PDF《自动控制理论》

自动控制理论Principles of Automatic Control By By 王王慧慧hwang@iipc.

zju.edu.cn

13064717398 p By By 王王慧慧[email protected]

13064717398 赵豫红 赵豫红 [email protected] 13588011887(691887) 助教李佳 助教李佳 燕燕助教李佳 助教李佳 燕燕[email protected] 15088719919(596919) 浙江大学控制科学与工程学系

1 课程简介 ? 自动控制原理 所需的预修课程 ?数学分析(微积分)、常微分方程、复变函数、电路原理等 ? 自动控制原理 讨论的内容 自动控制原理 讨论的内容 (1)建立 系统模型(包括连续时间系统和离散时间系统) (2)模型的各种表示与转换关系 (2)模型的各种表示与转换关系 (3)基于模型的系统分析:稳定性、稳态误差、系统性能等 (4)各种分析系统的方法 时域 复频域 频域 (4)各种分析系统的方法:时域、复频域、频域 (5)系统的综合设计方法 本课程中考虑线性时不变系统.

2 课程目标及要求 ? 课程目标 C介绍控制理论(control theory;

cybernetics)的基本原理 C培养对控制系统理论的基本理解能力 C学习如何分析并设计自动控制系统 ? 课程要求 C预习,课堂听讲,复习 .有事有病请假. C按时完成作业. ? 考核标准 C平时成绩:30% C期中测试:10-20% C期末考试:50-60% 期末考试

3 课程教学团队 ? 联系方式 王慧玉泉校区控制系新楼401室13064717398 C王慧:玉泉校区控制系新楼401室;

13064717398 赵豫红:玉泉校区控制系新楼411室;

13588011887 吴俊j@ii j d 吴俊:[email protected] 邵之江:[email protected] 徐正国 @ j d 徐正国:[email protected] 宋春跃:[email protected] 杨秦敏 杨秦敏:[email protected] 周立芳:[email protected] C中文班助教李佳 燕: 15088719919(596919)

4 控制系本科教学平台:http://www.cse.zju.edu.cn/eclass/ 浙江大学控制科学与工程学系

5 控制系本科教学平台:http://www.cse.zju.edu.cn/eclass/ 点击课程:自动控制原理I 点击课程:自动控制原理I 浙江大学控制科学与工程学系

6 本科教学课程网站: http://www.cse.zju.edu.cn/eclass/control_theory_1/ 理论教学(课件):资源下载(作业) 正在建设中....... 浙江大学控制科学与工程学系

7 课程参考书目 ? 参考书目 1. 《自动控制原理》:孙优贤、王慧主编. 2012, 化工出版社 2. 《自动控制原理》 (第五版) ;

胡寿松主编, 2006, 科学出版社 3. 《化工过程控制原理》(第二版);

周春晖主编, 1998, 化工出版社

4 《自动控制系统》 (第八版) ;

汪小帆 李翔译

2004 高等教育出 4. 《自动控制系统》 (第八版) ;

汪小帆,李翔译, 2004, 高等教育出 版社 5. 《现代控制系统》(第八版), 谢红卫等译, 2004,高教出版社 6. 《动态系统的反馈控制》 (第四版) ;

朱齐丹等译, 电子工业出版社 ......

8 课程参考书目 ? 参考书目 1. John J.D'

Azzo, Constantine H.Houpis, 2001,

2006 Linear Control System Analysis and Design (Fourth or Fifth Linear Control System Analysis and Design (Fourth or Fifth Edition) 2. Gene F.Franklin, J.David Powell, Abbas Emami-Naeini. , , Feedback Control of Dynamic Systems(Fourth Edition) 3. Karl Johan Astrom &

Richard M. Murray,

2008 Feedback Systems---An Introduction for Scientists and Engineers 4. Benjamin C.Kuo, Farid Golnaraghi, Automatic Control Systems (Eighth Edition)

9 第章第章

第一章

第一章 绪绪论论绪绪论论??关键词 关键词 系统 控制 控制系统 系统 控制 控制系统 自动控制系统 自动控制系统 ? ? 系统、控制、控制系统 系统、控制、控制系统 、自动控制系统 、自动控制系统 ? ? 输入、输出、反馈 输入、输出、反馈 ? ? 开环控制、闭环控制 开环控制、闭环控制 主要内容 ? 自动控制系统的基本概念 ? 自动控制系统的基本概念 ? 自动控制系统的基本结构形式 ? 自动控制系统的分类 对自动控制系统的基本要求 ? 对自动控制系统的基本要求 ? 自动控制理论的发展概况 ? 自动控制理论的发展概况 ? 课程的主要内容安排

11 系统 ? 系统(System) 组相互关联并共同完成特定功能的集合体(或装置 部C一组相互关联并共同完成特定功能的集合体(或装置、部件)称之为系统 ? 静态(稳态)系统(Static System) ? 静态(稳态)系统(Static System) C 系统的输入输出关系与时间无关 C 输出仅由当前的输入确定 输出仅由当前的输入确定 ? 动态(Dynamic System) C 指有记忆的系统,例如在时刻t的输入值将影响未来的输出 指有记忆的系统,例如在时刻t的输入值将影响未来的输出 C 动态系统与静态系统 ? 一个系统通过边界(boundary)与其周边的环境相互作用 ? 个系统通过边界(boundary)与其周边的环境相互作用 合理定义系统边 合理定义系统边 界12 系统变量 ? 系统相互作用的量称作变量(variable) i 系统输入(System input) i. 系统输入(System input) ii. 系统输出(System output) iii 环境(外部)扰动(Environmental disturbances) iii. 环境(外部)扰动(Environmental disturbances) iv. 状态变量(内部变量) (State variables (internal variables))和子系统(Subsystems) ) y

13 系统变量 ? 系统的边界(boundary)取决于所定义的系统目标或性能 系统的目标或性能用量测的输出变量值 ? 系统的目标或性能用量测的输出变量值(measured output variables)表示 ? 系统的运行(operation)通过控制输入变量(control input variables)来操纵 )来操纵 ? 系统的运行还会受到不是控制作用的扰动输入变量 (disturbance input variables)的影响 (disturbance input variables)的影响 ? 容易混淆的两个变量: measured variable =CV= 被控变量(controlled variable) C measured variable =CV= 被控变量(controlled variable) C control variable = MV =控制变量( manipulated variable) 控制与控制系统 ? 控制是指通过对某个装置或生产过程的某个或某些物理量 进行操作,以达到使某个变量保持恒定或沿某个预设轨迹 进行操作,以达到使某个变量保持恒定或沿某个预设轨迹 运动的一个动态过程. 运动的一个动态过程. ? 控制系统是为了达到某种 目标 设计并按照人们意愿予 以实施的一套系统. 以实施的一套系统. G(s) X(s) Y(s)=G(s)X(s) 控制的实例: ?房间温度设定值控制 Block diagram 方块图:对象、手段、目标 ?煮饺子的控制 ?飞机的姿态控制

15 方块图:对象、手段、目标 基本方式:连续反馈?修正偏差?达到目标 控制能够做什么? ? ? 使系统按照期望的要求工作 使系统按照期望的要求工作 ? ? 使系统按照期望的要求工作 使系统按照期望的要求工作 ? ? 保持被控变量(物理量)恒定 保持被控变量(物理量)恒定 ? ? 使不稳定系统 使不稳定系统能够 能够稳定 稳定 ? ? 减少扰动的影响,补偿物理量的波动 减少扰动的影响,补偿物理量的波动 ? ? 减少扰动的影响,补偿物理量的波动 减少扰动的影响,补偿物理量的波动 ? ? 为系统设计提供便利 为系统设计提供便利

16 手动控制与自动控制 ? 例:汽车驾驶要求控制汽车沿期望路径安全地到达预定的 目的地 目的地 ? 如果由司机驾驶汽车,则司机对汽车实施了手动控制;

? 如果由司机驾驶汽车,则司机对汽车实施了手动控制;

也可以设计一套自动驾驶设备,由自动驾驶设备控制 汽车行驶,这就形成了一套自动控制系统 汽车行驶,这就形成了一套自动控制系统 ? 两个概念: ? 两个概念: 1. 手动控制 VS自动控制

2 开环控制 VS 闭环控制 做一个小实验

17 2. 开环控制 VS 闭环控制-------做一个小实验 主要内容 ? 自动控制系统的基本概念 ? 自动控制系统的基本概念 ? 自动控制系统的基本结构形式 ? 自动控制系统的分类 对自动控制系统的基本要求 ? 对自动控制系统的基本要求 ? 自动控制理论的发展概况 ? 自动控制理论的发展概况 ? 课程的主要内容安排

18 开环控制系统例子:烤面包机 动态单元(被控对象、单元) 输入变量:黑度或烘烤 Open-Loop Control System 输入变量:黑度或烘烤 时间 输出变量:面包的黑度 或脆度 或脆度 如果面包的黑度没有达到 如果面包的黑度没有达到 要求,烤箱也不会自动地 调节烘烤时间 调节烘烤时间 被控过程(单元):指被 旋钮:设定期望的黑度 被控过程(单元):指被 控制的设备、过程等.

19 开环控制系统例子:直流并励电动机 输入变量:电枢电压 Open-Loop Control System 输入变量:电枢电压 输出变量:电动机轴速 如果由于电动机轴上的机械 负载发生变化,而导致电动 机轴速偏离了期望值 那么 动态单元 机轴速偏离了期望值,那么 电动机也无法自动修正输入 的电枢电压 并激磁场 输入的电枢电压 电枢 入电压20 开环系统的基本方块图 期望输出 输出 执行装置 过程/对象 期望输出 设定点/参考值 例1 面包松脆度 时间旋钮 松脆度 烤面包机 例2 电压 轴速 电动机 电动机轴速 开环控制系统 系统输出不影响系统输入 开环控制系统:系统输出不影响系统输入

21 闭环控制系统:家用取暖炉 Closed-Loop Control System 热气期望室温设定 继电器 取暖 炉热气排放口 家用取暖炉控制系统 自动调温器 家用取暖炉控制系统 实际室温 bimetallic coil ? 如果室温低于(或高于)期望温度,暖炉将启动(或关 闭),直到室温略微高于(或低于)期望温度 闭),直到室温略微高于(或低于)期望温度

22 闭环控制系统:家用取暖炉 Closed-Loop Control System 期望 误差 热 继电器 开关信号 温度 温度 + 信号 增益 房间 温度 取暖炉 温度-传感器 反馈信号 动态单元 控制器 (被控对象) 控制器

23 闭环控制系统例子:驾驶汽车 Car and Driver 广义的操控(汽车整体运行): (a) 汽车驾驶控制系统 (b) 司机利用汽车行驶 的实际方向与期望方 的实际方向与期望方 向之间的误差,来控 制并调节车轮转向, 使汽车按照期望的路 使汽车按照期望的路 径行驶 (c) 典型的行驶方向响 ? 目标(Objective): 控制汽车的方向与速度 输出( ) 汽车实际的方向与速度 (c) 典型的行驶方向响 应曲线 ? 输出(Outputs):汽车实际的方向与速度 ? 控制输入(Control inputs): 路标与限速 ? 扰动(Di t b ) 道路表面、风速、障碍、天气等 ? 扰动(Disturbances): 道路表面、风速、障碍、天气等 ? 可能的子系统(subsystems): 机械,发动机,电助方向盘, 刹车,悬梁,空调等等,... 刹车,悬梁,空调等等,...

24 闭环控制系统例子:驾驶汽车 ? 汽车驾驶控制的方块图 方向盘 汽车 司机 期望的行 驶路线 Actual course of travel Error + 视觉与触觉 方向盘 汽车 司机 - negative feedback 视觉与触觉 manual control: feedback 时间响应(Time response): manual control: ? body movement (left/right/up/down) ? vibration (road surface) ? steering wheel (by hands) 时间响应( e espo se) ? steering wheel (by hands) 自适应巡航控制

25 (Adaptive Cruise Control----ACC) 闭环控制系统:手动液位控制系统 控制目标:将水箱内 液体的液位维持在给 动态单元 液体的液位维持在给 定的液位高度上 液体流入 被控变量 液体 若hH,开阀;

h 被控变量:液体 液位高度 若 开阀;

若h=H,不动作. 阀 液体流出

26 闭环控制系统:手动液位控制系统 误差 期望 液体 阀动作 液位 动态单元 误差 液位 + 控制准则水箱 信号液位 阀-液位传感器: 人脑 人眼 系统构成

27 开环/闭环控制系统 控制系统由一组元件组成,每个元件可以由方块图中的方块表示. 开环系统 期望 输出 控制 象 控制 信号 对象 输出 执行 输 控制器 对象 执行器 期望 控制 信号 对象 闭环系统 误差 输出 + 控制器 对象 信号 对象 输出 执行器 误差 传感器 - 反馈信号 传感器

28 常用术语 系统:作为一个有机的整体,将一些部件组合在一起完成特定的任务. 控制系统: 由一组元件相互连接构成一个系统,能够提供期望的响应. 被控对象(或过程) :指被控制的 设备、物体、或者一个运行的变化 过程 如化学反应过程 炼油生产 输入 过程 输出 过程,如化学反应过程,炼油生产 过程,生物学过程等. 过程的输入 输出关系反映了过程的因果关系. 被控过程 输出关系反映了过程的因果关系. 被控变量(系统输出):被控对象的输出,表征了对象或过程的状态和性能. 控制变量(操作变量):作用于被控对象,改变对象运行状态的量.

29 常用术语 参考输入 :人们希望被控变量能达到的数值,又称给定输入、给定值、 给定信号等 给定信号等. 扰动信号 :使系统的输出量偏离期望值的信号.如果扰动产生在系统内 部 称为内部扰动(简称内扰) 当扰动来自系统外部时 称为外部扰 反馈信号 从系统输出端取出并反向送回到系统输 端的信号称为反 部,称为内部扰动(简称内扰);

当扰动来自系统外部时,称为外部扰 动(简称外扰). 反馈信号 :从系统输出端取出并反向送回到系统输入端的信号称为反 馈信号.当反馈信号的符号与被比较信号相反时称为负反馈,相同时称 为正反馈 为正反馈. 偏差信号 :指期望输出值与实际输出值之间的偏差,往往简称偏差,有 时也称为 差在馈控制系统中 参考输 馈信号间的偏差也 时也称为误差.但在反馈控制系统中,参考输入和反馈信号间的偏差也 称为误差.所以,在有可能引........