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1、1,自动控制原理 Automatic control theory,东华大学信息学院自动化系 齐洁 ,2,自动控制原理教材,教材:现代控制系统Modern Control Systems 科学出版社 多尔夫等 参考书: 1 工程控制基础清华大学出版社 田作华等 2.自动控制原理 国防工业出版社 胡寿松,3,1. Automatic control 自动控制 指在脱离人的直接干预,利用控制装置(简称控制器)使被控对象(或生产过程等)的某一物理量(如温度、压力、PH值等)准确地按照预期的规律运行。,另一种定义:是指机器设备在没有人直接参与的情况下,经过自动检测、信息处理、分析判断、操纵控制实现预期
2、的目标。,Ch 1 Introduction to control system,自动化(Automation 或 Automatization) 什么叫自动控制?什么叫自动控制系统? 自动控制主要研究解决什么问题?,1 introduction,4,2. A Control System A control system is an interconnection of components forming a system configuration that will provide a desired system response. 自动控制系统是为了实现控制目的,由相互制约的各部分
3、按一定规律组成的具有特定功能的整体。 基于线性系统理论分析系统。 The input-output relationship represents the cause-and-effect relationship of the process.,Ch 1 Introduction to control system,5,自动化的核心是“控制”,自动化技术的两个方面:, 人手(脚)的延伸动力方面的自动化技术:工业化, 人脑的延伸信息处理方面的自动化技术: 信息化,生产几乎完全一致的标准产品 有利于实现质量管理和控制 提高生产效率 实现大规模的生产,能够降低生产成本,自动控制的优势,6,1788
4、年英国Watt发明的控制蒸汽机速度的离心式调速器,Ch 1 Introduction to control system,7,1913年美国建成最早的 汽车装配流水线,1952年美国MIT研制出第一台数控机床,Ch 1 Introduction to control system,8,1954年第一台工业机器人,1981年美国“哥伦比亚”号航天飞机首次发射成功,Ch 1 Introduction to control system,9,装配机器人,汽车自动焊接生产线,Control system applications,10,自动立体仓库,Control system application
5、s,11,注塑机,自动搬运车,Control system applications,12,机器人足球比赛,月球车,机器人足球系统的研究涉及非常广泛的领域,包括机械电子学、机器人学、传感器信息融合、智能控制、通讯、计算机视觉、计算机图形学、人工智能等等,Control system applications,13,12 自动控制理论的内容,2. 现代控制理论 3. 大系统理论 4. 智能控制理论,14,1、经典控制理论 研究的主要对象是单输入、单输出单变量系统。 One input, One output 2、现代控制理论 研究的主要对象是多输入、多输出多变量系统。 如: 汽车看成是一个具有两
6、个输入(驾驶盘和加速踏 板)和两个输出(方向和速度)的控制系统。 Multi-input, Multi-Output,12 自动控制理论的内容,15,经典控制理论 与 现代控制理论,16,大系统控制理论是一种过程控制与信息处理相结合的动态系统工程理论,研究的对象具有 规模庞大、结构复杂、 功能综合、目标多样、 因素众多 等特点。 它是一个多输入、多输出、多干扰、多变量的系统。 如:人体,我们就可以看作为一个大系统,其中有体温的控制、情感的控制、人体血液中各种成分的控制等等。 大系统控制理论目前仍处于发展阶段。,12 自动控制理论的内容,3、大系统控制理论Large-scale system c
7、ontrol theory,17,这是近年来新发展起来的一种控制技术,是人工智能在控制上的应用。它的指导思想是依据人的思维方式和处理问题的技巧,解决那些目前需要人的智能才能解决的复杂的控制问题。 学派:结构派和功能派 它是一门新兴的控制学科,有些问题尚存有争议,然而由于它实用性强,能运用人们的经验与技巧解决许多以往控制中难以解决的棘手问题(如建模等),因此得到了人们极大的重视。,12 自动控制理论的内容,4、智能控制Intelligent Control,Fuzzy Logics,Artificial Neural Networks,Genetic Algorithm,Artificial I
8、ntelligence, Expert System,18,13 控制系统的基本组成,控制系统的组成:输入部分、控制系统部分和输出部分。 从物理角度上看,自动控制研究的是特定激励作用下的系 统响应变化情况; The response of a system to a given actuating signal. 从数学角度上看,研究的是输入与输出之间的映射关系。 Relationship of the input and output,19,例1. a.温度人工控制,13 控制系统的基本组成,20,13 控制系统的基本组成,控制目标: 炉子的温度恒定在期望的数值上。,21,b.温度 自动控制
9、,13 控制系统的基本组成,22,Temperature Control System,13 控制系统的基本组成,23,控制系统的基本组成 输入信号系统控制目标的反映,是人的意志的具体体现。 控制系统主要完成对有关信号的变换、处理,发出控制 量,驱动执行机构完成控制功能。 输出信号系统的控制结果,反映了被控对象的运行状态。,13 控制系统的基本组成,24,例2:火炮自动跟踪系统“火炮瞄准飞机”,13 控制系统的基本组成,按照位置角提前量跟踪目标,25,典型的反馈控制系统的结构图 A feed-back control system,13 控制系统的基本组成,Amplifier, control
10、ler and process Measurement device,前向通道 Forward path,反馈通道 Feedback path,26,A、按信号的传递路径来分类 1、开环控制系统(open-loop control system) 特点:系统的输出端与输入端不存在反馈回路。 输出量对系统的控制过程没有影响,14 控制系统的分类,二 . 控制系统的分类,步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。,27,2、闭环控制系统(反馈控制系统)Closed-loop 特点:系统输出信号与测量元件之间存在反馈回路。 A closed-loop control system u
11、ses a measurement of the output and feedback of this signal to compare it with the desired output (reference or command) “闭环”这个术语的含义,就是将输出信号通过测量元件反馈到系统的输入端,通过比较、控制来减小系统误差。,14 控制系统的分类,28,内燃机转速控制系统,应用瓦特式转速调节器 的内燃机转速控制系统,29,30,1、恒值控制系统(或称自动调节系统、自动镇定系统) 特点:输入信号是一个恒定的数值。工业生产中的恒 温、恒压等自动控制系统都属于这一类型。 2、过程控制
12、系统(或称程序控制系统)(process control) 特点:输入信号是一个已知的函数。系统的控制过程 按 预定的程序进行,要求被控量能迅速准确地复现输入,如化 工中的压力、温度、流量控制。 恒值控制系统可看成输入等于常值的过程控制系统。,14 控制系统的分类,二、按系统的控制作用来分类,31,特点:输入信号是一个未知函数。要求控制系统的输出量跟随输入信号变化。 如:火炮自动跟踪系统。 该系统要求有较好的跟踪能力。,14 控制系统的分类,3、随动系统(或称伺服系统)Motion control,32,1、连续系统 Continuous system 特点:系统各部分信号都是模拟的连续函数。
13、目前工业 中普遍采用的常规仪表PID调节器控制的系统。 2、离散系统 Discrete system 特点:系统的某一处或几处信号以脉冲序列或数码形式传递的控制系统。系统中用脉冲开关或采样开关,将连续信号转变为离散信号。其中离散信号以脉冲形式传递的系统又叫脉冲控制系统,离散信号以数码形式传递的系统又叫数字控制系统。,14 控制系统的分类,三、按系统传输信号的性质来分类,33,14 控制系统的分类,34,四、按描述系统的数学模型不同来分类 1、线性系统 Linear system 特点:系统由线性元件构成,描述运动规律的数学模型为线性微分方程。运动方程一般形式: 式中:r(t)系统输入量; c(
14、t)系统输出量 主要特点是具有可加性(superposition)和齐次性(homogeneity).,14 控制系统的分类,35,2、非线性系统 Nonlinear system 特点:在构成系统的环节中有一个或一个以上的非线性 环节。 非线性的理论研究远不如线性系统那么完整,目前尚无 通用的方法可以解决各类非线性系统。 其他的分类方法: 按功能来分: 温度控制系统、速度控制系统、 位置控系统等。 按元件组成分:机电系统、液压系统、生物系统等。,14 控制系统的分类,36,分类小结,14 控制系统的分类,37,15 系统的基本要求及典型信号,基本要求:,稳定性 稳态特性 动态特性 (稳、准、
15、快) Stability, steady-state performance and transient response performance Stable, precise and quick,首先判断系统是否稳定? 在稳定的基础上分析系统的稳态性能指标和动态(暂态)性能指标 Steady state specification:steady-state error Transient specifications: rise time, percent overshoot, settling time, peak time,38,稳定性:,稳定的,不稳定的,39,40,典型信号: 1. 脉冲信号 Impulse signal,41,2.阶跃信号 Step signal 3.斜坡(速度)信号 Ramp,15 系统的基本要求及典型信号,42,4. 加速度信号 Accelaration/Parabolic 5. 谐波信号 Sinusoidal signal,15 系统的基本要求及典型信号,43,1-6 研究方法,44,
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