自控01.ppt
第 1 章,自动控制理论及MATLAB简介,自动控制原理,孙 韬,2012.9,为什么要介绍本章? 自动化技术几乎渗透到国民经济的各个领域及社会生活的各个方面，是当代发展最迅速、应用最广泛、最引人注目的高科技，是推动新的技术革命和新的产业革命的关键技术，在某种程度上说，自动化是现代化的同义词。自动控制原理是研究分析、设计自动控制系统的基本方法。 本章主要讲什么内容? 从介绍自动控制的发展历史入手，引出自动控制理论分析、设计自动控制系统的基本思想，然后介绍自动控制的基本概念，以及对自动控制系统的基本要求，使读者对自动控制理论的总的目标有个大致的了解。,本章导读,自动控制与自动控制系统,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。 自动控制系统：是由控制装置和被控对象所组成，它们以某种相互依赖的的方式组合成为一个有机整体，并对被控对象进行自动控制。,主要内容,自动控制的历史 自动控制理论的基本概念 控制系统的Matlab计算及仿真,中国古代自动化方面的成就： 公元前14世纪至前11世纪，中国、埃及和巴比伦出现自动计时漏壶； 公元130年，张衡发明水运浑象，132年研制出自动测量地震的候风地动仪； 公元235年，马钧研制出用齿轮传动自动指示方向的指南车，类似按扰动补偿的自控系统。,自动控制的历史,中国古代自动化方面的辉煌成就： 公元725年，一行、梁令瓒发明有自动报时机构的水运浑象，其中使用了一个天衡装置，是一个按被调量偏差调节的自动调节器； 公元1086-1092年，苏颂和韩公廉建造具有“天衡”自动调节和自动报时机构的水运仪象台； 公元l135年，宋代王普记述“莲华漏”上使用浮子阀门式机构自动调节漏壶的水位； 公元1637年，明代的天工开物一书中记载有程序控制思想的提花织机结构图。,自动控制的历史,世界上公认的第一个自动控制系统,1769年瓦特发明蒸汽机,自动控制的历史,1788年瓦特发明飞球调节器，进一步推动蒸汽机的应用，促进了工业的发展。 推动了社会进步是飞球调节器公认为第一个自动控制系统的最主要原因！,自动控制的历史,世界上公认的第一个自动控制系统,飞球调节器,没有理论指导使控制技术停滞了一个世纪！,飞球调节器有时使蒸汽机速度出现大幅度振荡。其它自动控制系统也有类似现象。 由于当时还没有自控理论，所以不能从理论上解释这一现象。为了解决这个问题，盲目探索了大约一个世纪之久。,自动控制的历史,1868年英国麦克斯韦尔的“论调速器”论文指出： 不应单独研究飞球调节器，必须从整个系统分析控制的不稳定。 建立系统微分方程，分析微分方程解的稳定性，从而分析实际系统是否会出现不稳定现象。这样，控制系统稳定性的分析，变成了判别微分方程的特征根的实部的正、负号问题。 麦克斯韦尔的这篇著名论文被公认为自动控制理论的开端。,自动控制的历史,自动控制理论的开端,经典控制理论的孕育 1875年，英国劳斯提出代数稳定判据。 1895年，德国赫尔维兹提出代数稳定判据。 1892年，俄国李雅普诺夫提出稳定性定义和两个稳定判据。 1932年，美国奈奎斯特提出奈氏稳定判据。 二战中自动火炮、雷达、飞机以及通讯系统的控制研究直接推动了经典控制的发展。,自动控制的历史,经典控制理论的形成 1948年，维纳出版控制论， 形成完整的经典控制理论， 标志控制学科的诞生。 维纳成为控制论的创始人！ 维纳控制论是关于怎样把机械元件和电气元件组合成稳定的并且具有特定性能的系统的科学。这门新科学的一个非常突出的特点就是完全不考虑能量、热量和效率等因素，可是，在其他各门自然科学中，这些因素是十分重要的。 控制论所讨论的主要问题是一个系统的各个不同部分 之间的相互作用的定性性质，以及整个系统的总体运 动状态。,自动控制的历史,空间技术促使现代控制理论的产生 现代控制理论促进了空间技术的发展,二次世界大战结束后，各国大力发展空间技术，经典控制理论不能满足需要，需要研究新的控制理论。 现代控制理论在空间技术取得巨大成功，促进了空间技术的发展。,自动控制的历史,现代控制理论在工业过程控制方面遭遇滑铁卢，促使了智能控制技术的诞生,现代控制理论在空间技术取得巨大成功，但由于工业过程控制中普遍存在的不确定性和干扰，难以取得预期的效果。模拟人的控制技术智能控制，虽然不能实现精确的控制，但对各种复杂系统能够做到比较满意的控制。,自动控制的历史,控制理论发展 1.经典控制理论 4050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) 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,自动控制的历史,瓦特(1736-1819),自动控制的历史,牛顿(1642-1727),拉普拉斯(1749-1827),李亚普诺夫(1857-1918),我国历史和现状,我国起步晚，在现代科学史上没有占据一席之地，1954年钱学森创立并引入工程控制论，80年代普遍开展教学和研究，但基础工业落后，以原料到生产，各方面落后，从自动化的材料、元件、系统和技术各方面都与发达国家有较大差距。,自动控制的基本概念,什么是自动控制 自动控制理论的内容 自动控制的基本方式 自动控制系统示例 自动控制系统的分类 对自动控制系统的基本要求,人工控制与自动控制,电饭煲 空调 抽水马桶 汽轮机转速控制 导弹飞行控制 声控光控路灯 ,煤气灶上油煎鸡蛋时的油温控制 自行车速度控制 汽车驾驶 收音机音量调节 ,自动控制与自动控制系统,自动控制学科的特点: 应用广泛 日益重要 发展迅速,小至电子表,大至人造卫星,几乎包括各个领域.,很难想象现代生活和生产过程没有自动控制装置如何能够继续? 你敢让大型发电机组用人工控制来运行吗? 你愿意使用不能自动控制温度的电冰箱吗？,从离心重锤式的简单自动机械到具有每秒运行上亿次的CPU的智能机器人,自动控制学科发展日新月异. 越来越复杂和越来越精确的控制要求以及高度发展的现代科技(如计算机)是促进自动控制学科飞速发展的重要原因,自动控制与自动控制系统,自动控制理论,经典控制理论(19世纪中叶-20世纪50年代),线性,非线性,波波夫法,李雅普诺夫法,描述函数法,相平面法,采样控制,现代控制理论(60年代以来),自动控制理论的内容,自动控制理论的内容,自动控制的基本方式,开环控制 闭环控制 复合控制 输入补偿 扰动补偿,开环控制,定义：输出量与输入量之间没有反向联系，只靠输入量对输出量单向控制的系统叫开环控制系统。,开环控制又可称为前馈控制，因为控制作用是由输入信号直接向前输送，而不是由输出信号回输到输入信号来进行控制的，故称为前馈控制。,自动控制的基本方式,直流电机转速控制系统,方框图为：,开环控制,自动控制的基本方式,开环控制系统的特点： 1.结构简单经济 2.调试方便 3.抗干扰能力差，控制精度不高。,自动控制的基本方式,定义：输出量与输入量之间有反向联系，靠输入量与主反馈信号之间的偏差对输出量进行控制的系统叫闭环控制系统。 反馈：是把系统输出量全部或一部分回送到输入端，以增强或减弱输入信号的效应。,闭环控制又可称为反馈控制，因为控制作用是由输入信号和输出信号回输到输入的信号共同来进行控制的，故称为反馈控制。,闭环控制,自动控制的基本方式,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，自动使导弹攻击目标 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 自动控制技术的应用范围已扩展到生物、医学、环境、经济管理和其它许多社会生活领域中，自动控制已成为现代社会活动中不可缺少的重要组成部分。,闭环控制的应用,自动控制的基本方式,引入闭环控制后的直流电机转速控制系统。,闭环控制,自动控制的基本方式,闭环控制的方框图,自动控制的基本方式,同开环系统相比，该系统由于干扰引起的转速误差要小得多。,只有负反馈控制系统才能完成自动控制的任务 负反馈控制系统最大的特点：检测偏差，纠正偏差 按偏差控制,闭环控制,自动控制的基本方式,闭环控制系统的特点： 1.系统具有纠正偏差的能力。 2.抗扰性好，控制精度高。 3.包含元件多，结构复杂，价格高。 4.参数应选择适当。,自动控制的基本方式,兼有开环控制和闭环控制两者的优点，精度很高,复合控制,自动控制的基本方式,复合控制系统（按补偿对象不同，可分为） 按给定补偿 按扰动补偿,按给定补偿的复合控制,自动控制的基本方式,按扰动补偿的复合控制,自动控制的基本方式,自动控制系统示例,锅炉气鼓水位控制系统,测量变送器,被控对象,被控量,反馈量,给定量,控制量,扰动量,自动控制系统的组成,自动控制系统示例,自动控制系统的组成及方框图,自动控制系统示例,闭环控制系统中的基本术语,(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 (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,自动控制系统的分类,1.根据结构划分 a.负反馈系统（闭环系统） b.前馈控制系统（开环系统） c.复合控制系统 2.根据系统功能划分 温度控制系统 压力控制系统 位置控制系统,3.按给定值的形式划分 a.定值控制系统（输入量是恒定的常值，任务：在各种扰动作用下都能使输出量保持在恒定希望值附近，如恒温、水位、恒压控制系统） b.随动系统（也叫伺服系统，跟踪系统） 这种控制系统的输入量是事先不知道的任意时间函数。任务：使输出量迅速而准确地跟随输入量的变化而变化。比如：飞机和舰船的操舵系统，雷达自动跟踪系统。 c.程序控制系统（输入量按照给定的程序变化。任务：使输出量按预先给定的程序指令而动作）最典型的就是数控车床和机器人控制系统。,自动控制系统的分类,4.按系统的特性分类 a.线性系统(具有叠加性和齐次性，可以用线性微分方程来描述) b.非线性系统（不适用叠加原理，用非线性方程来描述） 5.按信号的形式分类 a.连续控制系统 b.离散控制系统,自动控制系统的分类,对自动控制系统的性能要求,输入信号和扰动是一个系统典型的外作用，但希望系统只受输入信号的控制，而丝毫不受扰动的影响，所以我们只研究在输入信号作用下，对系统性能的要求。,去掉扰动后的自动控制系统原理图,当输入信号突然发生跳变时，这时输出量还处在原有的平衡状态，这样就出现了偏差，这个偏差控制输出量达到新的平衡，这就是一个调节过程。,对自动控制系统的性能要求,整个调节过程分为两个阶段: a.过渡过程 反映系统的动态特性。（输出量处于激烈变化之中） b.稳态过程 反映系统的稳态特性。（输出量稳定在新的平衡状态，并保持不变。）,阴影部分表示的是实际调节过程与理想调节过程的差异，差异越小，系统的调节质量越高。,对自动控制系统的性能要求,典型外作用： 为了能对不同的控制系统的性能用统一的标准来恒量，通常需要选择几种典型的外作用。,选取原则 （1）在现场及实验中容易产生 （2）系统在工程中经常遇到，并且是最不利的外作用。 （3）数学表达式简单，便于理论分析,对自动控制系统的性能要求,对系统性能的基本要求 阶跃输入是变化最剧烈，对系统最不利的外作用，如果系统在阶跃函数作用下能满足自动控制任务。那么，系统在其它缓慢变化的外作用下更能满足要求。所以，常选用阶跃函数作用典型输入来研究系统的性能。阶跃响应的某些特征值，就是性能指标，可以统一评价系统的性能。总的来说，希望实际的调节过程尽可能接近于理想的调节过程。工程上把它归结为稳、准、快三个方面,对自动控制系统的性能要求,稳定性就是指系统重新恢复平稳状态的能力，即过渡过程的收敛情况。,系统是否稳定是系统正常工作的首要条件。,对自动控制系统的性能要求,快速性指过渡过程进行的时间长短。,动态过程持续时间长，说明系统反应迟钝，难以复现快速变化的指令信号，如图中曲线所示。稳定性和快速性反映了系统的动态性能的优劣。,对自动控制系统的性能要求,准确性用稳态误差衡量：指过渡过程结束后，也就是进入稳态过程后，希望的输出量与实际输出量之间的误差，是衡量系统稳态精度的重要指标。 稳态误差越小越好。,同一系统这三方面的性能是相互制约的。提高了系统的稳态精度，可能使动态性能变坏；快速性的改善可能会引起系统的强烈振荡；平稳性好的系统又可能很迟缓。分析和解决这些矛盾，是本课程的重要内容之一。,对自动控制系统的性能要求,控制系统Matlab计算及仿真,控制系统计算机仿真的基本概念 1.计算机仿真是用来帮助设计人员进行设计的一种新技术，它包含控制系统分析、综合、设计、检验等多方面的计算机处理。计算机仿真是基于计算机的高速而精确的计算，来实现各种功能的。 2.自动控制系统的计算机仿真，是一门涉及到计算机技术、计算数学与控制理论、系统辨识、控制工程以及系统科学的综合性学科。他为控制系统的分析、计算、研究、综合设计以及自动控制的计算机辅助教学提供了快速、经济、科学以及有效的手段. 3.应用MATLAB的TOOLBOX工具箱及其SIMULINK仿真集成环境作仿真工具，这就是MATLAB仿真。它是控制系统计算机仿真一个特殊软件工具的子集.,控制系统Matlab计算及仿真,先进的软件MATLAB 1.功能强大适用范围广 2.编程效率高 3.界面友好、用户使用方便 4.扩充能力强 5.强大方便的图形功能 6. MATLAB的活笔记本功能 7.功能齐备的自动控制软件工具包,掌握自动控制系统中定义的专用基本术语 理解自动控制的任务及三种控制方式 了解自动控制类型的划分及自动控制系统的性能 了解控制系统的计算机仿真的概念和MATLAB软件的特点及仿真性能。,本章教学基本要求,本章习题：p.14 1-3 1-6,
