清华电机系焦连伟 自控第1节.ppt

1.4 教材与主要参考书，考核方式 * 自动控制原理Automatic Control Systems 第一章 自动控制概论 1.1 自动控制系统的概念和例子 1.2 自动控制的发展历史 1.3 自动控制系统的分类 1.4 教材与主要参考书，考核方式 1.1 自动控制系统的概念和例子 “系统”是由相互关联和作用的若干组成部分 按一定结构组成的具有特定功能的整体。 控制系统指应用在工业生产、科学研究和人 们日常生活中的一种装置，它们能按照要求调节相应物理量，使之达到预期值或按预期规律变化。在设定输入指令后，控制系统可以自动地工作。 它可用于 (1)提高生产率; (2)改善装置或系统的性能。 例子：家用空调器；电厂的生产控制系统。 火力发电厂综合控制系统 1.2 自动控制的发展历史 （1）工业化促使自动控制装置产生 最早工业应用的自动装置：1769年Watt发明 的飞球式蒸汽机调速器。 凭借直觉的实证性发明。 J.C. Maxwell. On Governors. Proc. of the Royal Society of London. 16, 1868.用微分方 程建立了一类调节器的数学模型，发展了与 控制理论相关的数学理论。 （2）经典控制理论 40~50年代形成 SISO系统 飞机自动驾驶仪、雷达跟踪系统、火炮定位系统 代数稳定判据（Routh 1884; Hurwitz 1895) 频率响应法和负反馈放大器（Bode 1927) 稳定裕度和奈式判据（Nyquist 1932) 根轨迹法 （Evans 1948) 1948年 Wiener发表著名的《控制论》 （3）现代控制理论 空间技术竞赛催生了现代控制理论 软着陆 极大值原理（1956） 最小燃料控制 动态规划 （1957） 姿态控制 状态空间理论(1960） （４）如今，控制科学与工程波及了现代 科技和生活的方方面面 工业过程控制 航空航天 生物：人口控制，药物动力学 金融：货币控制 家庭：电饭煲，洗衣机 数字控制技术 智能控制技术 鲁棒控制理论 非线性控制理论 1.3 自动控制系统的分类 开环系统(只有顺向作用，控制单方向进行） 控制器 被控对象 控制量 输出量 给定值 r(t) u(t) y(t) 例：直流电动机调速系统（机械力矩 ML恒定) k ? ? ud n ~ ug 开环系统与闭环系统 稳态时 ug↑→ud↑→i ↑ →Me ↑ → n ↑ → e ↑ → i↓直至达到稳态力矩平衡（转速上升） 优点：简单 ，快速 缺点：对扰动没有抑制能力（如外扰引起n变化） 闭环系统： 引入测量元件构成闭环，通过负反馈构成 按偏差调节的闭环系统。通过信息双向流动 反映了控制量与被控制量（输出量）相互间 的矛盾,使动静性能得到提高。 控制器 被控对象 控制量 输出量 给定值 r(t) u(t) y(t) 测量元件 偏差 e(t) ＋ － ug k ud n ~ ub 按偏差调节：n↑→ub↑→( ug-ub)↓→ud↓→ n↓ ug不变 时可维持转速恒定而抵御扰动 例：闭环直流电动机调速系统 控制量：ud = K (ug-ub) 偏差信号：ug-ub 事实上，除抗扰能力强以外，具有反馈的闭环系统往往比开环系统有其它更多的好处，如稳态精度高、动态性能好、稳定裕度大等等。 二者并不对立。有时在对自动控制装置提出很高的要求时也可设计一种开环控制和闭环控制相结合的复合控制系统，如直流输电系统逆变侧的定熄弧角控制。 SISO系统与MIMO系统： 单输入单输出系统（single input single output)：只有一个输入量和一个输出量的控制系统，如前述的直流电极调速系统。 多输入多输出系统（multiple inputs multiple outputs): 有多个输入量和多个输出量的控制系统，如前述的火力发电厂综合控制系统 。 MIMO闭环反馈控制系统结构 线性系统与非线性系统： 线性系统：如果动态系统的各环节输入输出关系都是线性的，系统性能可用线性微分方程或线性差分方程描述，则该系统称为线性系统。例如，系统 线性系统可应用迭加原理处理输入和输出间关系。如线性电路的全响应等于零输入响应和零状态响应之和。 非线性系统：动态系统中只要有一个元部件的输入输出特性必须用非线性方程描述，系统就无法写为线性动态方程，而成为必须用非线性动态方程描述的非线性系统。非线性方程的特点是系数与变量有关，例如 非线性系统不适用迭加原理。但对