第一章 自动控制系统概述

1. 第一章 自动控制系统概述

2. 第一章 自动控制系统概述 • 一、概述 • 自动控制定义见教材P1： 视频资料 • 在没有人参与的情况下，通过控制器或控制装置来控制机器或者设备等物流装置，使得机器设备的受控物理量按照希望的规律变化，达到控制目的。 • 是研究控制系统的一般规律，不是讲具体的控制对象、系统、元件。 • 对象：如炼钢、化工反应，航空航天，机械汽车加工。 • 系统：运动过程，力学、电学、光学、生物等 • 元件：控制器、执行（电机），传感器 • 是自动化类、信息类的必修课，主干课，将具体元件根据自动控制原理组成、针对具体控制对象的系统，包括： • 1.研究一般规律：通过分析、研究各种具体系统的一般规律，但联系实际有具体意义，从物理特性和规律出发，但不局限于物理规律，而是找出共同规律使之能更广泛的应用。 • 2.提供基本方法：通过规律的研究，提供针对具体问题的分析，解决问题的方法，如对实际控制系统，建立模型，求解，分析并解决问题，提供一种通用的思想和方法。 • 3. 一种思想方法，不仅针对一般的物理系统，还可以推广对自然科学，社会科学，如生产、经济、环境等问题。 • 如系统的观点，全局观念、反馈思想，这些思想是靠潜移默化，长期训练得到的，特别是复杂的，大惯性的系统，如：环境、生态，人口等问题，仅靠当前、局部的一些思考方法和措施不能很好解决，引入这自动控制、自动化等思想可以提供更全面地、长期的分析、解决问题的方法。作用的同时也吸取其它学科知识。 第 页 重庆邮电学院自动化学院

3. 第一章 自动控制系统概述 • 二、发展历史： • 古代有很多朴素的应用，如车轮、弓箭飞行的稳定性等，具有利用负反馈的思想来工作，但都未上升到理论、系统的高度。 • （一）18世纪前，多为简单的装备，对自动控制的要求和研究不多，瓦特发明蒸汽机，有了强大的能源，开始出现复杂的设备，由于机械化代替了人力，人处于操纵地位，出现了自动化装置。但这些装置有时并不总按设计的方式工作，如驾驶汽车。因为：传动，放大，延迟的问题，造成系统指标不满足预期要求甚至出现不稳定现象，如蒸汽机、柴油机的失速，导致调速器的发明。电子的发展对稳定性提出要求，反馈的思想出现、船舶自动驾驶、伺服系统出现。 • 控制理论发展：建立数字模型——微分方程：称为时域模型 • 1877：劳斯-霍尔维茨：代数稳定判据, • 由于微分方程求解困难,进展缓慢,少量应用, • （二）1932: 奈氏判据 1934：伺服控制系统 、1945： 波德图 1948：根轨迹法以及维纳滤波理论。 • 此时，利用拉氏变换解微分方程并分析，引入信号里的频域分析思想，称为频率法 • 以上统称：经典控制理论。 • 此阶段，经历了第一，二次工业革命，大工业时代，炼钢，机械，电力等飞速发展，第一，二次大战，雷达，大炮，飞机等发明和广泛应用更加这种飞速发展。 第 页 重庆邮电学院自动化学院

4. 第一章 自动控制系统概述 • 二、发展历史： • （三）60年代以来，以极大值原理，动态规划，卡尔曼滤波和系统辩识，尤其是状态空间法，解决复杂的多输入、输出问题，直到现在的：非线性，最优控制，系统辩识、自适应控制等，该阶段称为现代控制理论；自动控制普遍用于工业，如炼钢，石化，发电，供电，国防，计算机出现为复杂问题的时域解提供可能，自动控制成功应用于航空，航天、核工业、乃至社会、经济等尖端领域，自动化发展高峰。 • （四）当前，理论上未出现划时代的进展，如模糊控制，人工智能，神经网络，混沌理论、大系统理论，基本上是理论的，局部的一些解决方案，而在作为技术方法层上借助计算机，通信等实现较多，缺少一个普遍的，实践上有重大意义的思想或理论。特别是目前科技发展快、分工多，难以对现有技术和需求做全局到局部的系统认识和分析。 • （五）我国历史和现状 • 我国起步晚，在现代科学史上没有占据一席之地，1954年钱学森创立并引入工程控制论，80年代普遍开展教学和研究，但基础工业落后，以原料到生产，各方面落后，从自动化的材料、元件、系统和技术各方面都与发达国家有较大差距。 第 页 重庆邮电学院自动化学院

5. 第一章 自动控制系统概述 • 三、自动控制系统及分类 • （一）开环与闭环：（结构） • 1、开环：不用对输出量测量并与期望值比较 • 如：洗衣机，交通灯等，校时等运行的系统都是开环，一般基于时序或给定逻辑的控制都是开环控制。 • 如例中，输出速度，位置不用比较，其它：帆板控制。 • 特点：简单，稳定，成本低，精度低，元件要求高，抗干扰差，适于输入量已知，扰动小。如：放大器浮移，电机传动间隙负载变化等，就使结果不同，就系统须元件精度高，稳定，凭经验。 第 页 重庆邮电学院自动化学院

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7. 第一章 自动控制系统概述 （一）开环与闭环：（结构） 第 页 重庆邮电学院自动化学院

8. 第一章 自动控制系统概述 2．闭环： 第 页 重庆邮电学院自动化学院

9. 第一章 自动控制系统概述 • 三、自动控制系统及分类 • （二）信号特征： • 1.程序控制：输入量是已知的时间函数是一个状态动作等。 • 顺序控制：如霓虹灯。 • 逻辑控制：连锁，逻辑，如机械、汽车制造中的生产线 • 时间控制：交通灯，洗衣机 • 三者往往结合，采用PLC，继电器，等实现。 第 页 重庆邮电学院自动化学院

10. 2.恒值系统：如恒温，速，输入为恒定不变，称为自动调节。2.恒值系统：如恒温，速，输入为恒定不变，称为自动调节。 • 3.随动系统（伺服）：如火炮，参考值不断变化。 第 页 重庆邮电学院自动化学院

11. （三）线性与非线性系统（数学性质）。 • 数学模型是线性还是非线性，线性系统满足叠加原理：本书主要是讲线性，非线性也局部线性化。 • （四）时间特征：连续，离散，前者用微分方程，传递函数、状态方程，后者采用：差分方程、Z传递函数、离散状态方程等。 • 前者以模拟电子器件，一般为物理系统，为一般情况。 • 后者是数字计算机控制，信号离散化。 • 本书主要讲述前者，后者是采样系统、计算机控制的内容P7例 • （五）定常系统，时变系统：SISO，MIMO。 • 本书主要以：线性定常连续SISO闭环系统。 第 页 重庆邮电学院自动化学院

12. 第一章 自动控制系统概述 • 四、控制系统基本结构 • 输入信号（设定值）、偏差信号、控制量、扰动信号、输出量、反馈量比较器、控制器、控制对象、传感器 • 教材P3页图 第 页 重庆邮电学院自动化学院

13. 第一章 自动控制系统概述 • 五、自动控制系统的设计。 • 1 最重要、基本的要求：稳定，不能失控，一切其他指标以稳定为前提。即在扰动作用下，系统不能处于一个相对固定的状态，如单摆、倒立摆，对线性系统，稳定与否是内在的、系统内部结构决定的，与输入无关。 第 页 重庆邮电学院自动化学院

14. 2 一般要求：响应快，动态过程平稳，跟踪准确； • 为了实现自动控制的基本任务，必须对系统在控制过程中表现出来的行为提出要求。对控制系统的基本要求，通常是通过系统对特定输入信号的响应来满足的。例如，用单位阶跃信号的过渡过程及稳态的一些特征值来表示。 • 快速性：上升时间、峰值时间（动态指标） • 、调节时间（稳态指标） • 平稳性：超调量、震荡次数； • 准确性：即精度要求，动态误差、 • 稳态误差 • 3设计： • a.系统分析，建立模型，分析规律与性能。 • b.设计。根据分析确定控制方法： • 数字——物理装置 • c. 仿真：数字，物理仿真，反复进行 • d.实现：制作，调试、重购。 第 页 重庆邮电学院自动化学院

15. 第一章 自动控制系统概述 • 六、例 • 液位控制、温度控制系统、随动控制系统、逻辑控制系统实例(参见视频) 第 页 重庆邮电学院自动化学院