自动控制_长安校区

自 动 控 制 Automatic Control 主讲人：马银龙 © 2010 Department of Electrical Engineering © 2010 Department of Electrical Engineering © 2010 Department of Electrical Engineering © 2010 Department of Electrical Engineering © 2010 Department of Electrical Engineering 简单的水位自动控制系统 © 2010 Department of Electrical Engineering 较完善的水位自动控制系统 © 2010 Department of Electrical Engineering 蒸汽 杠杆 套筒 圆锥形齿 轮蒸汽机 负载 阀门 n n n1 采用离心调速器的蒸汽机转速控制系统 © 2010 Department of Electrical Engineering • 控制器与被控对象之间只有正向的控制作用。 • 输出量对控制量没有影响。 • 输入输出间没有反馈回路。 控制器 被控对象 输入量 控制量 输出量 定时器设定 的时间 烤箱的加热系统 面包的颜色 © 2010 Department of Electrical Engineering 1. 结构简单、造价低。 2. 系统的控制精度取决于给定信号的标定精度及控制器及被控对象参 数的稳定性。 3. 开环系统没有抗干扰的能力。因此精度较低。 1. 控制量的变化规律可以预知。 2. 可能出现的干扰可以抑制。 3. 被控量很难测量。 应用较为广泛，如家电、加热炉、车床等等。 开环控制系统由于没有反馈回路，不能根据系统输出自动地进行控 制，因此不是自动控制系统。 © 2010 Department of Electrical Engineering 将输出量引入到输入端，使输出量对控制作用产生直接的影响，形成闭环控制系统。 Mc↑→n↓→u f ↓→u e (=u r -u f )↑→u a ↑→n↑ 直流电动机转速闭环控制系统 © 2010 Department of Electrical Engineering 直流电动机转速闭环控制系统方块图 前向通道：系统输入量到输出量之间的通道。 反馈通道：从输出量到反馈信号之间的通道。 比较环节：输出量为各输入量的代数和。 输入量：ur 输出量：n 反馈量：uf 控制量：ua 偏差量(ue)＝给定量 (ur )－反馈量(uf ) © 2010 Department of Electrical Engineering 1. 系统对外部或内部干扰(如内部件参数变动)的影响不甚敏感。 2. 出于采用反馈装置，导致设备增多，线路复杂。 3. 闭环系统存在稳定性问题。由于反馈通道的存在，对于那些惯性较 大的系统，若参数配合不当，控制性能可能变得很差．甚至出现发 散或等幅振荡等不稳定的情况。 对于主反馈必须采用负反馈。若采用 正反馈将使偏差越来越大。 © 2010 Department of Electrical Engineering 反馈信号与输入信号相减 若为正反馈？…… 直流电动机转速闭环控制系统方块图 负反馈 © 2010 Department of Electrical Engineering 是一个带有反馈装置的动力学系统。系统能自动而连续地测量被控制量， 并求出偏差，进而根据偏差的大小和正负极性进行控制，而控制的目的是力 图减小或消除所存在的偏差。 1. 结构上必须有反馈装置并按负反馈的原则构成系统。 2. 由偏差产生控制作用。 3. 控制的目的是尽量的减小或消除偏差，使输出量接近于期望值。 © 2010 Department of Electrical Engineering 串联 校正元件 放大元件 执行元件 控制对象 并联校正元件 测量元件 输入 信号 r(t) + + - - 比较 元件 e(t) 偏差 信号 主 反 馈 信 号 局部反馈 主反馈 扰动 输 出 C(t) 典型自动控制系统方块图 © 2010 Department of Electrical Engineering © 2010 Department of Electrical Engineering 垂直陀螺仪 给定 装置 放 大 器 舵 机 飞 机 反馈电位器 θ0 扰动 俯仰角控制系统方块图 © 2010 Department of Electrical Engineering 1. 按给定信号的形式 恒值系统 / 随动系统 2. 按系统是否满足叠加原理 线性系统 / 非线性系统 3. 按系统参数是否随时间变化 定常系统 / 时变系统 4. 按信号传递的形式 连续系统 / 离散系统 5. 按输入输出变量的多少 单变量系统 / 多变量系统 © 2010 Department of Electrical Engineering 19世纪初 经典控制理论 • 时域法 • 复域法 (根轨迹法) • 频域法 20世纪60年代 经典控制理论 • 线性系统 • 自适应控制 • 最优控制 • 鲁棒控制 • 最佳估计 • 容错控制 • 系统辨识 • 集散控制 • 大系统复杂系统 20世纪70年代 智能控制理论 • 专家系统 • 模糊控制 • 神经网络 • 遗传算法 © 2010 Department of Electrical Engineering © 2010 Department of Electrical Engineering 即稳定性，是指系统重新恢复平衡状态的能力，任 何一个正常工作的系统首先必须是稳定的。 即准确性，是对系统稳态（静态）性能的。它 是衡量系统控制精度的重要指标。 即快速性，是对系统动态性能（过度过程性能）的 要求。快速性是衡量系统质量高低的重要指标之一。 © 2010 Department of Electrical Engineering 系统的典型阶跃响应及动态性能指标 h(t) t 0 1 𝝈% 允许误差：0.05 ts tp 0.5 td 0.1 0.9 tr Td：延迟时间 Tr：上升时间 Tp：峰值时间 Ts：调节时间 𝝈%：超调量 © 2010 Department of Electrical Engineering 延迟时间td：阶跃响应第一次达到 终值的50％所需的时间。 上升时间tr：阶跃响应从终值的10％ 上升到终值的90％所需的时间。有 振荡时，可定义为从0到第一次达到 终值所需的时间。 峰值时间tp：阶跃响应越过终值达 到第一个峰值所需的时间。 调节时间ts：阶跃响应到达并保持 在终值5％误差带内所需的最短时间。 超调量σ ％：峰值超出终值的百分比。 ( ) ( ) % ( ) ph t h h      © 2010 Department of Electrical Engineering 连续 系统 离散 系统 • 时域分析与校正 （基于传递函数） • 根轨迹法 • 频域分析与校正 （基于Bode图、 Nyquist图） • z 变化方法 （基于脉冲传递 函数） • 离散系统的数字 校正 离散化 采样、保持 © 2010 Department of Electrical Engineering 系统中有一处或几处信号是脉冲串或数码 (1)控制计算由程序实现，便于修改，容易实现复杂的控制律； (2)抗干扰性强； (3)一机多用，利用率高； (4)便于联网，实现生产过程的自动化和宏观管理。 (1)采样点间信息丢失，与相同条件下的连续系统相比，性能 会有所下降； (2)需附加A/D, D/A转换装置。 © 2010 Department of Electrical Engineering 计算机控制系统 © 2010 Department of Electrical Engineering ② 字长足够 认为 •采样 — 时间上离散 •量化 — 数值上离散 ① t <