電子信息工程概論（第2版）：第八章 自動(dòng)控制系統(tǒng)概述

1、期中作業(yè)期中作業(yè) 設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)易的兩人點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信系統(tǒng)（通設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)易的兩人點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信系統(tǒng)（通 信距離信距離5米）米） 通信時(shí)不能錯(cuò)助人為直接交流（如聲音、通信時(shí)不能錯(cuò)助人為直接交流（如聲音、 眼神等），更不可借助現(xiàn)有通信工具（手眼神等），更不可借助現(xiàn)有通信工具（手 機(jī)等）機(jī)等） 指定用具為繩子，同時(shí)可以借助一些不具指定用具為繩子，同時(shí)可以借助一些不具 有直接與通信內(nèi)容相關(guān)的日常生活用品。有直接與通信內(nèi)容相關(guān)的日常生活用品。 第第8 8章章 自動(dòng)控制系統(tǒng)概述自動(dòng)控制系統(tǒng)概述 所謂的自動(dòng)控制系統(tǒng)就是沒有人直接參與所謂的自動(dòng)控制系統(tǒng)就是沒有人直接參與 的情況下，為的情況下，為完成某種完成某種“目標(biāo)目標(biāo)

2、”而采用的而采用的 一整套的完成方法和步驟。而這些方法和一整套的完成方法和步驟。而這些方法和 步驟通常又包含能夠更好實(shí)現(xiàn)這些步驟通常又包含能夠更好實(shí)現(xiàn)這些“目標(biāo)目標(biāo)” 的最佳的最佳策略。策略。 自動(dòng)控制系統(tǒng)的重要性 近年來控制系統(tǒng)在現(xiàn)代文明和技術(shù)發(fā)展與近年來控制系統(tǒng)在現(xiàn)代文明和技術(shù)發(fā)展與 進(jìn)步上扮演了越來越重要的角色。我們?nèi)者M(jìn)步上扮演了越來越重要的角色。我們?nèi)??；顒?dòng)的每一個(gè)方面幾乎都受到了某種控常活動(dòng)的每一個(gè)方面幾乎都受到了某種控 制系統(tǒng)的影響?？刂葡到y(tǒng)已經(jīng)大量地應(yīng)用制系統(tǒng)的影響?？刂葡到y(tǒng)已經(jīng)大量地應(yīng)用 到了工業(yè)的所有部門。如產(chǎn)品質(zhì)量、自動(dòng)到了工業(yè)的所有部門。如產(chǎn)品質(zhì)量、自動(dòng) 裝配線、機(jī)床控

3、制、空間技術(shù)與武器系統(tǒng)、裝配線、機(jī)床控制、空間技術(shù)與武器系統(tǒng)、 計(jì)算機(jī)控制、交通運(yùn)輸、動(dòng)力系統(tǒng)、機(jī)器計(jì)算機(jī)控制、交通運(yùn)輸、動(dòng)力系統(tǒng)、機(jī)器 人、微機(jī)系統(tǒng)、納米技術(shù)等。人、微機(jī)系統(tǒng)、納米技術(shù)等。 自動(dòng)控制的基本方法 開環(huán)控制開環(huán)控制與閉環(huán)控制與閉環(huán)控制 1、應(yīng)用：太陽能高效抽水機(jī)系統(tǒng) 太陽傳感器 太陽移動(dòng)速度 電動(dòng)機(jī)減速器泵 + + 電動(dòng)機(jī) 電流 泵 地下水 蓄水池 灌溉 太陽能收集器 機(jī)械轉(zhuǎn)距 目標(biāo)：利用太陽能結(jié)果：抽水中間環(huán)節(jié)：實(shí)現(xiàn)手段 上面例子中存在的問題 抽水過程只與太陽能轉(zhuǎn)換來的電流抽水過程只與太陽能轉(zhuǎn)換來的電流 大小有關(guān)，它不能反應(yīng)水池的蓄水大小有關(guān)，它不能反應(yīng)水池的蓄水 情況。因此，

4、這個(gè)控制系統(tǒng)存在著情況。因此，這個(gè)控制系統(tǒng)存在著 水資源的浪費(fèi)問題。水資源的浪費(fèi)問題。 如何解決這個(gè)問題？如何解決這個(gè)問題？ 太陽傳感器 太陽移動(dòng)速度 電動(dòng)機(jī)減速器泵 + + + + - - 水位傳感器 水池 電動(dòng)機(jī) 電流 泵 地下水 蓄水池 太陽能收集器 水位傳感器 灌溉 將輸出端的將輸出端的 信號(hào)返回輸信號(hào)返回輸 入端入端 2、 開環(huán)控制和閉環(huán)控制 比較這兩個(gè)例子，我們給出概念：比較這兩個(gè)例子，我們給出概念： 開環(huán)控制系統(tǒng)開環(huán)控制系統(tǒng)(Open(Openloop Control System)loop Control System) 若系統(tǒng)的輸出量不被引回來對(duì)系統(tǒng)的控制部分產(chǎn)若系統(tǒng)的輸出量

5、不被引回來對(duì)系統(tǒng)的控制部分產(chǎn) 生影響，則這樣的系統(tǒng)稱為開環(huán)控制生影響，則這樣的系統(tǒng)稱為開環(huán)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)。 閉環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)(Closed(Closedloop Control System)loop Control System) 若系統(tǒng)輸出量通過反饋環(huán)節(jié)返回來作用于控制部若系統(tǒng)輸出量通過反饋環(huán)節(jié)返回來作用于控制部 分，形成閉合環(huán)路，則這樣的系統(tǒng)稱為分，形成閉合環(huán)路，則這樣的系統(tǒng)稱為閉環(huán)控制閉環(huán)控制 系統(tǒng)，又稱為反饋控制系統(tǒng)系統(tǒng)，又稱為反饋控制系統(tǒng)(Feedback Control (Feedback Control System)System)。 一、開環(huán)控制和閉環(huán)控制的概念一、開

6、環(huán)控制和閉環(huán)控制的概念 二、開環(huán)控制和閉環(huán)控制的概念二、開環(huán)控制和閉環(huán)控制的概念 數(shù)控加工機(jī)床數(shù)控加工機(jī)床 開環(huán)控制框圖開環(huán)控制框圖 數(shù)控加工機(jī)數(shù)控加工機(jī) 床示意圖床示意圖 閉環(huán)控制舉例 電爐箱恒溫自動(dòng)控制系統(tǒng)電爐箱恒溫自動(dòng)控制系統(tǒng) 電爐箱電爐箱 自動(dòng)控自動(dòng)控 制框圖制框圖 電爐箱恒溫自電爐箱恒溫自 動(dòng)控制系統(tǒng)動(dòng)控制系統(tǒng) 框圖可以把系統(tǒng)的組成簡(jiǎn)單明了地表達(dá)出來框圖可以把系統(tǒng)的組成簡(jiǎn)單明了地表達(dá)出來 為什么大多數(shù)控制系統(tǒng)均有反饋 提高系統(tǒng)的相對(duì)穩(wěn)定性 增加系統(tǒng)帶寬和總增益 提高系統(tǒng)的輸入阻抗、降低系統(tǒng)的輸 出阻抗 提高系統(tǒng)的敏感度 3.自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成 例1-1 水位控制系統(tǒng) 通過對(duì)工作通過對(duì)

7、工作 原理進(jìn)行分原理進(jìn)行分 析，可以得析，可以得 到該系統(tǒng)的到該系統(tǒng)的 系統(tǒng)框圖。系統(tǒng)框圖。 4 自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類 恒值控制系統(tǒng)（恒值控制系統(tǒng)（Fixed Set-Point Fixed Set-Point Control SystemControl System） 恒值系統(tǒng)的特點(diǎn)是：控制系統(tǒng)的輸入量恒值系統(tǒng)的特點(diǎn)是：控制系統(tǒng)的輸入量 是恒量，并且要求系統(tǒng)的輸出量相應(yīng)地是恒量，并且要求系統(tǒng)的輸出量相應(yīng)地 保持恒定。保持恒定。 恒值控制系統(tǒng)是最常見的一類控制系統(tǒng)。恒值控制系統(tǒng)是最常見的一類控制系統(tǒng)。 按輸入量變化的規(guī)律分類按輸入量變化的規(guī)律分類 n隨動(dòng)系統(tǒng)（隨動(dòng)系統(tǒng)（Follow-Up Con

8、trol Follow-Up Control SystemSystem） n隨動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn)是：輸入量是變化著隨動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn)是：輸入量是變化著 的的( (有時(shí)是隨機(jī)的有時(shí)是隨機(jī)的) )，并且要求系統(tǒng)的輸，并且要求系統(tǒng)的輸 出量能跟隨輸入量的變化而作出相應(yīng)的出量能跟隨輸入量的變化而作出相應(yīng)的 變化。變化。 過程控制系統(tǒng)（過程控制系統(tǒng)（Process Control SystemProcess Control System） 生產(chǎn)過程通常是指把原料放在一定的外界條生產(chǎn)過程通常是指把原料放在一定的外界條 件下，經(jīng)過物理或化學(xué)變化而制成產(chǎn)品的過件下，經(jīng)過物理或化學(xué)變化而制成產(chǎn)品的過 程。在這些過程中，往

9、往要求自動(dòng)提供一定程。在這些過程中，往往要求自動(dòng)提供一定 的外界條件，例如溫度、壓力、流量、液位、的外界條件，例如溫度、壓力、流量、液位、 粘度、濃度等參量在一定的時(shí)間內(nèi)保持恒值粘度、濃度等參量在一定的時(shí)間內(nèi)保持恒值 或按一定的程序變化。或按一定的程序變化。 在化工、輕工、食品等生產(chǎn)過程中對(duì)溫度、在化工、輕工、食品等生產(chǎn)過程中對(duì)溫度、 流量、壓力、濕度等的控制流量、壓力、濕度等的控制過程控制系過程控制系 統(tǒng)。統(tǒng)。 圖為食品加圖為食品加 工的在線調(diào)工的在線調(diào) 和流量控制和流量控制 （如生產(chǎn)調(diào)（如生產(chǎn)調(diào) 和油）和油） 化工廠中的溫化工廠中的溫 度、壓力、流度、壓力、流 量的控制量的控制 按系統(tǒng)傳輸

10、信號(hào)對(duì)時(shí)間的關(guān)系的規(guī)律分類按系統(tǒng)傳輸信號(hào)對(duì)時(shí)間的關(guān)系的規(guī)律分類 連續(xù)控制系統(tǒng)（連續(xù)控制系統(tǒng)（Continuous Control SystemContinuous Control System） 連續(xù)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)是各元件的輸入量與輸出量都連續(xù)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)是各元件的輸入量與輸出量都 是連續(xù)量或模擬量。所以它又稱為模擬控制系統(tǒng)是連續(xù)量或模擬量。所以它又稱為模擬控制系統(tǒng) (Analogue Control System)(Analogue Control System)。 離散控制系統(tǒng)（離散控制系統(tǒng)（Discrete Control SystemDiscrete Control System）

11、離散系統(tǒng)又稱采樣數(shù)據(jù)系統(tǒng)離散系統(tǒng)又稱采樣數(shù)據(jù)系統(tǒng)(Sampled Date (Sampled Date Control System)Control System)。它的特點(diǎn)是系統(tǒng)中有的信號(hào)是。它的特點(diǎn)是系統(tǒng)中有的信號(hào)是 脈沖序列或采樣數(shù)據(jù)量或數(shù)字量。脈沖序列或采樣數(shù)據(jù)量或數(shù)字量。 按輸出量和輸入量間的關(guān)系分類按輸出量和輸入量間的關(guān)系分類 線性控制系統(tǒng)（線性控制系統(tǒng)（Linear Control SystemLinear Control System） 線性系統(tǒng)的特點(diǎn)是系統(tǒng)全部由線性元件組成，它線性系統(tǒng)的特點(diǎn)是系統(tǒng)全部由線性元件組成，它 的輸出量與輸入量間的關(guān)系用線性微分方程來描的輸出量與輸入

12、量間的關(guān)系用線性微分方程來描 述。線性系統(tǒng)的最重要的特性，是可以應(yīng)用述。線性系統(tǒng)的最重要的特性，是可以應(yīng)用疊加疊加 原理。原理。 非線性控制系統(tǒng)（非線性控制系統(tǒng)（Nonlinear Control SystemNonlinear Control System） 非線性系統(tǒng)的特點(diǎn)是系統(tǒng)中存在有非線性元件非線性系統(tǒng)的特點(diǎn)是系統(tǒng)中存在有非線性元件( (如如 具有死區(qū)、出現(xiàn)飽和、含有庫倫摩擦等非線性特具有死區(qū)、出現(xiàn)飽和、含有庫倫摩擦等非線性特 性的元件性的元件) )，要用非線性微分方程來描述。非線性，要用非線性微分方程來描述。非線性 系統(tǒng)不能應(yīng)用疊加原理。系統(tǒng)不能應(yīng)用疊加原理。 定常系統(tǒng)（定常系統(tǒng)（T

13、ime-Invariant SystemTime-Invariant System） 定常系統(tǒng)的特點(diǎn)是系統(tǒng)的全部參數(shù)不隨時(shí)定常系統(tǒng)的特點(diǎn)是系統(tǒng)的全部參數(shù)不隨時(shí) 間變化，它用定常微分方程來描述。間變化，它用定常微分方程來描述。 按系統(tǒng)中的參數(shù)對(duì)時(shí)間的變化情況分類按系統(tǒng)中的參數(shù)對(duì)時(shí)間的變化情況分類 時(shí)變系統(tǒng)（時(shí)變系統(tǒng)（Time-Varying SystemTime-Varying System） 時(shí)變系統(tǒng)的特點(diǎn)是系統(tǒng)中有的參數(shù)是時(shí)時(shí)變系統(tǒng)的特點(diǎn)是系統(tǒng)中有的參數(shù)是時(shí) 間間t t的函數(shù)，它隨時(shí)間變化而改變。例如的函數(shù)，它隨時(shí)間變化而改變。例如 宇宙飛船控制系統(tǒng)。宇宙飛船控制系統(tǒng)。 5 自動(dòng)控制理論的研

14、究?jī)?nèi)容及方法 時(shí)域 頻域 根軌跡 6 自動(dòng)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo) 系統(tǒng)的穩(wěn)定性系統(tǒng)的穩(wěn)定性 (Stability) (Stability) 穩(wěn)定系統(tǒng)穩(wěn)定系統(tǒng): :當(dāng)擾動(dòng)作用當(dāng)擾動(dòng)作用( (或給定值發(fā)生變化或給定值發(fā)生變化) )時(shí)，時(shí)， 輸出量將會(huì)偏離原來的穩(wěn)定值，這時(shí)，由于反饋輸出量將會(huì)偏離原來的穩(wěn)定值，這時(shí)，由于反饋 環(huán)節(jié)的作用，通過系統(tǒng)內(nèi)部的自動(dòng)調(diào)節(jié)，系統(tǒng)可環(huán)節(jié)的作用，通過系統(tǒng)內(nèi)部的自動(dòng)調(diào)節(jié)，系統(tǒng)可 能回到能回到( (或接近或接近) )原來的穩(wěn)定原來的穩(wěn)定( (或跟隨或跟隨給定值給定值) )狀態(tài)。狀態(tài)。 不穩(wěn)定系統(tǒng)不穩(wěn)定系統(tǒng): :由于內(nèi)部的相互作用，使系統(tǒng)出現(xiàn)由于內(nèi)部的相互作用，使系統(tǒng)出現(xiàn) 發(fā)

15、散而處于發(fā)散而處于不穩(wěn)定狀態(tài)。不穩(wěn)定狀態(tài)。 不穩(wěn)定的系統(tǒng)是無法進(jìn)行工作的；因此，對(duì)任何自不穩(wěn)定的系統(tǒng)是無法進(jìn)行工作的；因此，對(duì)任何自 動(dòng)控制系統(tǒng)，首要的條件便是系統(tǒng)能穩(wěn)定正常運(yùn)行。動(dòng)控制系統(tǒng)，首要的條件便是系統(tǒng)能穩(wěn)定正常運(yùn)行。 圖圖1-13 1-13 穩(wěn)定系統(tǒng)和不穩(wěn)定系統(tǒng)穩(wěn)定系統(tǒng)和不穩(wěn)定系統(tǒng) a)a)穩(wěn)定系統(tǒng)穩(wěn)定系統(tǒng) b)b)不穩(wěn)定系統(tǒng)不穩(wěn)定系統(tǒng) 當(dāng)系統(tǒng)從一個(gè)穩(wěn)態(tài)過渡到新的穩(wěn)態(tài)，或系當(dāng)系統(tǒng)從一個(gè)穩(wěn)態(tài)過渡到新的穩(wěn)態(tài)，或系 統(tǒng)受擾動(dòng)作用又重新平衡后，系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)統(tǒng)受擾動(dòng)作用又重新平衡后，系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn) 偏差，這種偏差稱為穩(wěn)態(tài)誤差，用偏差，這種偏差稱為穩(wěn)態(tài)誤差，用 表示表示 (Steady-State E

16、rror)(Steady-State Error)。系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差的。系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差的 大小反映了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度大小反映了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度( (或靜態(tài)精或靜態(tài)精 度度)(Static Accuracy)(Static Accuracy)，它表明了系統(tǒng)的，它表明了系統(tǒng)的 準(zhǔn)確程度。穩(wěn)態(tài)誤差準(zhǔn)確程度。穩(wěn)態(tài)誤差 越小，則系統(tǒng)的穩(wěn)越小，則系統(tǒng)的穩(wěn) 態(tài)精度越高。態(tài)精度越高。 . .有靜差系統(tǒng)有靜差系統(tǒng): 0: 0。 . .無靜差系統(tǒng)無靜差系統(tǒng): =0: =0。 系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo) (Steady-State Performance Specification) ss e ss e ss e ss e 自動(dòng)控制

17、系統(tǒng)自動(dòng)控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能的穩(wěn)態(tài)性能 a)a)有靜差系統(tǒng)有靜差系統(tǒng) b)b)無靜差系統(tǒng)無靜差系統(tǒng) 系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo) (Dynamic Performance Specification) 控制系統(tǒng)從一個(gè)穩(wěn)態(tài)過渡到新的穩(wěn)態(tài)都需控制系統(tǒng)從一個(gè)穩(wěn)態(tài)過渡到新的穩(wěn)態(tài)都需 要經(jīng)歷一段時(shí)間，亦即需要經(jīng)歷一個(gè)過渡要經(jīng)歷一段時(shí)間，亦即需要經(jīng)歷一個(gè)過渡 過程。表征這個(gè)過渡過程性能的指標(biāo)叫做過程。表征這個(gè)過渡過程性能的指標(biāo)叫做 控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)?，F(xiàn)在以系統(tǒng)對(duì)控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)。現(xiàn)在以系統(tǒng)對(duì) 突加給定信號(hào)突加給定信號(hào)( (階躍信號(hào)階躍信號(hào)) )的動(dòng)態(tài)響應(yīng)來介的動(dòng)態(tài)響應(yīng)來介 紹動(dòng)態(tài)指標(biāo)。圖紹動(dòng)態(tài)指標(biāo)。圖1-

18、151-15為系統(tǒng)對(duì)突加給定信為系統(tǒng)對(duì)突加給定信 號(hào)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線。動(dòng)態(tài)指標(biāo)通常用最大號(hào)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線。動(dòng)態(tài)指標(biāo)通常用最大 超調(diào)量超調(diào)量( )( )、調(diào)整時(shí)間、調(diào)整時(shí)間( )( )和振蕩次數(shù)和振蕩次數(shù) ( )( )來衡量。來衡量。 s t N 1.最大超調(diào)量( )(Maximum Overshoot) 最大超調(diào)量是輸出量的大偏差與輸出穩(wěn)態(tài)值之比。 即 ： 最大超調(diào)量反映了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)精度，最大超調(diào)量越小，則說明系統(tǒng)過渡過程 進(jìn)行得越平穩(wěn)。 %100)( max cc 2.調(diào)整時(shí)間( )(Settling Time) 調(diào)整時(shí)間是系統(tǒng)輸出量進(jìn)入并一直保持在離穩(wěn)態(tài)值的允許誤差帶內(nèi)所需要的時(shí)間。 s t

19、 3.振蕩次數(shù)是指在調(diào)整時(shí)間內(nèi)，輸出量在穩(wěn)態(tài)值上下擺動(dòng)的次數(shù)。 在上述指標(biāo)中，最大超調(diào)量和振蕩次數(shù)反映了系在上述指標(biāo)中，最大超調(diào)量和振蕩次數(shù)反映了系 統(tǒng)的穩(wěn)定性能。調(diào)整時(shí)間反映了系統(tǒng)的快速性。統(tǒng)的穩(wěn)定性能。調(diào)整時(shí)間反映了系統(tǒng)的快速性。 穩(wěn)態(tài)誤差反映了系統(tǒng)的準(zhǔn)確度。一般說來，我們穩(wěn)態(tài)誤差反映了系統(tǒng)的準(zhǔn)確度。一般說來，我們 總是希望最大超調(diào)量小一點(diǎn)，振蕩次數(shù)少一點(diǎn)，總是希望最大超調(diào)量小一點(diǎn)，振蕩次數(shù)少一點(diǎn)， 調(diào)整時(shí)間短一些，穩(wěn)態(tài)誤差小一點(diǎn)?？傊Ｍ{(diào)整時(shí)間短一些，穩(wěn)態(tài)誤差小一點(diǎn)?？傊Ｍ?系統(tǒng)能達(dá)到穩(wěn)、快、準(zhǔn)。系統(tǒng)能達(dá)到穩(wěn)、快、準(zhǔn)。 以后的分析將表明，這些指標(biāo)要求，在同一以后的分析將表明，這些指標(biāo)要求，在同一 個(gè)系統(tǒng)中往往是相互矛盾的。這就需要根據(jù)具體個(gè)系統(tǒng)中往往是相互矛盾的。這就需要根據(jù)具體 對(duì)象所提出的要求，對(duì)其中的某些指標(biāo)有所側(cè)重，