搜索
自动控制原理张萃珍1三明学院机电工程学院本学期课程安排教材：胡寿松，自动控制原理简明教程，科学出版社课程内容：第一章～第六章课程总学时：48+16参考文献：KatsuhikoOgata，现代控制工程(第四版)，电子工业出版社高国淼，自动控制原理，华南理工出版社刘坤，MATLAB自动控制原理习题精解，国防工业出版社胡寿松，自动控制原理习题集，科学出版社，南航精品课王莹莹，自动控制原理全程导学及习题全解，科学出版社2成绩构成期末60%平时+实验40%考试形式考试：闭卷3该课程与其它课程的关系复变函数、拉普拉斯变换自动控制原理线性代数电路理论模拟电子技术微积分（含微分方程）大学物理（力学、热力学）电机与拖动各类控制系统课程4自动控制原理各章关系5第一章控制系统导论1-1自动控制的基本原理1-2自动控制系统示例1-3自动控制系统的分类1-4自动控制系统的基本要求1-5控制系统的典型输入信号671-1自动控制的基本原理1.1.1自动控制技术及其应用自动控制自动控制是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，或者按照一定的规律变化。例如锅炉温度控制、化工过程流量、温度、液位的控制，等等。自动控制系统自动控制系统是为实现某一控制目标所需要的所有物理部件的有机组合体。自动控制技术的应用•开始多用于工业：压力、温度、流量、位移、湿度、粘度自动控制•后来进入军事领域：飞机自动驾驶、火炮自动跟踪、导弹、卫星、宇宙飞船自动控制•目前渗透到更多领域：大系统、交通管理、图书管理等•生物学系统：生物控制论、波斯顿假肢、人造器官•经济系统：模拟经济管理过程、经济控制论89“勇气”号在火星工作的英姿“深度撞击”撞击器101.1.2自动控制理论发展史自动控制理论:关于自动控制系统的理论。自动控制理论是怎样产生的呢？12•十八世纪以后，蒸汽机的使用提出了调速稳定等问题1765年俄国人波尔祖诺夫发明了锅炉水位调节器1784年英国人瓦特发明了调速器，蒸汽机离心式调速器1877年产生了赫氏判据和劳斯稳定判据•十九世纪前半叶，动力使用了发电机、电动机促进了水利、水电站的遥控和程控的发展以及电压、电流的自动调节技术的发展•十九世纪末，二十世纪初，使用内燃机促进了飞机、汽车、船舶、机器制造业和石油工业的发展，产生了伺服控制和过程控制•二十世纪初第二次世界大战，军事工业发展很快13飞机、雷达、火炮上的伺服机构，总结了自动调节技术及反馈放大器技术，搭起了经典控制理论的架子，但还没有形成学科。自动控制成为一门科学是从1945发展起来的1.经典控制理论时期（1940-1960）第二次世界大战时期开始：经典控制理论逐渐发展成熟而形成为独立学科。频率分析法和根轨迹分析法，构成了经典控制理论的基础。在此期间，也产生了一些非线性系统的分析方法，如相平面法和描述函数法等，以及采样系统的分析方法。数学工具：主要是线性微分方程和基于拉普拉斯变换的传递函数。研究对象：基本是单输入－单输出系统。目标：反馈控制系统的稳定典型成果：雷达—高炮跟踪系统，轧钢机控制系统，液15压伺服系统等。2.现代控制理论时期（20世纪50年代末-60年代初）50年代——70年代，空间技术与军事技术的发展提出了许多复杂控制问题，用于导弹、人造卫星和宇宙飞船上Kalman“控制系统的一般理论”奠定了现代控制理论的基础数学工具：主要是状态空间法研究对象：研究对象更为广泛。如线性系统与非线性系统、定常系统与时变系统、多输入－多输出系统、变量耦合系统等。目标：最优控制典型成果：空间技术、军事技术、多方面的工业技术我国：火箭发射控制技术，人口模型与中国人口控制163.大系统和智能控制时期（20世纪70年代）各学科相互渗透，要分析的系统越来越大，越来越复杂。70年代——至今，基于人脑的思维、学习、推理、决策功能研究与发展的，是当前控制理论学科研究的前沿领域。主要研究方向：自适应控制理论、模糊控制理论、人工神经元网络、浑沌理论研究等。主要研究成果：各种自动设计系统，神经计算机，机器人控制系统，模式识别，人工推理机等。4.正在发展的各个领域自适应控制大系统理论H∞鲁棒控制17非线性控制（微分几何，混沌，变结构）1.1.3自动控制的基本原理（反馈控制原理）人工控制的例子示例——水池水位控制人工控制被控对象：水池被控量：水池的水位观测实际水位，将期望的水位值与实际水位相比较，两者之差为误差。根据误差的大小和方向调节进水阀门的开度，即当实际水位高于要求值时，关小进水阀门开度，否则加大阀门开度以改变进水量，从而改变水池水位，使之与要求值保持一致。•人脑：记住水位的期望值；•人眼：观察水池的实际水位；测量（测量反馈机构）•人脑：比较水池的期望值-实际值；（比较机构）、控制•人手：调节进水阀门的开度，执行控制作用。执行（执行机构）是一个反复观察测量、比较、调整执行的过程，力图将水池水位的期望值与实际值之间的差值减为0。Showe原理方框图：Qo扰动H实际液位脑Hs给定值手u水槽Qi眼H测量值19人工控制精度不高，人的反应不够快，不少恶劣的场合人无法参与直接控制。自动控制系统可以解决以上问题。3.自动控制（AutomaticControl）：是指在没有人直接参与的情况下，利用自动控制装置（或称为控制装置或控制器），使机器、设备或生产过程（统称为被控对象）的某个工作状态或参数（称为被控量）自动地按照预定的规律运行。抽水马桶的例子What课本上的例子自动控制的例子当实际水位低于要求水位时，电位器输出电压值为正，且其大小反映了实际水位与水位要求值的差值，放大器输出信号将有正的变化，电动机带动减速器使进水阀门开度增加，直到实际水位重新与水位要求值相等时为止。期望水位Show电位计+连杆—人脑：记住水位的期望值；浮子—人眼：观察水池的实际水位；电位计+连杆—人脑：反映误差（=水位的期望值-实际值）；电动机—人手：调节进水阀门开度，执行控制作用。是一个反复观察测量、比较、调整执行的过程，力图将水池水位的期望值与实际值间的差值减为0，即误差为0。控制过程：测量（测量反馈机构）—浮子比较（比较机构）—电位计+连杆执行（执行机构）—电动机人工控制原理方框图：euQo扰动QiH实际液位脑Hs给定值手水槽眼H测量值自动控制原理方块图：控制器e执行器u水槽Qo扰动QiH实际液位Hs给定值H测量值21变送器反馈：通过测量变换装置将系统或元件的输出量反送到输入端，与输入信号相比较。反送到输入端的信号称为反馈信号。负反馈：反馈信号与输人信号相减，其差为偏差信号。负反馈控制原理：检测偏差用以消除偏差。将系统的输出22信号引回输入端，与输入信号相减，形成偏差信号。然后根据偏差信号产生相应的控制作用，力图消除或减少偏差的过程。被控制量：在控制系统中．按规定的任务需要加以控制的物理量。控制量：作为被控制量的控制指令而加给系统的输入星．也称控制输入。扰动量：干扰或破坏系统按预定规律运行的输入量，也称扰动输入。231.2.1一个典型的反馈控制系统的基本组成部分输入量串联校正元件放大元件执行元件被控对象扰动并联校正元件反馈元件输出量比较元件e(t)偏差信号主反馈信号b(t)测量反馈元件主反馈局部反馈＋＋－－()ct()rt给定元件信号从输入端沿箭头方向到达输出端的传输通道称前向通路，系统输出量经测量元件反馈到输入端的传输通道称主反馈通路。前向通路与主反馈通路共同组成主回路。Show被控对象（被控过程）——又称控制对象或受控对象，指需要对它的某个特定的量进行控制的设备或过程。被控对象的输出变量是被控变量，常常记作输出信号或输出量。被控对象除了受到控制作用外，还受到外部扰动作用。给定元件——其作用是给出与期望的输出相对应的系统输入量，是一类产生系统控制指令的装置。测量反馈元件——如传感器和测量仪表，感受或测量被控变量的值并把它变换为与输入量同一物理量后，再反馈到输入端以作比较。比较元件——比较输入信号与反馈信号，以产生反映两者差值的偏差信号。放大元件——将微弱的信号作线性放大。校正元件——也叫补偿元件，它是按某种函数规律变换控制信号，以利于改善系统的动态品质或静态性能。执行元件——根据偏差信号的性质执行相应的控制作用，以便使被控制量按期望值变化。如电动机、气动控制阀等。自动控制系统：是由被控对象和自动控制装置按一定方式联结起来的，以完成某种自动控制任务的有机整体。输入信号r(t)：系统的输入信号是指参考输入，又称给定量或给定值，它是控制着输出量变化规律的指令信号。输出信号c(t)：系统的输出信号是指被控对象中要求按一定规律变化的物理量，又称被控量，它与输入量之间保持一定的函数关系。1.2.2自动控制系统中常用的名词术语补充反馈信号：由系统（或元件）输出端取出并反向送回系统（或元件）输入端的信号称为反馈信号。反馈分为主反馈b(t)和局部反馈。偏差信号e(t)：它是指参考输入与主反馈信号之差。偏差信号简称偏差。e(t)=r(t)-b(t)误差信号：它是指系统输出量的期望值与实际值之差，简称误差。在单位反馈情况下，误差值也就是偏差值，二者是相等的。扰动信号f(t)：简称扰动或干扰，是除控制信号以外,对系统的输出有影响的信号。扰动是不希望的输入信号。P51.1.5自动控制系统的基本控制方式示例——直流电动机转速开环控制系统给定电压ug经放大后得到电枢电压ua，改变ug可得不同的转速n，该系统只有输入量ug对输出量n的单向控制作用。输出端和输入端之间不存在反馈回路。+_电压放大器功率放大器Mc负载n电动机+_+_+电位器augu1.3.1开环控制系统只有输入量的前向控制作用，输出量并不反馈回来影响输入量的控制作用，因而，将它称为开环控制系统（Open-LoopControlSystem）。扰动控制信号被控制量给定电压ug转速n被控对象控制装置Mc电压放大器功率放大器直流电动机开环系统的优点——结构简单，系统稳定性好，调试方便，成本低。因此，在输入量和输出量之间的关系固定，且内部参数或外部负载等扰动因素不大，或这些扰动因素可以预测并进行补偿的前提下，应尽量采用开环控制系统。开环控制的缺点——当控制过程中受到来自系统外部的各种扰动因素，如负载变化、电源电压波动等，以及来自系统内部的扰动因素，如元件参数变化等，都将会直接影响到输出量，而控制系统不能自动进行补偿，抗干扰性能差。因此，开环系统对元器件的精度要求较高。1.3.2闭环控制系统电压放大器功率放大器Mc负载n电动机+_+_+_uf电位器测速发电机+_guauue=ug-uf偏差ffuK直流电动机转速闭环控制系统方块图设上述系统原已在某个给定电压ug相对于的转速n状态下运行，若一旦受到某些干扰（如负载转矩突然增大）而引起转速下降时，系统就会自动地产生相应的调整过程。偏差始终存在Mc↑→n↓→uf↓→ue（ue=ug-uf）↑→ua↑→n↑n电压放大器ue输入量Mc扰动输出量功率放大器直流电动机＋ugua测速发电机uf－总结一下：闭环控制系统的工作原理：检测输出量（被控制量）的实际值；将输出量的实际值与给定值（输入量）进行比较，得出偏差；用偏差值产生控制调节作用去消除偏差，使得输出量维持期望的输出。•由于存在输出量反馈，上述系统能在存在无法预计扰动的情况下，自动减少系统的输出量与参考输入量（或者任意变化的希望的状态）之间的偏差，故称之为反馈控制。•显然：反馈控制建立在偏差基础上，其控制方式是“检测偏差再纠正偏差”。Show闭环控制系统（Close-LoopControlSystem）又称反馈控制系统（FeedbackControlSystem），是在闭环控制系统中，把输出量检测出来，经过物理量的转换，再反馈到输入端去与给定值（参考输入）进行比较（相减），并利用比较后的偏差信号，以一定的控制规律产生控制作用，抑制内部或外部扰动对输出量的影响，逐步减小以至消除这一偏差，从而实现要求的控制性能。闭环控制的优点——抑制扰动能力