第一章_吉林大学自控第一章

null第一章 概论第一章 概论 课程的性质和特点 自动控制是一门技术学科，从方法论的角度来研究系统的建立、分析与设计问。 《自动控制原理》是本学科的基础必修课。§1.1 控制的意义§1.1 控制的意义控制的本意: 为了达到某种目的对事物进行支配、管束、管制、管理、监督、镇压。 自动控制: 在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（称控制装置或控制器），使机器、设备或生产过程（被控对象）的某个工作状态或参数（即被控量）自动地按照预定的规律运行。 控制系统示例控制系统示例钢铁轧制：轧出厚度一致的高精度铁板（厚度控制，张力控制） 程控机床：自动进刀切削，加工出预期的几何形状。null155MM自行炮指挥控制系统 现代控制（导弹，卫星，航天器，星球大战）现代控制（导弹，卫星，航天器，星球大战）计算机集成制造系统，智能机器人，娱乐机器人，载人卫星计算机集成制造系统，智能机器人，娱乐机器人，载人卫星美国阿波罗月球着陆，火星探测器， 旅行者voyager,美国阿波罗月球着陆，火星探测器， 旅行者voyager,§ 1.1自动化技术发展简述 § 1.1自动化技术发展简述 前期 古典控制理论(经典控制) 自动控制理论 现代控制理论 大系统理论null 自动控制是一门年轻学科, 从1945年开始形成。这以前, 是自动控制理论的胚胎与萌芽时期。 我国在 天文学等有关领域的需要产生了自动装置。 三千年前发明了自动计时的“铜壶滴洞”装置; 公元前2世纪发明了用来模拟天体运动和研究天体运动规律的“浑天仪”; 两千一百年前研制出指南车; 公元132年产生了世界上第一架自动测量地震的“地动仪”; 公元3世纪发明了自动记录里数的“记里鼓车”。  null 工业生产和军事技术的需要, 促进了经典自动控制理论和技术的产生和发展。 18世纪欧洲产业革命后, 由于生产力的发展, 蒸汽机被广泛用作原动力。为使工作更完善(解决不易控制问题), 1765年俄国机械师波尔组诺夫发明了蒸汽机锅炉水位调节器, 1784年英国人瓦特发明了蒸汽机离心式调速器。在蒸汽机控制中, 人们总希望转速恒定, 因此判定稳定、设计稳定可靠的调节器成为重要课题。1877年劳斯(Routh)和赫尔维茨(Hurwitz)提出判定系统稳定的判据。19世纪前半期, 生产中开始利用发电机和电动机, 这促进了水利发展, 出现了水电站遥控、 简单程序控制、电压和电流的自动调整等技术。null 经典控制理论期(20世纪40～60年代1945年美国人波德(Bode)写了“网络分析和反馈放大器设计”一文, 奠定了经典控制理论基础, 在西方国家开始形成了自动控制学科; 1947年美国出版了第一本自动控制教材“伺服机件原理”; 1948年美国麻省理工学院出版了另一本“伺服机件原理”教材, 建立了现在广泛使用的频率法。20世纪50年代是经典控制理论发展和成熟的时期。主要为频率法(拉氏变换及Z变换)、根轨迹法、相平面法、描述函数法、稳定性的代数判据和几何判据、校正网络等, 这些理论基本解决了单输入单输出自动控制系统的有关问题。 经典控制理论的基本特征经典控制理论的基本特征（1）主要用于线性定常系统的研究，即用于常系数线性微分方程描述的系统的分析与综合； （2）只用于单输入，单输出的反馈控制系统； （3）只讨论系统输入与输出之间的关系，而忽视系统的内部状态，是一种对系统的外部描述方法。现代控制理论现代控制理论随着航天事业和计算机的发展，20世纪60年代初，在经典控制理论的基础上，以线性代数理论和状态空间分析法为基础的现代控制理论迅速发展起来。 1954年贝尔曼（R.Belman)提出动态规划理论 1956年庞特里雅金（L.S.Pontryagin）提出极大值原理 1960年卡尔曼（R.K.Kalman)提出多变量最优控制和最优滤波理论 在数学工具、理论基础和研究方法上不仅能提供系统的外部信息（输出量和输入量），而且还能提供系统内部状态变量的信息。它无论对线性系统或非线性系统，定常系统或时变系统，单变量系统或多变量系统，都是一种有效的分析方法。大系统理论大系统理论 20世纪70年代开始， 现代控制方法和理论 （1）现代频域方法 以传递函数矩阵为数学模型，研究线性定常多变量系统； （2）自适应控制理论和方法 以系统辨识和参数估计为基础，在实时辨识基础上在线确定最优控制规律； （3）鲁棒控制方法 在保证系统稳定性和其它性能基础上，设计不变的鲁棒控制器，以处理数学模型的不确定性。null若干个相互关联的子系统组成的大系统进行整体控制 应用领域从传统的工程控制领域推广到包括经济管理、生物工程、能源、运输、环境等大型系统以及社会科学领域。 大系统理论是过程控制与信息处理相结合的系统工程理论 特点 规模庞大、结构复杂、功能综合、目标多样、因素众多 多输入、多输出、多干扰、多变量的系统。1.2 自动控制系统的基本概念1.2 自动控制系统的基本概念主要内容 开环控制系统与闭环控制系统 闭环控制系统的组成和基本环节 自动控制系统的类型 自动控制系统的性能指标 小结 null学习重点 了解自动控制系统的基本结构和特点及其工作原理 了解闭环控制系统的组成和基本环节 掌握反馈控制系统的基本及反馈控制系统的作用 学会分析自动控制系统的类型及本质特征null本课程与其它课程的关系1.1 开环控制系统和闭环控制系统1.1 开环控制系统和闭环控制系统自动控制 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，例如矿井提升机的速度控制、轧钢厂加热炉温度的控制等等。 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。null被控对象：被控制的设备或过程 被控量：被控制的物理量（输出量） 给定量：决定被控量的物理量（输入） 扰动量：妨碍给定量对被控量进行正常控制的所有因素。 1.1 开环控制系统和闭环控制系统1.1 开环控制系统和闭环控制系统1.开环控制系统 例1-1 温度控制系统 性能指标 工作过程1.1 开环控制系统和闭环控制系统1.1 开环控制系统和闭环控制系统图中：1.1 开环控制系统和闭环控制系统1.1 开环控制系统和闭环控制系统（1）开环控制 只有输入量对输出量产生控制作用，输出量不参与对系统的控制。 （2）开环控制特点 输入量与输出量一一对应 输出量不参与控制 没有抗干扰能力1.1 开环控制系统和闭环控制系统1.1 开环控制系统和闭环控制系统2.闭环控制系统 例1-2 温度闭环控制系统 （1）人工闭环控制null观测恒温箱内的温度（被控量） 与要求的温度（给定值）进行比较得到偏差的大小和方向 根据偏差的大小和方向调节调压器，控制加热电阻丝的电流以调节温度回到要求值控制过程: 实质检测偏差纠正偏差控制过程: 实质检测偏差纠正偏差如果温度过高 控制手柄使触头左移 电阻丝中的电流减少 温度下降 直到达到给定温度如果温度过低 控制手柄使触头右移 电阻丝中的电流增大 温度上升 直到达到给定温度1.1 开环控制系统和闭环控制系统1.1 开环控制系统和闭环控制系统（2）自动闭环控制闭环控制系统图 1-热电偶 2-加热器控制过程:控制过程:如果温度过高 Uf增加 Ug不变 Ug-Uf减小 控制手柄使触头左移 电阻丝中的电流减少 温度下降 直到达到给定温度如果温度过高低 Uf减小 Ug不变 Ug-Uf增加 控制手柄使触头右移 电阻丝中的电流增加 温度上升 直到达到给定温度控制系统工作原理:控制系统工作原理:1)检测温度:由测量元件检测输出量（被控制量）的实际值。 2）偏差：检测输出量与给定值（输入量）进行比较,得到偏差的大小和方向。 3)控制：根据偏差的大小和方向产生进控制调节信号（控制量）去消除偏差，使得输出量维持期望值1.1 开环控制系统和闭环控制系统1.1 开环控制系统和闭环控制系统给定量 闭环控制结构图 1-控制器 2-控制对象 3-检测装置 1.1 开环控制系统和闭环控制系统1.1 开环控制系统和闭环控制系统① 闭环控制 把输出量的一部分检测出来,反馈到输入端,与给定信号进行比较，产生偏差,此偏差经过控制器产生控制作用,使输出量按照要求的规律变化。 反馈信号与给定信号极性相反为负反馈,反之为正反馈。 ② 闭环控制特点 输入量与输出量一一对应 输出量参与控制 具有抗干扰能力1.2 闭环控制系统的组成和基本环节1.2 闭环控制系统的组成和基本环节1.闭环控制系统的结构图 1-给定环节；2-比较环节；3-校正环节；4-放大环节； 5-执行机构；6-被控对象；7-检测装置1.2 闭环控制系统的组成和基本环节1.2 闭环控制系统的组成和基本环节2.闭环控制系统的基本环节 （1）控制对象或调节对象 要进行控制的设备或过程。 （2）执行机构 一般由传动装置和调节机构组成。执行机构直接作用于控制对象，使被控制量达到所要求的数值。 （3）检测装置或传感器 该装置用来检测被控制量，并将其转换为与给定量相同的物理量。1.2 闭环控制系统的组成和基本环节1.2 闭环控制系统的组成和基本环节（4）给定环节 设定被控制量的给定值的装置。 （5）比较环节 将所检测的被控制量与给定量进行比较，确定两者之间的偏差量。 （6）中间环节 一般包括比较环节和校正环节。1.2 闭环控制系统的组成和基本环节1.2 闭环控制系统的组成和基本环节 (1) 被控对象 (2) 被控量或输出量 (3) 控制量 (4) 设定量或输入量 (5) 扰动量 (6) 反馈量 (7) 偏差量3.闭环控制系统中的基本术语 (8) 前向通道或正向通道 (9) 反馈通道或反向通道 (10) 理想输出 (11) 实际输出1.3 自动控制系统类型1.3 自动控制系统类型1.线性系统和非线性系统 ——按照主要元件的输入输出特性划分 1）线性系统 由线性元件组成的系统，其微分方程中输出量及其各阶导数都是一次的，并且各系数与输入量（自变量）无关。 2）非线性系统 存在非线性元件的系统，其微分方程式的系数与自变量有关。1.3 自动控制系统类型1.3 自动控制系统类型2.连续系统与离散系统 ——按照信号传递方式划分 1）连续系统 系统各部分的信号都是连续的模拟量。 2）离散系统 系统的一处或几处，信号是以脉冲序列或数码的形式传递。 1.3 自动控制系统类型1.3 自动控制系统类型3.恒值系统、随动系统和程序控制系统 ——按照输入量的变化规律划分 1）恒值系统 给定量是恒定不变的。 2）程序控制系统 给定量是按照一定的时间函数变化的。 3）随动系统 给定量按照事先未知的时间函数变化。1.4 自动控制系统的性能指标1.4 自动控制系统的性能指标 稳定性（稳）、快速性（快）、准确性（准） 系统的过渡过程产生的原因 ： 系统中储能元件的能量不可能突变。 “稳”与“快”描述系统的动态（过渡过程）品质。 “准”描述系统的稳态（静态）品质。 对自动控制系统的基本要求1.4 自动控制系统的性能指标1.4 自动控制系统的性能指标 稳定性 是保证控制系统正常工作的先决条件。 线性控制系统的稳定性由系统本身的结构与参 数决定，与外部条件和初始状态无关。1. 稳定性1.4 自动控制系统的性能指标1.4 自动控制系统的性能指标2. 稳态性能指标 稳态误差 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，系统可能会出现偏差，这种偏差称为稳态误差。 系统稳态误差的大小反映了系统的稳态精度，它明了系统控制的准确程度。稳态误差越小，则系统的稳态精度越高。 1.4 自动控制系统的性能指标1.4 自动控制系统的性能指标有差系统（图a ） 若稳态误差不为零，则系统称为有差系统。 无差系统（图b ） 若稳态误差为零，则系统称为无差系统。(a)(b)1.4 自动控制系统的性能指标1.4 自动控制系统的性能指标3. 暂态性能指标1.4 自动控制系统的性能指标1.4 自动控制系统的性能指标（1）最大超调量 输出最大值与输出稳态值的相对误差。 反映了系统的平稳性。最大超调量越小，则说明系统过渡过程越平稳。 （2）上升时间 指系统的输出量第一次到达输出稳态值所对应的时刻。 1.4 自动控制系统的性能指标1.4 自动控制系统的性能指标（3）过渡过程时间（调节时间） 系统的输出量进入并一直保持在稳态输出值附近的允许误差带内所需的时间。允许误差带宽度一般取稳态输出值的2%或5%。 调节时间的长短反映了系统的快速性。调节时间越小，系统的快速性越好。 （4）振荡次数 在调节时间内，输出量在稳态值附近上下波动的次数。 它也反映系统的平稳性。振荡次数越少，说明系统的平稳性越好。 小 结小 结1. 开环控制系统结构简单、稳定性好，但不能自动补偿扰动对输出量的影响。当系统扰动量产生的偏差可以预先进行补偿或影响不大时，采用开环控制是有利的。当扰动量无法预计或控制系统的精度达不到预期要求时，则应采用闭环控制。 2. 闭环控制系统具有反馈环节，它能依靠反馈环节进行自动调节，以克服扰动对系统的影响。闭环控制极大地提高了系统的精度。但是闭环使系统的稳定性变差，需要重视并加以解决。 小 结 小 结3.自动控制系统通常由给定环节、检测环节、比较环节、放大元件、被控对象、和反馈环节等部件组成。系统的作用量和被控量有：给定量、反馈量、扰动量、输出量和各中间变量。 4.结构图（又简称框图）可直观地表达系统各环节（或各部件）间因果关系，可以表达各种作用量和中间变量的作用点和信号传递情况以及它们对输出量的影响。小 结小 结5.在不同输入量作用下对系统的输出量的要求，揭示出了反馈控制系统的本质特征：输出跟随输入。 6.对自动控制系统的性能指标要求有： 稳定性——系统能工作的首要条件； 快速性——用系统在暂态过程中的响应速度和被控量的波动程度描述； 准确性——用稳态误差来衡量。