自动控制原理 绪论 ppt课件

16
17
18
3、现代控制理论 （ 50年代末-60年代初）
Ø空间技术的发展提出了许多复杂控制问题，用于导弹、 人造卫星和宇宙飞船上。 Ø匈牙利数学家Kalman “控制系统的一般理论”奠定了 现代控制理论的基础 Ø研究的主要对象是多输入、多输出——多变量系统。 Ø如，汽车看成是一个具有两个输入（驾驶盘和加速踏 板）和两个输出（方向和速度）的控制系统。 Ø计算机科学地发展，极大地促进了控制科学地发展
功率 放大器
电动机
+
减速器
_E
调压器
220
36
1－4 反馈控制系统的基本组成
控制目标：要求炉子的温度恒定在期望的数值上。 控制过程：
期望温度 + u
电压放大器
ur
_
ub
功率放大器
电机、减速器、 调压器
炉子
实际温度
热电偶
37
表示电路、程序、工艺流程等内在联系的图形。方框内表 示各独立部分的性能、作用等，方框之间用线连接起来，表示 各部分之间的相互关系。简称框图。也叫方块 图。
输出情况下的系统综 现在一定意义下的最优控
合
制与设计
20
1－2 自动控制理论的发展
4、大系统控制理论（ 70年代）
➢ 大系统控制理论是一种过程控制与信息处理相结合的动态系 统工程理论，研究的对象具有规模庞大、结构复杂、功能综 合、目标多样、因素众多等特点。它是一个多输入、多输出、 多干扰、多变量的系统。
控制的物理量。
输入量：作用于控制对象或系统输入端，并可使系统具有
预定功能或预定输出的物理量。
扰动：所有妨碍控制量对被控量按要求进行正常控制的因
素，称为干扰量或扰动量。
9
1－2 自动控制理论的发展
一.控制系统的发展史
自动控制成为一门科学是从1945发展起来的。
开始多用于工业：压力、温度、流量、位移、湿度、粘 度自动控制
控制目标：要求炉子的温度恒定在期望的数值上。 控制过程：
输入信号 （期望炉温）
脑 （计算、比较）
放大、执行 （手臂、手）
测量 （眼睛）
被控对象 （电热丝、炉子）
输出信号 （实际炉温）
35
1－4 反馈控制系统的基本组成
2.温控系统——自动控制
炉子 热电偶 _ 电热丝 +
给定信号 _+
u
ub
ur
电压 放大器
6
在自动控制中，用控制装置代替人来完成上述功能。 例如，自动控制热力系统如图1.4所示。
给定水温 实际水温 放大器 电动阀门

图 1 .4 自 动 控 制 热 力 系 统
7
直流电动机自动调速系统如图1.5所示。
U
Ug
U 放 大 器 U d
D
I f 常数
Uf +
测速发电机
预定的程序进行，要求被控量能迅速准确地复现输入，如化 工中的压力、温度、流量控制。
恒值控制系统可看成输入等于常值的过程控制系统。
27
1－3 自动控制系统的分类
3、随动系统（或称伺服系统）
特点：输入信号是一个未知函数。要求控制系统的 输出量跟随输入信号变化。
如：火炮自动跟踪系统。 该系统要求有较好的跟踪能力。
➢ 如：人体，我们就可以看作为一个大系统，其中有体温的 控制、情感的控制、人体血液中各种成分的控制等等。
➢ 大系统控制理论目前仍处于发展阶段。
21
1－2 自动控制理论的发展
5、智能控制
➢ 这是近年来新发展起来的一种控制技术，是人工智能在 控制上的应用。它的指导思想是依据人的思维方式和处 理问题的技巧，解决那些目前需要人的智能才能解决的 复杂的控制问题。
31
1－3 自动控制系统的分类
2、非线性系统
特点：在构成系统的环节中有一个或一个以上的非线性 环节。
非线性的理论研究远不如线性系统那么完整，目前尚无 通用的方法可以解决各类非线性系统。
其他的分类方法：
按功能来分： 温度控制系统、速度控制系统、 位置控系统等。
按元件组成分：机电系统、液压系统、生物系统等。
图 1.5 直 流 电 动 机 速 度 自 动 控 制 系 统
因此所谓自动控制是在没有人参与的情况下，利用 控制装置使被控制对象和过程自动地按预定规律变化 的控制过程。具有自动控制功能的系统称为自动控制 系统。
8
控制器：对被控对象起控制作用装置的总体. 被控对象：要求实现自动控制的机器，设备或生产过程。 被控量：被控对象的工作状态. 输出量：表现于控制对象或系统输出端，并要求实现自动
andn d nc nt(a tn ) -1dn d -1n-n 1 -c 1 t ( t)a1d dcta (0c t)(t) b m d m d m m rt( tb m )-1d m d -1 m m -1 -1 r t ( t) b 1d dr tb (0 rt( )t)
式中：r(t)——系统输入量； c(t)——系统输出量 主要特点是具有叠加性和齐次性。
•十九世纪前半叶，动力使用了发电机、电动机
Ø 促进了水利、水电站的遥控和程控的发展以及电压、电流的自动调节技
术的发展
•十九世纪末，二十世纪初，使用内燃机
Ø 促进了飞机、汽车、船舶、机器制造业和石油工业的发展，产生了伺服
控制和过程控制
•二十世纪初第二次世界大战，军事工业发展很快
Ø 飞机、雷达、火炮上的伺服机构，总结了自动调节技术及反馈放大器技术12，
功能派(计算机派或心理学派)。把计算机科学与心理学相结合, 充分发挥计算机软件的潜力,通过知识表达和推理,模拟人的智能 活动和思维过程,摆脱了脑生理原型研究的牵制,取得了显著的进 展。特别是专家系统的研究和开发,使人工智能从实验室走出来, 进入了实用化的知识工程领域,已成为当前人工智能发展的主流。
从方法论的观点看来,结构派采用“白箱”方法,功能派采用 “黑箱”方法,但是结构是功能的基础,功能是结构的表现。因此, 在人工智能研究中,结构和功能研究应相互促进,“白箱”方法与 “黑箱”方法应相互结合,取长补短,才能取得更大的进展。
采样控制理论
3. 现代控制理论 4. 大系统理论 5. 智能控制理论
11
1.胚胎萌芽期（1945年以前）
•十八世纪以后，蒸汽机的使用提出了调速稳定问题
Ø 1765年俄国人波尔祖诺夫发明了锅炉水位调节器 Ø 1784年英国人瓦特发明了调速器，蒸汽机离心式调速器 Ø 1877年产生了古氏判据和劳斯稳定判据 Ø 1892俄国李雅普诺夫“论运动稳定性的一般问题”论文
32
1－3 自动控制系统的分类
分类小结
1.
按传递路径
开环系统 闭环系统
恒值控制系统 2. 按控制作用 程序控制系统
随动系统
3.
按信号性质
连续系统 离散系统
4.
按数学模型
线性系统 非线性系统
33
1－4 反馈控制系统的基本组成
1. 温控系统——人工控制
温度计
炉子 电热丝
调压器 220
34
1－4 反馈控制系统的基本组成
5
上述两个系统都是由人工控制的，可以看出，人在控 制过程中起三个作用： （1）观测：用眼睛去观测温度计和转速表的指示值； （2）比较与决策：人脑把观测得到的数据与要求的数 据相比较，并进行判断，根据给定的控制规律给出控 制量； （3）执行：根据控制量用手具体调节，如调节阀门开 度、改变触点位置。 人工控制的缺点：精度不高，速度慢，有些场合人不 能参与（高温，有放射性）
自动控制原理 绪论 ppt课件
《自动控制原理》教材
1.《自动控制原理》 科学出版社 胡寿松
(推荐教材)
2.《控制理论基础》
科学出版社
王显正等
3.《自动控制系统》
高教出版社
汪小帆等
4.《Automatic Control System》Benjamin C. Kuo
（高教出版社 ）
2
转矩平衡过程
当电动机轴上的机械负载发生变化时，通过电动 机转速、电动势、电枢电流的变化，电磁转矩将自 动调整，以适应负载的变化，保持新的平衡。
例：设外加电枢电压 U 一定，T=T2 (平衡)，此时，
若T2突然增加，则调整过程为
T2
n EKEΦn E
T TKTΦaI Ia
Ia
U
Ea Ra
达到新的平衡点(Ia 、 P入) 。
19
经典控制理论与现代控制理论比较
项目
经典控制理论
现代控制理论
研究对象 描述方法 研究办法
线性定常系统 （单输入、单输出）
传递函数 （输入、输出描述）
根轨迹法和频率法
线性、非线性、定常、 时变系统
（多输入、多输出） 向量空间
（状态空间描述）
状态空间法
研究目标
系统分析及给定输入、 揭示系统的内在规律，实
28
1－3 自动控制系统的分类
三、按系统传输信号的性质来分类 1、连续系统
特点：系统各部分信号都是模拟的连续函数。目前工业中 普遍采用的常规仪表PID调节器控制的系统。
2、离散系统
特点：系统的某一处或几处信号以脉冲序列或数码形式传 递的控制系统。系统中用脉冲开关或采样开关，将连续信号 转变为离散信号。其中离散信号以脉冲形式传递的系统又叫 脉冲控制系统，离散信号以数码形式传递的系统又叫数字控 制系统。
方框（块）图 中的符号
元部件 信号（物理量）及传递方向 比较点 引出点 表示负反馈
38
1－4 反馈控制系统的基本组成
一般的形式
输入信号 比较
输出信号
放大
执行
被控对象
测量
输入信号——系统控制目标的反映，是人的意志的具体体现。 控制系统——主要完成对有关信号的变换、处理，发出控制