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文檔簡介

1自動控制原理主講韓敏E-mail:minhan@助課許美玲

2第一章自動控制的基本概念(2學時)控制系統導論,反饋控制系統的工作原理、分類方法、基本要求。第二章系統的數學模型(8學時)控制系統數學模型,控制系統微分方程的建立及非線性方程的線性化。第三章時域分析(8學時)控制系統的時域分析法,典型輸入信號,系統的性能指標,一階系統的瞬態響應分析,系統穩定性分析。3第四章根軌跡法(8學時)根軌跡法,根軌跡的基本概念,繪制根軌跡的基本規則。第五章頻率響應法(12

學時)線性系統的頻域分析,頻率特性的概念,開環系統的幅相頻率特性曲線。第六章控制系統的校正(6學時)線性系統的校正方法,校正與綜合的概念,校正的基本方式,基本控制規律,常用校正裝置及其特性。4第七章非線性控制系統(10學時)非線性系統理論,非線性系統的特點、研究方法,典型非線性特性的數學描述及特性。第八章離散控制系統(10學時)線性離散控制系統,系統分類,采樣過程的數學描述,采樣定理,零階保持器。5第一章自動控制的基本概念

Chapter1Thebasicconceptofautomaticcontrol§1-1概述

(Introduction)§1-2自動控制的基本方式

(Basicmode)§1-3自動控制的分類

(Classification)§1-4自動控制系統的性能指標

(Performanceindex)§1-5自動控制系統中的常用術語

(Commonterms)§1-6當前自動化學科的研究方向(Researchinterests)6§1-1概述(Introduction)自動控制原理:自動控制技術的基礎理論自動控制:是指在無人直接參與的情況下,利用外加的設備或裝置,使機器、設備或生產過程的某個工作狀態或參數自動地按照預定的規律運行

控制裝置或控制器被控對象被控量給定量7自動控制系統(Automaticcontrolsystem):是由控制器、被控對象等部件為了一定的目的有機地聯接成一個進行自動控制的整體。控制系統通常由軟件平臺+硬件系統構成軟件平臺:上位機操作系統、數據庫等硬件系統:控制用計算機、檢測機構等控制系統的目標:理論上滿足靜態特性,實際應用中動靜特性都要滿足系統要滿足穩定性系統要可靠,要有應用價值8日常生活中的自動控制微波爐自動售票機空調自動門航天器太空倉空氣控制系統9h

使導彈與目標間距離h(t)逐漸減小并趨于零。軍事中的自動控制導彈的控制10航天中的自動控制神舟飛船11工業中的自動控制最先進的加工中心12工業中的自動控制龍門刨床13工業中的自動控制電動汽車14控制論(Cybernetics)是怎樣形成的—自動化發展簡史早期探索經典控制理論時期現代控制理論時期智能控制時期15隨著生產的發展,控制技術也在不斷地發展,尤其是計算機的更新換代,更加推動了控制理論不斷地向前發展。控制理論的發展過程一般可分為三個階段:控制論是怎樣形成的—自動化發展簡史20世紀之前,科學家的早期探索第一階段。20世紀初~60年代,稱為“經典控制理論”時期。第二階段。20世紀60~70年代,稱為“現代控制理論”時期。第三階段。20世紀70年代末至今。向著“大系統理論”和“智能控制”方向發展。16我國北宋時期(1086~1089年)天文學家蘇頌、韓公廉建造了水運儀象臺

十七-十八世紀,動力裝置成為研究重點,風車技術和蒸氣機取得突破發展。1679年法國物理學家丹尼斯·巴本制造了第一臺蒸汽機的工作模型。1698年托馬斯·塞維利、1712年托馬斯·紐科門制造了早期的工業蒸汽機。1750年,安得魯.

米克爾為風車引入了“扇尾”傳動裝置,使風車自動地面向風。隨后,威廉.

丘比特對其改進,使得風車能夠自動調整傳動速度。1765年,俄國人普爾佐諾夫(I.Polzunov)發明了蒸汽鍋爐水位調節器。1、20世紀之前:科學家的早期探索早期的蒸汽機工作效率太低,難以推廣17要保持無論外界負載怎么變化,轉速都要保持恒定,需要不斷地隨著外界負載的變化而相應地改變供氣量的大小,如果靠人工去控制氣門顯然非常緊張和吃力。問題:瓦特在發明了蒸汽機后,發現不變的供氣量會使機器因為外界負荷的變換而產生轉速的忽高忽低,外界負荷大了同樣的供氣量機器的轉速就得下降,外界負荷小了同樣的供氣量機器的轉速就要上升。1、20世紀之前:科學家的早期探索1760年-1800年,詹姆斯.瓦特對蒸氣機進行了徹底得改造,終于使其得到廣泛的應用。18解決方法:1788年,瓦特研制成了蒸汽機離心式調速器,使它能夠保持蒸汽機轉速“恒定”。瓦特離心式調速器示意圖蒸汽機1通過皮帶輪帶動工具機2轉動;當2負荷增大時,蒸汽機1的轉子速度降低,這時裝在轉子上的傘齒輪3的轉速也下降,安裝在傘齒輪轉軸上的一對飛錘4轉速下降,并下垂,帶動滑塊5下降,滑塊帶動杠桿6將蒸汽機進汽閥門7打開,加大進氣量,轉子速度上升,從而達到恒速的目的。

蒸汽機離心式調速器19瓦特離心式調速器的負反饋原理圖被控量是蒸汽機轉子的轉速控制量是蒸汽的輸入量反饋量誤差反饋系數20瓦特離心式調速器的負反饋原理圖根據原理圖,有如下方程:聯立三個方程,有如果Q不變,n基本也不會變,這里假定K和b都是常數。如果負荷變化引起轉速n變化,那么改變的只是Qf,亦即,通常稱為誤差。這是一個反向調節過程:所以稱它為:閉環負反饋控制(Closed-loopnegativefeedbackcontrol)原理21

勞斯-赫爾維茨(Routh-Hurwitz)判據問題:瓦特調速器并沒有達到預期的效果,反而引起“晃動”。解決方法:1868年,英國物理學家J.C.麥克斯維爾(Maxwell)把蒸汽機晃動現象變成線性微分方程來研究,而線性微分方程解的收斂性取決于它的特征值的符號。他指出只有這些根都是負實根,或者具有負實部的復根,這個方程所描述的系統才是穩定的。問題:如何解高階代數方程成為新的問題。22得到的啟示!“晃動”→J.C.麥克斯維爾微分方程→勞斯-赫爾維茨判據

——這就是科學的規律!解決方法:1877年,英國人E.勞斯(Routh)和德國人A.赫爾維茨(Hurwitz)兩人各自獨立研究,利用特征方程系數得到判別系統穩定性的方法,從而省去了解系統特征方程的過程。(第三章內容)

勞斯-赫爾維茨(Routh-Hurwitz)判據23

負反饋原理(Negativefeedback)問題:在鋪設從紐約到舊金山的長途電話線時,由于距離過長,輸送的電話信號產生了衰減和畸變。1928年8月2日,在貝爾實驗室工作的H.布萊克(Black)

,在前往曼哈頓西街的上班途中,在哈得孫河的渡船上靈光一閃,發明了在當今控制理論中占核心地位的負反饋放大器。由于手頭沒有合適的紙張,他將其發明記在了一份紐約時報上,這份早報已成為一件珍貴的文物珍藏在AT&T的檔案館中。2、第一階段:20世紀初~60年代,“經典控制理論”時期24解決方法:1927年-1932年,H.布萊克等人利用負反饋原理設計了具有線性負反饋的電子管放大器,解決了由于放大器的非線性放大系數Kn引起的信息畸變問題。設放大器輸入信號為F1,輸出信號為F2,非線性放大系數為Kn,而線性負反饋系數K可表達為:負反饋原理25當時,具有線性負反饋放大器(閉環)放大系數K取下式上式表明閉環系統具有線性負反饋放大器的放大系數K與反饋通道的線性系數成反比,因而能夠消除放大器的非線性畸變。負反饋原理26解決方法:1932年,在貝爾實驗室工作的H.奈奎斯特(Nyquist)在解釋放大器振蕩問題時,建立了奈奎斯特穩定性判據。稱之為奈奎斯特頻率法。(第五章內容)問題:雖然畸變消除了,但又產生了放大振蕩問題,放大系數太大、太小都會造成系統的不穩定。

奈奎斯特頻率法

(NyquistFrequency-ResponseMethod)27

奈奎斯特頻率法的重要貢獻在于:它可以利用物理上能夠測量的開環系統頻率特性來判別閉環系統的穩定性、靜態誤差和過渡過程某些品質指標等一系列問題。不用直接去解微分方程,只要畫出開環系統的頻率特性,就能知道系統穩定性如何,并可以估計出系統的品質指標,而且還能知道應該采取什么措施可以使系統穩定下來,進一步提高系統的品質指標等等。

奈奎斯特頻率法28PID控制器(ProportionalIntegralDerivativeController)瓦特所用的小錘控制轉速,實際上就是純比例調節(P)。比例作用比較容易被人理解,因此在工業領域得到了廣泛應用。問題:在應用過程中,人們發現這種控制方法有很大的局限。系統被控對象很不容易達到要設定的目標值,我們現在稱之為存在靜態偏差。29解決方法:1939年,Foxboro

儀器公司為了克服靜態偏差問題,手動增強調節系統的比例作用,使得系統調節“恰好”彌補偏差。他們稱之為“重置”(Reset)。后來人們專門設置了自動重置技術(Automaticreset),每一時刻都根據上一時刻的偏差,自動修改系數,在偏差不為零的時候,執行機構一直動作下去,這就是積分作用(I)。同年,Taylor儀器公司發布了一款全新設計的氣動控制器:Fulscope,新儀器提供了“預動作”(Pre-act)控制作用,就是微分作用(D)。

PID控制器301936年,英國諾夫威治市帝國化學有限公司的考倫德(AlbertCallender)和斯蒂文森(AllanStevenson)等人給出了一個溫度控制系統的PID控制器的方法,并于1939年獲得美國專利。

PID理論正式誕生PID控制器31二戰期間(1939-1945):戰爭的需要使自動控制理論和應用得到巨大發展。利用反饋控制的方法設計和制造了飛機自動駕駛儀、火炮定位系統、雷達天線控制系統以及其他軍用系統。這些系統的復雜性和對高性能的要求,進一步促進并完善了自動控制理論的發展。

二戰期間的理論發展321940年,H.W.伯德(Bode)引入了半對數坐標系(Bode圖),把復數運算變成代數運算,大大地簡化了頻率特性的繪制。(第五章內容)1942年,H.哈利斯(Harris)在拉普拉斯變換的基礎上引入了傳遞函數(Transferfunction)概念,用方框圖、環節、輸入、輸出等信息傳輸的概念描述系統的性能和關系。(第二章內容)

1941年,前蘇聯學者哥德發爾布把線性系統伯德頻率法推廣到非線性系統,不僅能解決某些非線性系統的穩定性問題,還能改善系統的性能指標。這種方法被成為描述函數法(Describingfunctionmethod)。(第七章內容)

二戰期間的理論發展331948年,埃文斯(W.R.Evans)提出了一種在復平面上由開環系統極、零點確定閉環系統極零點的圖解方法——根軌跡法(Rootlocusapproach)

。(第四章內容)

二戰之后的理論成熟1948年,英國人維納在火炮控制中發現了反饋的概念,出版了《控制——關于在動物和機器中控制和通訊的科學》,奠定了控制論的基礎。341954年,我國著名科學家錢學森出版了《工程控制論》,他系統地總結了20世紀前幾十年來控制論的成就。1958年,崔普欽把連續系統的頻率法推廣到離散系統(Discretesystem),產生了和連續系統拉普拉斯變換相對應的離散系統的拉普拉斯變換——Z變換(Z-transform)。(第八章內容)

二戰之后的理論成熟經典控制理論形成了完整的理論體系3、第二階段:20世紀60~70年代,“現代控制理論”時期,計算機的飛速發展,推動了航空航天與現代工業的迅速興起。1957年,蘇聯發射第一顆人造地球衛星。1969年,美國阿波羅載人飛船成功登上月球。推動并發展了“現代控制理論”:1956年,蘇聯科學家龐特里亞金提出極大值原理。

1957年,美國科學家貝爾曼提出動態規劃方法。1960年,美國科學家卡爾曼引入狀態空間法(Statespacemethod)分析系統,提出能控性,能觀測性,最佳調節器和Kalman

濾波等概念,奠定了現代控制理論的基礎。用數學解決控制問題36工業界4、第三階段:20世紀70年代末至今,控制理論向著“大系統理論”和“智能控制”方向發展。1969年,美國數字設備公司研制出了第一臺可編程邏輯控制器(ProgrammableLogicController,PLC),其實質是一種專用于工業控制的計算機,其硬件結構基本與微型計算機相同。1973年,瑞典KarlJ.Astrom提出了自啟調節器,建立了自適應控制(Adaptivecontrol)的基礎。1981年,加拿大G.Zames提出H∞

魯棒控制(Robustcontrol)設計方法。學術界37現代工業控制分布式計算機控制系統(DistributedConutrolSystem,

DCS),就是專用于工業過程控制的設備,可以實現各種基本控制,是現代流程工業不可缺少的重要設備。38計算機集成制造系統(ComputerIntegratedManufacturingSystem,CIMS):通過計算機軟硬件,并綜合運用現代管理技術、制造技術、信息技術、自動化技術、系統工程技術。將企業生產全部過程中有關的人、技術、經營管理三要素及其信息與物流有機集成并優化運行的復雜的大系統。現代工業控制39現代工業控制嵌入式系統:以應用為中心,以計算機技術為基礎,軟硬件可裁剪,適應應用系統對功能、可靠性、成本、體積、功耗等嚴格要求的專用計算機系統。所有帶有數字接口的設備,如手表、微波爐、錄像機、汽車等,都使用嵌入式系統。嵌入式開發板40經典控制理論主要用于工業控制現代控制理論,主要研究多輸入和多輸出、時變和非線性等控制系統的分析與設計問題,有線性系統理論、最優控制理論、最佳濾波、自適應控制、系統辯識、魯棒控制等。此階段中數學工具對控制發展起了很大的作用。大系統理論和智能控制理論,稱為第三代控制理論。發展初期20世紀60年代目前研究方向現代控制理論廣泛應用于工農業、國防及日常生活經典控制理論,主要以傳遞函數為數學工具,以反饋為核心,采用頻率方法,研究單輸入—單輸出的線性定常系統的分析和設計問題。此階段中控制系統的發展推動了控制理論的研究。自動化發展簡史總括返回41分析決策執行工作對象觀察觀察預期目標干擾實際結果人工智能圖比較、計算執行被控對象測量測量給定值干擾被控量自動控制方框圖§1-2自動控制的基本方式(Basicmode)42自動控制應具備三條基本功能測量比較分析執行參與控制的信號來自三條通道:給定值(Setpoint),干擾(Disturbance)和被控量(Controlledvariable)43開環控制(Open-loopcontrol)之一:按給定值操作需要控制的只是受控對象的被控量;測量的只是給定值;抗干擾能力差;部分自動化流水線屬此類控制。執行受控對象計算給定值干擾被控量44開環控制(Open-loopcontrol)之二:按干擾補償按干擾補償;由于測量的是干擾,只能對可測干擾進行補償;機械加工的恒速控制等常用這種方式。執行受控對象計算干擾被控量測量45閉環(反饋)控制(Closed-loop(feedback)control):按偏差調節由于有反饋作用的存在,具有自動修正被控量出現偏差的能力,可以修正元件參數變化及外界擾動引起的誤差,控制效果好,精度高。不足:1)結構復雜、成本高;

2)反饋的存在,使控制系統可能出現“振蕩”,有可能使系統失去穩定而無法工作。比較、計算執行受控對象測量給定值干擾被控量46V<熱電偶T煤氣混合器空氣電動機閥門烘爐指定電位計工件自動控制系統示例(一)溫度控制系統(1)受控對象——烘爐;(2)被控量——爐溫T;(3)干擾——工件、環境溫度、煤氣壓力等;(4)依靠調節煤氣管道上的閥門,改變爐溫(5)測量元件——熱點耦(6)給定裝置——即給定電位計。其輸出電壓相當于要求的爐溫。(7)ur,uT兩電壓反接,即完成了減法運算。輸出電壓相當于爐溫的偏差量。(8)執行機構——電動機及傳動裝置

控制系統的任務是保持烘烤爐爐溫T恒定。而爐溫受工件數量以及環境溫度的影響而波動,通過改變由混合器輸出的煤氣流量來實現控制。47工件環溫比較線路放大器電動機放大器(給定指令)(被控量)ur(計算)烘爐(對象)熱電偶烘爐溫度控制系統功能方框圖48(二)位置隨動系統〉工作機構電位器1電動機方框圖:原理圖:

控制的任務是使工作機構隨指令機構同步轉動。即要求工作機械的角位置跟蹤指令轉角,即(1)受控對象——工作機械(2)被控量——角位置(4)測量元件——轉角及通過兩個相同的電位計,測量并轉換為相應的電壓ur及uc。(5)計算比較——兩個測量電位計的橋式連接,即完成了減法運算ur-uc,為系統誤差(6)執行機構——電機減速裝置(3)給定值——指令轉角電位計式橋路〉電動機構工作機械給定值干擾力矩被控量(執行、對象)指令機構比較放大器電位器1的滑臂由指令機構轉動(ur),電位器2的滑臂隨工作機構轉動(uc),以uc-ur作為放大裝置的輸入,驅動電動機轉動。電位器2按偏差調節的反饋控制系統49(三)轉爐煉鋼基本原理轉爐煉鋼:通過向轉爐中的鐵水頂吹氧氣,使其與鐵水中的碳、硅、錳等雜質發生氧化反應釋放大量的熱,從而達到降碳、升溫和除雜的目的,最終獲得滿足成分和溫度要求的鋼水。轉爐煉鋼生產中控制穩定的氧氣流量是實現其他生產控制的基礎和保證。50轉爐煉鋼氧氣閥門開度的負反饋原理圖被控量是氧氣閥門的開度控制量是氧氣的流量將測量的開度信號轉換為流量信號51(四)液位自動控制系統示例演示控制系統的特點:1.系統以信號的反饋為基礎的閉環控制系統;2.系統靠誤差起作用,目的是減少誤差或消除誤差,以提高系統抑制干擾的能力;3.由于系統的慣性和延滯作用,反饋的引入有可能使系統穩定性變壞;4.大多數物理系統都存在著小信號控制大功率問題,一般系統均具有放大、執行元件。返回52§1-3自動控制的分類(Classification)一、按輸入信號特征分類(1)恒值控制系統(自動調節系統)輸入信號是一個恒值。工業生產中的恒值、恒速等自動控制系統都屬于這一類型。恒值控制系統主要研究各種干擾對系統輸出的影響以及如何克服這些干擾,把輸入、輸出量盡量保持在希望數值上。(2)程序控制系統(3)隨動系統(伺服系統)輸入信號是一個已知的時間函數,系統的控制過程按預定的程序進行,要求被控量能迅速復現給定量。輸入信號是一個未知函數,要求輸出量跟蹤給定量變化。53二、按所使用的數學方法分類(一)線性系統(Linearsystem)和非線性系統(Nonlinearsystem)1、線性系統(Linearsystem)—疊加性和均勻性xyoyxo由線性元件構成的系統叫線性系統運動方程為線性微分方程線性系統的靜特性542、非線性系統(Nonlinearsystem)—參數隨變量大小而變化,不滿足疊加原理在構成系統的環節中有一個或一個以上的非線性環節時,稱為非線性系統。55(二)連續系統(Continuoussystem)和離散系統(Discretesystem)1、連續系統(Continuoussystem):系統中各元件的輸入量和輸出量均為時間t的連續函數;運動規律可用微分方程描述。2、離散系統(Discretesystem):系統中只要有一個地方的信號是脈沖序列或數字編碼;運動規律可用差分方程描述。56(三)定常系統(Time-invariantsystem)和時變系統(Time-varyingsystem)1、定常系統(Time-invariantsystem):參數不隨時間變化2、時變系統(Time-varyingsystem):參數是時間t的函數返回57§1-4自動控制系統的性能指標

(Performanceindex)

一、穩定性(Stability)系統穩定是系統正常工作的基本條件不穩定系統的輸出信號58二、過渡過程指標(Transientresponseindex)—表現系統的快速性表示對自動控制系統動態性能的要求單位階躍(Unitstep)響應59三、穩態誤差(Steady-stateerror)系統要求(或希望)的輸出量與實際輸出量之差稱為誤差;誤差的穩態分量稱為穩態誤差;穩態誤差表示到達平衡狀態(過渡過程結束)的精度。返回60§1-5自動控制系統中的常用術語

(Commonterms)控制環節Gc被控對象G0反饋環節H輸入

r

比較環節偏差e控制量u擾動n輸出c主反饋b輸入到控制系統的指令信號,又稱為參考輸入或給定值與輸入成正比或成某種函數關系,但量綱與輸入相同的信號輸入與主反饋之差的信號接受誤差信號,通過轉換與運算,產生控制量控制環節的輸出,作用于被控對象的信號系統的主體,接受控制量并輸出被控制量系統的被控制量將輸出轉換為反饋信號的裝置相當于誤差檢測器,完成輸入與反饋信號的代數運算返回61系統理論與控制理論非線性系統復雜性與復雜系統理論建模、辨識與估計優化控制與優化方法魯棒控制與H∞控制學習控制穩定性與鎮定自適應控制變結構控制分布參數系統混合系統與DEDS大系統理論與方法神經網絡與控制模糊系統與控制故障診斷CIMS與制造系統仿真與控制系統CAD智能信息處理系統遺傳算法與

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