自动控制原理 北航课件(八章全)

第一章 自动控制的一般概念,1-1 自动控制的任务,1-自动控制的基本方式,1-对控制系统的性能要求,返回主目录,1-1 自动控制的任务,通常，在自动控制技术中，把工作的机器设备称为被控对象，把表征这些机器设备工作状态的物理参量称为被控量，而对这些物理参量的要求值称为给定值或希望值（或参考输入）。则控制的任务可概括为：使被控对象的被控量等于给定值。,返回子目录,下面通过具体例子来说明自动控制和自动控制系统的概念,水位自动控制系统,控制任务：,维持水箱内水位恒定；,控制装置：,气动阀门、控制器；,受控对象：,水箱、供水系统；,被控量：,水箱内水位的高度；,给定值：,控制器刻度盘指针标定的预定水位高度；,测量装置：,浮子；,比较装置：,控制器刻度盘；,干扰：,水的流出量和流入量的变化都将破坏水位保持恒定；,自动控制即没有人直接参与的控制，其基本任务是：在无人直接参与的情况下，只利用控制装置操纵被控对象，使被控制量等于给定值。,自动控制系统：指能够完成自动控制任务的设备，一般由控制装置和被控对象组成。,由此可见：,1-自动控制的基本方式,被控量,给定值H,自动控制方框图,返回子目录,在上图中，除被控对象外的其余部分统称为控制装置，它必须具备以下三种职能部件。,测量元件：用以测量被控量或干扰量。 比较元件：将被控量与给定值进行比较。 执行元件：根据比较后的偏差，产生执行作用，去操 纵被控对象,参与控制的信号来自三条通道，即给定值、干扰量、被控量。,开环控制 按给定值操纵的开环控制 按干扰补偿的开环控制 按偏差调节的闭环控制 复合控制,下面根据不同的信号源来分析自动控制的几种基本控制方式,一、按给定值操纵的开环控制,计算,执行,受控对象,给定值,干扰,被控量,按给定值操纵的开环控制系统原理方框图,开环控制系统的输出端与输入端之间不存在反馈回路，输出量对系统的控制作用没有影响。,炉温控制系统,炉温控制系统原理方框图,定时开关,炉子,电阻丝,按给定值操纵的开环控制,特点：控制装置只按给定值来控制受控对象,优点：控制系统结构简单，相对来说成本低。,缺点：对可能出现的被控量偏离给定值的偏差没有任何修正能力，抗干扰能力差，控制精度不高。,二、按干扰补偿的开环控制,定义：利用干扰信号产生控制作用，以及时补偿干扰对被控量的直接影响。,计算,测量,受控对象,执行,干扰,被控量,特点：只能对可测干扰进行补偿，对不可测干扰以及受控对象、各功能部件内部参数变化对被控量的影响，系统自身无法控制。 适用于：存在强干扰且变化比较剧烈的场合。,水位高度控制系统原理图,水位高度控制系统原理方框图,三、按偏差调节的闭环控制,特点：通过计算被控量和给定值的差值来控制被控对象。,优点：可以自动调节由于干扰和内部参数的变化 而引起的变动。,计算比较,执行,被控对象,测量,按偏差调节的系统原理方框图,如上图所示，反馈回来的信号与给定值相减，即根据偏差进行控制，称为负反馈，反之称为正反馈。,这种控制方式控制精度较高，因为无论是干扰的作用，还是系统结构参数的变化，只要被控量偏离给定值，系统就会自行纠偏。但是闭环控制系统的参数如果匹配得不好，会造成被控量的较大摆动，甚至系统无法正常工作。,飞机自动驾驶系统原理图,控制任务：系统在任何扰动作用下，保持飞机俯仰角不变。 被控对象：飞机。 被控量： 飞机的俯仰角 。,俯仰角控制系统原理方框图,四、复合控制,复合控制就是开环控制和闭环控制相结合的一种控制。实质上，它是在闭环控制回路的基础上，附加了一个输入信号或扰动作用的顺馈通路，来提高系统的控制精度。,a.按输入作用补偿,b.按扰动作用补偿,1-对控制系统的性能要求,定义：通常将系统受到给定值或干扰信号作用后，控制被控量变化的全过程称为系统的动态过程。,工程上常从稳、快、准三个方面来评价控制系统。 稳： 指动态过程的平稳性。 快： 指动态过程的快速性。 准： 指动态过程的最终精度。,返回子目录,稳： 指动态过程的平稳性,控制系统动态过程曲线,如上图所示，系统在外力作用下，输出逐渐与期望值一致，则系统是稳定的，如曲线所示；反之，输出如曲线所示，则系统是不稳定的。,快： 指动态过程的快速性,快速性即动态过程进行的时间的长短。过程时间越短，说明系统快速性越好，反之说明系统响应迟钝，如曲线所示。,稳和快反映了系统动态过程性能的好坏。既快又稳，表明系统的动态精度高。,准： 指系统在动态过程结束后，其被控量（或反馈量）与给定值的偏差，这一偏差称为稳态误差，是衡量稳态精度的指标，反映了系统后期稳态的性能。,以上分析的稳、快、准三方面的性能指标往往由于被控对象的具体情况不同，各系统要求也有所侧重，而且同一个系统的稳、快、准的要求是相互制约的。,北京航空航天大学,第二章 自动控制系统的数学模型,2-1 控制系统微分方程的建立,2-2 非线性微分方程的线性化,2-3 传递函数 (transfer function),2-4 动态结构图,2-5 系统的脉冲响应函数,2-6 典型反馈系统传递函数,返回主目录,基本要求,北京航空航天大学,基本要求 1.了解建立系统动态微分方程的一般方法。 2.熟悉拉氏变换的基本法则及典型函数的拉 氏变换形式。 3.掌握用拉氏变换求解微分方程的方法。 4.掌握传递函数的概念及性质。 5.掌握典型环节的传递函数形式。,返回子目录,北京航空航天大学,6.掌握由系统微分方程组建立动态结构图的方法。 7.掌握用动态结构图等效变换求传递函数和用梅森公式求传递函数的方法。 8.掌握系统的开环传递函数、闭环传递函数，对参考输入和对干扰的系统闭环传递函数及误差传递函数的概念。,北京航空航天大学,分析和设计任何一个控制系统，首要任务是建立系统的数学模型。 系统的数学模型是描述系统输入、输出变量以及内部各变量之间关系的数学表达式。 建立数学模型的方法分为解析法和实验法,北京航空航天大学,解析法：依据系统及元件各变量之间所遵循的物理、化学定律列写出变量间的数学表达式，并实验验证。,实验法：对系统或元件输入一定形式的信号（阶跃信号、单位脉冲信号、正弦信号等），根据系统或元件的输出响应，经过数据处理而辨识出系统的数学模型。,北京航空航天大学,总结： 解析方法适用于简单、典型、常见的系统，而实验方法适用于复杂、非常见的系统。实际上常常是把这两种方法结合起来建立数学模型更为有效。,北京航空航天大学,2-1控制系统微分方程的建立,基本步骤： 分析各元件的工作原理，明确输入、输出量 建立输入、输出量的动态联系 消去中间变量 标准化微分方程,返回子目录,北京航空航天大学,列写微分方程的一般方法,例1. 列写如图所示RC网络的微分方程。,R,北京航空航天大学,解：由基尔霍夫定律得:,式中: i为流经电阻R和电容C的电流,消去中间变 量i,可得:,令 （时间常数），则微分方程为：,例2. 设有一弹簧质量 阻尼动力系统如图所示，当外力F(t)作用于系统时，系统将产生运动，试写出外力F(t)与质量块的位移y(t)之间的动态方程。其中弹簧的弹性系数为k，阻尼器的阻尼系数为f，质量块的质量为m。,北京航空航天大学,解：分析质量块m受力，有 外力F, 弹簧恢复力 Ky（t） 阻尼力 惯性力 由于m受力平衡，所以,式中：Fi是作用于质量块上的主动力，约束力以及惯性力。 将各力代入上等式，则得,北京航空航天大学,式中：ym的位移（m）； f阻尼系数（N·s/m); K 弹簧刚度（N/m)。,将式(2-4)的微分方程标准化,北京航空航天大学,T称为时间常数， 为阻尼比。显然， 上式描述了mKf系统的动态关系，它是一个二阶线性定常微分方程。,令 ， 即,， 则式 可写成,北京航空航天大学,22 非线性微分方程的线性化,在实际工程中，构成系统的元件都具有不同程度的非线性，如下图所示。,返回子目录,北京航空航天大学,于是，建立的动态方程就是非线性微分方程，对其求解有诸多困难，因此，对非线性问题做线性化处理确有必要。 对弱非线性的线性化 如上图（a），当输入信号很小时，忽略非线性影响，近似为放大特性。对（b）和（c），当死区或间隙很小时（相对于输入信号）同样忽略其影响，也近似为放大特性，如图中虚线所示。 平衡位置附近的小偏差线性化 输入和输出关系具有如下图所示的非线性特性。,北京航空航天大学,在平衡点A（x0，y0）处，当系统受到干扰，y只在A附近变化，则可对A处的输出输入关系函数按泰勒级数展开，由数学关系可知，当 很小时，可用A处的切线方程代替曲线方程（非线性），即小偏差线性化。,北京航空航天大学,可得 ，简记为 y=kx。 若非线性函数由两个自变量，如zf（x,y），则在平衡点处可展成（忽略高次项）,经过上述线性化后，就把非线性关系变成了线性关系，从而使问题大大简化。但对于如图（d）所示为强非线性，只能采用第七章的非线性理论来分析。对于线性系统，可采用叠加原理来分析系统。,北京航空航天大学,叠加原理,叠加原理含有两重含义，即可叠加性和均匀性（或叫齐次性）。,例： 设线性微分方程式为,若 时，方程有解 ，而 时，方程有解 ，分别代入上式且将两式相加，则显然有，当 时，必存在解为 ，即为可叠加性。,北京航空航天大学,上述结果表明，两个外作用同时加于系统产生的响应等于各个外作用单独作用于系统产生的响应之和，而且外作用增强若干倍，系统响应也增强若干倍，这就是叠加原理。,若 时， 为实数，则方程解为 ，这就是齐次性。,北京航空航天大学,23 传递函数 (transfer function),传递函数的概念与定义 线性定常系统在输入、输出初始条件均为零的条件下，输出的拉氏变换与输入的拉氏变换之比，称为该系统的传递函数。,返回子目录,北京航空航天大学,这里，“初始条件为零”有两方面含义：,一指输入作用是t0后才加于系统的，因此输入量及其各阶导数，在t= 时的值为零。,二指输入信号作用于系统之前系统是静止的，即t= 时 ，系统的输出量及各阶导数为零。,许多情况下传递函数是能完全反映系统的动态性能的 。,北京航空航天大学,一、传递函数的概念与定义,北京航空航天大学,传递函数是关于复变量s的有理真分式，它的分子，分母的阶次是： 。,二、关于传递函数的几点说明,传递函数仅适用于线性定常系统，否则无法用拉氏变换导出； 传递函数完全取决于系统内部的结构、参数，而与输入、输出无关； 传递函数只表明一个特定的输入、输出关系，对于多输入、多输出系统来说没有统一的传递函数；（可定义传递函数矩阵，见第九章）,北京航空航天大学,传递函数的拉氏反变换为该系统的脉冲响应函数，因为,当 时， ，所以，,一定的传递函数有一定的零、极点分布图与之对应。这将在第四章根轨迹中详述。,传递函数是在零初始条件下建立的，因此，它只是系统的零状态模型，有一定的局限性，但它有现实意义，而且容易实现。,北京航空航天大学,三、传递函数举例说明,例1. 如图所示的RLC无源网络，图中电感为L（亨利），电阻为R（欧姆），电容为C（法），试求输入电压ui(t)与输出电压uo(t)之间的传递函数。,北京航空航天大学,解：为了改善系统的性能，常引入图示的无源网络作为校正元件。无源网络通常由电阻、电容、电感组成，利用电路理论可方便地求出其动态方程，对其进行拉氏变换即可求出传递函数。这里用直接求的方法。因为电阻、电容、电感的复阻抗分别为R、1Cs、Ls，它们的串并联运算关系类同电阻。,则传递函数为,北京航空航天大学,四、典型环节,一个传递函数可以分解为若干个基本因子的乘积，每个基本因子就称为典型环节。常见的几种形式有：,比例环节，传