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,*,本资料仅供参考，不能作为科学依据。谢谢。本资料仅供参考，不能作为科学依据。谢谢,自动控制理论,主讲教师：宫金林,山东大学电气工程学院,18660157499,gongjinlin,第1页,1,教育部副部长 吴启迪,（年全国自动化教育年会）,自动化领域包括面非常广泛，除了实际工程应用之外，还包含,基础研究,、,方法论,直到,哲学研究,内容，这对学生,培养过程,就非常全方面；对激发学生,创新能力,而言，这个领域能够发挥作用非常巨大。,自动控制是一个内涵非常丰富和漂亮架构,。,比如说,反馈,概念，这个概念无处不在。另一个就是,系统,概念，我想没有什么人能比我们学自动化人更知道,第2页,2,什么是系统工程了。所以，当我们把这些东西与很多背景结合起来时候，就深刻感觉到,控制真正是一个方法论,。近年来出现复杂性、非线性、混沌等问题，都是在这个领域迸发出来。我相信，用自动控制中这些丰富而漂亮概念和方法来激发我们学生，一定能够产生很多创新。我们自豪地说，自动控制理论是一个会激发创新理论。,第3页,3,第一章绪论,第一节 概述,第二节 基本控制方式,第三节 自动控制系统组成及术语,第四节 自动控制系统分类,第五节 自控控制理论概要,第4页,4,第一节 概述,自动控制问题提出,一个简单水箱液面，因生产和生活需要，希望液面高度,h,维持恒定。当水流入量与流出量平衡时，水箱液面高度维持在预定高度上。,当水流出量增大或流入量减小，平衡则被破坏，液面高度不能自然地维持恒定。,水箱,流出,流入,h,第5页,5,这种出水量与进水量不平衡现象必定要经常发生。这使得这种,“,水位恒定要求,”,变得难以实现了。,所谓,控制,就是强制性地改变一些物理量（如上例中进水量），而使另外一些特定物理量（如液面高度,h,）维持在某种特定标准上。,水箱,流出,流入,h,这种人为地强制性地改变进水量，而使液面高度维持恒定过程，即是人工控制过程。,人工控制例子。,第6页,6,自动控制就是在没有些人直接参加情况下，利用控制器使被控对象（或过程）一些物理量（或状态）自动地按预先给定规律去运行。,水箱,流出,流入,h,控制器,浮子,当出水与进水平衡被破坏时，水箱水位下降,(,或上升,),，出现偏差。这偏差由浮子检测出来，自动控制器在偏差作用下，控制阀门开,大,(,或关小,),，对偏差进行修正，从而保持液面高度不变。,自动控制概念,第7页,7,2.,自动控制基本职能元件,自动控制实现,实际上是由自动控制装置来代替人基本功效，从而实现自动控制。画出以上人工控制与自动控制功效方框图进行对照。,水箱,流出,流入,h,水箱,流出,流入,h,控制器,浮子,眼睛,浮子,大脑,自动控制器,肌肉、手,执行元件,第8页,8,肌肉和阀门,希望液位,实际液位,大 脑,水 箱,眼 睛,比较两图能够看出，自动控制实现人工控制功效，存在必不可少三种代替人职能基本元件：,气 动,阀 门,希望液位,实际液位,浮 子,控制器,水 箱,第9页,9,执 行,元 件,参考输入,输出,测量变送元件,控制器,对 象,扰动输入,测量元件与变送器（代替眼睛）；,自动控制器（代替大脑）；,执行元件（代替肌肉、手）。,这些基本元件与被控对象相连接，一起组成一个自动控制系统。下列图是经典控制系统方框图,。,第10页,10,自动控制中一些术语及方框图,1.,惯用术语,控制对象 控制器 系统 系统输出 操作量,参考输入 扰动,2.,系统方框图,将系统中各个部分都用一个方框来表示，并注上文字或代号，依据各方框之间信息传递关系，用有向线段把它们依次连接起来，并标明对应信息。,突出了系统中各步骤输入与输出关系及各步骤之间相互影响，便于定性和定量分析。,第11页,11,本课程主要内容,系统数学模型建立,时域分析法,频域分析法,根轨迹法,控制系统校正,离散控制系统,非线性系统,当代控制理论初步,第12页,12,第二节 基本控制方式,开环控制,定义：假如系统输出量不参加对系统控制，则称为开环控制。,控制器,被控对象,控制量,被控量,开环控制系统经典方框图如图所表示。,交通指挥红绿灯，自动洗衣机，自动售货机，产品自动生产线，数控车床等等。,第13页,13,例子：直流电动机转速开环控制系统,M,功率,放大器,电动机,负载,电,位,器,当调整电位器滑臂位置时，改变功率放大器输入电压，从而改变电动机电枢电压，最终改变电动机转速。以上控制过程，用方框图简单直观地表示出来。,电动机,转速,滑臂位置,功率,放大器,电位器,第14页,14,闭环控制,定义：假如系统输出量参加对系统控制，则称为闭环控制。,闭环控制系统经典方框图如图所表示。,依据实际输出来修正控制作用，实现对被控对象进行控制任务，这种控制原理称为反馈控制原理。,控制器,被控对象,反馈元件,输入,输出,+,-,偏差,第15页,15,例子：直流电动机转速闭环控制系统,测速发电机检测得到电动机实际转速,n,，并转换成与给定电压相同物理量,u,f,，然后反馈到输入端，与给定电压,u,r,相比较，其偏差值,u,e,经放大器放大后，来控制电动机转速，使电动机保持在与给定电压,u,r,相对应速度下运转。,F,测速发动机,电,位,器,功率,放大器,M,功率,放大器,电动机,负载,n,u,r,u,f,u,e,u,a,第16页,16,闭环控制特点：,控制作用不是直接来自给定输入，而是系统偏差信号，由偏差产生对系统被控量控制；,系统被控量反馈信息又反过来影响系统偏差信号，即影响控制作用大小。这种自成循环控制作用，使信息传递路径形成了一个闭合环路，称为闭环。,提升了控制精度。,电动机,转速,给定,位置,功率,放大器,电位器,+,-,负载扰动,测速发动机,u,f,u,r,e,u,a,第17页,17,开环与闭环控制系统比较,:,1.,闭环控制采取是负反馈原理,:,将系统输出量引回输入端,与输入量比较,利用所得偏差进行控制,使偏差减小或消除,.,2.,开环控制与闭环控制基本区分在于闭环控制含有反馈步骤,含有,自动修复被控量偏离 给定值能力,含有很强抗干扰能力,.,3.,在系统参数配合不妥时,闭环系统轻易产生,震荡甚至不稳定,.,工程上常采取复合控制方法，就是把二者结合起来使用。,第18页,18,控制器,被控对象,前馈控制器,输入,输出,+,-,+,扰动,1,、组成,：,将开环控制和闭环控制结合起来。,2,、特点,：,兼有开环和闭环系统优点，控制精度高，控制作用快，但结构也较为复杂。,复合控制,第19页,19,自动控制系统举例,第20页,20,第三节,自动控制系统分类基本组成,一、,按给定信号特征划分,给定信号是系统指令信息。它代表了系统希望输出值，反应了控制系统要完成基本任务和职能。,1.,恒值控制系统,：,给定输入维持不变，希望输出维持在某一特定值上。,液位控制系统，直流电动机调速系统,等等。,2.,随动控制系统,：,给定信号上预先不知道随时间任意改变函数。控制系统能够使被控量以尽可能小误差跟随给定值改变。,跟踪卫星雷达天线系统,3.,程序控制系统,：,给定值按预先给定规律改变控制系统。,机械加工中程序控制机床,等等。,第21页,21,二、,按系统数学描述划分,1.,线性系统,当系统各元件输入输出特征是线性特征，系统状态和性能能够用线性微分（或差分）方程来描述时，则称这种系统为线性系统。,所谓线性特征是指元件静特征是一条过原点直线，也称其为线性元件。所以，由线性元件组成系统则必是线性系统。线性系统一个突出特点就是满足,叠加原理,，可利用叠加原理两个性质（,可叠加性和齐次性,），作为判别系统是否为线性系统依据。,线性系统,r,(,t,),c,(,t,),r,1,(,t,),c,1,(,t,),r,2,(,t,),c,2,(,t,),r,1,(,t,)+,r,2,(,t,),c,1,(,t,)+,c,2,(,t,),a,r,1,(,t,),a,c,1,(,t,),第22页,22,y,x,0,b,-,b,y,x,a,-,a,0,-,b,b,2.,非线性系统,系统中只要存在一个非线性特征元件，系统就由非线性方程来描述，这种系统称为非线性系统。,y,x,k,a,-,a,0,M,-,M,y,x,k,a,-,a,0,第23页,23,三、,按信号传递连续性划分,1.,连续系统,连续系统特点是系统中各元件输入信号和输出信号都是时间连续函数。这类系统运动状态是用微分方程来描述。,连续系统中各元件传输信息在工程上称为模拟量，多数实际物理系统都属于这一类，其输入输出普通用,r,(,t,),和,c,(,t,),表示。,r,(,t,),t,0,c,(,t,),t,0,第24页,24,2.,离散系统,控制系统中只要有一处信号是脉冲序列或数码时，该系统即为离散系统。这种系统状态和性能普通用差分方程来描述。实际物理系统中，信息表现形式为离散信号并不多见，往往是控制上需要，人为地将连续信号离散化，我们称其为采样。,c,(,t,),t,0,c,(,t,),c*,(,t,),c*,(,t,),t,0,第25页,25,四、,按系统输入与输出信号数量划分,1.,单变量系统,（,SISO,）,2.,多变量系统,（,MIMO,）,五、,自动控制系统基本组成,在形形色色自动控制系统中，反馈控制是最基本控制方式之一。一个经典反馈控制系统总是由控制对象和各种结构不一样职能元件组成。除控制对象外，其它各部分可统称为控制装置。每一部分各司其职，共同完成控制任务。下面给出这些职能元件种类和各自职能。,第26页,26,输出,输,入,放大,元件,+,-,测量变送,元件,给定,元件,执行,元件,串联校正元件,+,-,对,象,反馈校正,元件,给定元件：,其职能是给出与期望输出相对应系统输入量，是一类产生系统控制指令装置。,第27页,27,测量元件：,其职能是检测被控量，假如测出物理量属于非电量，大多情况下要把它转换成电量，方便利用电伎俩加以处理。,比较元件：,其职能是把测量元件检测到实际输出值与给定元件给出输入值进行比较，求出它们之间偏差。,放大元件：,其职能是将过于微弱偏差信号加以放大，以足够功率来推进执行机构或被控对象。,执行元件：,其职能是直接推进被控对象，使其被控量发生改变。,校正元件：,为改进或提升系统性能，在系统基本结构基础上附加参数可灵活调整元件。工程上称为调整器。惯用串联或反馈方式连接在系统中。,第28页,28,第四节,对控制系统要求和分析设计,一、,对系统要求,各类控制系统为到达理想控制目标，必须具备以下两个方面性能,(,基本要求,),：,（,a,）使系统输出快速准确地按输入信号要求期望输出值改变。,（,b,）使系统输出尽可能不受任何扰动影响。,对自控系统性能要求普通可归纳为三大性能指标：,（,1,）稳定性：,要求系统绝对稳定且有一定稳定裕量。,（,2,）瞬态质量：,要求系统瞬态响应过程含有一定快速性和改变平稳性。,第29页,29,在实际系统中，因为总是存在着不一样性质储能元件。而且也因为能源功率限制，使得系统放大能力必定有限。因而使对应运动加速度不会太大，速度和位移不会瞬间改变，而要经历一段时间，即系统运动必定有一个渐变过程。,r,(,t,),t,0,c,(,t,),t,0,（,3,）稳态误差：,要求系统最终响应准确度，限制在工程允许范围之内，是系统控制精度恒量。,第30页,30,二、,控制系统分析和设计,1.,系统分析,系统给定，在要求工作条件下，对它进行分析研究，其中包含稳态性能和动态性能分析，看是否满足要求，以及分析某个参数改变时对上述性能指标影响，决定怎样合理地选取等。,2.,系统设计,系统设计目标，是要寻找一个能够实现所要求性能自动控制系统。所以，在系统应完成任务和应具备性能已知条件下，依据被控对象特点，结构出适合控制器是设计主要任务。应进行步骤以下：,（,1,）熟悉对系统性能要求。,（,2,）依据要求性能指标综合确定系统数学模型。,第31页,31,（,3,）若控制对象是已知，依据确定系统数学模型和已知部分数学模型，求得控制器数模和控制规律。,（,4,）按综合确定数模进行系统分析，验证它在各种信号作用下是否满足要求。若不满足，及时修正。,（,5,）样机设计制造和试验，验证设计结果。,第32页,32,第五节 自动控制理论发展简况,Water Clock,水运仪象台,欧洲工业革命,1750,Prehistory of,Auto Control,Primitive Period,Classic Period,Modern Period,电话,&,世界大战,1910-1945,空间技术,&,电脑时代,1957,第33页,33,300BC,古希腊人创造浮球调整装置,800AD,古阿拉伯人利用浮球进行水钟控制,1086AD,苏颂 韩公廉创造水运仪象台,水运仪象台,第34页,34,1788,英国,J.Watt,用飞球调整控制蒸汽机速度,气阀,汽机,齿轮传动,飞球调速器,飞球套筒标定高度,（期望汽机速度）,蒸汽流量改变量,负载转矩改变量,飞球套筒实际高度,第35页,35,1868,年，英国,J.C.Maxwell,系统分析了反馈控制系统稳定性,1877,年，英国,E.J.Routh,和,1895,年,A.Hurwitz,分别建立了“,Routh-Hurwitz Stability Criteria,”,1892,年，俄国,A.M.Lyapunov,完成了博士论文“论运动稳定性普通问题”,代数判据,稳定性判据,第36页,36,1927,年，美国,H.S.Black,提出了负反馈放大器；,1932,年，美国,H.Nyquist,提出了基于极坐标频率域稳定性判据；,1942,年，美国,H.Harry,引入了传递函数概念；,1945,年，美国,H.W.Bode,引入了对数坐标系，使控制系统频率域响应方法更适于工程应用；,1948,年，美国,W.R.Evans,提出了根轨迹法；,第37页,37,三个不足：,第38页,38,当代控制理论：,状态空间法：,时域法,状态空间模型,可控性、可观性,先进控制理论：,智能控制理论：,让控制器含有智能,生物智能。处理难以处理复杂控制,第39页,39,结 束,第40页,40,
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