胡壽松自控Ch1課件

1.1自動控制的概念自動控制：是指沒有人直接參與的情況下，利用控制裝置（稱控制器），使整個生產(chǎn)過程或工作機械（稱被控對象）的某個工作狀態(tài)或參數(shù)（即被控量）自動地按照預(yù)定的規(guī)律運行。自動控制系統(tǒng)：能夠?qū)崿F(xiàn)自動控制任務(wù)的系統(tǒng)，由控制器與控制對象組成?？刂茖ο罂刂破鬏斎肓枯敵隽繑_動量?控制對象：要求實現(xiàn)自動控制的機器、設(shè)備或生產(chǎn)過程?？刂破鳎簩刂茖ο笃鹂刂谱饔玫目刂蒲b置總體。輸入量：作用于控制系統(tǒng)輸入端，并可使系統(tǒng)具有預(yù)定功能或預(yù)定輸出的物理量。輸出量：位于控制系統(tǒng)輸出端，并要求實現(xiàn)自動控制的物理量。擾動量：破壞系統(tǒng)輸入量和輸出量之間預(yù)定規(guī)律的信號。輸入量輸出量自動控制系統(tǒng)的組成自動控制的任務(wù)—利用控制器操縱控制對象，使其被控量按技術(shù)要求變化。若r(t)—給定量，c(t)—被控量，則自控的任務(wù)之?dāng)?shù)學(xué)表達式為：使被控量滿足c(t)≈r(t)。自控系統(tǒng)的組成如下圖所示。自動控制系統(tǒng)的基本組成<1>給定元件：其職能是給出與期望的被控量相對應(yīng)的系統(tǒng)輸入量。一般為電位器。<2>比較元件：其職能是把測量到的被控量實際值與給定元件給出的輸入量進行比較，求出他們之間的偏差。常用的有差動放大器、機械差動裝置、電橋電路、計算機等。<3>測量元件：其職能是檢測被控制量的物理量。如測速機、熱電偶、自整角機、電位器、旋轉(zhuǎn)變壓器、浮子等。基本組成（續(xù)）<4>放大元件：其職能是將比較元件給出的偏差信號進行放大，用來推動執(zhí)行元件去控制受控對象。如：晶體管、集成電路、晶閘管等組成的電壓、功率放大器。<5>執(zhí)行元件：其職能是直接推動受控對象，使其被控量發(fā)生變化。如：閥門、電機、液壓馬達等。基本組成（續(xù)）自控系統(tǒng)的特點：<1>從信號傳送看：c(t)經(jīng)測量后回到輸入端，構(gòu)成閉環(huán)，具有反饋形式，且為負反饋。<2>從控制作用的產(chǎn)生看：由偏差產(chǎn)生的控制作用使系統(tǒng)沿減小或消除偏差的方向運動—偏差控制。<6>校正元件：也叫補償元件，它是結(jié)構(gòu)或參數(shù)便于調(diào)整的元件。用串聯(lián)或并聯(lián)（反饋）的方式連接于系統(tǒng)中，以改善系統(tǒng)的性能。如：電阻、電容組成的無源或有源網(wǎng)絡(luò)，還有計算機?；窘M成（續(xù)）自動控制系統(tǒng)控制原理方框圖控制對象執(zhí)行裝置控制器測量裝置控制器比較環(huán)節(jié)輸入量偏差測量值輸出量控制量擾動量控制動作廣義對象自動控制裝置元素：（1）：元件（2）：信號（物理量）及傳遞方向（3）：比較點（信號疊加）（4）：引出點（分支、信號強度）（5）+/-：符號的意義（正、負反饋）1.2控制原理與方式1.開環(huán)控制

開環(huán)控制系統(tǒng)是指無被控量反饋的控制系統(tǒng),即需要控制的是被控對象的某一量(被控量),而測量的只是給定信號,被控量對于控制作用沒有任何影響的系統(tǒng)。結(jié)構(gòu)如圖所示。2.反饋控制——

閉環(huán)控制（核心）閉環(huán)控制的定義是有被控制量反饋的控制,其原理框如圖所示。從系統(tǒng)中信號流向看,系統(tǒng)的輸出信號沿反饋通道又回到系統(tǒng)的輸入端,構(gòu)成閉合通道,故稱閉環(huán)控制系統(tǒng),或反饋控制系統(tǒng)。前/正向通道反/負向通道這種控制方式,無論是由于干擾造成,還是由于結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化引起被控量出現(xiàn)偏差,系統(tǒng)就利用偏差去糾正偏差,故這種控制方式為按偏差調(diào)節(jié)。閉環(huán)控制系統(tǒng)的突出優(yōu)點是利用偏差來糾正偏差,使系統(tǒng)達到較高的控制精度。但與開環(huán)控制系統(tǒng)比較,閉環(huán)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,構(gòu)造比較困難。需要指出的是,由于閉環(huán)控制存在反饋信號,利用偏差進行控制,如果設(shè)計得不好,將會使系統(tǒng)無法正常和穩(wěn)定地工作。另外,控制系統(tǒng)的精度與系統(tǒng)的穩(wěn)定性之間也常常存在矛盾。開環(huán)控制和閉環(huán)控制方式各有優(yōu)缺點,在實際工程中應(yīng)根據(jù)工程要求及具體情況來決定。如果事先預(yù)知輸入量的變化規(guī)律,又不存在外部和內(nèi)部參數(shù)的變化,則采用開環(huán)控制較好。如果對系統(tǒng)外部干擾無法預(yù)測,系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)又經(jīng)常變化,為保證控制精度,采用閉環(huán)控制則更為合適。如果對系統(tǒng)的性能要求比較高,為了解決閉環(huán)控制精度與穩(wěn)定性之間的矛盾,可以采用開環(huán)控制與閉環(huán)控制相結(jié)合的復(fù)合控制系統(tǒng)。（3）.復(fù)合控制控制器控制對象擾動輸出量輸入量補償器控制器控制對象擾動輸出量輸入量補償器復(fù)合控制—給定補償或干擾補償與反饋控制結(jié)合起來就組成復(fù)合控制。1.3自動控制系統(tǒng)的組成及術(shù)語典型反饋控制系統(tǒng)的原理如圖所示(1)被控對象:它是控制系統(tǒng)所控制和操縱的對象,它接受控制量并輸出被控制量。(2)控制器:接收變換和放大后的偏差信號,轉(zhuǎn)換為對被控對象進行操作的控制信號。(3)放大變換環(huán)節(jié):將偏差信號變換為適合控制器執(zhí)行的信號。它根據(jù)控制的形式、幅值及功率來放大變換。(4)校正裝置:為改善系統(tǒng)動態(tài)和靜態(tài)特性而附加的裝置。如果校正裝置串聯(lián)在系統(tǒng)的前向通道中,稱為串聯(lián)校正裝置;如果校正裝置接成反饋形式,稱為并聯(lián)校正裝置,又稱局部反饋校正。(5)反饋環(huán)節(jié):它用來測量被控量的實際值,并經(jīng)過信號處理,轉(zhuǎn)換為與被控制量有一定函數(shù)關(guān)系,且與輸入信號同一物理量的信號。反饋環(huán)節(jié)一般也稱為測量變送環(huán)節(jié)。(6)給定環(huán)節(jié):產(chǎn)生輸入控制信號的裝置。(1)輸入信號:泛指對系統(tǒng)的輸出量有直接影響的外界輸入信號,既包括控制信號又包括擾動信號。其中控制信號又稱控制量、參考輸入、或給定值。(2)輸出信號:是指反饋控制系統(tǒng)中被控制的物理量,它與輸入信號之間有一定的函數(shù)關(guān)系。(3)反饋信號:將系統(tǒng)(或環(huán)節(jié))的輸出信號經(jīng)變換、處理送到系統(tǒng)(或環(huán)節(jié))的輸入端的信號,稱為反饋信號。若此信號是從系統(tǒng)輸出端取出送入系統(tǒng)輸入端,這種反饋信號稱主反饋信號。而其它稱為局部反饋信號?？刂葡到y(tǒng)中常用的名詞術(shù)語(4)偏差信號:控制輸入信號與主反饋信號之差。(5)誤差信號:它指系統(tǒng)輸出量的實際值與希望值之差。系統(tǒng)希望值是理想化系統(tǒng)的輸出，實際上并不存在,它只能用與控制輸入信號具有一定比例關(guān)系的信號來表示。在單位反饋情況下,希望值就是系統(tǒng)的輸入信號,誤差信號等于偏差信號。(6)擾動信號:除控制信號以外,對系統(tǒng)的輸出有影響的信號。1.4自動控制系統(tǒng)的分類1.按信號流向劃分（1）開環(huán)控制系統(tǒng)信號流動由輸入端到輸出端單向流動。（2）閉環(huán)控制系統(tǒng)若控制系統(tǒng)中信號除從輸入端到輸出端外,還有輸出到輸入的反饋信號,則構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng),也稱反饋控制系統(tǒng),如圖所示。2.按系統(tǒng)輸入信號劃分（1）恒值調(diào)節(jié)系統(tǒng)(自動調(diào)節(jié)系統(tǒng))這種系統(tǒng)的特征是輸入量為一恒值,通常稱為系統(tǒng)的給定值?？刂葡到y(tǒng)的任務(wù)是盡量排除各種干擾因素的影響,使輸出量維持在給定值(期望值)。如工業(yè)過程中恒溫、恒壓、恒速等控制系統(tǒng)。（2）隨動系統(tǒng)(跟蹤系統(tǒng))該系統(tǒng)的控制輸入量是一個事先無法確定的任意變化的量,要求系統(tǒng)的輸出量能迅速平穩(wěn)地復(fù)現(xiàn)或跟蹤輸入信號的變化。如雷達天線的自動跟蹤系統(tǒng)和高炮自動描準(zhǔn)系統(tǒng)就是典型的隨動系統(tǒng)。（3）程序控制系統(tǒng)系統(tǒng)的控制輸入信號不是常值,而是事先確定的運動規(guī)律,編成程序裝在輸入裝置中,即控制輸入信號是事先確定的程序信號,控制的目的是使被控對象的被控量按照要求的程序動作。如數(shù)控車床就屬此類系統(tǒng)。3.線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)組成系統(tǒng)元器件的特性均為線性的,可用一個或一組線性微分方程來描述系統(tǒng)輸入和輸出之間關(guān)系。線性系統(tǒng)的主要特征是具有齊次性和疊加性。(1)線性系統(tǒng)(2)非線性系統(tǒng)在系統(tǒng)中只要有一個元器件的特性不能用線性微分方程描述其輸入和輸出關(guān)系,則稱為非線性系統(tǒng)。非線性系統(tǒng)還沒有一種完整、成熟、統(tǒng)一的分析法。通常對于非線性程度不很嚴(yán)重,或做近似分析時,均可用線性系統(tǒng)理論和方法來處理。4.定常系統(tǒng)和時變系統(tǒng)

(1)定常系統(tǒng)如果描述系統(tǒng)特性的微分方程中各項系數(shù)都是與時間無關(guān)的常數(shù),則稱為定常系統(tǒng)。該類系統(tǒng)只要輸入信號的形式不變,在不同時間輸入下的輸出響應(yīng)形式是相同的。(2)時變系統(tǒng)如果描述系統(tǒng)特性的微分方程中只要有一項系數(shù)是時間的函數(shù),此系統(tǒng)稱為時變系統(tǒng)。5.連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)(1)連續(xù)系統(tǒng)系統(tǒng)中所有元件的信號都是隨時間連續(xù)變化的,信號的大小均是可任意取值的模擬量,稱為連續(xù)系統(tǒng)。(2)離散系統(tǒng)離散系統(tǒng)是指系統(tǒng)中有一處或數(shù)處的信號是脈沖序列或數(shù)碼。若系統(tǒng)中采用了采樣開關(guān),將連續(xù)信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡x散的脈沖形式的信號,此類系統(tǒng)稱為采樣控制系統(tǒng)或脈沖控制系統(tǒng)。若采用數(shù)字計算機或數(shù)字控制器,其離散信號是以數(shù)碼形式傳遞的,此類系統(tǒng)稱為數(shù)字控制系統(tǒng)。6.單輸入單輸出系統(tǒng)與多輸入多輸出系統(tǒng)(1)單輸入單輸出系統(tǒng)(單變量系統(tǒng))系統(tǒng)的輸入量和輸出量各為一個,稱為單輸入單輸出系統(tǒng)。(2)多輸入多輸出系統(tǒng)(多變量系統(tǒng))若系統(tǒng)的輸入量和輸出量多于一個,稱為多輸入多輸出系統(tǒng)。對于線性多輸入多輸出系統(tǒng),系統(tǒng)的任何一個輸出等于數(shù)個輸入單獨作用下輸出的疊加。

控制精度是衡量系統(tǒng)技術(shù)性能的重要尺度。一個高品質(zhì)的系統(tǒng),在整個運行過程中,被控量對給定值的偏差應(yīng)該是最小的?？紤]動態(tài)過程在不同階段中的特點,工程上通常從穩(wěn)、準(zhǔn)、快三個方面來衡量自動控制系統(tǒng)。1.穩(wěn)定性(穩(wěn))穩(wěn)定工作是所有自動控制系統(tǒng)的最基本要求,是系統(tǒng)能否工作的前題。不穩(wěn)定的系統(tǒng)根本無法完成控制任務(wù)。考慮到實際系統(tǒng)工作環(huán)境或參數(shù)的變動,可能導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定,因此,我們除要求系統(tǒng)穩(wěn)定外,還要求其具有一定的穩(wěn)定裕量。2.穩(wěn)態(tài)精度(準(zhǔn))

3.動態(tài)過程(快)穩(wěn)態(tài)精度是指系統(tǒng)過渡到新的平衡工作狀態(tài)以后,或系統(tǒng)對抗干擾重新恢復(fù)平衡后,最終保持的精度。穩(wěn)態(tài)精度與控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及參數(shù),輸入信號形式有關(guān)。動態(tài)過程是指控制系統(tǒng)的被控量在輸入信號作用下隨時間變化的全過程,衡量動態(tài)過程的品質(zhì)好壞常采用單位階躍信號作用下過渡過程中的超調(diào)量,過渡過程時間等性能指標(biāo)。對于一個實際系統(tǒng)其輸入信號往往是比較復(fù)雜的,而系統(tǒng)的輸出響應(yīng)又與輸入信號類型有關(guān)。因此,在研究自動控制系統(tǒng)的響應(yīng)時,往往選擇一些典型輸入信號,并且以最不利的信號作為系統(tǒng)的輸入信號,分析系統(tǒng)在此輸入信號下所得到的輸出響應(yīng)是否滿足要求，估計系統(tǒng)在比較復(fù)雜信號作用下的性能指標(biāo)。常采用的典型輸入信號有：1.階躍函數(shù)它的數(shù)學(xué)表達式為：它表示一個在t=0時刻出現(xiàn)的，幅值為A的階躍變化函數(shù)，如圖所示。在實際系統(tǒng)中，如負荷突然增大或減小，流量閥突然開大或關(guān)小均可以近似看成階躍函數(shù)的形式。A=1的函數(shù)稱為單位階躍函數(shù)，記作1(t)。因此，幅值為A的階躍函數(shù)也可表示為：出現(xiàn)在時刻的階躍函數(shù)，表示為：2.斜坡函數(shù)（等速度函數(shù)）

它的數(shù)學(xué)表達式為:斜坡函數(shù)從t=0時刻開始，隨時間以恒定速度增加。如圖所示。A=1時斜坡函數(shù)稱作單位斜坡函數(shù)。

斜坡函數(shù)等于階躍函數(shù)對時間的積分，反之，階躍函數(shù)等于斜坡函數(shù)對時間的導(dǎo)數(shù)。

它的數(shù)學(xué)表達式為:曲線如圖所示。當(dāng)A=1時，稱為單位拋物線函數(shù)。拋物線函數(shù)是斜坡函數(shù)對時間的積分。3.拋物線函數(shù)（等加速度函數(shù)）4.脈沖函數(shù)

它的曲線如圖所示，數(shù)學(xué)表達式為:其面積為A。即:面積A表示脈沖函數(shù)的強度。的脈沖函數(shù)稱為單位脈沖函數(shù)，記作，即:于是強度為A的脈沖函數(shù)可表示為。表示在時刻出現(xiàn)的單位脈沖函數(shù)，即:單位脈沖函數(shù)是單位階躍函數(shù)的導(dǎo)數(shù)5.正弦函數(shù)

它的數(shù)學(xué)表達式為:式中A為振幅，ω為角頻率，正弦函數(shù)為周期函數(shù)。當(dāng)正弦信號作用于線性系統(tǒng)時，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分量是和輸入信號同頻率的正弦信號，僅僅是幅值和初相位不同。根據(jù)系統(tǒng)對不同頻率正弦輸入信號的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)，可以得到系統(tǒng)性能的全部信息。（1）自動控制是在沒有人直接參與的情況下，利用控制裝置使被控對象自動地按要求的運動規(guī)律變化。自動控制系統(tǒng)是由被控對象和控制器按一定方式聯(lián)接起來的、完成一定自動控制任務(wù)的有機整體。（2）自動控制系統(tǒng)可以是開環(huán)控制、閉環(huán)控制或復(fù)合控制。最基本的控制方式是閉環(huán)控制，亦稱反饋控制。（3）自動控制系統(tǒng)的分類方法很多，其中最常見的是按給定信號的特點進行分類，可分為恒值系統(tǒng)、隨動系統(tǒng)和程控系統(tǒng)。（4）在分析系統(tǒng)的工作原理時，應(yīng)注意系統(tǒng)各組成部分具有的職能，并能用原理方框圖進行分析。原理方框圖是分析控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)。（5）對自動控制系統(tǒng)性能的基本要求可歸結(jié)為穩(wěn)、快、準(zhǔn)三個字。本章小結(jié)（6）常用的典型輸入信號有階躍函數(shù)、斜坡函數(shù)、拋物線函數(shù)、脈沖函數(shù)和正弦函數(shù)。（7）自動控制理論是研究自動控制技術(shù)的基礎(chǔ)理論，其研究內(nèi)容主要分為系統(tǒng)分析和系統(tǒng)設(shè)計兩個方面。本章小結(jié)（續(xù)）Thursday,February2,2023412015-01-0810:00-12:00第一章緒論Thursday,February2,202342自動控制和自動控制系統(tǒng)的基本概念

自動控制系統(tǒng)：由被控對象和自動控制裝置按一定的方式連接起來，完成一定的自動控制任務(wù)的整體。

自動控制：所謂自動控制，是指在無人直接參與的情況下，利用控制裝置操縱受控對象，使被控量等于給定值或按照給定的規(guī)律去變化。控制對象：控制系統(tǒng)要進行控制的受控客體。

Thursday,February2,202343自動控制系統(tǒng)的組成

輸入裝置：產(chǎn)生給定的輸入量；比較器（放大器）：將給定輸入量和反饋信號進行比較得到偏差信號；調(diào)節(jié)器：根據(jù)偏差信號的大小產(chǎn)生控制信號；執(zhí)行器：按調(diào)節(jié)器產(chǎn)生的控制信號實現(xiàn)對被控對象的控制；測量裝置：對系統(tǒng)被控量進行測量和變換產(chǎn)生反饋信號。自動控制系統(tǒng)主要包括以下幾個部分：Thursday,February2,202344自動控制系統(tǒng)的框圖自動控制框圖的一般形式Thursday,February2,202345自動控制系統(tǒng)的控制方式開環(huán)控制（Open-loopControl）

（1）定義：控制裝置（控制器+執(zhí)行器）與受控對象之間只有順向作用而無反向聯(lián)系時的控制方式，稱為開環(huán)控制。（2）結(jié)構(gòu)：控制器受控對象r(t)c(t)d(t)開環(huán)控制系統(tǒng)圖執(zhí)行機構(gòu)Thursday,February2,202346自動控制系統(tǒng)的控制方式2.閉環(huán)控制（Closed-loopControl）

（1）定義：控制裝置與受控對象之間，不但有順向作用，而且還有反向聯(lián)系，即被控量對控制過程有影響時的控制方式稱為閉環(huán)控制。（2）組成：三大部分，七個環(huán)節(jié)。Thursday,February2,202347

閉環(huán)自動控制系統(tǒng)組成框圖校正器執(zhí)行機構(gòu)檢測環(huán)節(jié)e(t)給定環(huán)節(jié)c(t)b(t)d(t)放大器受控對象r(t)控制器給定電源部分控制裝置部分受控對象部分比較環(huán)節(jié)1234567Thursday,February2,202348反饋控制系統(tǒng)的特點

從信號的流向看，輸出量經(jīng)測量后回送到輸入端?；厮偷姆答佇盘柺够芈烽]合，構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)。從控制作用的產(chǎn)生看，它是由偏差引起的。偏差產(chǎn)生的控制作用使系統(tǒng)沿減小或消除偏差的方向運動。由于形成了閉環(huán)系統(tǒng)，因而能有效地抑制被反饋通道包圍的前向通道中各種擾動對系統(tǒng)輸出量的影響。由于閉環(huán)系統(tǒng)可能引起過調(diào)，因而帶來了系統(tǒng)穩(wěn)定性的問題。Thursday,February2,202349按照控制方式（信號流向）分類：不同的控制方式，系統(tǒng)中信號流向也不同，據(jù)此可將系統(tǒng)分為：開環(huán)控制系統(tǒng)、閉環(huán)控制系統(tǒng)和復(fù)合控制系統(tǒng)三種。2.按照數(shù)學(xué)模型分為類：（1）線性系統(tǒng)與非線性系統(tǒng)線性系統(tǒng)：由線性元件組成，滿足齊次性和疊加性，其數(shù)學(xué)模型為線性常系數(shù)微分方程。而非線性系統(tǒng)不滿足這兩個特性，其數(shù)學(xué)模型為非線性微分方程或差分方程。控制系統(tǒng)的分類Thursday,February2,202350（2）定常系統(tǒng)和時變系統(tǒng)3.按系統(tǒng)內(nèi)部的信號特征分為：連續(xù)系統(tǒng)