自动控制系统教程1

河北理工大学 计算机与自动控制学院,自动控制原理,第一章 自动控制系统的基本概念 第二章自动控制系统的数学模型 第三章自动控制系统的时域分析 第四章 根轨迹法 第五章 频率法 第六章 控制系统的校正及综合 第七章 非线性系统分析 第八章 线性离散系统的理论基础,2019/11/8,2,第一章 自动控制系统的基本概念,0.自动控制原理综述 §1.开环控制系统与闭环控制系统 §2.闭环控制系统的组成和基本环节 §3.自动控制系统的类型 §4.自动控制系统的性能指标,【返回】,2019/11/8,3,0 自动控制原理综述,1、授课对象： 工业自动化专业、测控技术与仪器本科专业 2、本课程的性质和任务： 自动控制原理是工业自动化专业和测控技术与仪器专业的一门重要的专业基础课。 通过本课程的教学（讲课、实验、答疑和习题课），使学生了解自动控制系统的组成、特点及专业术语，学习并掌握经典控制理论的基本分析方法和设计方法，掌握实验技能，为设计和调试工业自动控制系统打下理论基础。并为进一步的理论学习和研究打下坚实的基础。,2019/11/8,4,3、本课程与相关课程的关系,自动控制原理,微积分,积分变换,复变函数,电子技术,电路理论,现代控制理论,过程控制系统,各类专业课程,大学物理,电机拖动,后续课程,先行课程,2019/11/8,5,4、课程的理论体系 理论体系：系统描述、系统分析、系统综合,2019/11/8,6,1）经典控制理论 研究对象：线性定常单输入单输出系统 数学模型：微分方程，传递函数（第二章） 系统分析：时域分析、根轨迹分析、 频率特性分析 （第三、四、五章） 系统综合：根轨迹法、 频率特性法（第六章） 2）现代控制理论 研究对象：多输入多输出系统 数学模型：状态空间表达式 系统分析：时域分析、能控能观性分析、稳定性分析 系统综合：状态反馈控制、输出反馈控制、解耦控制 和最优控制,2019/11/8,7,经典控制理论所采用的方法本质上是频域方法，建立在试探法的基础上，主要研究系统的外部特性输入输出关系，只适用于比较简单的线性定常SISO系统。 现代控制理论所采用的方法本质上是时域的方法，它不仅适用于线性定常的SISO系统，还适用于时变系统、非线性系统和MIMO系统；不仅可以研究系统的外部特性，还可以研究系统的内部特性，并将其引入控制，而且可以依据一定的性能指标设计出最优控制系统。,2019/11/8,8,5、控制理论学科的发展 控制理论的产生可追述到18世纪中叶英国的第一次工业革命。1765年，Jams Watt发明了蒸汽机，进而应用离心式飞锤调速原理控制蒸汽机，标志着人类以蒸汽为动力的机械化时代的开始，人们开始研究调速系统的稳定性问题。 1872年E.J.Routh,1890年Hurwitz先后找到了系统稳定性的代数判据,2019/11/8,9,1892年A.M.Liapunov在其“论运动稳定性的一般问题”的博士论文中给出了基于广义能量函数的系统稳定性的一般判据。 1932年H.Nyquist给出了基于频率特性的关于系统稳定性的Nyquist判据。 在二次世界大战期间，由于军事上的需要，雷达和火力控制系统有了较大的发展，N.Winner在总结前人成果的基础上发表了控制论一书，标志着控制理论学科的诞生。,2019/11/8,10,控制理论发展经过了三个时期： 第一阶段：经典控制理论（上世纪40年代末到50年代）。研究对象；主要数学工具；主要研究方法；主要解决的问题。 第二阶段：现代控制理论（形成于上世纪60年代）。 研究对象；主要数学工具；主要方法；重点问题；核心控制装置。 第三阶段：大系统理论时期（形成于上世纪70年代）。 研究对象；研究方法；重点问题；核心装置。,2019/11/8,11,七十年代开始，人们不仅解决社会、经济、管理、生态环境等系统问题，而且为解决模拟人脑功能，形成了新的学科人工智能科学，这是控制论的发展前沿。 人们通过计算机的强大的信息处理能力来开发人工智能，并用它来模仿人脑。在没有人的干预下，人工智能系统能够进行自调节、自学习和自组织，以适应外界环境的变化，并作出相应的决策和控制。,2019/11/8,12,本课程只介绍经典控制理论部分，现代控制理论和智能控制部分将在后续课程中介绍。,2019/11/8,13,6、选用教材： 自动控制原理，顾树生、王建辉，冶金工业出版社。 主要参考书目： 1杨自厚，自动控制原理，冶金工业出版社，2003.6。 2胡寿松，自动控制原理，国防工业出版社，2000年。 3绪方胜彦，卢伯英等译，现代控制工程，科学出版 社，1981年。 4李友善，自动控制原理，国防工业出版社 5孙虎章主编，自动控制原理，北京：中央广播电视大学出 版社，1984 6李光泉主编，自动控制原理，北京：机械工业出版社，1987 7、学时安排：90学时,2019/11/8,14,§1.开环控制系统与闭环控制系统,自动控制： 应用自动化仪表或检控装置代替人工操作，自动的对设备或过程进行控制，使之达到预期的状态或性能要求。如液位，炉温，辊速，带钢张力等控制。 自动控制系统： 把控制系统和用于控制的整套自动化仪表或装置组合起来构成能够完成某种特殊任务的系统。,一、基本概念,2019/11/8,15,例子 ： 生活中单回路给排水系统,2019/11/8,16,给排水系统方块图,2019/11/8,17,1 控制对象（被控对象，调节对象，对象) 被控的设备或过程（上例中的水槽）。 2 被控制量（被调参数输出量，控制量） 把被控制的物理量称为被控制量，他常常是表征设备或过程的运行情况或状态，且需要加以控制的参数（上例中的实际水位）。 3 给定信号（参考输入量） 设定的与被控参数期望值成比例的信号，其作用是为了保证输出量达到所要求的目标。（如上例中要求的液位）。 4 扰动信号（扰动输入量） 是一种妨碍被控参数达到期望值的外部作用。对系统工作不利。,2019/11/8,18,5 测量信号 检测仪表的输出经变送器变换后的与被控信号实际 值成比例的信号（测量水位）。 6 偏差信号 给定信号与测量信号的差值信号。 7 控制信号 调节器（或控制器（内含算法，控制率）输出的 信号。 8 执行机构 执行器+调节阀。,控制系统按其结构可分为开环、闭环和复合控制系统。,2019/11/8,19,二、开环控制系统,1. 概念: 如果控制系统的输出量对系统没有控制作用,这种系统成为开环控制系统.如图示,2. 特点: (1)系统输出量不参与控制; (2)系统结构图不形成闭合回路; (3)系统结构简单,不需检测被调量,输入 输出一一对应; (4)控制精度取决于各组成环节的精度;,2019/11/8,20,(5)最适用于传递关系已知，对输出精度无要求,且不含扰动的场合；如系统起动、制动过程。自动售货机,洗衣机,数控机床，红绿灯转换系统中。 (6)系统有扰动时只能靠人工操作, 使输出达到期望值。例:直流电动机速度控制系统。 3. 前馈控制 当系统受到的扰动信号可以测量时,可根据扰动信号的大小对控制作用作相应补偿,以提高系统精度。这种按开环补偿原则建立起来的系统成为开环补偿系统或前馈控制。,2019/11/8,21,按给定补偿的前馈控制,按扰动补偿的前馈控制,2019/11/8,22,三、闭环控制系统,1. 概念: 利用检测仪表将系统输出检测出来,经物理量的转换后,馈送到系统的输入端与给定信号比较(相减)得到偏差信号,并利用偏差信号经控制器对控制对象进行控制,抑制扰动对输出量的影响,减小输出量的误差。,2019/11/8,23,2. 特点: (1)系统输出参与控制。 (2)系统结构图构成闭合回路。 (3)是一种依偏差进行控制的系统,只需偏差存在,就有控制作用,其结果试图使偏差减小。 (4)对系统内部除反馈通道和给定通道外的一切扰动都有抑制作用。 (5)引起振荡。,2019/11/8,24,3.实例分析,2019/11/8,25,2019/11/8,26,闭环系统结构图,可看出,输出量也参与了控制,四、复合控制系统,把开环控制与闭环控制结合起来构成的系统为复合控制系统。,2019/11/8,27,(1) 结构图中信号的传递具有单项性。 (2) 作用线只表示信号的传递方向,不代表实际物流方向。 (3) 方块图可简可繁,以能清晰描述信号传递关系以及突出研究环节性能为原则。 （4）从输入端到输出端的信号传递通道称为正向通道或前向通道，其传递函数为正向通道传递函数。 （5）从输出端到输入端的信号传递通道称为反馈通道，其传递函数为反馈通道传递函数。,关于结构图的几点说明,2019/11/8,28,尽管实际控制系统元器件各不相同,但概括起来一般都应包括以下几个基本环节,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.控制对象 7.检测装置,该图经常作为描述分析系统的工具应重点掌握。,§2. 闭环控制系统的组成和基本环节,2019/11/8,29,1.给定环节 设定被控量的给定装置,其精度直接影响对控制量的控制精度.如电位器,自整角机等模拟信号,还有精度更高的数字给定装置。 2.比较环节 将检测到的被控量与给定量比较得到偏差信号,该信号功率较小或物理性能比较时不同,不能直接作用执行机构,需要增加中间环节3、4。 3.校正环节 是为改善系统动态品质或稳态性能而加入的装置,他可以对偏差信号按照某种规律进行运算.比例、积分、微分等。,主要环节介绍,2019/11/8,30,4.放大环节 将偏差信号转换成适合于执行器工作的信号(功放,SCR)。 注意: 2、3、4合为一体控制器(装置)。 5.执行机构 直接作用于控制对象（调节机构、传动装置、电机） 6.控制对象 要控制的机器,设备,或生产过程(水槽控制量水位；炉体炉温；轧辊辊速压下量)。 7.检测装置 测量控制量并转换成与给定量同物理量信号，要求：精度高、反映灵敏、性能稳定的传感器(测速发电机、热电偶、自整角机)。,2019/11/8,31,主反馈：输出量引回到输入端的反馈为主反馈。,局部反馈：在正向通道里，后面环节的输出对前面环节的返回影响称为局部反馈。,注意：,主反馈一定是负反馈，局部反馈可正可负。,2019/11/8,32,目前,自动控制技术在工业上得到广泛应用,而且,随着生产规模的扩大和生产力水平的提高以及控制理论的发展,自动控制系统日益复杂,日趋完善,比如由(1)SISO到MIMO;(2)由常规仪表控制的连续系统到以计算机为核心的数字控制系统,(3)由单目标到多目标的最优控制.自动控制系统已很难确切分类,大体分类如下:,§3. 自动控制系统的类型,2019/11/8,33,一、单变量与多变量控制系统SISOMIMO,从输入/输出变量的个数来看系统可分为这两种. 1. 在单变量控制系统中,可以进行单回路或多回路控制,还可以进行串级控制.它是经典控制论研究的对象.,2019/11/8,34,2. 在多变量控制系统中,控制回路之间有耦合关系,它是现代控制理论研究的对象，当耦合关系较弱时,常常简化成单变量系统。,2019/11/8,35,二、线性与非线性系统,(一)线性系统 1.线性系统定义 若控制系统的所有环节或元件的状态(特性)都可用线性微分方程(差分方程)来描述。 线性定常(时不变)系统 描述系统运动规律的微(差)分方程的系数不随时间变化。 线性时变系统 描述系统运动规律的微(差)分方程的系数随时间变化。 2. 性质 满足叠加原理 系统的输出随输入按比例变化。,2019/11/8,36,其中x(t)为输入量,Y(t)为输出量. 若方程中,输入、输出量及各阶导数均为一次幂,且各系数均与输入量(自变量)（）无关.就可定义为,用拉氏变换可求出输入输出关系函数(传递函数,动态数模)。,3. 判断方法 对