自动控制系统概述解析

自动控制原理与系统第1篇自动控制原理第2篇自动控制系统控制论的创始人——诺伯特·维纳（1894-1964）美国数学家，控制论的创始人，父亲——列奥•维纳：出生于俄国，智力早熟，会40多种语言，哈佛大学斯拉夫语教授，语言学家。三岁半开始读书，启蒙书籍——生物学和天文学。六岁时，渴望当一名博物学家，立志献身于科学。七岁时，开始深入物理学和生物学的领域，甚至超出了他父亲的知识范围。14岁，大学毕业。岁获哈佛大学哲学博士学位。“我今年岁数的立方是个四位数，岁数的四次方是个六位数，这两个数，刚好把十个数字0、1、2、3、4、5、6、7、8、9全都用上了，不重不漏。这意味着全体数字都向我俯首称臣，预祝我将来在数学领域里一定能干出一番惊天动地的大事业。”18维纳简介兴趣广泛，先后涉足哲学、数学、物理学和工程学，最后转向生物学。一生发表论文240多篇，著作14本。主要著作：《控制论》(1948)《维纳选集》(1964)《维纳数学论文集》(1980)。两本自传：《昔日神童》、《我是一个数学家》。维纳简介(续)主要成果：1、建立维纳测度2、引进巴拿赫—维纳空间3、阐述位势理论4、发展调和分析5、发现维纳—霍普夫方法6、提出维纳滤波理论7、开创维纳信息论，是信息论的创始人之一8、创立控制论维纳简介(续)第1章自动控制系统概述1.1引言（了解）1.2开环控制和闭环控制（掌握）1.3自动控制系统的组成（理解）1.4自动控制系统的分类（了解）1.5自动控制系统的性能指标（理解）控制定义：某个主体使某个客体按照一定的目的来动作。分类：人工控制：主体是人的控制自动控制：主体是机器的控制半自动控制：主体是由人和机器共同组成的控制1.1引言转速表直流电动机人工控制直流电动机转速示意图功率放大器励磁回路励磁电流au电枢电压人所起的三个作用:(1)观察电机的转速;(2)将观察到的转速与需要保持的转速在头脑中进行比较;(3)根据比较得出的结论去调整电位器的输出电压.测速发电机自动控制直流电动机转速示意图被控对象：被控制的机器设备或物体,如直流电动机。控制器：所用的控制装置,如运算器。自动控制：就是应用控制装置自动地有目的地控制或操纵机器设备或过程，使之具有一定的状态和性能。自动控制系统：控制装置和被控对象的组合。直流电动机励磁回路励磁电流au电枢电压运算器控制理论的发展史：经典控制理论阶段研究“单输入-单输出”（SISO)的线性定常系统外部描述现代控制理论阶段研究“多输入-多输出”（MIMO)的时变和非线性系统内部描述大系统和智能控制理论阶段经典控制理论萌芽阶段1765年，俄国人波尔佐诺夫发明了蒸汽锅炉水位调节器1784年，英国人瓦特(J.Watt)发明了蒸汽机离心飞锤式调速器发展阶段（20世纪30~40年代）1932年奈奎斯特（H.Nyquist）提出了“稳定性的频率判据”1940年伯德（H.W.Bode）引入了“对数坐标系”1942年哈里斯（H.Harris）引入“传递函数”1948年伊文斯（W.R.Evans）提出了“根轨迹法”成熟阶段（20世纪50年代）现代控制理论（20世纪50年代末60年代初）研究对象数学工具常用分析方法局限性经典控制理论单输入-单输出线性定常系统微分方程，传递函数时域分析法，频域分析法,根轨迹分析法对复杂多变量系统、时变和非线性系统无能为力现代控制理论多输入-多输出变系数，非线性等系统线性代数、矩阵理论状态空间法比较繁琐（但由于计算机技术的的迅速发展，这一局限性已克服)自动控制的应用锅炉设备的压力和温度自动保持恒定数控机床按照预定的程序自动地切削工件导弹发射与制导系统，自动地使导弹攻击敌方目标无人驾驶飞机按照预定航迹自动升降和飞行人造卫星准确地进入预定轨道运行并回收大型加工机床的精密控制由数控机床群构成的生产线——由自动控制保证产品的加工精度。机器人控制(自动控制)喷漆汽车车体焊接堆物带有机械手的点焊生产线能精密定位及时间控制锅炉气鼓水位控制系统人工控制自动控制眼脑手测量变送器控制器给定值执行机构气鼓手阀控制阀给水水位计蒸汽几个术语：被控对象：被控制的设备或过程。被控量：表示设备或过程运行情况或状态并需要加以控制的物理参量/状态参量。c(t)给定值：这些物理量所应保持的期望值。r(t)干扰/扰动：引起被测量变化的因素。锅炉气鼓水位控制系统原理方框图：控制器执行机构被控对象测量变送器-r给定值e偏差扰动被控量nc测量信号眼脑手测量变送器控制器给定值执行机构气鼓手阀控制阀给水水位计蒸汽开环控制系统：系统的被控量对系统的控制作用没有影响。结构简单经济调试方便抗干扰能力差，控制精度不高。闭环控制系统：系统的被控量对系统的控制作用有直接影响。系统具有纠正偏差的能力。抗扰性好，控制精度高。包含元件多，结构复杂，价格高。参数应选择适当。1.2开环控制和闭环控制直流电机转速开环控制系统电位器（产生给定电压ur）如果0~10V转速0~1000r/min方框图为：电压放大器可控硅功放M负载rukuau＋n电网电压P电位器电压放大器可控硅功放直流电动机Purukn扰动ua引入闭环控制后的直流电机转速控制系统电压放大器可控硅功放M负载Gburuukuau＋＋－n测速发电机电位器电压放大器可控硅放大器直流电动机测速机Purubuk-n扰动ua阀门活塞浮子水h(t)q1(t)q2(t)机械杠杆活塞水箱浮子执行机构被控对象检测机构调节器比较器h0-h(t)q1(t)1.3自动控制系统的组成抽水马桶水位控制系统位置跟随系统一、按输入量变化的规律分类（按给定值分类）定值/恒值控制系统：希望输出量跟随输入量，输入量是恒定的常值。如恒温、水位、恒压控制系统随动控制系统：希望输出量跟随输入量，但输入量未知。比如：飞机和舰船的操舵系统，雷达自动跟踪系统程序/过程控制系统：希望输出量跟随输入量，并且输入量已知。如数控车床和机器人控制系统1.4自动控制系统的分类二、按系统传输信号对时间的关系分类连续控制系统系统中各部分的信号都是连续函数的系统。离散控制系统/采样控制系统系统中某一处信号中断，即系统中有的信号是脉冲序列或采样数据量或数字量。1.4自动控制系统的分类(续)三、按系统输出量和输入量间的关系分类线性控制系统：可以用线性微分方程来描述的系统具有叠加性和齐次性非线性控制系统：用非线性微分方程来描述的系统叠加原理不适用1.4自动控制系统的分类(续)101101()()()()()()nnmnnmnnmdctdctdctdrtaaaactbbrtdtdtdtdt00nmaabb、均为常数线性微分方程四、按系统中的参数对时间的变化情况分类定常系统（时不变系统）：系统中全部参数不随时间变化，可以用常微分方程来描述。时变系统：系统中有的参数是时间t的函数，它随时间变化而变化。1.4自动控制系统的分类(续))(th)(h0t1.5自动控制系统的性能指标响应：一个系统在一个输入信号r(t)作用下，系统的输出信号h(t)必定会发生变化，也就是说h(t)响应了r(t)。系统输出信号h(t)的变化称为系统的响应。动态/暂态系统从初始状态到接近最终状态的响应过程。稳态时间t趋向于无穷大时系统的输出状态。系统的响应也就是系统的运动既和系统本身的特性有关，又和系统的输入信号有关典型输入信号的选取应满足的条件：能大致反映系统的实际工作情况输入信号的形式应力求简单，以便于分析输入信号应使系统处于最不利的情况。典型输入信号1、单位脉冲函数(t)tr(t)h1/hh0r(t)t1典型输入信号（续）2、阶跃函数当R=1时，称为单位阶跃函数，记作1(t))(trRt01t01(t)0t000()0trtRt典型输入信号（续）3、斜坡函数/速度函数当R=1时称为单位斜坡函数000)(tRtttr)(trt0典型输入信号（续）4、抛物线函数当R=1时称为单位抛物线函数02100)(2tRtttr)(trt0一个自动控制系统要完成预定的控制任务，必须满足的性能指标：稳定性、准确性、快速性一、稳定性：重要性：是保证控制系统正常工作的首要条件，不稳定的系统是无法进行工作的。稳定系统:当扰动作用(或给定值发生变化)时，输出量将会偏离原来的稳定值，这时，由于反馈环节的作用，通过系统内部的自动调节，系统可能回到(或接近)原来的稳定(或跟随给定值)稳定下来，如图所示。不稳定系统:由于内部的相互作用，使系统出现发散而处于不稳定状态，如图所示。图1-13稳定系统和不稳定系统a)稳定系统b)不稳定系统tnn1(a)0(b)nt0n0n1t0n(c)n0t(e)n1n0t(d)n0n1n0t(f)上图中,(a)、(b)非周期振荡；(c)发散振荡；(d)、(e)收敛振荡；(f)等幅振荡二、系统的稳态性能指标当系统从一个稳态过渡到新的稳态，或系统受扰动作用又重新平衡后，系统会出现偏差，这种偏差称为稳态误差；它反映了系统的稳态精度，表明了系统的准确程度。稳态误差越小，则系统的稳态精度越高。sse１.有静差系统:ess≠0，ess越小，系统越准确２.无静差系统:ess=0图1-14a)有静差系统b)无静差系统三、系统的动态性能指标系统从一个稳态过渡到新的稳态都需要经历一段时间，亦即需要经历一个过渡过程，又称为动态过程、瞬态过程。表征这个过渡过程性能的指标叫做动态指标。图1-15系统对突加给定信号的动态响应曲线(1)延迟时间:单位阶跃响应第一次达到其稳态值一半所需要的时间dt)(th)(h0t)(5.0hdt(2)上升时间rt:响应曲线无振荡时定义为响应从其稳态值的10%上升到其稳态值的90%所需的时间.)(1.0h)(9.0hrt响应曲线有振荡时定义为响应从0第一次上升到其稳态值所需的时间.rt(3)峰值时间:单位阶跃响应超过其稳态值而达到第一个峰值所需的时间.pt)(th)(h0tpt)(maxth(4)调节时间st:输出量和稳态值之间的偏差达到允许范围（一般为±5%或±2%），并停留在这个范围内所需的最小时间。st)(%2)(%5horh)(th)(h0tpt)(pthp(5)最大超调量:动态过程中输出响应的最大值超过稳态值的百分数。p%p()()%100%()phthh（6）稳态误差：t∞时，系统单位阶跃响应的实际值与给定值之差，即：稳态误差反映了系统跟踪输入时的稳态精度（7）振荡次数N：在调节时间内，输出量在稳态值上下摆动的次数。N越小，说明系统稳定性能越好。ssesse1h()最大超调量和振荡次数反映了系统的稳定性。调整时间反映了系统的快速性。稳态误差反映了系统的准确度。一般希望最大超调量小一点，振荡次数少一点，调整时间短一些，稳态误差小一点。总之，希望系统能达到稳、快、准。