自動控制原理 課件 項目1 自動控制系統(tǒng)概述

項目一自動控制系統(tǒng)概述任務(wù)一自動控制的基本原理與其理論的發(fā)展史任務(wù)二自動控制系統(tǒng)的基本組成與結(jié)構(gòu)任務(wù)三自動控制系統(tǒng)的分類與其性能的基本要求任務(wù)一自動控制的基本原理與其理論的發(fā)展史任務(wù)一自動控制的基本原理與其理論的發(fā)展史

在工業(yè)生產(chǎn)中,許許多多的技術(shù)設(shè)備、機器和生產(chǎn)過程都必須按照相應(yīng)的要求、規(guī)定運行。例如,若要使發(fā)電機正常供電,其輸出電壓就必須保持恒定,盡量不受負荷變動的干擾;若要使數(shù)控機床加工出高精度的零件,其刀架的進給量就必須準確地按照程序指令的設(shè)定值變化。其中發(fā)電機、機床是工作的主體設(shè)備,而輸出電壓、進給量是表征這些設(shè)備工況的關(guān)鍵參數(shù),額定電壓、設(shè)定進給量就是設(shè)備在運行中對工況參數(shù)的具體要求。一、自動控制的基本原理任務(wù)一自動控制的基本原理與其理論的發(fā)展史

如果一個任務(wù)不是直接由人工承擔的,而是靠控制裝置來完成的,即在無人直接參與的情況下,利用控制裝置操縱被控對象,使被控對象的被控量按給定值或給定信號的變化規(guī)律去變化,則稱其為自動控制。任務(wù)一自動控制的基本原理與其理論的發(fā)展史被控對象是指被控制的機器設(shè)備被控量是指表征其工況的關(guān)鍵參數(shù)給定值(或為輸入量、參考輸入)是指對這些工況參數(shù)所希望達到的值。在控制裝置運行中,若被控量以時間函數(shù)c(t)表示,給定值以r(t)表示,則自動控制的任務(wù)是使被控對象滿足c(t)≈r(t)任務(wù)一自動控制的基本原理與其理論的發(fā)展史自動控制系統(tǒng)：由被控對象和控制器按一定方式連接起來,并完成一定自動控制任務(wù)的總體稱為自動控制系統(tǒng)。自動控制原理的主要任務(wù)是對自動控制系統(tǒng)的性能進行分析和設(shè)計。任務(wù)一自動控制的基本原理與其理論的發(fā)展史【例】人工控制水位保持恒定的供水系統(tǒng)如圖所示。人工控制水位供水系統(tǒng)的原理,如圖所示。任務(wù)一自動控制的基本原理與其理論的發(fā)展史在人工控制水位保持恒定中,反饋的過程如下。(1)

設(shè)定目標:希望的水位高度。(2)

測量狀態(tài):用眼睛觀察水位。(3)

比較:測量到的狀態(tài)與設(shè)定目標比較,判斷二者的差距及向哪個方向操縱閥門。(4)

調(diào)整行動:根據(jù)偏差的大小決定閥門的開關(guān)方向。(5)

實際執(zhí)行:用手調(diào)整閥門的開合度。任務(wù)一自動控制的基本原理與其理論的發(fā)展史【例】同樣是水位控制系統(tǒng),若用浮子測量實際水位的高低,并與要求的水位比較,得出偏差;再由調(diào)節(jié)元件根據(jù)偏差的大小和正負產(chǎn)生控制信號;最后由執(zhí)行元件根據(jù)控制信號產(chǎn)生控制作用,就構(gòu)成了水位自動控制系統(tǒng)。任務(wù)一自動控制的基本原理與其理論的發(fā)展史水位自動控制系統(tǒng)的原理在水位自動控制系統(tǒng)中,水池的水位是被控量,水池是被控對象,浮子是檢測元件,代替人的眼睛,用來測量水位高低。任務(wù)一自動控制的基本原理與其理論的發(fā)展史浮子測出實際水位,由連桿和電位器進行比較:當浮子低時,電位器上得到正電壓,經(jīng)放大器放大后使電動機向進水閥門開大的方向旋轉(zhuǎn);反之,當浮子高時,電位器上得到負電壓,電動機向進水閥門關(guān)小的方向旋轉(zhuǎn);若水位正好,則電位器上電壓為零,電動機不轉(zhuǎn),閥門不動。連桿和電位器相當于人的大腦,起調(diào)節(jié)作用。電動機和減速器具有手的功能,稱為執(zhí)行機構(gòu)。整個過程中無須人工直接參與,控制過程是自動進行的。任務(wù)一自動控制的基本原理與其理論的發(fā)展史自動控制理論是在人類征服自然的生產(chǎn)實踐活動中孕育、產(chǎn)生并隨著社會生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的進步而不斷發(fā)展、完善起來的。自動控制理論的發(fā)展大體上分為三個不同的階段。這種階段性的發(fā)展過程是由簡單到復(fù)雜、由量變到質(zhì)變的辯證發(fā)展過程。二、自動控制理論的發(fā)展史經(jīng)典控制理論階段現(xiàn)代控制理論階段大系統(tǒng)與智能控制系統(tǒng)理論階段任務(wù)一自動控制的基本原理與其理論的發(fā)展史1788年,英國人瓦特(JamesWatt)在他發(fā)明的蒸汽機上使用了離心調(diào)速器,解決了蒸汽機的速度控制問題。1868年,英國物理學(xué)家麥克斯韋通過對調(diào)速系統(tǒng)線性常微分方程的建立和分析,開辟了用數(shù)學(xué)方法研究控制系統(tǒng)的途徑。1877年,英國數(shù)學(xué)家勞斯建立根據(jù)代數(shù)方程的系數(shù)判別系統(tǒng)穩(wěn)定性的準則。1895年,德國數(shù)學(xué)家赫爾維茨(A.Hurwitz)也建立了判別系統(tǒng)穩(wěn)定性的準則。1932年,美國物理學(xué)家奈奎斯特(H.Nyquist)運用復(fù)變函數(shù)理論建立了以頻率特性為基礎(chǔ)的穩(wěn)定性判據(jù)。1948年,美國科學(xué)家伊萬斯(W.R.Evans)創(chuàng)立了根軌跡分析方法。1.經(jīng)典控制理論階段(20世紀50年代末期以前)任務(wù)一自動控制的基本原理與其理論的發(fā)展史

到20世紀50年代,經(jīng)典控制理論的發(fā)展相對成熟,形成了相對完整的理論體系,為當時的控制工程發(fā)揮了極大的作用。其中最突出的成果是PID控制規(guī)律的產(chǎn)生。PID控制原理簡單易于實現(xiàn),具有一定的自適應(yīng)性與魯棒性,對于無時間延遲的單回路控制系統(tǒng)很有效,在工業(yè)過程控制中仍然被廣泛應(yīng)用。

經(jīng)典控制理論研究的對象基本上是以線性定常系統(tǒng)為主的單輸入—單輸出系統(tǒng),還不能解決如時變參數(shù)問題,多變量、強耦合等復(fù)雜的控制問題。任務(wù)一自動控制的基本原理與其理論的發(fā)展史現(xiàn)代控制理論是基于時域內(nèi)的狀態(tài)空間分析法,它是面向?qū)Χ噍斎搿噍敵?MIMO)系統(tǒng)進行最優(yōu)化控制的研究。1956年,蘇聯(lián)科學(xué)家龐特里亞金提出極大值原理;同年,美國數(shù)學(xué)家R.貝爾曼創(chuàng)立了動態(tài)規(guī)劃。1959年,美國數(shù)學(xué)家卡爾曼提出了著名的卡爾曼濾波器。1960年,卡爾曼又提出系統(tǒng)的可控性和可觀測性概念。20世紀60年代初,一套以狀態(tài)方程作為描述系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型以最優(yōu)控制和卡爾曼濾波為核心的控制系統(tǒng)分析、設(shè)計的新原理和方法基本確定,現(xiàn)代控制理論應(yīng)運而生。2.現(xiàn)代控制理論階段(50年代末期至70年代初期)任務(wù)一自動控制的基本原理與其理論的發(fā)展史大系統(tǒng)是指規(guī)模龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、變量眾多、關(guān)聯(lián)嚴重、信息不完備的信息與控制系統(tǒng)。智能控制系統(tǒng)是指具有某些仿人智能的工程控制與信息處理系統(tǒng),其中最典型的是智能機器人。70年代初期,Smith提出采用性能模式識別器來學(xué)習(xí)最優(yōu)控制法以解決復(fù)雜系統(tǒng)的控制問題。傅京孫、Gloriso和Saridis提出分級遞階智能控制理論,并成功應(yīng)用于核反應(yīng)、城市交通控制領(lǐng)域。70年代中期,Mamdani創(chuàng)立了基于模糊語言描述控制規(guī)則的模糊控制器,并成功應(yīng)用于工業(yè)控制。80年代以來,專家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論及應(yīng)用對智能控制起著促進作用。3.大系統(tǒng)與智能控制系統(tǒng)理論階段(70年代初期至現(xiàn)在)任務(wù)二自動控制系統(tǒng)的基本組成與結(jié)構(gòu)任務(wù)二自動控制系統(tǒng)的基本組成與結(jié)構(gòu)任何一個自動控制系統(tǒng)都是由被控對象和控制裝置構(gòu)成的。自動控制系統(tǒng)的基本框圖。一、自動控制系統(tǒng)的基本組成方框代表系統(tǒng)中具有相應(yīng)職能的元件;箭頭表示元件之間的信號及其傳遞方向。前向通道：從系統(tǒng)輸入量到輸出量之間的通道。反饋通道：從輸出量到反饋信號之間的通道。?表示比較環(huán)節(jié),其輸出量等于各個輸入量的代數(shù)和。因此,各個輸入量均須用正、負號表明其極性,如果輸入量為正,則正號可以省略?？刂破鳌z測元件和執(zhí)行機構(gòu)這些功能元件分別承擔相應(yīng)的職能,從而共同完成控制任務(wù)。任務(wù)二自動控制系統(tǒng)的基本組成與結(jié)構(gòu)自動控制系統(tǒng)中的常用術(shù)語。任務(wù)二自動控制系統(tǒng)的基本組成與結(jié)構(gòu)任務(wù)二自動控制系統(tǒng)的基本組成與結(jié)構(gòu)1.開環(huán)控制系統(tǒng)系統(tǒng)的控制輸入不受輸出影響的控制系統(tǒng)稱為開環(huán)控制系統(tǒng)。在開環(huán)控制系統(tǒng)中,輸入端與輸出端之間只有信號的前向通道,而不存在由輸出端到輸入端的反饋通道。二、自動控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)直流電動機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)就是一個開環(huán)控制系統(tǒng),如圖所示。任務(wù)二自動控制系統(tǒng)的基本組成與結(jié)構(gòu)工作原理：調(diào)節(jié)電位器R的滑臂,使其輸出給定參考電壓ur;ur經(jīng)電壓放大器和功率放大器放大后成為ua,送到直流電動機的電樞端,用來控制直流電動機轉(zhuǎn)速;在負載恒定的條件下,直流電動機的轉(zhuǎn)速ω與電樞電壓ua成正比,只要改變給定電壓ur,便可得到相應(yīng)的直流電動機轉(zhuǎn)速ω。直流電動機轉(zhuǎn)速開環(huán)控制系統(tǒng)可用方框圖表示,如圖所示。任務(wù)二自動控制系統(tǒng)的基本組成與結(jié)構(gòu)優(yōu)點：結(jié)構(gòu)比較簡單,成本較低。缺點：控制精度不高,抑制干擾能力差,且對系統(tǒng)參數(shù)變化比較敏感。任務(wù)二自動控制系統(tǒng)的基本組成與結(jié)構(gòu)閉環(huán)控制系統(tǒng)又稱反饋控制系統(tǒng),它是通過反饋回路使系統(tǒng)構(gòu)成閉環(huán),并按偏差產(chǎn)生控制作用,用以減小或消除偏差的控制系統(tǒng)。2.閉環(huán)控制系統(tǒng)直流電動機轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng),如圖所示。任務(wù)二自動控制系統(tǒng)的基本組成與結(jié)構(gòu)工作原理測速發(fā)電機由直流電動機同軸帶動,它將直流電動機的實際轉(zhuǎn)速ω(系統(tǒng)輸出量)測量出來,并轉(zhuǎn)換成電壓uf,再反饋到系統(tǒng)的輸入端,與給定值電壓ur(系統(tǒng)輸入量)進行比較,從而得出電壓ue=ur-uf。偏差ue經(jīng)電壓放大器和功率放大器放大后成為ua,用以控制電動機轉(zhuǎn)速ω。任務(wù)二自動控制系統(tǒng)的基本組成與結(jié)構(gòu)直流電動機轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)可用方框圖來表示,如圖所示。任務(wù)二自動控制系統(tǒng)的基本組成與結(jié)構(gòu)閉環(huán)控制是常用的控制方式,通常所說的控制系統(tǒng),一般是指閉環(huán)控制系統(tǒng)。優(yōu)點：不論是輸入信號的變化,還是干擾的影響,或者是系統(tǒng)內(nèi)部的變化,只要被控量偏離了規(guī)定值,系統(tǒng)都會產(chǎn)生相應(yīng)的作用去消除偏差。缺點：造價較高，系統(tǒng)復(fù)雜性;如果系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)選取不適當,則控制過程可能變得很差,甚至出現(xiàn)振蕩或發(fā)散等不穩(wěn)定的情況。前饋補償控制與反饋控制相結(jié)合,就構(gòu)成了復(fù)合控制,可以有效提高系統(tǒng)的控制精度。復(fù)合控制有兩種基本形式:按輸入前饋補償?shù)膹?fù)合控制和按擾動前饋補償?shù)膹?fù)合控制,如圖所示。3.復(fù)合控制系統(tǒng)任務(wù)二自動控制系統(tǒng)的基本組成與結(jié)構(gòu)按輸入前饋補償?shù)膹?fù)合控制按擾動前饋補償?shù)膹?fù)合控制任務(wù)三自動控制系統(tǒng)的分類與其性能的基本要求定值控制系統(tǒng)和隨動控制系統(tǒng)線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)單變量系統(tǒng)和多變量系統(tǒng)定常系統(tǒng)和時變系統(tǒng)連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)一、自動控制系統(tǒng)的分類任務(wù)三自動控制系統(tǒng)的分類及其性能的基本要求二、對自動控制系統(tǒng)性能的基本要求任務(wù)三自動控制系統(tǒng)的分類及其性能的基本要求通常將系統(tǒng)輸入量(給定值或干擾)變化時,系統(tǒng)的輸出變量由初始狀態(tài)達到最終穩(wěn)態(tài)的中間變化過程稱過渡過程,又稱瞬態(tài)過程。過渡過程結(jié)束后的輸出響應(yīng)稱為穩(wěn)態(tài)過程。系統(tǒng)的輸出響應(yīng)c(t)由過渡過程和穩(wěn)態(tài)過程組成。對于已知系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和參數(shù)的各類系統(tǒng),在某種典型輸入信號下,對其被控量變化的全過程提出的基本要求都是一樣的,可以歸納為穩(wěn)定性、準確性和快速性。準確性快速性穩(wěn)定性1.穩(wěn)定性任務(wù)三自動控制系統(tǒng)的分類及其性能的基本要求穩(wěn)定性有兩層含義:穩(wěn)定和平穩(wěn)。控制系統(tǒng)的動態(tài)過程如圖所示。如果控制過程中出現(xiàn)被控量圍繞給定值振蕩,而振蕩不十分激烈且逐漸減弱,即圖中曲線c1(t

),則說明系統(tǒng)具有穩(wěn)定性。如果控制過程呈曲線c2(t

)和曲線c3(t

)的振蕩或發(fā)散變化,則系統(tǒng)是不穩(wěn)定的。2.準確性任務(wù)三自動控制系統(tǒng)的分類及其性能的基本要求準是指動態(tài)過程的準確性,是對系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)(靜態(tài))性能的要求。對一個穩(wěn)定的系統(tǒng)而言,當過渡過程結(jié)束后,系統(tǒng)輸出量的實際值與期望值之差稱為穩(wěn)態(tài)誤差,它是衡量系統(tǒng)控制精度的重要指標?！皽省眲t誤差小,控制精度高。3.快速性快是指動態(tài)過程的快速性。它表明系統(tǒng)輸出對輸入響應(yīng)的快慢程度,可通過動態(tài)過程時間長短來表征快速性優(yōu)劣,時間越短說