自動控制原理原理第1章

1、第第1章章 自動控制系統(tǒng)概述自動控制系統(tǒng)概述 11 引言引言 自動控制理論是自動控制技術(shù)的理論基礎(chǔ)，是一門理論性較自動控制理論是自動控制技術(shù)的理論基礎(chǔ)，是一門理論性較 強的工程科學(xué)。其發(fā)展可分為三個階段：經(jīng)典控制理論、現(xiàn)代強的工程科學(xué)。其發(fā)展可分為三個階段：經(jīng)典控制理論、現(xiàn)代 控制理論和智能控制理論?？刂评碚摵椭悄芸刂评碚?。 u 經(jīng)典控制理論主要以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)，討論單輸入-單輸出 一類自動控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計問題。發(fā)展時間為20世紀(jì)40到 60年代，理論較為成熟。在工程中解決了大量的實際問題，是 研究自動控制系統(tǒng)的重要理論基礎(chǔ)。 u 現(xiàn)代控制理論主要以狀態(tài)空間法為基礎(chǔ)，討論多輸入-多輸 出一

2、類自動控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計問題。發(fā)展時間為20世紀(jì)60 到70年代。 第第1章章 自動控制系統(tǒng)概述自動控制系統(tǒng)概述 n本書主要討論經(jīng)典控制理論部分。本書主要討論經(jīng)典控制理論部分。 u 智能控制理論以非數(shù)學(xué)的語言描述模型為基礎(chǔ)，研究不確 定性的復(fù)雜的高度非線性系統(tǒng)的分析和設(shè)計問題。數(shù)學(xué)工具 采用數(shù)值計算與符號處理的交叉與結(jié)合形式如神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)、 模糊集合論等。發(fā)展時間為20世紀(jì)70年代至今。 12 自動控制系統(tǒng)的基本概念自動控制系統(tǒng)的基本概念 “控制”是指為了克服各種擾動量的影響，達到預(yù)期目標(biāo)， 對生產(chǎn)設(shè)備或生產(chǎn)過程中的某個或某些物理量進行的操作。 在對被控量進行控制的過程中，按照系統(tǒng)中是否有人參

3、 與，可分為人工控制和自動控制。如果由人來完成對被控量的 控制稱為人工控制；如果由一些物理裝置代替人來完成對被控 量的控制稱為自動控制。 第第1章章 自動控制系統(tǒng)概述自動控制系統(tǒng)概述 下面以一個水池的水位控制為例說明人工控制和自動控制的 過程。 水池水池 人工控制的水池水位系統(tǒng)人工控制的水池水位系統(tǒng) 供水供水 閥門閥門 排水排水 實際水位實際水位 第第1章章 自動控制系統(tǒng)概述自動控制系統(tǒng)概述 水位自動控制系統(tǒng)水位自動控制系統(tǒng) 水池水池 供水供水 閥門閥門 排水排水 實際水位實際水位 V V M K 浮子浮子 減速器減速器 電位器電位器 電動機電動機 自動控制：自動控制：自動控制就是在沒有人的直

4、接干預(yù)下，利用物理裝 置對生產(chǎn)設(shè)備或工藝過程進行合理的控制，使被控制的物理量 保持恒定，或者按照一定的規(guī)律變化。 被控制對象：被控制對象：把被控制的設(shè)備或過程稱為被控制對象。 被控制量（或稱為輸出量）：被控制量（或稱為輸出量）：把被控制的物理量稱為被控制量。 自動控制系統(tǒng)：自動控制系統(tǒng)：是指為實現(xiàn)某一控制目標(biāo)所需要的所有物理 部件的有機組合體。 第第1章章 自動控制系統(tǒng)概述自動控制系統(tǒng)概述 擾動量按其來源可分為內(nèi)部擾動和外部擾動。給定量和擾動 量都是自動控制系統(tǒng)的輸入量。通常把給定量稱為系統(tǒng)的輸入 量。 自動控制的任務(wù)就是克服各種擾動量的影響，使系統(tǒng)按照給 定量所設(shè)定的規(guī)律運行。 13 控制系

5、統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)形式控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)形式 1.3.1 開環(huán)控制系統(tǒng)開環(huán)控制系統(tǒng) 如果控制系統(tǒng)的輸出量（被控量）對系統(tǒng)沒有控制作用 （即沒有返回影響），稱為開環(huán)控制系統(tǒng)。 例：爐溫開環(huán)控制系統(tǒng) 第第1章章 自動控制系統(tǒng)概述自動控制系統(tǒng)概述 c u V220 1 2 爐溫開環(huán)控制系統(tǒng) 1-自耦變壓器 2-電加熱器 給定量 輸出量 控制器被控對象 擾動量 開環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 1.3.2 閉環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng) 閉環(huán)控制系統(tǒng)就是把輸出量檢測出來， 并轉(zhuǎn)換成與輸入量相 同的物理量與之相比較（相減），用所得到的偏差信號經(jīng)過控 制器對被控對象進行控制，以抑制內(nèi)部擾動或外部擾動對輸出 量的影響，減小輸出量的誤

6、差。 例：爐溫閉環(huán)控制系統(tǒng) 第第1章章 自動控制系統(tǒng)概述自動控制系統(tǒng)概述 1-自耦變壓器 2-電加熱器 3-熱電偶 V220 1 2 爐溫閉環(huán)控制系統(tǒng) )( )( )( )( f u g U uM c u 3 控制器被控對象 給定量輸出量 擾動量 閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 檢測裝置 偏差量 反饋量 開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)的比較開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)的比較： （1）不論是開環(huán)控制系統(tǒng)還是閉環(huán)控制系統(tǒng)，輸入量和輸出量 之間都存在一一對應(yīng)關(guān)系。 第第1章章 自動控制系統(tǒng)概述自動控制系統(tǒng)概述 （2）對于開環(huán)控制系統(tǒng)，只有輸入量對輸出量產(chǎn)生控制作用， 輸出量不參與控制。從結(jié)構(gòu)上看，只有從輸入端到輸出端

7、的信號 傳遞通道（稱為正向通道或前向通道）。不具備抗干擾能力。 對于閉環(huán)控制系統(tǒng)，除了輸入量對系統(tǒng)有控制作用外，輸出 量也參與了控制。從結(jié)構(gòu)上看，除了正向通道外，還必須有從輸 出端到輸入端信號傳遞通道（稱為反饋通道）。閉環(huán)控制系統(tǒng)具 有抗干擾能力。 （3）閉環(huán)控制系統(tǒng)必須有檢測環(huán)節(jié)和比較環(huán)節(jié)。因為要實現(xiàn)閉 環(huán)控制必須把輸出量檢測出來并轉(zhuǎn)換成與輸入量相同的物理量， 再與輸入量比較得到偏差信號。 開環(huán)控制系統(tǒng)不需要這些環(huán)節(jié)，所以，它結(jié)構(gòu)簡單。 第第1章章 自動控制系統(tǒng)概述自動控制系統(tǒng)概述 （4）開環(huán)控制系統(tǒng)的控制精度較低。 閉環(huán)控制系統(tǒng)的控制精度較高。 1.3.3 復(fù)合控制系統(tǒng)復(fù)合控制系統(tǒng) 把開環(huán)

8、控制和閉環(huán)控制結(jié)合在一起構(gòu)成的系統(tǒng)稱為復(fù)合控制系 統(tǒng)。它的控制效果很好，但結(jié)構(gòu)相對要復(fù)雜。 14 閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成和基本環(huán)節(jié)閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成和基本環(huán)節(jié) 圖中，1是給定環(huán)節(jié)；2是比較環(huán)節(jié)；3是校正環(huán)節(jié)；4是放大環(huán) 節(jié)；5是執(zhí)行機構(gòu)；6是被控對象；7是檢測裝置。 第第1章章 自動控制系統(tǒng)概述自動控制系統(tǒng)概述 輸入量輸出量偏差量控制量 1 2 3 4 5 6 7 反饋量 閉環(huán)控制系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)圖 擾動量 1給定環(huán)節(jié)給定環(huán)節(jié) 是設(shè)定被控制量的給定值的裝置。如爐溫閉環(huán)控制系統(tǒng)中的 電位器。 2比較環(huán)節(jié)比較環(huán)節(jié) 其功能是將所檢測到的輸出量和給定量進行比較，確定出二 者之間的偏差。 3放大環(huán)節(jié)放大環(huán)節(jié) 放

9、大環(huán)節(jié)的作用就是將偏差信號轉(zhuǎn)換成適合于控制執(zhí)行機構(gòu) 工作的信號。 第第1章章 自動控制系統(tǒng)概述自動控制系統(tǒng)概述 4校正環(huán)節(jié)校正環(huán)節(jié) 或稱為校正裝置。它是為改善系統(tǒng)的控制性能而加入的環(huán) 節(jié)，它可以將偏差信號按照某種規(guī)律進行運算處理，以形成合 適的控制作用，使被控制量按照預(yù)期的規(guī)律變化。 通常，在控制系統(tǒng)中，把比較環(huán)節(jié)、校正環(huán)節(jié)和放大環(huán)節(jié) 合在一起稱為控制器（或控制裝置）。 5執(zhí)行機構(gòu)執(zhí)行機構(gòu) 其功能是執(zhí)行控制作用并驅(qū)動被控對象，它是直接作用于被 控對象的，一般有傳動裝置或調(diào)節(jié)機構(gòu)組成。 6被控對象被控對象 是指被控制的生產(chǎn)設(shè)備或生產(chǎn)過程。 7檢測裝置（傳感器）檢測裝置（傳感器） 該裝置的功能是用

10、來測量被控制量，并轉(zhuǎn)換成與給定量相同 的物理量反饋到輸入端。 第第1章章 自動控制系統(tǒng)概述自動控制系統(tǒng)概述 對檢測裝置的要求有三：測量精度要高、反應(yīng)要靈敏、性對檢測裝置的要求有三：測量精度要高、反應(yīng)要靈敏、性 能要穩(wěn)定。能要穩(wěn)定。 15 自動控制系統(tǒng)分類自動控制系統(tǒng)分類 1.5.1 按控制系統(tǒng)元件特性分類按控制系統(tǒng)元件特性分類 按組成控制系統(tǒng)的各元器件的輸入/輸出特性分為線性控制 系統(tǒng)和非線性控制系統(tǒng)。 1線性控制系統(tǒng)線性控制系統(tǒng) rm r m m r m m r m m r m cn c n n c n n c n n c n xb dt dx b dt xd b dt xd b dt xd

11、 b xa dt dx a dt xd a dt xd a dt xd a 1 2 2 2 1 1 10 1 2 2 2 1 1 10 )(txr 輸出量和輸入量及它們的各階導(dǎo)數(shù)均為一次冪，且各系數(shù)均與 輸入量（自變量） 無關(guān)，即為線性微分方程。 )(txr )(txc 和分別為控制系統(tǒng)的輸入量和輸出量。此方程中， 第第1章章 自動控制系統(tǒng)概述自動控制系統(tǒng)概述 線性控制系統(tǒng)具有一個很顯著的特點，即滿足疊加性和齊次性。 當(dāng)線性微分方程的各項系數(shù)均為常數(shù)時，稱為線性定常系統(tǒng)。 2非線性控制系統(tǒng)非線性控制系統(tǒng) 如果描述系統(tǒng)動態(tài)過程的微分方程是一個非線性微分方 程，則該系統(tǒng)就是一個非線性系統(tǒng)?；蛘哒f，

12、當(dāng)系統(tǒng)中至少有 一個元器件的輸入/輸出特性為非線性的，則該系統(tǒng)就是非線性 系統(tǒng)。 典型非線性特性 (b) 不靈敏區(qū)特性 xa K 0 a y (a) 飽和特性 x y a a 0 K (c) 繼電器特性 x ama E 0 E y 第第1章章 自動控制系統(tǒng)概述自動控制系統(tǒng)概述 1.5.2 按控制系統(tǒng)信號形式分類按控制系統(tǒng)信號形式分類 1連續(xù)控制系統(tǒng)連續(xù)控制系統(tǒng) 當(dāng)控制系統(tǒng)各處的信號都是時間的連續(xù)函數(shù)時，稱為連續(xù)控 制系統(tǒng)。 2離散控制系統(tǒng)離散控制系統(tǒng) 當(dāng)控制系統(tǒng)的某一處或幾處的信號是以脈沖序列或數(shù)碼形 式傳遞的，在時間上是離散的，此系統(tǒng)稱為離散控制系統(tǒng)。 )(te )( * te T )(te

13、 tt )( * te 00 采樣開關(guān)將連續(xù)信號變?yōu)殡x散信號 (a) 采樣開關(guān)(b) 連續(xù)信號(c) 離散信號 第第1章章 自動控制系統(tǒng)概述自動控制系統(tǒng)概述 離散信號取脈沖形式的系統(tǒng)稱為脈沖控制系統(tǒng)；而對于采用 數(shù)字計算機或數(shù)字控制器的系統(tǒng)，其離散信號為數(shù)字形式，稱為 數(shù)字控制系統(tǒng)。 采樣開關(guān) 脈沖控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 數(shù)據(jù)保持器 控制對象 )(txr )(txc )(te)( * te 數(shù)字控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 控制器 控制對象 r x c xe ADDA * e * uu 第第1章章 自動控制系統(tǒng)概述自動控制系統(tǒng)概述 1.5.3 按輸入量的變化形式分類按輸入量的變化形式分類 1恒值控制系統(tǒng)恒值控制系統(tǒng)

14、 輸入量是不變的常數(shù)，要求輸出量盡可能保持在期望值上。 2程序控制系統(tǒng)程序控制系統(tǒng) 系統(tǒng)的輸入量是按照預(yù)先設(shè)定的時間函數(shù)變化，要求輸出量 準(zhǔn)確或以一定的精度跟蹤變化。 3隨動控制系統(tǒng)（又稱伺服系統(tǒng)）隨動控制系統(tǒng)（又稱伺服系統(tǒng)） 系統(tǒng)的輸入量是隨時間任意變化的，要求輸出量準(zhǔn)確或以一 定的精度跟隨輸入量的變化。 例例1-1 船舶駕駛舵角位置跟蹤系統(tǒng)。試分析其工作原理，并畫出 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。 第第1章章 自動控制系統(tǒng)概述自動控制系統(tǒng)概述 電壓 放大器 功率 放大器 M 船舵 電動機 減速器 反饋連接 電位器組 r c u 船舶舵角位置跟蹤系統(tǒng) 操縱桿 船舶舵角位置跟蹤系統(tǒng)的原理結(jié)構(gòu)圖 操縱桿 電位 器

15、組 電壓 放大器 功率 放大器 電動機 減速器 船舵 r c 第第1章章 自動控制系統(tǒng)概述自動控制系統(tǒng)概述 16 對自動控制系統(tǒng)的基本要求對自動控制系統(tǒng)的基本要求 1.6.1 穩(wěn)定性穩(wěn)定性 暫態(tài)：把輸出量處于變化狀態(tài)稱為暫態(tài)或動態(tài)。 穩(wěn)態(tài)：把輸出量處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)（達到的平衡狀態(tài)）稱為穩(wěn) 態(tài)或靜態(tài)。 所謂穩(wěn)定是指當(dāng)系統(tǒng)受到瞬時擾動的作用，使輸出量偏離了 原來的平衡狀態(tài)而產(chǎn)生偏差，當(dāng)擾動消失后，輸出量能夠恢復(fù)到 （或接近于）原來的平衡狀態(tài)。 第第1章章 自動控制系統(tǒng)概述自動控制系統(tǒng)概述 穩(wěn)定的系統(tǒng) t )(txc o 擾動 t )(txc o 擾動 不穩(wěn)定的系統(tǒng) 1.6.2 準(zhǔn)確性準(zhǔn)確性 自動

16、控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確性即控制精度的高低通常用穩(wěn)態(tài)誤差來 表示。 對于一個穩(wěn)定的系統(tǒng)，當(dāng)暫態(tài)過程結(jié)束到達穩(wěn)態(tài)時，系統(tǒng) 輸出量的實際值與期望值之差，稱為穩(wěn)態(tài)誤差。 第第1章章 自動控制系統(tǒng)概述自動控制系統(tǒng)概述 自動控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差 擾動 (b) 有差系統(tǒng) t o )(txc ss e 擾動 (a) 無差系統(tǒng) t o )(txc 0 ss e 1.6.3 快速性快速性 對于一般的控制系統(tǒng)，當(dāng)給定量突然增加某一值時，輸出 量在暫態(tài)過程中的變化形式可能有以下幾種情況： 第第1章章 自動控制系統(tǒng)概述自動控制系統(tǒng)概述 期望輸出值 t t )(txc 期望輸出值 o o 輸出量在暫態(tài)過程中的變化形式 )(txc

17、(c)(d) t )(txc t )(txc 期望輸出值 期望輸出值 o o (a)(b) 第第1章章 自動控制系統(tǒng)概述自動控制系統(tǒng)概述 1單調(diào)過程單調(diào)過程 此暫態(tài)過程輸出量單調(diào)變化，且變化比較緩慢，暫態(tài)過程的 時間較長。 2衰減振蕩過程衰減振蕩過程 輸出量變化較快，以致調(diào)節(jié)過頭而產(chǎn)生超調(diào)，經(jīng)過幾次振蕩后， 達到新的穩(wěn)定工作狀態(tài) 3持續(xù)振蕩過程持續(xù)振蕩過程 輸出量在新的平衡狀態(tài)上下振蕩而且是持續(xù)的，始終達不到 新的平衡狀態(tài)。 4發(fā)散振蕩過程發(fā)散振蕩過程 不但不能糾正偏差，反而使偏差越來越大，總也達不到所要求 的穩(wěn)定工作狀態(tài)。 暫態(tài)性能指標(biāo)：暫態(tài)性能指標(biāo)： 第第1章章 自動控制系統(tǒng)概述自動控制系統(tǒng)概述 1最大超調(diào)量（簡稱超調(diào)量）% cm x )( c x 最大