第1章 概论-新模板.ppt

1960～1980年：确定性系统的最优控制、随机系统的最优控制、复杂系统的自适应和自学习控制； 1980迄今：鲁棒控制、H∞控制、非线性控制、智能控制等。 根据自动控制理论的内容和发展的不同阶段，控制理论可分为“经典控制理论”和“现代控制理论”两大部分。 “经典控制理论”的内容是以传递函数为基础，以频率法和根轨迹法作为分析和综合系统基本方法，主要研究单输入，单输出这类控制系统的分析和设计问题。 第一颗人造卫星（苏联，1957年） 第一颗载人飞船 （苏联，1961年） 人类首次登上月球 （美国，1969年） 首架航天飞机 （美国，1981年） 首次冲出太阳系（美国，1989年） 仿人机器人 （日本，2001年） 神州五号载人航天成功（中国，2003年） * 自控控制理论 me.ustb.edu.cn 第一章 概论 1.1 自动控制系统的基本概念 1.2 控制工程的发展 1.3 控制理论在机械制造工业中的应用 1.4 课程主要内容及学时安排 1.1自动控制系统的基本概念 1）自动控制 自动控制 在没有人直接参与的情况下，利用控制装置（简称控制器），使被控对象（或生产过程等）的某一物理量（被控量，如温度、压力、流量）准确地按照预定的规律运行。 自动控制系统： 是指实现上述控制目的，由相互制约的各部分按一定规律组成的具有特定功能的整体。 如：数控机床、室内温度控制、机车、船舶及飞机自动驾驶、导弹制导等。 2）工作原理 人工控制恒温箱调节过程： 观测恒温箱内的温度（被控制量） 要求的温度（给定值）进行比较，得到温度偏差的大小和方向 根据偏差大小和方向调节调压器，控制加热电阻丝的电流以调节温度回复到要求值。 人工控制过程的实质：检测偏差再纠正偏差。 恒温箱实际温度由热电偶转换为对应的电压u2 恒温箱期望温度由电压u1给定，并与实际温度u2比较得到温度偏差信号Δu＝u1? u2 温度偏差信号经电压、功率放大后，用以驱动执行电动机，并通过传动机构拖动调压器动触头。当温度偏高时，动触头向减小电流的方向运动，反之加大电流，直到温度达到给定值为止，此时，偏差Δu=0，电机停止转动。 恒温箱自动控制系统工作原理： 从恒温箱控制系统功能框图可见： 给定量位于系统的输入端，称为系统输入量。也称为参考输入量（信号）。 被控制量位于系统的输出端，称为系统输出量。 输出量（全部或一部分）通过测量装置返回系统的输入端 使之与输入量进行比较，产生偏差（给定信号与返回的输出信号之差）信号。输出量的返回过程称为反馈。返回的全部或部分输出信号称为反馈信号。 综上所述，控制系统的工作原理： 检测输出量（被控制量）的实际值 将输出量的实际值与给定值（输入量）进行比较得出偏差； 用偏差值产生控制调节作用去消除偏差，使得输出量维持期望的输出。 由于存在输出量反馈，上述系统能在存在无法预计扰动的情况下，自动减少系统的输出量与参考输入量（或者任意变化的希望的状态）之间的偏差，故称之为反馈控制。 显然 反馈控制建立在偏差基础上，其控制方式是“检测偏差再纠正偏差”。 这种基于反馈原理，能对输出量与参考输入量进行比较，并力图保持两者之间既定关系的系统，称为反馈控制系统。反馈控制系统具备测量、比较和执行三个基本功能。 注意：反馈控制系统中的反馈一定是负反馈。 3）开环控制与闭环控制 实际的控制系统根据有无反馈作用可分为三类： 开环控制系统 闭环控制系统 半闭环控制系统 开环控制系统 特点：系统仅受输入量和扰动量控制；输出端和输入端之间不存在反馈回路；输出量在整个控制过程中对系统的控制不产生任何影响。 数控机床的开环控制系统框图 优点：简单、稳定、可靠。若组成系统的元件特性和参数值比较稳定，且外界干扰较小，开环控制能够保持一定的精度。 缺点：精度通常较低、无自动纠偏能力。 开环控制系统框图 闭环控制系统 特点：输出端和输入端之间存在反馈回路，输出量对 控制过程有直接影响。 闭环的作用：应用反馈，减少偏差。 优点：精度高，对外部扰动和系统参数变化不敏感。 缺点：存在稳定、振荡、超调等问题，系统性能分析 和设计麻烦。 闭环控制系统框图 半闭环控制系统 特点：反馈信号通过系统内部的中间信号获得。 4）闭环控制系统的组成 （1）给定元件：产生给定信号或输入信号。 （2）反馈元件：测量被控制量（输出量），产生反 馈信号。 注意：在机械、液压、气动、机电等系统中存在着内 在反馈，这种反馈无须专门的反馈元件，是系 统内部各参数相互作用产生的，如作用力与反 作用力之间形成的直接反馈。 （3）比较元件：对给定信号和反馈信