程 控制理论的发展历程 二、控制理论学科的发展 具有自动功能的装置自古有之，例如古埃及的“水钟”，中国古汉代的“指南车” §1-2 控制理论的发展历程 1765年，Jams Watt发明的蒸汽机上的离心式飞锤调速器应用了反馈原理进行设计的。之后，麦克斯韦尔对它的稳定性进行分析，并于1868年发表论文，当属最早的理论工作。 §1-2 控制理论的发展历程 控制理论的发展历程 二、控制理论学科的发展 1872年E.J.Routh,1890年Hurwitz先后找到了系统稳定性的代数判据 §1-2 控制理论的发展历程 控制理论的发展历程 二、控制理论学科的发展 1892年A.M.Liapunov在其“论运动稳定性的一般问题”的博士论文中给出了基于广义能量函数的系统稳定性的一般判据。 §1-2 控制理论的发展历程 控制理论的发展历程 二、控制理论学科的发展 1932年H.Nyquist给出了基于频率特性的关于系统稳定性的Nyquist判据。 §1-2 控制理论的发展历程 控制理论的发展历程 二、控制理论学科的发展 在二次世界大战期间，由于军事上的需要，雷达和火力控制系统有了较大的发展，N.Winner在总结前人成果的基础上发表了《控制论》一书，标志着控制理论学科的诞生。 §1-2 控制理论的发展历程 二、控制理论学科的发展 控制理论的发展历程 自动控制技术的发展是受到当时很多技术的影响，受到好多的一些知识的积累，各方面的知识积累，受到启发，才最终发展成为一门独立的学科。 控制理论发展经过了三个时期： 研究对象：机组自动化等的多输入多输出系统。 主要数学工具：一阶微分方程组、矩阵论、状态空间法。 主要方法：变分法、极大值原理等等 重点问题：最优控制、随机控制和自适应控制。 核心控制装置：计算机 20世纪70年代 20世纪60年代 20世纪40~50年代 研究对象:线性定常单输入单输出系统 主要数学工具:微分方程、传递函数、结构框图、频率特性等 主要研究方法:时域法、频域法、根轨迹法 主要解决的问题:单机装置的稳定性、快速性、准确性。 大系统理论是控制理论在广度上的拓展，例如控制对象延伸到了社会、经济、管理系统，以及生态环境系统等复杂系统。 智能控制理论是控制理论在深度上的挖掘，为解决模拟人脑功能，形成了新的学科—— 模拟人脑思维 形成 模糊控制、专家系统等 模拟人脑结构或功能 形成 人工神经网络 §1-2 控制理论的发展历程 20世纪70年代 20世纪60年代 20世纪40~50年代 广度上扩展的更为复杂的系统 多输入多输出复杂系统 单变量定常控制系统 控制理论发展经过了三个时期： §1-2 控制理论的发展历程 三.自动控制技术的作用 自动控制技术的应用不仅使生产过程实现了自动化，极大地提高了劳动生产率，而且减轻了人的劳动强度。 2. 自动控制使工作具有高度的准确性，大大地提高了武器的命中率和战斗力，例如火炮自动跟踪系统必须采用计算机控制才能打下高速高空飞行的飞机。 3. 某些人们不能直接参与工作的场合就更离不开自动控制技术了，例如原子能的生产、火炮或导弹的制导等等。 §1-2 控制理论的发展历程 自动控制理论来源于生产实践，正随着技术和生产的发展而不断发展，而它反过来又指导实践，成为高新技术发展的重要理论依据。 本课程的内容是该理论中最基本也最重要的内容，即经典控制理论部分。它在工程实践中用的最多，也是进一步学习自动控制理论的基础。 §1-2 控制理论的发展历程 值得指出，现代控制理论的发展，虽然解决了经典控制理论所不能解决的许多理论问题和工程问题，但这绝不意味着经典控制理论已经过时。相反，在自动控制技术的发展中，由于经典控制理论便于工程应用，今后还将继续发挥其理论指导作用，而现代控制理论则可以补其不足。两者相辅相成，才能不断推动自动控制理论和应用的发展。 1、授课对象： 自动化、电气工程及其自动化专业、测控技术与仪器本科专业 2、本课程的性质和任务： 《自动控制理论》是自动化专业的一门重要的专业基础课。 通过本课程的教学（讲课、实验、答疑和习题），使学生了解自动控制系统的组成、特点及专业术语，学习并掌握经典控制理论的基本分析方法和设计方法，掌握实验技能，为设计和调试工业自动控制系统打下理论基础，并为进一步的理论学习和研究打下坚实的基础。 四、课程介绍 §1-2 控制理论的发展历程 3、本课程与相关课程的关系 §1-2 控制理论的发展历程 自动控制原理 大 学 物 理 微 积 分 积 分 变 换 复 变 函 数 电 子 技 术 电 路 理 论 电 机 拖 动 制理论现代控 先修课程 制系统过程控 业课程各类专其它 后续课程 4、课程的理论体系 理论体系：系统描述、系统分析、系统综合 §1-2 控制理论的发展历程 5、选用教材： 顾树生、王建辉，《自动控制原理》，冶金工业出版社。 主要参考书目： [1] 《自动控制原理》，杨友良等，电子科学技术出版社 [2]杨自厚，《自动控制原理》，冶金工业出版社，2003.6 [3]胡寿松，《自动控制原理》，国防工业出版社，2000年 [4]李友善，自动控制原理，国防工业出版社 [5]孙虎章主编，自动控制原理，北京：中央广播电视大学出 版社，1984 6、学时安排：64学时 §1-2 控制理论的发展历程 控制系统的种类很多，在实际工程中，可以从不同角度对控制系统进行分类。 一、开环控制系统和闭环控制系统 （一）开环控制系统 概念: 如果控制系统的输出量对系统没有控制作用，这种系统称为开环控制系统. 例 §1-3 控制系统的分类 （二）闭环控制系统 上例：炉温控制系统 1-热电偶; 2-加热器 当加热物件增多时，系统温度调节过程如下： 经电压放大 电动机正转 电位器 放大器 电动机 减速器 变压器 电阻炉 热电偶 一、开环控制系统和闭环控制系统 概念: 利用检测仪表将系统输出检测出来,经物理量的转换后,馈送到系统的输入端与给定信号比较(相减)得到偏差信号,并利用偏差信号经控制器对控制对象进行控制,抑制扰动对输出量的影响,减小输出量的误差。 反馈控制系统 偏差控制系统 一、开环控制系统和闭环控制系统 （二）闭环控制系统 开环控制系统和闭环控制系统的比较： （1）不论是开环控制系统还是闭环控制系统，输入量和输出量之间都存在一一对应关系。 （2）对于开环控制系统， 只有输入量对输出量产生控制作用； 从结构上看，只有正向通道或前向通道； 不具备抗干扰能力。 对于闭环控制系统， 输出量也参与了控制； 从结构上看，除了正向通道外，还必须有反馈通道； 具有抗干扰能力。 一、开环控制系统和闭环控制系统 （4）开环控制系统的控制精度较低。 闭环控制系统的控制精度较高。 （3）闭环控制系统必须有检测环节和比较环节。 因为要实现闭环控制必须把输出量检测出来并转换成与输入量相同的物理量，再与输入量比较得到偏差信号。 开环控制系统不需要这些环节，所以，它结构简单。 开环控制系统和闭环控制系统的比较： 一、开环控制系统和闭环控制系统 闭环控制系统是一种依偏差控制的系统，只要偏差存在，控制作用就存在，控制的目的是减小甚至消除偏差。 1. 前馈控制 当系统受到的扰动信号可以测量时，可根据扰动信号的大小对控制作用作相应补偿，以提高系统精度。这种按开环补偿原则建立起来的系统成为开环补偿系统或前馈控制。 （三）复合控制系统 一、开环控制系统和闭环控制系统 按给定补偿的前馈控制 按扰动补偿的前馈控制 输入量 输出量 输出量 输入量 + + 一、开环控制系统和闭环控制系统 前馈控制系统仍然属于开环控制，和反馈控制相结合构成复合控制系统。 一、开环控制系统和闭环控制系统 (一)线性控制系统 若组成控制系统的各元器件的输入/输出特性均为线性的，即为线性控制系统。 二、线性与非线性控制系统 按组成控制系统的各元器件的输入输入/输出特性分类： 可用线性微分方程或差分方程来描述。 （a）结构图 （b）特性图 线性控制系统按微（差）分方程不同可分类： ①线性定常(时不变)系统 描述系统运动规律的微(差)分方程的系数不随时间变化。 ②线性时变系统 描述系统运动规律的微(差)分方程的系数随时间变化。 线性控制系统具有显著特征，满足   叠加原理； 齐次定理 二、线性与非线性控制系统 上述微分方程， x(t)为输入量，y(t)为输出量； 输入、输出量及其各阶导数均为一次幂； 各系数均与输入量(自变量) x(t)无关； 若各系数均为常数则为线性定常系统。 二、线性与非线性控制系统 (二)非线性控制系统 定义：组成系统的元器件中至少有一个的输入/输出特性是非线性的。 典型非线性环节特性如下图 二、线性与非线性控制系统 三、连续离散控制系统 (一) 连续系统 若系统各组成环节的输入输出信号都是时间的连续函数,则为连续系统,可用微分方程描述. (二) 离散系统 环节中有一个是以离散信号为输入或输出的即是. 离散信号在离散瞬时有意义. 离散信号可以通过采样开关对连续信号采样得到信号以脉冲序列或数码形势传递. 离散(采样)控制系统通常用差分方程描述. 按控制系统中信号的不同形式分类： 四、恒值、随动及程序控制系统 1.恒值控制系统:输入给定值为常值.要求输出量尽可能保持在期望值上。如恒温、恒压、恒速系统. 2.随动控制系统:给定值随时间任意变化, 要求输出量准确或以一定的精度跟随输入量的变化。如雷达、导弹瞄准、过程控制的副回路、跟踪卫星的雷达天线控制系统等。 3.程序控制系统:给定量按照预先设定的时间函数变化,要求输出量准确或以一定的精度跟踪变化。如程控机床. 按控制系统中输入信号的不同形式分类： §1-4自动控制系统的性能指标 当扰动出现时（或给定量发生变化时），输出量将偏离原来的稳定值，由于反馈作用的存在，通过自动调节，系统又回到（或接近于）原来的稳定值（或跟随新的给定值）稳定下来，如图。 一.稳定性 扰动 这种系统是稳定的。 另外有的系统，输出量不会回到原来的稳定值上而且离原稳定值越来越远，如图。 显然，要达到控制目标，系统必须是稳定的。 §1-4自动控制系统的性能指标 扰动 这种系统是不稳定的。 由于实际系统中,各元器件都存在着不同程度的滞后,是系统受干扰后呈现的过渡过程不可避免,情况各异: ①单调过程 1、各种不同情况的过渡过程 ②衰减振荡 (a)给定突增 (b)扰动突变 (a)给定突增 (b)扰动突变 §1-4自动控制系统的性能指标 ③持续振荡 (a)给定突增 (b)扰动突变 ④发散振荡 (a)给定突增 (b)扰动突变 §1-4自动控制系统的性能指标 2、暂态性能指标 下图给出了系统对突加给定信号的动态响应。 1. 最大超调量：δ% 它反映系统的暂态过程的平稳性。 2．上升时间： 指输出量第一次到达稳态值所需的时间。 3．调节时间： 指输出量与稳态值之间的偏差达到所允许范围并维持在此范围内所需的时间。 4．振荡次数： 指在ts内，输出量在稳态值附近上下波动的次数。 §1-4自动控制系统的性能指标 二、对控制系统的基本要求 1.稳定性 当系统受到干扰后,经过一段时间仍能恢复到原状态或新的平衡状态。 2 快速性 当系统受到扰动后能迅速做出响应，恢复到原状态或达到新的平衡状态。 3.准确性 稳态时，系统输出量跟随给定量(输入量)的精度。 有时在满足系统暂态品质与稳态精度之间存在矛盾，在实际应用中还需二者兼顾。 §1-4自动控制系统的性能指标 掌握组成控制系统的基本环节，重要的变量，及结构图表示的基本概念。 开环系统和闭环系统的概念和特点。 自动控制系统的性能指标的概念。 控制系统分类依据，及各系统特点。 小结： 自动控制技术的发展是受到当时很多技术的影响，受到好多的一些知识的积累，各方面的知识积累，受到启发，才最终发展成为一门独立的学科。 值得指出，现代控制理论的发展，虽然解决了经典控制理论所不能解决的许多理论问题和工程问题，但这绝不意味着经典控制理论已经过时。相反，在自动控制技术的发展中，由于经典控制理论便于工程应用，今后还将继续发挥其理论指导作用，而现代控制理论则可以补其不足。两者相辅相成，才能不断推动自动控制理论和应用的发展。