對(duì)控制的基本認(rèn)識(shí)

對(duì)控制的基本認(rèn)識(shí)第一頁，共二十頁，2022年，8月28日3.1控制的主要目的自動(dòng)控制作為技術(shù)改造和技術(shù)發(fā)展的重要手段,在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防、航天、制導(dǎo)、核能乃至日常生活和社會(huì)科學(xué)領(lǐng)域中都起著十分重要的作用。所謂自動(dòng)控制，是指在無人直接參與的情況下，利用外加的設(shè)備或裝置，使設(shè)備或生產(chǎn)過程自動(dòng)地按照預(yù)定的要求運(yùn)行。第二頁，共二十頁，2022年，8月28日為了某種目的，把控制器、被控對(duì)象等部件有機(jī)聯(lián)結(jié)成一個(gè)自動(dòng)控制的整體，即成為一個(gè)完整的自動(dòng)控制系統(tǒng)，如圖3.1-1所示。圖3.1-1一種自動(dòng)控制系統(tǒng)的方框圖如果用y(t)表示被控量，用f

(t)表示給定量，則自動(dòng)控制的主要目的便是使：

y(t)≈f(t)（3.1-1）式（3.1-1）就是自動(dòng)控制任務(wù)的數(shù)學(xué)表達(dá)式。第三頁，共二十頁，2022年，8月28日3.2控制的基本方式要完成自動(dòng)控制的任務(wù)，使y(t)≈f(t)，在很大程度上取決于：使系統(tǒng)控制器產(chǎn)生控制作用的信息，系統(tǒng)的給定量、擾動(dòng)量與被控量就是攜帶這種信息的三個(gè)基本信號(hào)。由這三個(gè)基本信號(hào)，可以產(chǎn)生三種基本的控制方式——按給定量控制、按干擾補(bǔ)償與按偏差調(diào)節(jié)。第四頁，共二十頁，2022年，8月28日其中，被控量來源于被控對(duì)象的輸出端，攜帶著被控對(duì)象的行為或狀態(tài)信息。我們把從被控對(duì)象輸出端獲得的信息，通過中間環(huán)節(jié)（反饋環(huán)節(jié)）再送回到控制器輸入端的過程，稱為反饋；把傳送反饋信息的載體，稱為反饋信號(hào)。是否采用反饋，對(duì)控制系統(tǒng)的性能影響很大。因此，系統(tǒng)的基本控制方式可以按照有無反饋分為開環(huán)控制和閉環(huán)控制兩大類。在前述三種基本控制方式中，按給定量控制與按干擾補(bǔ)償屬于開環(huán)控制，按偏差調(diào)節(jié)則屬于閉環(huán)控制。第五頁，共二十頁，2022年，8月28日3.2.1

開環(huán)控制

如果系統(tǒng)的控制裝置與被控對(duì)象之間只有正向控制作用而沒有反向聯(lián)系，則稱這種控制方式為開環(huán)控制，按這種方式組成的系統(tǒng)稱為開環(huán)控制系統(tǒng)1）按給定量控制的開環(huán)控制系統(tǒng)這種控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，控制作用直接由系統(tǒng)的輸入量產(chǎn)生，對(duì)應(yīng)于每一個(gè)給定值，其被控量便有一個(gè)對(duì)應(yīng)的固定工作狀態(tài)；系統(tǒng)的控制精度完全取決于所用元件及校準(zhǔn)的精度，當(dāng)干擾存在時(shí)，系統(tǒng)無法自動(dòng)補(bǔ)償，因此控制精度難于保證。所以這種系統(tǒng)只適合于輸入與輸出關(guān)系確定，且不存在干擾（或干擾很弱）的場(chǎng)合。工業(yè)生產(chǎn)中的自動(dòng)化流水作業(yè)線、裝配線就是這類開環(huán)控制系統(tǒng)。第六頁，共二十頁，2022年，8月28日?qǐng)D3.2-1是一個(gè)開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)：a.

原理圖，b.

功能方框圖。

a.系統(tǒng)原理圖b.系統(tǒng)功能方框圖圖3.2-1

開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)

圖3.2-1中的Ug為給定參考輸入，它通過觸發(fā)器控制晶閘管的整流，產(chǎn)生直流電動(dòng)機(jī)的供電電壓Ud

，使電機(jī)產(chǎn)生期望的轉(zhuǎn)速n。但是此系統(tǒng)中，只要電動(dòng)機(jī)負(fù)載、電網(wǎng)電壓或激磁電流稍有變化，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n便會(huì)受到干擾、產(chǎn)生變化，不能維持Ug所對(duì)應(yīng)的期望轉(zhuǎn)速n，不能實(shí)現(xiàn)期望轉(zhuǎn)速n的高精度控制。第七頁，共二十頁，2022年，8月28日2）按干擾補(bǔ)償?shù)拈_環(huán)控制系統(tǒng)可以考慮一種補(bǔ)償措施：將干擾信息引入控制器的輸入端，通過控制器的控制來抵消擾動(dòng)對(duì)被控對(duì)象的影響。a.系統(tǒng)原理圖

b.系統(tǒng)功能方框圖圖3.2-2按干擾補(bǔ)償?shù)拈_環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)

按干擾補(bǔ)償?shù)姆绞街苯訌南到y(tǒng)的主要干擾取得擾動(dòng)信息，由此改變系統(tǒng)的被控量，提高了系統(tǒng)的抗擾性與控制精度。這種按干擾補(bǔ)償?shù)拈_環(huán)控制方式只適用于擾動(dòng)能測(cè)量的場(chǎng)合，而且一個(gè)補(bǔ)償裝置只能補(bǔ)償一種干擾，一般不能對(duì)其余擾動(dòng)均產(chǎn)生補(bǔ)償作用。對(duì)于多種擾動(dòng)、多種因素引起的輸出量變化，采用逐一補(bǔ)償?shù)霓k法是不可能的，得不償失的。按干擾補(bǔ)償?shù)拈_環(huán)控制方式雖然能夠有效提高系統(tǒng)的抗擾性、提高系統(tǒng)的控制精度，但是仍然不能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)被控量的高精度控制。第八頁，共二十頁，2022年，8月28日3.2.2

閉環(huán)控制

如果系統(tǒng)的控制裝置與被控對(duì)象之間不僅有正向控制作用，而且有輸出量對(duì)控制裝置的反向控制過程，則稱這種控制方式為閉環(huán)控制，閉環(huán)控制系統(tǒng)如圖3.2-3所示。圖3.2-3閉環(huán)控制系統(tǒng)第九頁，共二十頁，2022年，8月28日1）負(fù)反饋控制與正反饋控制若閉環(huán)控制系統(tǒng)的反饋信號(hào)與輸入信號(hào)相減，則稱為負(fù)反饋；反之，若反饋信號(hào)與輸入信號(hào)相加，則稱為正反饋。由于正反饋容易產(chǎn)生自激、容易破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定性，這使得正反饋的應(yīng)用受到一定的限制，一般只能用于系統(tǒng)的局部（內(nèi)部）反饋。一個(gè)穩(wěn)定系統(tǒng)的主要（外部）反饋，必須是負(fù)反饋。圖3.2-4是一個(gè)實(shí)際的閉環(huán)負(fù)反饋控制系統(tǒng)，a.是系統(tǒng)的原理圖，b.是系統(tǒng)的功能方框圖。第十頁，共二十頁，2022年，8月28日若將圖3.2-4中測(cè)得的輸出反饋到輸入端與參考輸入相加，則成為具有正反饋的控制系統(tǒng)，正反饋將使電機(jī)負(fù)載增大產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速誤差越來越大，使系統(tǒng)無法穩(wěn)定工作。因此在自動(dòng)控制系統(tǒng)的研究中，正反饋是不能作為主反饋使用的。a.系統(tǒng)的原理圖

b.系統(tǒng)的功能方框圖圖3.2-4一個(gè)實(shí)際的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)第十一頁，共二十頁，2022年，8月28日2）三種典型的負(fù)反饋控制系統(tǒng)（1）恒值控制系統(tǒng)(或稱自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng))

恒值控制系統(tǒng)的特點(diǎn)是輸入量恒定，所謂恒值控制，就是在輸入量恒定的情況下，系統(tǒng)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)干擾的鎮(zhèn)定控制，盡量使輸出量保持在希望值上。（2）隨動(dòng)控制系統(tǒng)(或稱伺服系統(tǒng))

隨動(dòng)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)是輸入信號(hào)隨機(jī)變化，是時(shí)間的未知函數(shù)，其變化規(guī)律不能事先確定，所謂隨動(dòng)控制，就是在輸入隨機(jī)變化的情況下，系統(tǒng)的輸出量能夠準(zhǔn)確、快速地跟蹤輸入信號(hào)的變化，隨時(shí)復(fù)現(xiàn)給定量。（3）溫度控制系統(tǒng)溫度控制系統(tǒng)的特點(diǎn)是輸入量可按需要改變，所謂溫度控制，就是在輸入量可以改變的情況下，系統(tǒng)不僅能使輸出量準(zhǔn)確、快速地跟蹤指令的變化，而且具有抗干擾性能，實(shí)現(xiàn)溫度的高準(zhǔn)確度控制。第十二頁，共二十頁，2022年，8月28日?qǐng)D3.2-5船舶駕駛舵角位置跟蹤系統(tǒng)圖3.2-5系統(tǒng)的被控對(duì)象是船舵，被控量(輸出量)是船舵的角位置θo

，給定量(輸入量)是操縱桿角位置θi

。系統(tǒng)的任務(wù)便是實(shí)現(xiàn)船舶舵的角位置θo對(duì)操縱桿的角位置θi的跟蹤。理想跟蹤情況下，θo=θi

，由兩個(gè)環(huán)形電位計(jì)所組成的橋式電路處于平衡狀態(tài)，輸出電壓Ue

=

0

，電動(dòng)機(jī)M不轉(zhuǎn)，系統(tǒng)相對(duì)靜止。如果操縱桿的角位置θi改變了，而船舵仍處于原位，則電位計(jì)橋路的輸出Ue

≠0,Ue經(jīng)電壓放大器放大后，使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，并通過減速器、船舵和反饋電位計(jì)的滑臂一起作跟隨給定值θi的運(yùn)動(dòng)，當(dāng)θo

=θi時(shí)，系統(tǒng)達(dá)到新的平衡狀態(tài)，電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)了船舶舵角位置對(duì)操縱桿角位置的跟蹤。第十三頁，共二十頁，2022年，8月28日?qǐng)D3.2-6熱處理爐是溫度控制系統(tǒng)的實(shí)際例子。圖3.2-6熱處理爐溫度控制系統(tǒng)圖3.2-6中，被控對(duì)象是熱處理爐，被控量(輸出量)是熱處理爐的爐溫Ty，給定量(輸入量)是爐溫給定電位器的位置Tf

所對(duì)應(yīng)的Uf

值，熱處理工件的取換、環(huán)境溫度的改變、煤氣壓力的變化等都是系統(tǒng)的干擾，熱電偶是溫度測(cè)量元件，運(yùn)算放大器進(jìn)行比較計(jì)算，電動(dòng)機(jī)、閥門等是執(zhí)行裝置

。當(dāng)給定量因系統(tǒng)任務(wù)的改變而調(diào)整時(shí)，爐溫給定電位器的位置Tf所對(duì)應(yīng)的Uf

值會(huì)改變，使⊿u≠0、電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)閥門改變煤氣的供流量，使熱處理爐的爐溫Ty

變化，直到Ty

≈

Tf

時(shí)⊿u

≈0，系統(tǒng)將處于新的穩(wěn)定狀態(tài)，這是溫度控制系統(tǒng)對(duì)指令的跟蹤控制過程。當(dāng)取換工件或環(huán)境溫度改變或煤氣壓力發(fā)生變化時(shí)，爐溫Ty

也會(huì)發(fā)生變化，由熱電偶所產(chǎn)生的u值會(huì)使⊿u≠0，使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)閥門，改變煤氣的供給流量，使熱處理爐的爐溫Ty

變化，直到Ty

≈

Tf

時(shí)⊿u

≈0，系統(tǒng)也將處于新的穩(wěn)定狀態(tài)，這是溫度控制系統(tǒng)對(duì)干擾的鎮(zhèn)定控制過程。第十四頁，共二十頁，2022年，8月28日需要指出，溫度控制系統(tǒng)一般具有較大的慣性，有時(shí)為了實(shí)現(xiàn)溫度的高準(zhǔn)確度控制，完全可以通過犧牲一部分快速性指標(biāo)來達(dá)到高準(zhǔn)確度控制的目的。還有一類系統(tǒng)，輸入信號(hào)是一個(gè)隨時(shí)間變化的已知函數(shù)，系統(tǒng)的控制過程始終按照預(yù)定的程序進(jìn)行，我們稱之為程序控制系統(tǒng)。這類系統(tǒng)要求被控量能夠迅速、準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)給定量，例如數(shù)字程序控制機(jī)床、發(fā)電廠中蒸汽輪機(jī)的溫度控制等都屬于這種系統(tǒng)。第十五頁，共二十頁，2022年，8月28日3.3

控制的基本要求3.3.1

典型輸入信號(hào)與典型初始狀態(tài)1）典型輸入信號(hào)在工程實(shí)踐中，實(shí)際系統(tǒng)的控制信號(hào)是多種多樣的，既有確定性的，又有隨機(jī)性的。為了便于系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)工作，通常選用幾種有代表性的典型外作用作為輸入信號(hào)。常用的典型外作用信號(hào)有：階躍信號(hào)、斜坡信號(hào)、δ(t)信號(hào)與正弦信號(hào)。這些信號(hào)都能夠在工程實(shí)踐中近似模擬得到。其中，階躍信號(hào)在0時(shí)刻具有從無到有的變化，難以復(fù)現(xiàn)；而且階躍信號(hào)作用的時(shí)間長(zhǎng)，便于人們觀察，因此常常通過階躍信號(hào)作用下的系統(tǒng)階躍響應(yīng)來評(píng)價(jià)系統(tǒng)控制性能的好壞，來定義系統(tǒng)的時(shí)域性能指標(biāo)。第十六頁，共二十頁，2022年，8月28日2）典型初始狀態(tài)考慮系統(tǒng)的響應(yīng)不僅受輸入信號(hào)的控制，而且與系統(tǒng)的初始狀態(tài)有關(guān)，容易使系統(tǒng)的分析復(fù)雜化，為了便于系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)工作，需要對(duì)系統(tǒng)的初始狀態(tài)提出典型要求，故規(guī)定系統(tǒng)的典型初始狀態(tài)為零初始狀態(tài)，即：

3.3.2

控制的基本要求系統(tǒng)控制的主要問題是控制精度問題，控制的基本要求就是對(duì)控制精度的要求。穩(wěn)定是系統(tǒng)工作的首要前提。一個(gè)不穩(wěn)定的系統(tǒng)，不僅不能正常工作，而且可能使被控對(duì)象等設(shè)備遭到破壞，最終導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)癱瘓。只有在系統(tǒng)穩(wěn)定工作的首要前提下，討論控制系統(tǒng)的控制精度才具有實(shí)際意義?？刂葡到y(tǒng)的控制精度包括動(dòng)態(tài)精度與穩(wěn)態(tài)精度兩個(gè)方面?？刂葡到y(tǒng)的動(dòng)態(tài)精度指的是系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的平穩(wěn)性與快速性?？刂葡到y(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度指的是系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的穩(wěn)態(tài)精度或穩(wěn)態(tài)誤差，即系統(tǒng)控制的準(zhǔn)確度。第十七頁，共二十頁，2022年，8月28日控制系統(tǒng)的控制精度可以概括為穩(wěn)、快、準(zhǔn)三個(gè)字。

1）線性系統(tǒng)的穩(wěn)定性線性系統(tǒng)的穩(wěn)定性是指擾動(dòng)作用后，系統(tǒng)能否恢復(fù)受擾前平衡狀態(tài)的特性。如果擾動(dòng)消失后，系統(tǒng)能夠回到原來的平衡狀態(tài)，這樣的系統(tǒng)就是穩(wěn)定的系統(tǒng)，如圖3.3-1a.與圖2.2-1c.所示；如果擾動(dòng)消失后，系統(tǒng)不能回到原來的平衡狀態(tài)，這樣的系統(tǒng)就是不穩(wěn)定的系統(tǒng)，如圖3.3-1b.與圖2.2-1b.所示。a.穩(wěn)定的線性系統(tǒng)

b.不穩(wěn)定的線性系統(tǒng)圖3.3-1線性系統(tǒng)的擾動(dòng)過程第十八頁，共二十頁，2022年，8月28日線性系統(tǒng)的穩(wěn)定性是由系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)與參數(shù)決定的，與初始狀態(tài)和外界因素?zé)o關(guān)。

2）

控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)精度

實(shí)際工程中的控制系統(tǒng)總是存在慣性，如電動(dòng)機(jī)的電磁慣性，機(jī)械慣性等等，而實(shí)際系統(tǒng)的能源功率總是有限的，當(dāng)系統(tǒng)擾動(dòng)量或給定量發(fā)生變化時(shí)，系統(tǒng)的被控量是不能跳變的，它需要一個(gè)過渡過程，即動(dòng)態(tài)過程，動(dòng)態(tài)過程包括系統(tǒng)對(duì)指令的跟蹤與對(duì)干擾的鎮(zhèn)定。

（1）平穩(wěn)性平穩(wěn)性是對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程中被控量圍繞給定量擺動(dòng)或振蕩情況的一種評(píng)價(jià)。一個(gè)穩(wěn)定系統(tǒng)的這種振蕩應(yīng)該是逐漸衰減的，振蕩的幅度和頻率也不能太大。系統(tǒng)平穩(wěn)性的好壞不僅影響設(shè)備的使用壽命，而且影響系統(tǒng)響應(yīng)的快速性。因此工程上對(duì)控制系統(tǒng)都有相應(yīng)動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)的要求，通常用超調(diào)量、調(diào)整時(shí)間、振蕩次數(shù)等指標(biāo)來表示。第十九頁，共二十頁，2022年，8月28日（2）快速性一般來說，為了提高生產(chǎn)效率，系統(tǒng)應(yīng)有足夠的快速性，但是如果過渡時(shí)間太短，系統(tǒng)的沖擊會(huì)很大，容易損壞設(shè)備