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自动控制系统第八版课件_图文

自动控制原理

自动控制原理
授课老师:瞿福存

联系方式:Email:qufccuit.edu
课件密码:student

总学时:64(其中讲课学时56,实验学时8)

教材:《现代控制系统》(第八版), Dorf. R. C. Bishop R. H. 著,谢红卫等译,
高等教育出版社,2019.06.

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成都信息工程学院控制工程系

自动控制原理
主要教学参考书:
? 胡寿松主编的《自动控制原理》(第五版) ? 李友善主编 《自动控制原理》机械工业出版社
? 黄忠霖编著 《控制系统MATLAB计算及仿真》 国防工业出版社
? 胡寿松主编 《自动控制原理习题集》(第2版) 科学出版社
? 刘坤主编 《MATLAB自动控制原理习题精解》 国防工业出版社

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自动控制原理
本课程性质:专业基础课

考核方式: 闭卷考试 成绩评定方法:
考试占70%,其它占30%(课堂纪律及作业等)

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自动控制原理
课程的主要内容及学时分配

? 第一章 控制系统导论 6

? 第二章 控制系统的数学模型

8

? 第三章 线性系统的时域分析法 10

? 第四章 线性系统的根轨迹分析法 6

? 第五章 线性系统的频域分析法 10

? 第六章 反馈控制系统的设计

8

? 第七章 数字控制系统的分析与设计 8

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第一章 控制系统导论

本章主要内容

?自动控制的一般概念 ?自动控制系统举例 ?控制系统基本结构 ?自动控制简史 ?控制系统设计概述 ?设计实例 ?循序渐进设计示例
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第一章 控制系统导论

第一节 自动控制的一般概念

控制:使被控对象按照控制者的意愿运动。

系统:是由一些相互联系、相互制约的若干 组成部分结合而成的、具有特定功能的一个 有机整体。

从三个方面理解系统的概念: (1)系统是由若干 要素(部分)组成的。(2)系统有一定的结构。 (3)系统有一定的功能,或者说系统要有一定的 目的性。

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第一章 控制系统导论

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,使机器、设备或生产过程的 某个工作状态或参数自动地按照预定的规律运 行。
自动控制系统 :为了实现自动控制任务,将被 控对象和控制装置按照一定的方式连接起来组 成的一个有机整体。

自动控制理论 :是研究自动控制共同规律的一 门技术科学。

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第一章 控制系统导论
第二节自动控制系统举例 例1.1.以机器人为单元的无人化工厂

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第一章 控制系统导论
例1.2.墙面清洗机器人

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第一章 控制系统导论
例1.3.机械手

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第一章 控制系统导论
例1.4.[导弹]:自动飞行到预定目标

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第一章 控制系统导论
例1.5.[无人驾驶飞机]:按照预定航线飞行

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第一章 控制系统导论
例1.6.[人造卫星]:在预定轨道飞行

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第一章 控制系统导论
例1.7.[电热水器]:将水加热到设定温度

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第一章 控制系统导论
例1.8.[全自动洗衣机]:按设定程序洗衣服

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第一章 控制系统导论

自动控制的作用与重要性

?比人干得更快、更好,极大地提高生产力 从自动化生产线上生产的产品,质量越来越好,价
格越来越低。

?把人从繁重的危险的工作中解放出来
矿井掘井、核电站检查消防、救火、无人侦察机、 导弹(无人)

?完成人无法完成的工作 管道机器人、水下6000米机器人

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第一章 控制系统导论
?管理、经济、金融过程智能化
楼宇管理自动化:电、气、水、消防报警全自动 管理,办公自动化,交通自动化,自助银行等。

?自动化在经济生活中应用越来越广泛,几乎无处 不在。

注:在工业过程(或经济生活)中采用自动控制代 替人工控制,称之为自动化。

?自动化技术是高科技的集中体现与应用。

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第一章 控制系统导论
第三节 控制系统基本结构 例1.9:调节容器液面位置的人工闭环控制系统

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第一章 控制系统导论

预期

眼 观 察

干扰或 激励

液体的流 入和流出

目标 分析



执手

工作

决策



对象

实际 结果

液位

眼 观



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第一章 控制系统导论
例1.10:汽车方向控制系统

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第一章 控制系统导论

预期行

驶路线

偏差

+ 比较器

驾车人

方向盘

视觉测量

实际行 汽车 驶路线

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第一章 控制系统导论

例1.11.人工控制恒温箱

[控制过程] 1 观测恒温箱内的温度(
被控制量) 2 与要求的温度(给定值
)进行比较得到温度偏 差的大小和方向 3 根据偏差大小和方向调 节调压器,控制加热电 阻丝的电流以调节温度 回复到要求值

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第一章 控制系统导论
例1.11.人工控制恒温箱(续)

期望温度 偏差 大脑



-

眼睛

调压器 恒温箱 温度计

实际温度

人工控制恒温箱方块图

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第一章 控制系统导论

例1.12恒温箱自动控制系 统

[控制过程]
1 恒温箱实际温度由热电 偶转换为对应的电压u2
2 恒温箱期望温度由电压 u1给定,并与实际温度 u2比较得到温度偏差信 号u=u1-u2
3 温度偏差信号经放大后 ,驱动执行电动机调节 电流,直到温度达到给 定值为止,此时,偏差 u=0,电机停止转动。

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第一章 控制系统导论
例1.12.恒温箱自动控制系统(续)

设定 温度

放大器

控制电机

减速器 调压器 恒温箱

恒温箱 温度

热电偶

恒温箱自动控制系统方块图

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第一章 控制系统导论
控制系统的工作过程: ?检测输出量(被控制量)的实际值;

?将输出量的实际值与给定值(输入量 )进行比较得出偏差;

?用偏差值产生控制调节作用去消除偏 差,使得输出量维持期望的输出。

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第一章 控制系统导论

反馈控制原理:

为了实现被控对象的状态或参数按预定规律 运行,需要获取被控对象的反馈信息,控制 装置根据反馈信息对被控对象施加控制作用 ,用来不断修正输出量与预定规律的偏差。
将系统的输出量反送到输入端,与输入量相 比较产生偏差;根据偏差确定控制信号;驱 动执行器操作以减小或消除偏差,实现控制 目标。

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第一章 控制系统导论

控制系统的基本组成

输入信号 给定值

偏差 控制器
-

执行机构
测量装置

干扰

被控对象

输出量

典型控制系统的方块图

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第一章 控制系统导论
被控对象:要求实现自动控制的设备或过程

被控量(输出量):指被控对象的输出

控制量:控制器施加给被控对象的控制信号

输入量(参考输入):作用于控制系统输入 端,并可实现使系统具有预定性能或预定输 出的物理量

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第一章 控制系统导论
偏差:参考输入与反馈信号之间的差值

误差:期望输出与实际输出之间的偏差

扰动:指外界或系统内部影响系统输出的干 扰信号

反馈:指取出输出量送回到输入端并与输入 信号相比较产生偏差的过程

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第一章 控制系统导论
前向通道:从输入端沿箭头方向到输出端的 传输通道 反馈通道:从输出端到输入端的反方向通道
控制系统的基本控制方式

?反馈控制方式(闭环控制) ?开环控制方式 ?复合控制方式

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第一章 控制系统导论
⑴反馈控制方式
反馈控制是按偏差进行控制的,其特点是输 出端和输入端之间存在反馈回路。是自动控 制理论主要的研究对象。

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第一章 控制系统导论
⑵开环控制方式
开环控制是指控制器与被控对象间只有顺向作 用而无反向联系的控制过程。其特点是系统的 输出量不会对系统的控制作用发生影响。

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第一章 控制系统导论

开环控制的两种控制方式

按给定量控制:控制作用直接由系统的输入量 产生,给定一个输入量,就有一个输出量与之 对应,控制精度完全取决于所用的元件及校准 的精度。

给定值 控制器

输出量 被控对象

按给定量开环控制方块图

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第一章 控制系统导论
按扰动控制:通过对扰动信号的测量产生控 制作用,以补偿扰动对输出量的影响。

测量环节 控制器

扰动 被控对象

输出量

按扰动开环控制方块图

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第一章 控制系统导论
⑶复合控制方式
复合控制方式是指按偏差控制和按扰动控制 相结合的控制方式。是反馈控制和开环控制 的有机结合。

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第一章 控制系统导论

开环控制和闭环控制的比较

开环控制 1)输出不影响输入,对输出不需要测量,通常容易 实现; 2)组成系统的元部件精度高,系统的精度才能高; 3)系统的稳定性不是主要问题。

闭环控制 1)输出影响输入,所以能削弱或抑制干扰; 2)低精度元件可组成高精度系统; 3)因为可能发生超调,振荡,所以稳定性很重要。

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第一章 控制系统导论

例题 家用电冰箱温控系统 压缩机

冰箱 蒸发器

冷却器

继电器

控制器

试写出系统的被控对象、被控量、输入量和扰动量, 工作原理,画出系统方框图。

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第一章 控制系统导论

解:
被控对象:冰箱

被控量: 冰箱内温度

输入量: 控制器设定值(代表温度的期望值)
扰动量: 开门时的外界温度
工作原理:控制器设定温度与冰箱内温度比较, 如果设定温度高于冰箱内温度,则继电器接通, 压缩机工作,使冰箱温度下降,直到冰箱内温 度达到希望温度,此时继电器断开,压缩机停 止工作。

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第一章 控制系统导论
家用电冰箱温控系统方框图如下:

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第一章 控制系统导论
作业1
E1.1, P1.1, P1.6, P1.7, P1.19, P1.20, P1.24 (只写题号,可以不抄题)

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第一章 控制系统导论
第四节 自动控制简史
人类的梦想:让机器自动工作,减轻人的脑 力和体力劳动。
人们普遍认可的最早的自动反馈控制器是: 1769 年瓦特发明的蒸汽机离心调速器。

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第一章 控制系统导论

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第一章 控制系统导论
瓦特离心调速器在调速过程中存在不稳定现 象(“设备变得发狂!”),当时并没有理 论指导,所有的努力都集中在改进调速器本 身(重量、弹簧、摩擦)。 麦克斯维尔(MAXWELL)把调节器跟调节对 象合在一起,看作一个系统,用微分方程来 进行研究,指出微分方程的特征根在左半面 或右半面,决定着系统稳定与否。
控制理论的起始,仅有实践是不够的!

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第一章 控制系统导论
1877年,麦克斯维尔的学生劳斯提出了劳斯 代数稳定性判据,并获得了亚当奖。 1895年,胡尔维茨也提出了本质上与劳斯判 据一致的代数稳定性判据,并在稳定性理论 的指导下,为瑞士达沃斯电厂的一个蒸汽机 设计了一个调速系统。胡尔维茨被认为是真 正运用控制理论,来指导设计控制系统的第 一人。 有了理论的指导,才能更好地实践。

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第一章 控制系统导论
到了二十世纪40年代,尼可尔斯深入研究了 PID(Proportion, Integral, Differential)调节 问题。 他在MIT仅有的一台模拟机(又叫微分分析 仪)上做了大量的仿真实验,最后列出来了 PID的整定表。控制工程中,有一项工作历 经60多年,至今还在使用的,这就是尼可尔 斯编排的这个PID整定表。

1950年以前,称为经典控制理论时期; 1950年以后,称为现代控制理论时期。

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第一章 控制系统导论
经典控制理论时期的主要代表人物还有: 伯德(H.W.Bode ): 1945年提出了简便而 实用的伯德图法。

伊文思(W.R.Evans): 1948年提出了直观 而又形象的根轨迹法。

维纳:1948 年发表了著名的《控制论——关 于在动物和机器中控制和通讯的科学》,标 志着自动控制理论的诞生。

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第一章 控制系统导论

经典控制理论与现代控制理论比较

项目

经典控制理论

现代控制理论

研究对象 描述方法 研究办法

线性定常系统 (单输入、单输出)
传递函数 (输入、输出描述)
根轨迹法和频率法

线性、非线性、定常、 时变系统
(多输入、多输出) 向量空间
(状态空间描述)
状态空间法

研究目标

系统分析及给定输入、 揭示系统的内在规律,实

输出情况下的系统综 现在一定意义下的最优控



制与设计

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第一章 控制系统导论

第五节 控制系统设计概述

工程设计是工程师的中心工作。学以致用。

设计是为了达到特定的目的,构思或创造系统的 结构、组成和技术细节的过程。

设计的主要步骤是:

? 明确用户要求 ? 论证设计要求 ? 开发多种解决方案 ? 选定解决方案并加以详细技术设计和技术实现

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第一章 控制系统导论
工程设计的限制条件:成本、时间和效率。

工程设计是一个循环往复的过程。

控制系统设计是工程设计的特例,也是逐步 确定系统控制变量、设计指标、结构配置、 选择关键参数,以满足实际需求的过程。

控制系统设计的主要步骤是:
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第一章 控制系统导论

若性能不 能满足要 求,则重 新确定系 统结构和 执行机构

建立控制目标

步骤1

确定被控变量

步骤2

给定各变量的控制要求
(设计目标)
确定系统结构选择执行机构

步骤3 步骤4

建立对象执行机构传感器模型 步骤5

建立控制模型选择待调参数

步骤6

优化系统设计分析系统性能

步骤7

若性能满足规范要求,则设计工作结束

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第一章 控制系统导论

第六节 设计实例
转台速度控制系统概要设计
背景: 许多装置,如:CD/DVD、硬盘、 留声机等,利用转台驱动盘片均速旋转, 要在电机和其它部件发生变化的情况下保 持盘片恒定的旋转速度。

在设计例题中,将按照《控制系统设计步 骤》给出的工作流程进行。

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第一章 控制系统导论

目标:设计一个使盘片保持恒定旋转速度的转台

被控变量:转台旋转速度

设计指标:实际转台旋转速度与给定转台 旋转速度误差小。

系统结构组成:转台(被控对象)、DC电 动机(执行机构)、放大器(控制装置)、 转速计(测量装置)、电池(电源) 。

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第一章 控制系统导论

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第一章 控制系统导论
第七节 循序渐进设计示例 磁盘驱动器读取系统

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第一章 控制系统导论

循序渐进设计示例将针对同一个题目在各章 中持续讨论,各章将讨论该章所能完成的任 务。

控制目标:定位磁头,以便读取存储在磁盘 某一磁道上的数据。

被控变量:磁头的位置

设计要求:定位精度为1微米,磁头移动时 间为50毫秒。

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第一章 控制系统导论
系统结构:电机、转臂、转盘、磁头位置传 感器,控制器

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第一章 控制系统导论
作业2
DP1.2

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第一章 控制系统导论
本章结束,谢谢!

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