第二篇、控制理論基礎(chǔ)PPT課件

1、 實(shí)例（示意圖）實(shí)例（示意圖）人工（手動(dòng)）控制：（1）對(duì)象：儲(chǔ)液系統(tǒng)（2）目標(biāo)：液位（3）眼睛：觀察 液位變化（4）大腦：分析、比 較、判斷（5）手/腳：動(dòng)作執(zhí)行 實(shí)例（示意圖）實(shí)例（示意圖）自動(dòng)控制：（1）對(duì)象：儲(chǔ)液系統(tǒng)（2）目標(biāo)：液位（3）傳感器：檢測(cè) 液位變化（4）控制器：控制功能（5）執(zhí)行器：完成控制 動(dòng)作傳感器傳感器信號(hào)信號(hào)信號(hào)驅(qū)動(dòng)設(shè)備信號(hào)驅(qū)動(dòng)設(shè)備對(duì)象對(duì)象手腳手腳 （執(zhí)行器）（執(zhí)行器）大腦大腦 （控制器）（控制器）眼睛眼睛 （傳感器）（傳感器） 控制控制對(duì)象對(duì)象執(zhí)行裝置執(zhí)行裝置控制器控制器測(cè)量裝置測(cè)量裝置 自動(dòng)控制：自動(dòng)控制：是指沒有人直接參與的情況下，利是指沒有人直接參與的情況下，

2、利用控制裝置（稱控制器），使整個(gè)生產(chǎn)過程或用控制裝置（稱控制器），使整個(gè)生產(chǎn)過程或工作機(jī)械（稱被控對(duì)象）的某個(gè)工作狀態(tài)或參工作機(jī)械（稱被控對(duì)象）的某個(gè)工作狀態(tài)或參數(shù)（即被控量）自動(dòng)地按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行。數(shù)（即被控量）自動(dòng)地按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行。 自動(dòng)控制系統(tǒng)：自動(dòng)控制系統(tǒng)：能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)控制任務(wù)的系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)控制任務(wù)的系統(tǒng)，由控制器與控制對(duì)象組成。由控制器與控制對(duì)象組成?？刂茖?duì)象控制對(duì)象控制器控制器輸入量輸入量輸出量輸出量擾動(dòng)量擾動(dòng)量? 控制對(duì)象：控制對(duì)象：要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的機(jī)器、要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過程。設(shè)備或生產(chǎn)過程。 控制器：控制器：對(duì)控制對(duì)象起控制作用的控制對(duì)控制對(duì)象起

3、控制作用的控制裝置總體。裝置總體。 輸入量：輸入量：作用于控制系統(tǒng)輸入端，并可作用于控制系統(tǒng)輸入端，并可使系統(tǒng)具有預(yù)定功能或預(yù)定輸出的物理使系統(tǒng)具有預(yù)定功能或預(yù)定輸出的物理量。量。 輸出量：輸出量：位于控制系統(tǒng)輸出端，并要求位于控制系統(tǒng)輸出端，并要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的物理量。實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的物理量。 擾動(dòng)量：擾動(dòng)量：破壞系統(tǒng)輸入量和輸出量之間破壞系統(tǒng)輸入量和輸出量之間預(yù)定規(guī)律的信號(hào)。預(yù)定規(guī)律的信號(hào)?？刂瓶刂茖?duì)象對(duì)象執(zhí)行裝置執(zhí)行裝置控制器控制器測(cè)量裝置測(cè)量裝置控制器控制器比較環(huán)節(jié)比較環(huán)節(jié)輸入量輸入量偏差偏差測(cè)量值測(cè)量值輸出量輸出量控制量控制量擾動(dòng)量擾動(dòng)量控制動(dòng)作控制動(dòng)作廣義對(duì)象廣義對(duì)象自動(dòng)控制裝置自動(dòng)

4、控制裝置 開環(huán)控制系統(tǒng)是指無被控量反饋的控制系統(tǒng)開環(huán)控制系統(tǒng)是指無被控量反饋的控制系統(tǒng), ,即即需要控制的是被控對(duì)象的某一量需要控制的是被控對(duì)象的某一量( (被控量被控量), ),而測(cè)量的而測(cè)量的只是給定信號(hào)只是給定信號(hào), ,被控量對(duì)于控制作用沒有任何影響的被控量對(duì)于控制作用沒有任何影響的系統(tǒng)。結(jié)構(gòu)如圖所示。系統(tǒng)。結(jié)構(gòu)如圖所示。 閉環(huán)控制的定義是有被控制量反饋的控制閉環(huán)控制的定義是有被控制量反饋的控制,其其原理框如圖所示。從系統(tǒng)中信號(hào)流向看原理框如圖所示。從系統(tǒng)中信號(hào)流向看,系統(tǒng)的輸系統(tǒng)的輸出信號(hào)沿反饋通道又回到系統(tǒng)的輸入端出信號(hào)沿反饋通道又回到系統(tǒng)的輸入端,構(gòu)成閉合構(gòu)成閉合通道通道,故稱閉環(huán)

5、控制系統(tǒng)故稱閉環(huán)控制系統(tǒng),或反饋控制系統(tǒng)。或反饋控制系統(tǒng)。 前前/ /正向通道正向通道反反/ /負(fù)向通道負(fù)向通道 這種控制方式這種控制方式, ,無論是由于干擾造成無論是由于干擾造成, ,還是由于還是由于結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化引起被控量出現(xiàn)偏差結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化引起被控量出現(xiàn)偏差, ,系統(tǒng)就利用系統(tǒng)就利用偏差去糾正偏差偏差去糾正偏差, ,故這種控制方式為故這種控制方式為按偏差調(diào)節(jié)按偏差調(diào)節(jié)。 閉環(huán)控制系統(tǒng)的突出優(yōu)點(diǎn)是利用偏差來糾正閉環(huán)控制系統(tǒng)的突出優(yōu)點(diǎn)是利用偏差來糾正偏差偏差, ,使系統(tǒng)達(dá)到使系統(tǒng)達(dá)到較高的控制精度較高的控制精度。但與開環(huán)控制。但與開環(huán)控制系統(tǒng)比較系統(tǒng)比較, ,閉環(huán)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜閉環(huán)系統(tǒng)

6、的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜, ,構(gòu)造比較困難。構(gòu)造比較困難。需要指出的是需要指出的是, ,由于閉環(huán)控制存在由于閉環(huán)控制存在反饋信號(hào)反饋信號(hào), ,利用偏利用偏差進(jìn)行控制差進(jìn)行控制, ,如果設(shè)計(jì)得不好如果設(shè)計(jì)得不好, ,將會(huì)使將會(huì)使系統(tǒng)無法正常系統(tǒng)無法正常和穩(wěn)定地工作和穩(wěn)定地工作。另外。另外, ,控制系統(tǒng)的精度與系統(tǒng)的穩(wěn)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。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(diǎn)開環(huán)控制和閉環(huán)控制方式各有優(yōu)缺點(diǎn), ,在實(shí)際在實(shí)際工程中應(yīng)根據(jù)工程要求及具體情況來決定。如果工程中應(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)律事先預(yù)知輸入量的變化規(guī)律, ,

7、又不存在外部和內(nèi)部又不存在外部和內(nèi)部參數(shù)的變化參數(shù)的變化, ,則采用開環(huán)控制較好。如果對(duì)系統(tǒng)外則采用開環(huán)控制較好。如果對(duì)系統(tǒng)外部干擾無法預(yù)測(cè)部干擾無法預(yù)測(cè), ,系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)又經(jīng)常變化系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)又經(jīng)常變化, ,為保證為保證控制精度控制精度, ,采用閉環(huán)控制則更為合適。采用閉環(huán)控制則更為合適。如果對(duì)系統(tǒng)如果對(duì)系統(tǒng)的性能要求比較高的性能要求比較高, ,為了解決閉環(huán)控制精度與穩(wěn)定為了解決閉環(huán)控制精度與穩(wěn)定性之間的矛盾性之間的矛盾, ,可以采用開環(huán)控制與閉環(huán)控制相結(jié)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)。合的復(fù)合控制系統(tǒng)。典型反饋控制系統(tǒng)的原理如圖所示典型反饋控制系統(tǒng)的原理如圖所示 (1)被控

8、對(duì)象:它是控制系統(tǒng)所控制和操縱的對(duì)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(hào),轉(zhuǎn)換為對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行操作的控制信號(hào)。(3)放大變換環(huán)節(jié):將偏差信號(hào)變換為適合控制器執(zhí)行的信號(hào)。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(dòng)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(cè)量被控量的實(shí)際值,并經(jīng)過信號(hào)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(hào)同一物理量的信號(hào)。反饋環(huán)節(jié)一般也稱為測(cè)量變送環(huán)節(jié)。(6)給定環(huán)節(jié):產(chǎn)生輸入控制信號(hào)的裝

9、置。 (1)輸入信號(hào):泛指對(duì)系統(tǒng)的輸出量有直接影響的外界輸入信號(hào),既包括控制信號(hào)又包括擾動(dòng)信號(hào)。其中控制信號(hào)又稱控制量、參考輸入、或給定值。(2)輸出信號(hào):是指反饋控制系統(tǒng)中被控制的物理量,它與輸入信號(hào)之間有一定的函數(shù)關(guān)系。(3)反饋信號(hào):將系統(tǒng)(或環(huán)節(jié))的輸出信號(hào)經(jīng)變換、處理送到系統(tǒng)(或環(huán)節(jié))的輸入端的信號(hào),稱為反饋信號(hào)。若此信號(hào)是從系統(tǒng)輸出端取出送入系統(tǒng)輸入端,這種反饋信號(hào)稱主反饋信號(hào)。而其它稱為局部反饋信號(hào)。 控制系統(tǒng)中常用的名詞術(shù)語 (4)(4)偏差信號(hào)偏差信號(hào): :控制輸入信號(hào)與主反饋信號(hào)之差。控制輸入信號(hào)與主反饋信號(hào)之差。(5)(5)誤差信號(hào)誤差信號(hào): :它指系統(tǒng)輸出量的實(shí)際值與希

10、望值它指系統(tǒng)輸出量的實(shí)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(shí)際上之差。系統(tǒng)希望值是理想化系統(tǒng)的輸出，實(shí)際上并不存在并不存在, ,它只能用與控制輸入信號(hào)具有一定比例它只能用與控制輸入信號(hào)具有一定比例關(guān)系的信號(hào)來表示。在單位反饋情況下關(guān)系的信號(hào)來表示。在單位反饋情況下, ,希望值就希望值就是系統(tǒng)的輸入信號(hào)是系統(tǒng)的輸入信號(hào), ,誤差信號(hào)等于偏差信號(hào)。誤差信號(hào)等于偏差信號(hào)。(6)(6)擾動(dòng)信號(hào)擾動(dòng)信號(hào): :除控制信號(hào)以外除控制信號(hào)以外, ,對(duì)系統(tǒng)的輸出有影對(duì)系統(tǒng)的輸出有影響的信號(hào)。響的信號(hào)。 （1）開環(huán)控制系統(tǒng) 信號(hào)流動(dòng)由輸入端到輸出端單向流動(dòng)。 （2）閉環(huán)控制系統(tǒng) 若控制系統(tǒng)中信號(hào)除從輸

11、入端到輸出端外,還有輸出到輸入的反饋信號(hào),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。 （1）恒值調(diào)節(jié)系統(tǒng)(自動(dòng)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。控制系統(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(dòng)系統(tǒng)(跟蹤系統(tǒng)) 該系統(tǒng)的控制輸入量是一個(gè)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(hào)的變化。如雷達(dá)天線的自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)和高炮自動(dòng)描準(zhǔn)系統(tǒng)就是典型的隨動(dòng)系統(tǒng)。 （3）程序控制系統(tǒng) 系統(tǒng)的控制輸入信號(hào)不是常值,而是事先確定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,編成程序裝在輸入裝置中,即控制

12、輸入信號(hào)是事先確定的程序信號(hào),控制的目的是使被控對(duì)象的被控量按照要求的程序動(dòng)作。如數(shù)控車床就屬此類系統(tǒng)。 組成系統(tǒng)元器件的特性均為線性的,可用一個(gè)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(gè)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(duì)于非線性程度不很嚴(yán)重,或做近似分析時(shí),均可用線性系統(tǒng)理論和方法來處理。(1)定常系統(tǒng) 如果描述系統(tǒng)特性的微分方程中各項(xiàng)系數(shù)都是與時(shí)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(hào)的形式不變

13、,在不同時(shí)間輸入下的輸出響應(yīng)形式是相同的。 (2)時(shí)變系統(tǒng) 如果描述系統(tǒng)特性的微分方程中只要有一項(xiàng)系數(shù)是時(shí)間的函數(shù),此系統(tǒng)稱為時(shí)變系統(tǒng)。 (1)連續(xù)系統(tǒng) 系統(tǒng)中所有元件的信號(hào)都是隨時(shí)間連續(xù)變化的,信號(hào)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(hào)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(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡x散的脈沖形式的信號(hào),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(jì)算機(jī)或數(shù)字控制器,其離散信號(hào)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)。(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(gè),稱為單輸入單輸出系統(tǒng)。 (2

14、)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(gè),稱為多輸入多輸出系統(tǒng)。對(duì)于線性多輸入多輸出系統(tǒng),系統(tǒng)的任何一個(gè)輸出等于數(shù)個(gè)輸入單獨(dú)作用下輸出的疊加。 自動(dòng)控制系統(tǒng)是否能很好地工作,是否能精確地保持被控量按照預(yù)定的要求規(guī)律變化這取決于被控對(duì)象和控制器及各功能元器件的特性參數(shù)是否設(shè)計(jì)得當(dāng)。 在理想情況下,控制系統(tǒng)的輸出量和輸入量,在任何時(shí)候均相等,系統(tǒng)完全無誤差,且不受干擾的影響。實(shí)際系統(tǒng)中,由于各種各樣原因,系統(tǒng)在受到輸入信號(hào)(也包括擾動(dòng)信號(hào))的激勵(lì)時(shí),被控量將偏離輸入信號(hào)作用前的初始值,經(jīng)歷一段動(dòng)態(tài)過程(過渡過程)，則系統(tǒng)控制性能的優(yōu)劣,可以從動(dòng)態(tài)過程中較充分地表現(xiàn)出來。 控

15、制精度是衡量系統(tǒng)技術(shù)性能的重要尺度。一個(gè)高品質(zhì)的系統(tǒng),在整個(gè)運(yùn)行過程中,被控量對(duì)給定值的偏差應(yīng)該是最小的。考慮動(dòng)態(tài)過程在不同階段中的特點(diǎn),工程上通常從穩(wěn)、準(zhǔn)、快三個(gè)方面來衡量自動(dòng)控制系統(tǒng)。 穩(wěn)定工作是所有自動(dòng)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)?？紤]到實(shí)際系統(tǒng)工作環(huán)境或參數(shù)的變動(dòng),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。 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(duì)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(hào)形式有關(guān)。 動(dòng)態(tài)過程是指控制系統(tǒng)的被控量在輸入信號(hào)作用下隨時(shí)間變化的全

16、過程,衡量動(dòng)態(tài)過程的品質(zhì)好壞常采用單位階躍信號(hào)作用下過渡過程中的超調(diào)量,過渡過程時(shí)間等性能指標(biāo)。 對(duì)于一個(gè)實(shí)際系統(tǒng)其輸入信號(hào)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(hào)類型有關(guān)。因此,在研究自動(dòng)控制系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí),往往選擇一些典型輸入信號(hào),并且以最不利的信號(hào)作為系統(tǒng)的輸入信號(hào),分析系統(tǒng)在此輸入信號(hào)下所得到的輸出響應(yīng)是否滿足要求，估計(jì)系統(tǒng)在比較復(fù)雜信號(hào)作用下的性能指標(biāo)。它的數(shù)學(xué)表達(dá)式為： 000)(tAttr常采用的典型輸入信號(hào)有： 它表示一個(gè)在t=0時(shí)刻出現(xiàn)的，幅值為A的階躍變化函數(shù)，如圖所示。在實(shí)際系統(tǒng)中，如負(fù)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)

17、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： )( 1)(tAtr 出現(xiàn)在 時(shí)刻的階躍函數(shù)，表示為： 0tt 0000)(ttAttttr它的數(shù)學(xué)表達(dá)式為: 000)(tAtttr 斜坡函數(shù)從t =0時(shí)刻開始，隨時(shí)間以恒定速度增加。如圖所示。A=1時(shí)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(duì)時(shí)間的積分，反之，階躍函數(shù)等于斜坡函數(shù)對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)。 它的數(shù)學(xué)表達(dá)式為: 02100)(2tAtttr 曲線如圖所示。當(dāng)A=1時(shí)，稱為單位拋物線函數(shù)。拋物線函數(shù)是斜坡函數(shù)對(duì)時(shí)間的積分。它的曲線如圖所示，數(shù)學(xué)表達(dá)式為: ttzAttr0000)(其面積為A。即: Adttr )( 面積A表示脈沖函數(shù)的強(qiáng)度。