新乡学院 自动控制1课件

主讲人：张清枝Tel:13937395104Office:A06-0419网络课程：92.168.200.51/portal新乡学院机电工程学院宗旨用多种模式实施形成性评价，淡化终结性评价；实施“不仅授之以鱼（fish），更要授之以渔（fishing）”的现代化教学理念，引导自主学习、强调应用和实践；营造交流、合作氛围；倡导诚信，抵制“抄袭”、“剽窃”等不道德的、违法学术行为。机械工程控制基础成绩评定平时成绩:期中+作业+考勤30%期末考试：70%课程性质：专业课（必修）机械工程控制基础关于学习的几点建议◎培养好的学习方法应用 数学 数学高考答题卡模板高考数学答题卡模板三年级数学混合运算测试卷数学作业设计案例新人教版八年级上数学教学计划 工具分析解决工程问题科学思维方法抽象综合数学工具(如MATLAB)的使用重视实践活动◎阅读学术期刊：IEEETransactionsonAutomaticControl,ControlSystemsTechnology…自动化学报，控制理论与应用，系统仿真学报，计算机工程与应用……*素质基本要求不影响他人学习或工作——不迟到，不早退，非讨论环节上课不讲话；尊重老师和同学，在来往邮件和其他场合，注意用语和署名；关心每一个学习有困难的同学并提供尽可能的帮助（不违法学术道德的前提下）爱护教室整洁，爱护校园及至地球环境（请在整个学习期间，包括你的 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 中贯穿这一理念）《自动控制原理及其应用》黄坚主编，高等教育出版社《信号与系统》郑君里主编，高等教育出版社前期知识准备及参考教材电工电子技术高等数学前期知识准备参考教材控制理论所要解决的主要问题系统建模（实际问题抽象，数学描述）1系统分析（稳定性，动/静态性能）2系统综合（ 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 选择，设计)3系统验证（数字仿真，半实物/实物仿真）4机械工程控制基础第1章绪论1.1控制技术发展综述1.2自动控制的基本原理及系统构成1.3控制系统的分类1.4对控制系统性能的基本要求1.1控制技术发展综述一.控制技术萌芽中国，埃及和巴比伦出现自动计时漏壶(1400BC--1100BC)；希腊Philon发明了采用浮球调节器来保持燃油液面高度的油灯（BC250）；中国张衡发明水运浑象，研制出自动测量地震的候风地动仪（132）；机械工程控制基础二.控制技术初步应用到工业中英国J.Watt用离心式调速器控制蒸汽机的速度(1788年)。机械工程控制基础1.1控制技术发展综述赫尔维茨（Hurwitz）三.经典控制1868年马克斯韦解决了蒸汽机调速系统中出现的剧烈振荡的不稳定问题，提出了简单的稳定性代数判据。1875~1895劳斯、赫尔维茨把马克斯韦的思想扩展到更复杂的系统中，提出了著名劳斯稳定判据和赫尔维茨稳定1.1控制技术发展综述机械工程控制基础四十年代由于第二次世界大战需要控制系统具有准确跟踪与补偿能力，美国贝尔实验室的奈奎斯特和伯德提出了频域内研究系统的频率响应法。奈奎斯特曲线γG(jω)ReIm0)(ωφωc-20dB/dec0+20-20ωdBL(ω)ωcσjω0p1p2p3153.490-63.4（W.R.Ewans）提出了复数域内研究系统的根轨迹法。建立在劳斯稳定判据的时域法、奈奎斯特的频率响应法和伊万斯的根轨迹法基础上的理论，称为经典控制理论。伯德图机械工程控制基础1.1控制技术发展综述1961年提出了极小（大）值原理。发展了最优化理论。◎四、现代控制理论60年代初形成并迅速发展起来的现代控制理论是在航天、航空、导弹等军事尖端技术的发展，对自动控制系统提出越来越高的要求的推动下发展起来的。要求设计高精度、快速响应、低消耗、低代价的控制系统；被控制对象越来越大型、复杂、综合化，从单个局部自动化发展成综合集成自动化在自适应控制理论和应用方面作出了贡献。庞特里亚金朗道机械工程控制基础1.1控制技术发展综述◎五、后现代控制理论80年代以后，控制理论向广度与深度发展大系统，是指规模大，结构复杂变量众多的信息与控制系统。在系统理论中，采用状态方程和代数方程相结合的数学模型，状态空间，运筹学等相结合的数学方法。智能控制是具有某些仿人智能的工程控制与信息处理系统，其中最典型的是智能机器人，智能主体等。21世纪网络、通讯、人机交互为代表的信息自动化集成的理论与技术。2006秋清华大学自动化系慕春棣自动控制理论*1.1控制技术发展综述大系统控制日本安川公司娱乐机械狗(2001)；日本SONY公司二足步行机械人SDR--4X(2002)；1.1控制技术发展综述例水温人工控制系统受控对象:水箱热传导器件系统的构成：被控制量:水温阀门显示仪表蒸汽排水冷水热水工作过程：蒸汽通过热传导器件把热量传递给水,水的温度与蒸汽的流量成正比.手动调节阀门的开度，从而调节蒸汽的流量,来控制水的温度.但人工难以实现稳定的高质量控制.例水温自动控制系统系统中增加了：控制器电机加入给定信号工作原理：检测实际温度产生控制信号通过电机调节阀门的开度从而调节蒸汽流入，控制水的温度.实现没有人直接参入的自动水温控制.控制器1.2自动控制的基本原理及系统构成受控量c(t)给定量r(t)是指认为指定的并且要求系统输出量参照变化的外部信号指令，又称为系统输入量。是指要求按预定规律变化的物理量，位于系统的输出端，又称之为被控量或输出量。控制器受控对象检测元件给定值被控量反馈量偏差自动控制系统中的几个概念偏差反馈是系统的某一输出量从输出端经变换、处理到达系统输入端的过程。返回的全部或部分输出信号。给定量与反馈量之差。反馈信号误差系统输出的实际值与期望值之差。控制器受控对象检测元件给定值被控量反馈量偏差自动控制系统中的几个概念二、自动控制系统的基本构成及控制方式1．开环控制有顺向作用而无反向联系.不同的被控对象和不同的控制装置构成了不同的控制系统，所以自动控制系统的种类是很多的。自动控制系统一般有两种基本控制方式.开环控制控制装置与受控对象之间只1.2自动控制的基本原理及系统构成2．闭环控制闭环控制:闭环控制又称为反馈控制或按偏差控制。控制装置与受控对象之间，不但有顺向作用，还有反向联系。例转台速度闭环控制系统系统中增加了测速发电机作为反馈装置测出电动机的速度反馈给控制器。与给定信号比较产生偏差电压，经过功率放大后对电动机的速度进行闭环控制.当速度受扰动发生变化时，偏差电压也随之变化，通过闭环调节能消除干扰。系统结构图测速机偏差预期速度实际转速放大器_直流电动机转台1.2自动控制的基本原理及系统构成例直流调速系统直流电机测速发电机电源和控制装置负载系统组成：UnUf输入反馈电压e=Un-Uf转速取决于：n输出电枢电压UdUd=Ke当干扰引起转速变化时，系统自动调整：n↓→Uf↓→e↑→Ud↑→n↑系统结构图测速机unufeudn_放大器直流电动机1.2自动控制的基本原理及系统构成（3）能减小或消除由扰动形成的偏差，具有较高的控制精度和较强的抗扰能力。通过以上的实例分析可得出闭环控制系统具有的特点：（1）系统的控制信号是给定值与反馈量的差值，故称为按偏差控制或反馈控制。（2）闭环系统有两种传输通道：前向通道和反馈通道。自动控制原理中主要讨论闭环控制系统。1.2自动控制的基本原理及系统构成3．复合控制测量出外部作用，形成与外部作用相反的控制量与外部作用共同使被控量基本不受影响。前馈补偿控制复合控制具有两种基本形式.前馈补偿控制：复合控制：反馈控制+在外部作用下，由系统被控制量的变化产生调节和控制作用。反馈控制：1.2自动控制的基本原理及系统构成(a)按输入前馈补偿的复合控制给定值被控制量_检测元件控制器前馈通道受控对象前馈补偿控制反馈控制主通道1.2自动控制的基本原理及系统构成(b)按扰动前馈补偿的复合控制给定值被控制量_检测元件控制器受控对象前馈补偿控制反馈控制主通道前馈通道扰动1.2自动控制的基本原理及系统构成1、有无反馈环节自动控制系统的分类方法较多，常见的有以下几种2、信号类型1.3　控制系统的分类连续系统：系统中各部分的信号都是时间的连续 函数 excel方差函数excelsd函数已知函数     2 f x m x mx m      2 1 4 2拉格朗日函数pdf函数公式下载 即模拟量。离散系统：系统中有一处或多处信号为时间的离散函数，如脉冲或数码信号。若系统中既有模拟量也有离散信号，则又可称之为采样系统。1.3　控制系统的分类3、变量数量4、控制量的变化规律恒值系统：系统的给定值为一定值，而控制任务就是克服扰动，使被控量保持恒值。1.3　控制系统的分类例如：电机速度控制、恒温、恒压、水位控制系统等。随动系统：系统给定值按照事先不知道的时间函数变化，并要求被控量跟随给定值变化。如：火炮自动跟踪系统、轮舵位置控制系统等。1.3　控制系统的分类程序控制系统：系统的给定值按照一定的时间函数变化，并要求被控量随之变化。例如：机械手1.3　控制系统的分类5、系统本身的动态特性定常系统:系统数学模型微分方程的系数不是时间变量的函数。否则称为时变系统。若系统微分方程的系数为常数，则称之为线性定常系统。此类系统为本书主要讨论对象。6、控制方法1.3　控制系统的分类1.4对控制系统的基本要求稳定性快速性准确性1.稳定性如果处于某平衡状态系统受到扰动后，偏离原来的平衡状态而当扰动取消后，系统又能逐渐恢复到到原来的平衡状态，则称系统是稳定的。稳定系统的数学特征是其输出量具有非发散性；反之，系统是不稳定系统。c(t)r(t)t0c(t)t01.4对控制系统的基本要求r(t)c(t)t0临界稳定r(t)控制系统稳定性由系统结构所决定，与外界因素无关。稳定性由控制系统内部储能元件的能量不可能突变所产生的惯性滞后作用所导致。1.4对控制系统的基本要求要求自动控制系统的过渡过程尽量短暂，输出尽快平稳地跟踪上输入的变化。例如:稳定高射炮射角随动系统，虽然炮身最终能跟踪目标，但如果目标变动迅速，而炮身行动迟缓，仍然抓不住目标。快速性表明了系统输出c(t)对系统输入r(t)响应的快慢。快速性对过渡过程的形式和快慢提出要求，对应的分别为平稳性和快速性，一般称为动态性能。2.快速性火炮随动控制1.4对控制系统的基本要求2.快速性图1.14稳定系统的典型单位阶跃响应曲线峰值时间超调量性能指标上升时间调节时间（过渡时间）振荡次数N1.4对控制系统的基本要求当过渡过程结束后，要求输出量最终应准确地达到希望值，否则将产生稳态误差。系统的准确性反映了系统在一定外部信号作用下的稳态精度，指稳定系统完成过渡过程后的稳态输出偏离希望值的程度。它可用系统的稳态误差和稳态误差系数来表征。准确性指标有稳态误差，3.准确性1.4对控制系统的基本要求*4灵敏度系统中元件参数的改变对系统响应的影响，可以用灵敏度来表示。*5抗干扰性系统的抗干扰性，直接与系统的稳态精度有关，是衡量控制系统品质的一个重要参数。1.4对控制系统的基本要求*稳健性（Robustness，鲁棒性）上述的4和5两个指标结合起来，称为系统的稳健性指标。一个控制系统，如果具有低的灵敏度和良好的抗干扰性，则我们称为系统是稳健的（Robust,鲁棒）。1.4对控制系统的基本要求注意：1不同性质的控制系统，对稳定性、精确性和快速性要求各有侧重；2系统的稳定性、精确性、快速性相互制约，应根据实际需求合理选择。1.4对控制系统的基本要求1.控制系统发展历史2.控制系统的基本构成3.控制系统的分类4.对控制系统的基本要求作业：1-2，1-6小结：