自動控制原理：第一章 控制系統(tǒng)導論

1、第一章 控制系統(tǒng)導論第一章 控制系統(tǒng)導論 1-1 自動控制的基本原理 1-2 自動控制系統(tǒng)示例 1-3 自動控制系統(tǒng)的分類 1-4 自動控制系統(tǒng)的基本要求1-1 自動控制的基本原理1.自動控制技術(shù)及其應用 在我們周圍，確實存在著能實現(xiàn)自動控制的自然系統(tǒng)和人造系統(tǒng)。 人們的生活在很大程度上都依賴于自動運行的系統(tǒng)。自然系統(tǒng) 將人體作為一個例子來考慮，這個系統(tǒng)持續(xù)的自動控制是人類生存的基本要求。人體的體溫保持在37的自動溫控系統(tǒng)心跳控制系統(tǒng)眼球聚焦系統(tǒng)這些都可以稱為自動系統(tǒng)。 這些系統(tǒng)和其他許多人體內(nèi)的系統(tǒng)一樣都是在人們沒有任何有意識干預的情況下自動運行的。人造系統(tǒng)數(shù)控車床按預定程序自動切削工件；化

2、學反應爐的溫度或壓力自動地維持恒定；雷達和計算機組成的導彈發(fā)射和制導系統(tǒng)自動將導彈引導到敵方目標。無人駕駛飛機按照預定航跡自動升降和飛行；人造衛(wèi)星準確地進入預定軌道運行并回收。自動控制在電力系統(tǒng)中的應用自動控制 是指在沒有人直接參與的情況下，利用外加的設(shè)備或裝置（稱控制裝置或控制器），使機器、設(shè)備或生產(chǎn)過程（統(tǒng)稱被控對象）的某個工作狀態(tài)或參數(shù)（即被控量）自動地按預定的規(guī)律運行。2.自動控制理論古典控制理論 以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)研究單輸入-單輸出一類定?？刂葡到y(tǒng)的分析與設(shè)計問題。這些理論由于其發(fā)展較早，現(xiàn)已臻成熟?，F(xiàn)代控制理論 以狀態(tài)空間法為基礎(chǔ)，研究多輸入-多輸出、時變、非線性一類控制系統(tǒng)的分析與

3、設(shè)計問題。系統(tǒng)具有高精度和高效能的特點。智能控制 把自動控制理論的方法和人工智能的靈活框架結(jié)合起來，改變控制策略去適應對象的復雜性和不確定性。3.反饋控制原理反饋 把取出的輸出量送回輸入端，并與輸入信號相比較產(chǎn)生偏差信號的過程，稱為反饋。 若反饋的信號與輸入信號相減，使產(chǎn)生的偏差越來越小，則稱為負反饋；反之，則稱為正反饋。反饋控制系統(tǒng) 能對輸入量與輸出量進行比較，并且將它們的偏差作為控制手段，以保持兩者之間預定關(guān)系的系統(tǒng)，稱為反饋控制系統(tǒng)。 由于引入了被反饋量的反饋信息，整個控制過程成為閉合的，因此反饋控制也稱為閉環(huán)控制。閉環(huán)控制 凡是系統(tǒng)輸出信號對控制作用有直接影響的系統(tǒng)，都稱為閉環(huán)系統(tǒng)。輸

4、入信號和反饋信號（反饋信號可以是輸出信號本身，也可以是輸出信號的函數(shù)或?qū)?shù)）之差，稱為誤差信號，誤差信號加到控制器上，以減小系統(tǒng)的誤差，并使系統(tǒng)的輸出量趨于所希望的值。 換句話說，“閉環(huán)”這個術(shù)語的涵義，就是應用反饋作用來減小系統(tǒng)的誤差。閉環(huán)控制系統(tǒng)圖1-1 人取書的反饋控制系統(tǒng)方塊圖調(diào)節(jié)觸發(fā)器4.反饋控制系統(tǒng)的基本組成圖1-5 反饋控制系統(tǒng)基本組成測量元件：其職能是測量被控制的物理量;給定元件：其職能是給出與期望的被控量相對應的系統(tǒng)輸入量（即參據(jù)量）。比較元件：把測量元件檢測的被控量實際值與給定元件給出的參據(jù)量進行比較，求出它們之間的偏差。放大元件：將比較元件給出的偏差進行放大，用來推動執(zhí)行

5、元件去控制被控對象。執(zhí)行元件：直接推動被控對象，使其被控量發(fā)生變化。校正元件：亦稱補償元件，它是結(jié)構(gòu)或參數(shù)便于調(diào)整的元件，用串聯(lián)或反饋的方式連接在系統(tǒng)中，以改善系統(tǒng)性能。用“”號代表比較元件；“-”號代表兩者符號相反，“+”號代表兩者符號相同。信號沿箭頭方向從輸入端到達輸出端的傳輸通路稱前向通路；系統(tǒng)輸出量經(jīng)測量元件反饋到輸入端的傳輸通路稱主反饋通路。前向通路與主反饋通路共同構(gòu)成主回路。局部反饋通路以及由它構(gòu)成的內(nèi)回路。只包含一個主反饋通路的系統(tǒng)稱單回路系統(tǒng)；有兩個或兩個以上反饋通路的系統(tǒng)稱多回路系統(tǒng)。5.自動控制系統(tǒng)基本控制方式（1）反饋控制方式（2）開環(huán)控制方式（3）復合控制方式（2）開環(huán)

6、控制方式 只有輸入量對輸出量產(chǎn)生控制作用，輸出量不參與對系統(tǒng)的控制。 指控制裝置與被控對象之間只有順向作用而沒有反向聯(lián)系的控制過程，按這種方式組成的系統(tǒng)稱為開環(huán)控制系統(tǒng)。開環(huán)控制特點輸入控制輸出輸出不參與控制系統(tǒng)沒有抗干擾能力開環(huán)控制系統(tǒng)按擾動控制的開環(huán)控制系統(tǒng) 利用可測量的的擾動量，產(chǎn)生一種補償作用，以減小或抵消擾動對輸出量的影響，這種控制方式也稱順饋控制。 直接從擾動取得信息，并據(jù)以改變被控量，因此，其抗擾動性好，控制精度也較高，但它只適用于可測量的場合。閉環(huán)與開環(huán)控制系統(tǒng)的比較Closed-Loop versus Open-Loop Control Systems閉環(huán)控制系統(tǒng)的特點開環(huán)控

7、制系統(tǒng)的特點偏差控制，可以抑制內(nèi)、外擾動對被控制量產(chǎn)生的影響精度高、結(jié)構(gòu)復雜，設(shè)計、分析麻煩順向作用，沒有反向的聯(lián)系沒有修正偏差能力，抗擾動性較差結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)整方便、成本低（3）復合控制方式 把按偏差控制與按擾動控制結(jié)合起來，對于主要擾動采用適當?shù)难a償裝置實現(xiàn)按擾動控制，同時，再組成反饋控制系統(tǒng)實現(xiàn)按偏差控制，以消除其余擾動產(chǎn)生的偏差。1-2 自動控制系統(tǒng)示例1.函數(shù)記錄儀2.電阻爐微型計算機溫度控制系統(tǒng)圖1-10 電阻爐溫度微機控制系統(tǒng)3.鍋爐液位控制系統(tǒng)1-3 自動控制系統(tǒng)的分類1.線性連續(xù)控制系統(tǒng)一般形式為：被控量；系統(tǒng)輸入量。定常系統(tǒng)：系數(shù) 是常數(shù)；時變系統(tǒng)：系數(shù) 隨時間變化。2.線性

8、定常離散控制系統(tǒng)一般形式為：為差分方程的次數(shù)；為常系數(shù)；分別為輸入和輸出采樣序列；3.非線性控制系統(tǒng) 系統(tǒng)中只要有一個元部件的輸入輸出特性是非線性的，這類系統(tǒng)就稱為非線性控制系統(tǒng)，這時，要用非線性微分（或差分）方程描述其特性。 非線性方程的特點是系數(shù)與變量有關(guān)，或者方程中含有變量及其導數(shù)的高次冪或乘積項。 嚴格來說，實際物理系統(tǒng)中都含有程度不同的非線性元部件。1-4 自動控制系統(tǒng)的基本要求1.基本要求的提法 可以歸結(jié)為穩(wěn)定性（長期穩(wěn)定性）、準確性（精度）和快速性（相對穩(wěn)定性）。 穩(wěn) 準 快穩(wěn)定性：1 對恒值系統(tǒng)，要求當系統(tǒng)受到擾動后，經(jīng)過一定時間的調(diào)整能夠回到原來的期望值。2 對隨動系統(tǒng)，被控

9、制量始終跟蹤參據(jù)量的變化。 穩(wěn)定性是對系統(tǒng)的基本要求，不穩(wěn)定的系統(tǒng)不能實現(xiàn)預定任務(wù)。穩(wěn)定性，通常由系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)決定與外界因素無關(guān)?？焖傩裕?對過渡過程的形式和快慢提出要求，一般稱為動態(tài)性能。舉例： 穩(wěn)定高射炮射角隨動系統(tǒng)，雖然炮身最終能跟蹤目標，但如果目標變動迅速，而炮身行動遲緩，仍然抓不住目標。準確性： 用穩(wěn)態(tài)誤差來表示。 在參考輸入信號作用下，當系統(tǒng)達到穩(wěn)態(tài)后，其穩(wěn)態(tài)輸出與參考輸入所要求的期望輸出之差叫做給定穩(wěn)態(tài)誤差。顯然，這種誤差越小，表示系統(tǒng)的輸出跟隨參考輸入的精度越高。2.典型外作用 典型外作用函數(shù)應具備以下條件：1）這種函數(shù)在現(xiàn)場或?qū)嶒炇抑腥菀椎玫剑?）控制系統(tǒng)在這種函數(shù)作用下的性能應代表在實際工作條件下的性能；3）這種函數(shù)的數(shù)學表達式簡單，便于理論計算。典型外作用函數(shù)：（1）階躍函數(shù)（2）斜坡函數(shù)（3）脈沖函數(shù)（4）正弦函數(shù)（1）階躍函數(shù) 表達式為R0tf(t) 階躍函數(shù)是自動控制系統(tǒng)在實際工作條件下經(jīng)常遇到的一種外作用形式。例如：電源電壓突然跳動；負載突然增大或減?。伙w機飛行中遇到的常值陣風擾動。（2）斜坡函數(shù) 表達式為0tf(t) 在工程實踐中，某些隨動系統(tǒng)就常常工作于這種外作用下。 例如： 雷達高射炮防空系統(tǒng)。（3）脈沖函數(shù) 表達式為0t0t 脈沖函數(shù)在現(xiàn)實中是不存在的，只有數(shù)學上的定義，但它卻是一個重要而有效的數(shù)學工具，在自控研究中，它具有重要作用