自动控制原理
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自动控制原理. 主讲 : 张海霞 电话 :15327310378 Email:[email protected] 20 12 年 9 月. 课程基本信息. 课程名称: 自动控制原理( Principles of Automatic Control) 先修课程: 高等数学;电路分析;模拟电子线路;数字电路与逻辑设计;电机;信号与系统。 适用专业:自动化及自控专业 开课学期: 5 学 时: 64 成绩评定:总成绩 = 期末( 70% ) + 平时( 20% ) + 实验( 10% ). 教材及参考书目. 教材:

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自动控制原理

主讲:张海霞

电话:15327310378

Email:[email protected]

2012年9月


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课程基本信息

  • 课程名称:

    自动控制原理(Principles of Automatic Control)

  • 先修课程:

    高等数学;电路分析;模拟电子线路;数字电路与逻辑设计;电机;信号与系统。

  • 适用专业:自动化及自控专业

  • 开课学期:5

  • 学 时:64

  • 成绩评定:总成绩=期末(70%)+ 平时(20%)+实验(10%)


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教材及参考书目

教材:

自动控制原理,冯巧玲,北京航空航天大学出版社

参考教材:

1.《自动控制原理》,胡寿松,科学出版社。

2.《自动控制原理》,李友善,国防工业出版社 。

3.《自动控制系统》,汪小帆等,高教出版社。

4.《LinearControlSystemAnalysisandDesign》

JohnJ、D’azzo,ConstantineH、Houpis. (FourthEdition). McGraw-HillPress,2000(英文教材)

5.《Automatic Control System》Benjamin C. Kuo,高教出版社


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自动控制系统的理论及其应用

  • 自控理论

    ——研究自动控制共同规律的一门科学。

  • 自动控制:在无人直接参与的情况下,利用控制装置,自动的操纵机器设备或生产过程,使其按预定的规律工作或运行。

  • 自控技术广泛的应用于工业、军事、航天等领域。


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自控理论发展简史

  • 人类对反馈调节原理早有认识: 1765年,James Watt 为控制蒸汽机速度设计的离心调节器,是最早的自动控制系统。

  • J. C. Maxwell发表了《论调节器》,系统地研究了反馈系统的稳定性问题(1868年)

  • E. J. Routh(1877年)、A. Hurwitz(1895年)分别独立地提出了稳定性判据。

  • A. M. Lyapunov《论运动稳定性的一般问题》(1892年)


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  • 1932年,H. Nyquist提出了稳定判据,为频率法奠定了基础。随后,H. W. Bode完善了分析控制系统的图解法(频率法)。

  • 1948年,W. R. Evans提出了根轨迹法

经典控制理论的主要特点:

  • 以频率法和根轨迹法为核心

  • 广泛应用于单输入单输出(SISO)系统的分析和设计


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  • 1960年代,控制工程的需求(宇航、军工、过程控制等),出现了多输入多输出(MIMO)系统,其特点是:

    • 变量多、变量之间存在耦合;

    • 非线性、时变;

    • 要求系统能在一定的约束条件下达到性能指标最优;

  • 现代数学和计算技术的发展,为控制理论的进一步发展准备了数学基础和计算工具


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  • 现代控制理论的主要内容

    • 美国Bellman等人提出的状态空间法;

    • 前苏联Pontryagin提出的极大值原理;

    • 动态规划法(Bellman)

    • 最佳滤波器理论(Kalman)

    • 能控能观性理论


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现代控制理论的主要特点:

* 以系统的状态空间模型为基础

* 以状态空间法为主要的分析和设计方法

* 寻找最优控制规律,使系统性能指标达到最优


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控制系统的分类

  • 按照分析和设计方法

    • 线性、非线性

    • 时变、非时变

  • 参考输入信号的变化规律

    • 恒值控制系统、随动控制系统、程序控制系统

  • 系统内部传输信号的性质

    • 连续控制系统、离散控制系统

  • 按控制方式分

    • 开环控制系统、闭环控制系统

  • 被控量的名称来分类

    • 温度控制系统、转速控制系统


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控制系统的分类

  • 线性控制系统和非线性控制系统

    • 若组成控制系统的元件都具有线性特性,则称之为线性控制系统

    • 齐次性和叠加性

    • 线性系统中的参数不随时间变化——线性定常系统

    • 线性系统中的参数随时间变化——线性时变系统

  • 恒值控制系统

    • 要求被控制量在任何扰动作用下能尽快地恢复或接近到原有的稳定值(自镇定系统:预定的控制规律(系统的参考输入)为常数)


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  • 随动控制系统

    • 系统的参考输入是一个变化的量,一般是随机的,或未知的,要求系统的被控制量能快速、准确地随参考输入信号的变化而变化

  • 程序控制系统

    • 系统的参考输入是固化好的程序,要求系统的被控量能按照程序预定的规律运行


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+

_

控制作用

控制器

被控对象

给定环节

反馈环节

A/D

计算机

D/A

  • 连续控制系统

    • 控制系统中的各部分的信号都是时间连续函数

  • 离散控制系统

    • 在控制系统各部分的信号中只要有一个是时间的离散信号


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参考输入

控制器

被控对象

被控制量

基本控制方式

  • 开环控制

    如果系统的输出量与输入量间不存在反馈的通道,这种控制方式称为开环控制系统

    • 结构简单

    • 所用元器件少、成本低

    • 调整方便,一般情况下容易稳定

    • 没有消除或减小偏差的功能,抗扰动性较差


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扰动

晶闸管整流

装置

控制电压

电动机

转速

触发器

开环控制系统举例

  • 开环直流调速系统

    可控硅(Silicon Controlled Rectifier, SCR; 或Thyristor)

    阳极:AnodeA

    阴极:CathodeK

    控制极:GateG


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闭环控制方式

  • 闭环控制

    若把系统的被控制量反馈到它的输入端,并与参考输入相比较,以二者之差作为控制器的输入,使被控量按预定规律变化的控制方式,称之为反馈控制,又被称为闭环控制。

    • 反馈

      把系统的输出量送回输入端,并与输入信号相比较产生偏差信号的过程,称为反馈。若反馈的信号与输入信号相减,使产生的偏差越来越小,则称为负反馈;反之,则称为正反馈。

    • 控制系统的结构复杂,分析、设计难度大

    • 被控制量所遵从的预定变化规律由参考输入确定

    • 偏差控制,可以抑制甚至消除内、外扰动对控制量产生的影响


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扰动

晶闸管整流

装置

+

_

电动机

转速

控制电压

触发器

触发器

测速发电机

闭环控制系统举例

闭环直流调速系统

测速发电机


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自动控制原理中的一些概念及示例

  • 系统

    一些相互作用以完成某个目标的元素或组成部分的集合

  • 控制(Control)

    为了达到某一合适的目的,对能实现此目的的对象所施加的必要的操作。

  • 自动控制

    在没有人直接参与的条件下,利用控制器使被控对象的某些物理量能自动地按照预定的规律变化。

  • 受控量

    要求按预定规律变化的物理量,称之为被控量、受控量或输出量

  • 自动控制系统

    把实现自动控制所需的各部件按功能组合起来,去控制被控对象,这样所形成的系统,称之为自动控制系统


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举例

1. 温控系统——人工控制


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举例

控制目标:要求炉子的温度恒定在期望的数值上。

控制过程:


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举例

2.温控系统——自动控制


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举例

控制目标:要求炉子的温度恒定在期望的数值上。

控制过程:


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实际变化

预定规律

“1”

“0”

“1”

举例

  • 电冰箱温度自动控制系统

制冷电机动作状态


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加水

洗涤

排水

漂洗

排水

漂洗

排水

甩干

  • 洗衣机动作自动控制系统

正转、反转定时

正转反转定时

正转反转定时

甩干定时

预定水位

排干

排干

排干


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+

功率放大

_

_

+

  • 液位自动控制系统

执行元件

被控对象

放大元件

进水阀

储水箱

电动机

功率放大

比较环节

浮子

测量元件


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+

_

  • 位置随动系统

测量元件

被控对象

执行元件

直流电桥

放大器

电动机

减速器

比较环节


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+

_

系统框图的基本组成单元

  • 引出点:

  • 比较点:

  • 部件:

输入量

输出量

部件名称


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控制作用

控制器

被控对象

给定环节

反馈环节

_

+

放大器

执行元件

自动控制系统框图的一般形式


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对控制系统的性能要求

  • 稳、快、准

    稳——稳定性

    快——动态性能,衡量指标:超调量、上升时间、调整时间等

    准——稳态精度,衡量指标:稳态误差


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本课程的特点和任务

课程特点:

  • 自动控制原理为分析和设计开放的、人造的自动控制系统提供了方法论。——自动控制原理能够指导人们设计适当的控制器,使系统的性能满足设计者的预定目标。

  • 自动控制原理所研究的对象主要是动态特性可以用线性微分方程或差分方程表示的简单系统或复杂系统。随着通信、机械制造、化工、空间技术等领域内对自动控制的需求,大系统、复杂巨系统、非线性系统等的控制理论也在不断发展。


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基本任务:

  • 掌握对系统的输出或状态参量进行自动控制的一般原理

  • 能够建立表示系统动态特性的微分方程或差分方程,并在此基础上建立系统的传递函数和方块图

  • 使能够从时域和频域两方面对系统的响应、稳定性等性能指标进行分析

  • 能够利用系统分析的知识对系统进行综合,掌握线性系统的校正方法,从而设计满足性能要求的控制器


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