《自动控制理论》PPT课件

现代工程机械电液控制技术主讲人：贺湘宇二、自动控制理论基础 推荐两本相关书籍：1、现代控制工程（Modern Control Engineering），绪方胜彦（Katsuhiko Ogata）2、自动控制理论基础，戴忠达，清华大学出版社二、自动控制理论基础两个问题：1、什么是数学模型？例：电液比例阀2、自动控制理论是干什么的？例：智能挖掘机二、自动控制理论基础 1、历史的回顾 2、自动控制的基本概念 3、传递函数2.1 历史的回顾l l1818世纪，詹姆斯世纪，詹姆斯 瓦特（瓦特（James James WattWatt）为控制蒸汽机速度而设）为控制蒸汽机速度而设计的离心调节器，是自动控制计的离心调节器，是自动控制领域第一项大成果；领域第一项大成果；l l19321932年，奈奎斯特年，奈奎斯特（NyquistNyquist）建立了频率响应判）建立了频率响应判断系统稳定性的准则，并在随断系统稳定性的准则，并在随后得到波德（后得到波德（BodeBode）等人的改）等人的改进，发展成为频率响应分析方进，发展成为频率响应分析方法；法；l l19481948年，埃文斯（年，埃文斯（EvansEvans）提）提出并且完善了根轨迹法；出并且完善了根轨迹法；2.1 历史的回顾l l19481948年，维纳（年，维纳（Norbert Norbert WienerWiener）出版了控制论）出版了控制论(Cybernetics(Cybernetics），这是），这是世界上第一本自动控制理世界上第一本自动控制理论方面的书籍。论方面的书籍。l l4040年代末和年代末和5050年代初，频年代初，频率响应法和根轨迹法被推率响应法和根轨迹法被推广用于研究采样控制系统广用于研究采样控制系统和简单的非线性控制系统，和简单的非线性控制系统，标志着经典控制理论已经标志着经典控制理论已经成熟。成熟。2.1 历史的回顾l l19581958年，苏联科学家年，苏联科学家.庞庞特里亚金提出了名为极大值原特里亚金提出了名为极大值原理的综合控制系统的新方法理的综合控制系统的新方法l l1960196019611961年，美国学者年，美国学者R.E.R.E.卡尔曼（卡尔曼（Rudolf E.KalmanRudolf E.Kalman）和和R.S.R.S.布什（布什（R.S.BucyR.S.Bucy)建立建立了卡尔曼了卡尔曼-布什滤波理论布什滤波理论l l到到6060年代初，一套以状态空间年代初，一套以状态空间法、极大值原理、动态规划、法、极大值原理、动态规划、卡尔曼卡尔曼-布什滤波为基础的分析布什滤波为基础的分析和设计控制系统的新的原理和和设计控制系统的新的原理和方法已经确立，这标志着现代方法已经确立，这标志着现代控制理论的形成。控制理论的形成。2.2 自动控制的基本概念(1)经典控制理论(2)现代控制理论(3)自动控制系统(4)开环系统和闭环系统(5)单输入单输出系统和多输入多输出系统2.2 自动控制的基本概念(1)(1)经典控制理论经典控制理论以输入输出特性（主要是以输入输出特性（主要是传递函数传递函数）为系统）为系统数学模型，采用数学模型，采用根轨迹法根轨迹法和和频率响应法频率响应法这些图解这些图解分析方法，分析系统性能和设计控制装置。分析方法，分析系统性能和设计控制装置。经典控制理论在解决比较简单的控制系统的经典控制理论在解决比较简单的控制系统的分析和设计问题方面是很有效的，局限性主要表分析和设计问题方面是很有效的，局限性主要表现在只适用于单变量系统，且仅限于研究线性定现在只适用于单变量系统，且仅限于研究线性定常系统。常系统。2.2 自动控制的基本概念(2)现代控制理论在现代控制理论中，对控制系统的分析和设计主要是通过对系统的状态变量的描述来进行的，基本的方法是时间域方法。它所采用的方法和算法也更适合于在数字计算机上进行。现代控制理论还为设计和构造具有指定的性能指标的最优控制系统提供了可能性。2.2 自动控制的基本概念(3)(3)自动控制系统自动控制系统 系统系统是由一些相互联系和相互制约的环节组是由一些相互联系和相互制约的环节组成并具有特定功能的整体。每个系统都有成并具有特定功能的整体。每个系统都有输入量输入量和和输出量输出量。由由控制器控制器和和被控对象被控对象所组成的整体就叫所组成的整体就叫控制控制系统系统。2.2 自动控制的基本概念(3)(3)自动控制系统自动控制系统 在控制系统中，控制器接受输入信号在控制系统中，控制器接受输入信号x x(t t),),产生相应的控制作用产生相应的控制作用u u(t t),),去操纵被控对象，使它去操纵被控对象，使它的输出的输出y y(t t)符合系统所提出的性能要求。符合系统所提出的性能要求。当被控对象能由控制器自动操纵时，则称为当被控对象能由控制器自动操纵时，则称为自动控制系统。自动控制系统。2.2 自动控制的基本概念(3)自动控制系统应用实例：l电风扇2.2 自动控制的基本概念(3)自动控制系统应用实例：l电液比例阀2.2 自动控制的基本概念(4)(4)开环系统和闭环系统开环系统和闭环系统 开环：作用信号是单向的，输出不能影响输入开环：作用信号是单向的，输出不能影响输入 特点：装置简单，成本低；控制精度低，抗干扰差特点：装置简单，成本低；控制精度低，抗干扰差2.2 自动控制的基本概念(4)(4)开环系统和闭环系统开环系统和闭环系统 闭环：通过闭环：通过负反馈把系统的输出值直接或通过测量元件负反馈把系统的输出值直接或通过测量元件引向输入端引向输入端，与系统的输入量进行比较，然后利用它们的，与系统的输入量进行比较，然后利用它们的误差进行控制。误差进行控制。特点：抗干扰能力强，控制精度高；系统存在惯性、时延特点：抗干扰能力强，控制精度高；系统存在惯性、时延时，系统可能产生振荡，甚至不稳定。时，系统可能产生振荡，甚至不稳定。2.2 自动控制的基本概念(4)(4)开环系统和闭环系统开环系统和闭环系统例：电加热炉温度控制系统例：电加热炉温度控制系统2.2 自动控制的基本概念(4)(4)开环系统和闭环系统开环系统和闭环系统例：电加热炉温度控制系统例：电加热炉温度控制系统输出量：炉温输出量：炉温输入量：炉温设定值输入量：炉温设定值控制对象：电加热炉控制对象：电加热炉2.2 自动控制的基本概念(4)(4)开环系统和闭环系统开环系统和闭环系统 两种系统的比较两种系统的比较开环系统比闭环系统稳定性更好开环系统比闭环系统稳定性更好开环系统比闭环系统更为经济开环系统比闭环系统更为经济不存在任何扰动时，采用开环系统比较合适；否不存在任何扰动时，采用开环系统比较合适；否则，当扰动和某些系统参数无法预计时，采用闭则，当扰动和某些系统参数无法预计时，采用闭环系统更合适环系统更合适闭环系统可以提供更好的控制品质闭环系统可以提供更好的控制品质2.2 自动控制的基本概念(5)单输入单输出系统和多输入多输出系统单输入单输出（Single Input Single Output，简称SISO）系统：只有一个输入量和一个输出量的控制系统多输入多输出(Multiple Input Multiple Output,简称MIMO）系统：包含多个输入量和多个输出量的控制系统2.2 自动控制的基本概念(5)(5)单输入单输出单输入单输出系统和系统和多输入多输出多输入多输出系统系统MIMOMIMO系统示意图系统示意图2.2 自动控制的基本概念(5)单输入单输出系统和多输入多输出系统MIMO系统主要应用领域：航空航天石油化工行业气象预报2.3 传递函数(1)什么是传递函数？在全部初始条件为零的假设下，输出量的拉普拉斯变换与输入量的拉普拉斯变换之比。*拉普拉斯变换：一种解线性微分方程的简便运算方法。其优点是可以通过图解法预测系统性能，而无需实际求解系统微分方程。2.3 传递函数(2)传递函数的计算方法考虑一个微分方程描述的线性定常系统：其中，y为系统输出量，x为系统的输入量，n=m。2.3 传递函数(2)传递函数的计算方法 在全部初始条件为零时，输出量与输入量的拉普拉斯之比为2.3 传递函数(2)(2)传递函数的计算方法传递函数的计算方法 传递函数的方框图传递函数的方框图2.3 传递函数(3)传递函数小结传递函数是一种数学模型传递函数是系统本身的一种属性，与输入量等的大小和性质无关传递函数不提供有关系统物理结构的任何信息2.3 传递函数与数学模型(3)传递函数小结当系统传递函数已知，可以针对不同形式输入量，研究系统的输出或响应，掌握系统的性质当系统传递函数未知，通过输入输出的实验方法，可以确定系统的传递函数，并进而充分的了解系统的动态特性2.3 传递函数(4)(4)举例举例例例1 1：单自由度系统：单自由度系统输入量：外力输入量：外力f f(t t)输出量：质量块的位移输出量：质量块的位移量量x x(t t)2.3 传递函数(4)(4)举例举例例例1 1：单自由度系统：单自由度系统根据牛顿第二定律，得根据牛顿第二定律，得2.3 传递函数(4)(4)举例举例例例1 1：单自由度系统：单自由度系统可得弹簧的恢复力为可得弹簧的恢复力为阻尼力为阻尼力为2.3 传递函数(4)(4)举例举例例例1 1：单自由度系统：单自由度系统 得到二阶常系数微分方程得到二阶常系数微分方程2.3 传递函数(4)(4)举例举例例例1 1：单自由度系统：单自由度系统 得到系统的传递函数得到系统的传递函数2.3 传递函数(3)(3)举例举例例例1 1：单自由度系统：单自由度系统 得到系统的传递函数方块得到系统的传递函数方块图图2.3 传递函数(4)举例例例2 2：阀控缸系统：阀控缸系统 输入量：阀芯位移输入量：阀芯位移x x；输出量：活塞杆位移；输出量：活塞杆位移y y2.3 传递函数(3)(3)举例举例例例2 2：阀控缸系统：阀控缸系统 忽略液压系统泄漏量忽略液压系统泄漏量和压缩量，假定系统压力和压缩量，假定系统压力P Ps s为恒压源。为恒压源。当滑阀在工作点附近当滑阀在工作点附近工作时工作时 其中，其中，K K1 1是流量增益，是流量增益，K K2 2是流量是流量-压力系数压力系数2.3 传递函数(4)(4)举例举例例例2 2：阀控缸系统：阀控缸系统 由液压缸连续性方程，由液压缸连续性方程，可得可得其中，其中，A A是活塞面积是活塞面积2.3 传递函数(4)(4)举例举例例例2 2：阀控缸系统：阀控缸系统 由液压缸连续性方程，由液压缸连续性方程，可得可得2.3 传递函数(4)(4)举例举例例例2 2：阀控缸系统：阀控缸系统 由液压缸的力平衡方程，由液压缸的力平衡方程，可得可得得得2.3 传递函数(4)(4)举例举例例例2 2：阀控缸系统：阀控缸系统 可以得到系统的传递函可以得到系统的传递函数数二、自动控制理论基础几个问题：1、自动控制理论的基本概念？2、什么是数学模型？