Transcript 控制系统
本章主要内容 自动控制理论发展概况；古典控制 理论的基本内容；自动控制与自动控制 系统的基本概念及对控制系统的基本要 求。 重点内容 自动控制与自动控制系统的基本概念 对控制系统的基本要求 第一节 引 言 一、自动控制在国民经济中的作用： 1、生活中， 洗衣机、 电冰箱、 电饭煲。 2、铁路上 高速列车、 磁悬浮列车 日本新干线100系（1985） 日本新干线300系（1992） 日本新干线700系（1999） 国产“中华之星” 法国TGV高速列车 普通轮轨列车最大时速为350-400公里 中科院院士严陆光—高速磁悬浮技术倡导者。中国铁道科学研 究院、西南交大、国防科大、中科院电工所等单位对常导低速 磁悬浮列车的悬浮、导向、推进等关键技术做了基础性研究。 上海磁浮列车 全长30公里，将上海市区与东海之滨的浦东国际机场连接起来， 单向运行时间约8分钟，平均运行速度达到每秒60－70米。列车 大部分时间时速为300多公里，达到最高设计时速430公里的时间 有20多秒。 日本磁悬浮列车 超导线圈与U型列车行驶导槽中设置的推力、上浮、导向线圈一 起使列车获得上浮、推进、导向力。日本使用的超导物质是将 超细铌钛合金多芯线埋入铜母线内制成的超导电线，当此种超 导电线浸入液氦(－269℃)中时进入超导状态产生强大磁场。 3、军事上 航空:（F-15）战斗机 航天：APOLLO宇宙飞船 海上：核潜艇 “库尔斯克”号核潜艇 4、工业上 二、自动控制理论发展概要 1、古典控制论： 研究SISO线性定常时不变系统，其数学基础为传 递函数。 2、现代控制论： 以状态空间法为基础研究多输入-多输出、变参 数、非线性系统。其数学基础是线性代数。 古典控制论 1788年，英国Wate利用反馈原理发明蒸汽机 用的离心调速机。→ 1875年，1895年，英国Routh和德国Hurwitz 先后提出判别系统稳定性的代数方法。 1892年，俄国李雅普诺夫在《论运动稳定性 的一般问题》中建立了动力学系统的一般稳 定性理论。 1932年，Nyquist提出了根据频率响应判断系 统稳定性的准则。 汽阀 Wate飞轮调节器 1945年，美国Bode在《网络分析和反馈放大 器设计》中提出频率响应分析法－Bode图。 1948年，Evans提出了根轨迹法，这时美国 Wiener在《控制论－关于在动物和机器中控 制和通信的科学》中系统地论述了控制理论 的一般原理和方法。 －－－标志控制学科的诞生 控制论：研究动物（包括人类）和机器内部 控制和通信的一般规律的学科。 1954年，钱学森的《工程控制论》在美国出 版。 －－－奠定了工程控制论的基础 现代控制理论 1960——1970 现代控制理论 机组自动化 1958年，R.E.Kalman采用状态空间法分析系统，提 出能控性、能观性、Kalman滤波概念 1961年，庞特里亚金证明了最优控制中的极大值原理。 1970——1980 大系统理论 控制管理综合 1980——1990 智能控制理论 智能自动化 1990——21c 集成控制理论 网络控制自动化 引例：水箱水位自动控制系统 控制器 气动阀门 浮子 流入量 H希 H实 流出量 图 1 水箱水位自动控制系统示意图 第二节 自动控制与自动控制系统的基本概念 1、自动控制： 应用控制装置自动地、有目的地控制或操纵机器设 备或过程，使之具有一定的状态和性能。 被控制的机器设备或物体、生产过程，称为被控制对象； 所用的控制装置，常称为控制器 2、控制系统： 控制器和被控对象的总和，称为 控制系统 3、输入量（参考输入、控制输入、给定输入）： 是作用于系统的激发信号，其中使系统具有预定性能或 预定输出的，称为控制输入、指令输入或参考输入。 4、扰动量： 干扰或破坏系统具有预定性或预定输出的，称为扰动输 入。 5、被控制量（输出量） 系统的输出就是被控制的量，它表征对象或过程的 状态和性能。 6、反馈量： 与输出成正比或某种函数关系，但量纲与参考输入相 同的信号。 7、偏差量： 等于参考输入与主反馈量之差的信号。 8、比较元件： 相当于一个偏差器，其输出信号等于各输入信号 的代数和。 9、负反馈控制系统的示意图 扰动量 输入量 + 偏差量 输出量 控制环节 _ 被控对象 反馈量 反馈环节 图 2 控制系统结构示意图 流出量 流入量 输入量 + H希 _ 水箱 控制器 H实 反馈量 浮 图4 子 水箱水位自动控制系统示意图 自动控制系统的基本方式 一、开环控制： 即系统的输出量对控制量没有影响。其结构示意图如 图所示： 控制量 被控制量 控制器 对象或过程 图 5 开环控制系统 1、举例：电动机转速控制系统 iB ui uc 电 压 功 率 放 大 器 SM ua n 人工闭环控制系统 电动机转速开环控制系统 2、开环系统的优、缺点： 优点：组成简单、易实现；工作稳定。 缺点：抗干扰能力差，无法消除输出量产生的偏差。 3、电机转速开环速度控制系统结构图： 扰 动 量 输入量 电压和功率 放大器 直流电动机 电机转速开环速度控制系统结构图 输出量 二、闭环控制系统： 在控制器和被控对象之间不仅存在着正向作用，而且 存在着负反馈的作用来减小系统的误差，因此又称为 负反馈控制。 扰动量 输入量 + _ 控制环节 反馈量 反馈环节 被控对象 输出量 1、举例：电枢控制的直流电动机闭环控制系统 假设ui不变，n希 1500r / min n实 u2 u u ui u2 ua n 2、优点： （1）可有效地抑制扰动对系统的影响 （2）可提高系统的稳态精度 （3）加快系统的过渡过程 （4）自动化投资少 iB ui u 电 压 功 率 放 大 器 ua SM n u2 TG 电机转速闭环控制系统 ic 扰动量 M fz f t u1 输入量 W1 ui + u 电压、功 率放大器 ua 直流电动机 _ u2 W2 测速发电机 直流电动机闭环控制系统结构框图 输出量 n ct 3、特点： （1）有前向及反馈支路 （2）有检测环节 （3）靠偏差信号进行工作，闭环系统是有源的 4、缺点： 可能引起超调，造成系统振荡，甚至使得系统不稳定。 三、复合控制系统 开环控制和闭环控制相结合的控制方式。分为按输 入信号补偿和按扰动信号补偿两种方式。 补偿装置 输入量 控制器 按输入作用补偿 被控对象 输出量 补偿 扰动量 装置 输入量 控制 被控 装置 对象 按扰动作用补偿 输出量 第三节 控制系统的分类 按参考输入的类型来分： 一、随动系统： 在闭环控制系统中，如果控制信号为一任意时间函数， 其变化规律无法预先予以确定，则承受这类控制信号的 闭环控制系统叫做随动系统，又叫做跟踪系统。 例1.4-1 火炮随动系统 任务：控制火炮跟踪敌机，以便适时开炮击中目标 原理图如图所示，主要装置：自整角机，前置放大， 相敏检波，校正装置，直流放大，功率放大，电动 机，减速器，火炮 1 t 2 t 发送机 接收机 u 前 置 放 大 相 敏 检 波 校 正 装 置 直 流 放 大 功 率 放 大 u a SM 直流激磁 火炮随动系统原理图 2m 工作原理： 设平衡位置时，1 2 0， 0 , u 0 ua 0 此时火炮不动. 1 30 , 1 2 30 , u 0, ua 0 M顺时针旋 转 炮身旋转使 2 30 0 u 0 ua 0 M停止 火炮不动。 1 60 , t 60 30 30 u 0 ua 0 M旋转 炮身转动使 2 60 0 u 0 ua 0，M停 炮身不动 1 t + K1 前 置 放 u大 相 敏 检 波 校 正 装 置 直 流 放 大 功 率 放 大 ua 执 行 电 机 减 速 器 2 t 火炮随动系统方块图 1、随动系统的特点： 跟随给定值。 2、应用： 运动目标的自动跟踪；瞄准和拦截系统；自动仪量仪 器系统；仿形控制系统等。 二、恒值调节系统： 如果反馈控制系统的控制信号为恒定的常量，则称 这类反馈控制系统为恒值调节系统。 1、特点： (1)主要矛盾：扰动；（2）发生扰动，尽快恢复原值 2、应用： 电压、电流、转速、压力、温度、水位的自动调节等。 例1.4-2 电炉炉温控制系统 工作原理： E W u2 u1 u 电压 放大 1 功率 2 SM 放大 热电偶 电阻丝 iB ~220V 电炉炉温控制系统 飞机示意图 升降舵面 反馈电位器 给定电位器 飞机—自动驾驶仪系统 扰动 θ0 给 定 装 置 放 大 器 舵 机 反馈电 位器 垂直 陀螺仪 俯仰角控制系统方块图 飞 机 θc 四、连续系统和离散系统 1、线性定常连续控制系统：（*满足叠加原理） 组成系统各个环节的输入信号和输出信号都是时间的 连续信号。 2、线性定常离散控制系统：（数字控制系统） 如果控制系统中的信号为离散信号时，则它就属于离 散控制系统。 五、单输入单输出系统（SISO）和多输入多输 出系统（MIMO） 1、SISO：指只有一个输入量和一个输出量的系统。 2、MIMO：信号多、回路多、变量多，而且相互之间又 有耦合（关联）的多输入多输出系统，又叫多变量系统。 六、线性系统和非线性系统 1、线性系统：若系统可用线性常微分方程来描述则 该系统是线性的。 如 y t a y t by t cr t ，a，b，c为常数 又称线性时不变系统或线性定常系统。 2、非线性系统： 若线性系统中，系数不是常数，而是时间的函数， 如： yt at yt bt yt ct r t 称该系统为线性时变系统。 七、确定系统和不确定系统： 1、确定系统：系统结构参数确定，输入输出信号都 为时间的确定函数。 2、不确定系统：若有一个不满足， 则为不确定系统。 第五节 对控制系统的要求 1、系统是稳定的----------“稳”； 2、稳态误差要小-----------“准”； 3、相对稳定性好，动态品质好------------“好”。 ct c 4 3 2 t 控制系统的过渡过程曲线 ct cmax c tr tp t ts 单位阶跃下控制系统的过渡过程 典型外作用（自学） 1、阶跃函数（单位阶跃） 2、斜坡函数（单位斜坡） 3、脉冲函数 4、正弦函数 第一章 小结 1． (1) 掌握三种基本控制方式及特点。 (2) 掌握自动控制的任务、作用，自动控制系统的组成，自动控制 的常用术语 （给定值，被控量，被控对象，控制量，反馈量等）。 2． (1) 认识对控制系统性能的要求。（“稳”、“准”、“好”） (2) 通过对自动控制系统的示例，逐步建立起"控制系统"的概念；" 动态"的概念。 3. 三种基本控制方式： （1）只接受给定值信号r（t），称按给定值操纵得开环控制； （2）只测量干扰信号d（t），称按干扰补偿得开环控制； （3）接受、测量（或计算的是被控量对给定值的偏差信号r（t） －c（t）， 称按偏差调节的闭环控制，闭环控制必然是负反馈控制。 反馈控制是本章最重要的概念。 第一章 题 型 1、简答题： 简要回答自动控制理论的发展分为哪几个阶段，代表人物是谁？ 举例说明什么是开环控制和闭环控制？ 对控制系统的基本要求是什么？ 控制系统有哪些分类？ 2、填空题： 古典控制包括： 。 3、判断选择题 4、分析综合题 、 、 。它的数学基础是： 作业：1-2，1-4，1-6，1-8，1-9，1-10 第一次大作业：自动控制理论经过了哪几个发展 阶段？目前最新的进展如何？有哪些方面？（要求至 少要检索两篇最近1~2年内的外文文献，一篇中文文献 并附在作业后。可以通过E-mail 提交作业。） 预习与自学： 拉氏变换与微分方程求解 测 验 一 iB ui uc 电 压 功 率 放 大 器 电 压 放 大 ua SM R i n