自控原理

4
古典控制理论
以传递函数为基础研究，单输入-单 输出一类定常控制系统的分析与设 计问题。这些理论由于其发展较早， 现已臻成熟。
5
现代控制
以状态空间法为基础，研究多输入多输出、时变、非线性一类控制系 统的分析与设计问题。系统具有高 精度和高效能的特点。
6
名词解释
自动控制 对象 过程 系统 扰动 反馈控制 反馈控制系统 随动系统 自动调整系统 过程控制系统
7
连续控制 离散控制
8
离散控制系统
引言 采样过程和采样定理
9
引言
近年来，随着脉冲技术、数字式元部件、 近年来，随着脉冲技术、数字式元部件、数字计 算机、特别是微处理机的发展， 算机、特别是微处理机的发展，以及数字式通信线路 的大量使用，很多情况下信号不是连续传输的， 的大量使用，很多情况下信号不是连续传输的，而是 用离散的数据序列去传递信息。 用离散的数据序列去传递信息。数字控制器在许多场 合取代了模拟控制器， 合取代了模拟控制器，使绝大部分的精密控制系统和 复杂的过程控制走向数字化。 复杂的过程控制走向数字化。数字机和数字控制器所 能达到的精度远高于连续器件， 能达到的精度远高于连续器件，它的容量和功能也是 连续器件所不能比拟的。因此， 连续器件所不能比拟的。因此，作为分析与设计数字 控制系统的理论，离散系统理论近年来发展非常迅速。 控制系统的理论，离散系统理论近年来发展非常迅速。
15
离散系统的定义及常用术语
1.离散系统的定义 1.离散系统的定义 当系统中只要有一个地方的信号是脉冲序列或数 码时，即为离散系统。 码时，即为离散系统。 2.采样 2.采样 把连续信号变成脉冲（或数字）序列的过程， 把连续信号变成脉冲（或数字）序列的过程，叫 采样。 采样。 3.采样器 3.采样器 实现采样的装置叫采样器。（采样开关，A/D模 。（采样开关 实现采样的装置叫采样器。（采样开关，A/D模 数转换器） 数转换器） 4.保持器 4.保持器 从离散信号中， 从离散信号中，将连续信号恢复出来的装置称为 保持器。（低通滤波器，D/A数模转换器 。（低通滤波器 数模转换器） 保持器。（低通滤波器，D/A数模转换器）
10
离散系统的基本概念
给定电位器 炉子
ϕ
燃 料
测温 电阻
e(t)
电动机
K
减速器
11
给定
放大器 阀门 执行电机 转速 1 开度 误差
炉子
K
s
e−τs T1s+1
炉温
炉子： 炉子：延迟时间τ可长达数秒乃至数十秒 惯性时间常数T 惯性时间常数 1一般也相当大 控制效果不好 ！！
12
给定电位器
炉子
ϕ
燃 料
17
6. 采样方式的分类： 采样方式的分类： 周期采样——采样开关等间隔开闭 周期采样 采样开关等间隔开闭 多速采样——各采样开关以不同周期开闭 多速采样 各采样开关以不同周期开闭 随机采样——开关动作随机，没有周期性 开关动作随机， 随机采样 开关动作随机
离散系统的特点
r(t) e(t) u*(t) 数字 e*(t) 控制器 u(t) 被控 保持器 对象 c(t)
24
闭环控制与开环控制
反馈控制系统 开环控制系统 闭环与开环控制系统的比较
25
控制系统分类
26
对自动控制系统的基本要求
稳定性 准确性 快速性
27
控制系统参数的调整
参数特性 参数调整
28
控制系统举例
29
3
19世纪40年代,Evans提出并完善了根轨迹法. 19世纪50年代末,控制系统设计问题的重点从 设计许多可行系统中的一种系统,转到设计在某 种意义上的最佳系统. 19世纪60年代,数字计算机的出现为复杂系统 的基于时域分析的现代控制理论提供了可能. 从1960年到1980年,确定性系统,随机系统的最 佳控制,及复杂系统的自适应和学习控制,都得 到充分研究. 从1980年以后,现代控制理论集中于鲁棒控制、 H∞控制及其相关课题。
0 T 2T 3T t
∗ ∞ k =0
∗
k = −∞
∑ δ (t − kT )
+∞
e ( t ) = ∑ e( kT )δ ( t − kT )
21
e(t) e(t)
e*(t)
零阶 保持器
eh(t) e*(t)
0 eh(t)
t
0
T 2T
t
e h ( t ) = ∑ e( kT )[1( t − kT ) − 1( t − kT − T )]
k =0
∞
0
T 2T
t
22
特点： 特点： （1）从幅频特性看，零阶保持器是一个低 ）从幅频特性看，零阶保持器是一个低 通滤波器，但不是理想的滤波器。 通滤波器，但不是理想的滤波器。在主频谱内放 大系数不是恒定的，也不能锐截止， 大系数不是恒定的，也不能锐截止，而是随频率 增高而逐渐减小。在主频谱之外， 增高而逐渐减小。在主频谱之外，又不能完全阻 止高频分量的进入，有多个截止频率， 止高频分量的进入，有多个截止频率，故复现出 的连续信号与原信号是有差别的。 的连续信号与原信号是有差别的。 （2）从相频特性看，零阶保持器产生正比于 ）从相频特性看， 频率的滞后相移，频率越高，滞后越厉害， 频率的滞后相移，频率越高，滞后越厉害，这类 似于纯延滞环节。所以保持器的引入， 似于纯延滞环节。所以保持器的引入，加大了系 统的滞后相角，造成闭环系统稳定性下降。 统的滞后相角，造成闭环系统稳定性下降。
16
5.离散系统的分类 5.离散系统的分类 （1）采样控制系统 离散信号是脉冲序列而不是数码信号。 离散信号是脉冲序列而不是数码信号。 脉冲序列（由采样开关得到）的特点： 脉冲序列（由采样开关得到）的特点： 从时间上看， 从时间上看，是离散的 从幅值上看是任意可取得 （2）数字控制系统 离散信号是数码信号而不是脉冲序列。 离散信号是数码信号而不是脉冲序列。 数码信号（ A/D得到 的特点： 得到） 数码信号（由A/D得到）的特点： 时间上， 时间上，是离散的 幅值上是整量化的
反馈元件
1. 离散系统信号转换的二个特殊环节 采样器 采样器、保持器
18
2.离散系统的优点 离散系统的优点 在很多场合，其结构上比连续系统简单； （１）在很多场合，其结构上比连续系统简单； 其检测部分具有较高的灵敏度； （２）其检测部分具有较高的灵敏度； 离散信号的传递，可以有效地抑制噪声， （３）离散信号的传递，可以有效地抑制噪声，从而 提高了系统的抗干扰能力。 提高了系统的抗干扰能力。同时信号传递和转换精度 较高； 较高； 数字控制器软件编程灵活， （４）数字控制器软件编程灵活，可方便地改变控制 规律，控制功能强； 规律，控制功能强； （５）可用一台计算机分时控制若干个系统，提高了 可用一台计算机分时控制若干个系统， 设备利用率，经济性好； 设备利用率，经济性好； 对于具有传输延迟，特别是大延迟的控制系统， （６）对于具有传输延迟，特别是大延迟的控制系统， 可以引入采样的方式稳定。 可以引入采样的方式稳定。
23
实际的零阶采样－ 实际的零阶采样－保持电路
R2
e(t)
R1
C eh(t)
当开关闭合时，电路为一阶惯性环节， 当开关闭合时，电路为一阶惯性环节，时间常数 T=R2C很小，响应速度很快，达到瞬时值 很小， 很小 响应速度很快，达到瞬时值e(kT)。当开 。 关断开时，由于放大器输入阻抗为无穷大， 关断开时，由于放大器输入阻抗为无穷大，截断了电 的放电回路，使输出维持不变， 容Ｃ的放电回路，使输出维持不变，直到下一次开关 闭合。 采样。 将连续信号离散化，我们称其为采样。采用这种 控制方式的系统都含有通常称为采样器的专门开关装 置。 采样器可以是一个机械的或机电的装置， 采样器可以是一个机械的或机电的装置，定时开 可以是一个机械的或机电的装置 启关闭。也可以是A/D转换器。 启关闭。 转换器。 通过采样器把连续的模拟量变为脉冲序列或数码 信号，送到控制器或计算装置， 信号，送到控制器或计算装置，对被控对象施以断续 的控制或阶梯状的控制等， 的控制或阶梯状的控制等，故离散控制又称为采样控 制。
测温 电阻
e(t)
e*(t)
检流计 凸轮
电动机
K1
减速器
电位器
13
给定
e
放大器 阀门 执行电机 转速 1 开度 e*
炉子
K
s
e−τs T1s+1
炉温
e(t) e(t) 0 t e*(t) 0
e*(t)
T 2T
t
调节过头的现象受到抑制， 调节过头的现象受到抑制，这样我们就可以采 而仍保持系统稳定。 用较大K而仍保持系统稳定。
自动控制原理
1
自动控制的一般概念
1.引言 2.自动控制系统示例 3.闭环控制和开环控制 4.自动控制系统的分类 5.自动控制系统的基本要求
2
18世纪James watt为控制蒸汽机速度设计的离 心调节器,是自动控制领域的第一项重大成果. 1922年Minorsky研制出船舶操纵自动控制器, 并证明了从系统的微分方程确定系统稳定性的 方法. 1932年,Nyquist提出了一种根据系统的开环频 率响应(对稳态正弦输入),确定闭环系统稳定性 的方法. 1934年,Hezen提出了用于位置控制系统的伺服 机构的概念,讨论了可以精确跟踪变化的输入信 号的机电伺服机构.
19
采样过程和采样定理
采样过程的数学描述
e(t) e(t) 0 t e*(t) e*(t) e*(t)
0
T 2T
t
0
T 2T
t
20
载波 e(t)
k =−∞
∑ δ (t − kT )
e*(t) 调制脉冲
∞
调制器 调制信号
k =−∞
∑ δ (t − kT )