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1、自动控制原理及其应用自动控制原理及其应用第1页，共36页，编辑于2022年，星期二本章内容第一节 自动控制与自动控制系统第二节 自动控制系统的分类第三节 对控制系统的性能要求第四节 自动控制理论发展概述第2页，共36页，编辑于2022年，星期二第一节 自动控制与自动控制系统 1.控制：是使某些物理量按指定的规律变化（包括保持恒定），以保证生产的安全性，经济性及产品质量等要求的技术手段。2.自动控制：就是应用自动化仪表或控制装置代替人，自动地对机器设备或生产过程进行控制，使之达到预期的状态或性能要求。例如：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
2、，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。第3页，共36页，编辑于2022年，星期二扰动给定值和被控量都是物理量，一般情况下是相同的物理量外界作用包括给定值和扰动，扰动指外界影响给系统造成的不良影响。第4页，共36页，编辑于2022年，星期二扰动第5页，共36页，编辑于2022年，星期二 水箱原来处于一个平衡状态，水箱原来处于一个平衡状态，q1(t)=q2(t)=0。如果打开阀门，冲水，。如果打开阀门，冲水，冲好后关上阀门，冲好后关上阀门，h(t)发生变化，水位下降，发生变化，水位下降，h变大，通过浮子反变大，通过浮子反馈到执行机
3、构。机械杠杆带动活塞打开，馈到执行机构。机械杠杆带动活塞打开，q1(t)变大，使变大，使h 变小，浮变小，浮子上浮，活塞也上升，直至达到新的平衡。子上浮，活塞也上升，直至达到新的平衡。第6页，共36页，编辑于2022年，星期二原理方框图：原理方框图：这就是负反馈控制系统，检测偏差，然后进行调节，这就是负反馈控制系统，检测偏差，然后进行调节，使偏差减小，最后直至消除偏差。使偏差减小，最后直至消除偏差。按偏差控制。按偏差控制。第7页，共36页，编辑于2022年，星期二系统结构框图的画法：（1）比较环节：将给定值和检测值进行比较，给出一个偏差信号。（2）箭头线：表信号流向。（3）元部件方框（4）引出
4、点：将一个信号分路引出。（5）输入量：作用于控制对象或系统的输入端，并使系统具有预定功能或预定输出的物理量。（6）输出量：表现于控制对象或系统的输出端，要求实现自动控制的物理量。（7）扰动：破坏输入量和输出量之间预定规律的信号。第8页，共36页，编辑于2022年，星期二二、自动控制系统的基本构成或控制方式1、开环控制控制装置和受控对象之间只有顺向作用而无反向联系。（1）按给定量控制没有自动修正偏差的能力，抗扰动性较差。结构简单、调整方便、成本低，在精度要求不高或扰动影响小的情况下还有一定实用价值。如自动售货机、自动洗衣机、数控机床、红绿灯等等。第9页，共36页，编辑于2022年，星期二（2）按
5、扰动控制利用可测量的扰动量，产生一种补偿作用，以减小或抵消扰动对输出量的影响，称为顺馈控制。抗扰动性好，控制精度高，但只适用于扰动可测量的场所。输出输入控制器被控对象输入控制器被控对象补偿环节扰动第10页，共36页，编辑于2022年，星期二2、闭环控制控制装置和受控对象之间，不但有顺向作用，而且还有反向联系，即有被控量对控制过程的影响，这种控制称为闭环控制。闭环控制又称为反馈控制或按偏差控制。输出检测元件输入控制器被控对象第11页，共36页，编辑于2022年，星期二3、复合控制反馈控制只有在外部作用(输入信号或干扰)对控制对象产生影响之后才能做出相应的控制。尤其当控制对象具有较大延迟时间时，反
6、馈控制不能及时地影响输出的变化，会影响系统输出的平稳性。前馈控制能使系统及时感受输入信号，使系统在偏差即将产生之前就注意纠正偏差。将前馈控制和反馈控制结合起来，构成复合控制，它可以有效提高系统的控制精度。第12页，共36页，编辑于2022年，星期二第13页，共36页，编辑于2022年，星期二开环控制系统：开环控制系统：1.结构简单经济结构简单经济 2.调试方便调试方便 3.抗干扰能力差，控制精度不高。抗干扰能力差，控制精度不高。闭环控制系统：闭环控制系统：1.系统具有纠正偏差的能力。系统具有纠正偏差的能力。2.抗扰性好，控制精度高。抗扰性好，控制精度高。3.包含元件多，结构复杂，价格高。包含元
7、件多，结构复杂，价格高。4.参数应选择适当参数应选择适当。开环闭环复合控制系统（兼有两者的优点，精度很高）开环闭环复合控制系统（兼有两者的优点，精度很高）开环与闭环系统的比较开环与闭环系统的比较第14页，共36页，编辑于2022年，星期二可逆可逆电电机机减速器减速器第15页，共36页，编辑于2022年，星期二仓库大门自动控制系统 第16页，共36页，编辑于2022年，星期二例例 引入闭环控制后的直流电机转速控制系统引入闭环控制后的直流电机转速控制系统第17页，共36页，编辑于2022年，星期二电位器电位器放大放大电机电机功率放大功率放大负载负载比较器比较器测速电机测速电机控制器控制器被控对象被
8、控对象输入量输入量un输出量输出量比较比较测量电路测量电路控制输出量控制输出量n误差信号误差信号ud=k(un-uf)反馈量反馈量uf第18页，共36页，编辑于2022年，星期二第二节 自动控制系统的分类1、线性系统和非线性系统线性系统可用线性微分方程来描述，一般形式是非线性系统如 第21页，共36页，编辑于2022年，星期二2、定常系统和时变系统系数是常数，称为定常系统，系数随时间变化，称为时变系统。第22页，共36页，编辑于2022年，星期二3、连续系统和离散系统从信号来看，系统各部分信号都是时间的连续函数，即模拟量，此系统为连续系统。一处或多处信号为时间的离散函数，则系统为离散系统。第2
9、3页，共36页，编辑于2022年，星期二4、恒值系统、随动系统和程序控制系统（1）恒值系统：给定量是一个常值，要求被控量也等于常值。如温度控制系统、压力控制系统、流量控制系统等。这类系统一般称为过程控制系统。第24页，共36页，编辑于2022年，星期二（2）随动系统：给定量是预先未知的随时间变化的函数，被控量以尽量小的误差随跟随给定量变化，重要的是快速性和准确性，如函数记录仪。如果被控量是机械位置或其导数，称为伺服系统。第25页，共36页，编辑于2022年，星期二第26页，共36页，编辑于2022年，星期二（3）程序控制系统参据量按预定规律随时间变化，如数字程控机床第27页，共36页，编辑于2
10、022年，星期二第三节 对控制系统的性能要求实际物理系统一般都含有储能元件或惯性元件，因而系统的输出量和反馈量总是迟后于输入量的变化。因此，当输入量发生变化时，输出量从原平衡状态变化到新的平衡状态总是要经历一定时间。在输入量的作用下，系统的输出变量由初始状态达到最终稳态的中间变化过程称过渡过程，又称瞬态过程。过渡过程结束后的输出响应称为稳态过程。系统的输出响应由过渡过程和稳态过程组成。第28页，共36页，编辑于2022年，星期二一、基本要求1、稳定性稳定性是系统重新恢复平衡状态的能力 t01输入r(t)t01输出c(t)12理想的调节过程实际第29页，共36页，编辑于2022年，星期二2、快速
11、性快速性是对系统动态性能（过渡过程性能）的要求。描述系统动态性能可以用平稳性和快速性加以衡量。平稳指系统由初始状态运动到新的平衡状态时，具有较小的过调和振荡性；快速指系统运动到新的平衡状态所需要的调节时间较短。动态性能是衡量系统质量高低的重要指标。第30页，共36页，编辑于2022年，星期二3、准确性准确性是对系统稳态（静态）性能的要求。对一个稳定的系统而言，过渡过程结束后，系统输出量的实际值与期望值之差称为稳态误差，它是衡量系统控制精度的重要指标。稳态误差越小，表示系统的准确性越好，控制精度越高。第31页，共36页，编辑于2022年，星期二第四节 自动控制理论发展简述1、典型控制理论 405
12、0年代形成 适用于SISO（单输入单输出）系统 基于：二战军工技术目标：反馈控制系统的稳定 基本方法：传递函数，频率法，PID调节器(频域)第32页，共36页，编辑于2022年，星期二2、现代控制理论6070年代形成 适用于MIMO（多输入多输出）系统 基于：冷战时期空间技术，计算机技术目标：最优控制基本方法：状态空间表达式第33页，共36页，编辑于2022年，星期二研究对研究对象象数学工数学工具具常用分析常用分析方法方法局限性局限性经典经典控制控制理论理论单输入单输入-单输出线单输出线性定常系性定常系统统微分方微分方程，传程，传递函数递函数时域分析时域分析法，频域法，频域分析法分析法,根轨迹
13、分根轨迹分析法析法对复杂多变量对复杂多变量系统、时变和系统、时变和非线性系统无非线性系统无能为力能为力现代现代控制控制理论理论多输入多输入-多输出变多输出变系数，非系数，非线性等系线性等系统统线性代线性代数、矩数、矩阵理论阵理论状态空间状态空间法法比较繁琐（但比较繁琐（但由于计算机技由于计算机技术的的迅速发术的的迅速发展，这一局限展，这一局限性已克服性已克服)第34页，共36页，编辑于2022年，星期二3、大系统理论 20世纪70年代开始，现代控制理论继续向深度和广度发展，出现了一些新的控制方法和理论。如（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。第35页，共36页，编辑于2022年，星期二4、智能控制智能控制是从“仿人”的概念出发的。一般认为，其方法包括学习控制、模糊控制、神经元网络控制、和专家控制等方法。是人工智能在控制上的应用。第36页，共36页，编辑于2022年，星期二