第一章控制系統(tǒng)導(dǎo)論

1、第一章 控制系統(tǒng)導(dǎo)論第一章 控制系統(tǒng)導(dǎo)論 1-1 自動(dòng)控制的基本原理 1-2 自動(dòng)控制系統(tǒng)示例 1-3 自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類 1-4 自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求1-1 自動(dòng)控制的基本原理1.自動(dòng)控制技術(shù)及其應(yīng)用 在我們周圍，確實(shí)存在著能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的自然系統(tǒng)自然系統(tǒng)和人造系統(tǒng)人造系統(tǒng)。 人們的生活在很大程度上都依賴于自動(dòng)運(yùn)行自動(dòng)運(yùn)行的系統(tǒng)。自然系統(tǒng)自然系統(tǒng) 將人體人體作為一個(gè)例子來(lái)考慮，這個(gè)系統(tǒng)持續(xù)的自動(dòng)控制是人類生存的基本要求。l人體的體溫保持在3737的自動(dòng)溫控系統(tǒng)l心跳控制系統(tǒng)l眼球聚焦系統(tǒng)這這些都可以為自動(dòng)系統(tǒng)自動(dòng)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(shí)干預(yù)的情況下

2、自動(dòng)運(yùn)行的。人造系統(tǒng)人造系統(tǒng)l數(shù)控車床按預(yù)定程序自動(dòng)自動(dòng)切削工件；l化學(xué)反應(yīng)爐的溫度或壓力自動(dòng)自動(dòng)地維持恒定；l雷達(dá)和計(jì)算機(jī)組成的導(dǎo)彈發(fā)射和制導(dǎo)系統(tǒng)自動(dòng)自動(dòng)將導(dǎo)彈引導(dǎo)到敵方目標(biāo)。l無(wú)人駕駛飛機(jī)按照預(yù)定航跡自動(dòng)自動(dòng)升降和飛行；l人造衛(wèi)星準(zhǔn)確地進(jìn)入預(yù)定軌道運(yùn)行并回收。自動(dòng)控制在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用自動(dòng)控制自動(dòng)控制 是指在是指在沒有人直接參與沒有人直接參與的情況下，利用的情況下，利用外加的設(shè)備或裝置外加的設(shè)備或裝置（稱控制裝置或控制（稱控制裝置或控制器），使機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過(guò)程（統(tǒng)稱被器），使機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過(guò)程（統(tǒng)稱被控對(duì)象）的某個(gè)工作狀態(tài)或參數(shù)（即被控控對(duì)象）的某個(gè)工作狀態(tài)或參數(shù)（即被控量）量）自動(dòng)

3、地按預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行自動(dòng)地按預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行。2.自動(dòng)控制理論l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(jì)問(wèn)題。這些理論由于其發(fā)展較早，現(xiàn)已臻成熟。l現(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(shí)變、非線性一類控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)問(wèn)題。系統(tǒng)具有高精度和高效能的特點(diǎn)。l智能控制 把自動(dòng)控制理論的方法和人工智能的靈活框架結(jié)合起來(lái)，改變控制策略去適應(yīng)對(duì)象的復(fù)雜性和不確定性。3.反饋控制原理反饋反饋 把取出的輸出量送回輸入端，并與輸入信把取出的輸出量送回輸入端，并與輸入信號(hào)相比較號(hào)相比較產(chǎn)生偏差信號(hào)產(chǎn)生偏差信號(hào)的過(guò)程，稱為反饋。的過(guò)程，稱為反饋。 若反饋的信號(hào)與

4、輸入信號(hào)相減，使產(chǎn)生的若反饋的信號(hào)與輸入信號(hào)相減，使產(chǎn)生的偏差越來(lái)越小，則稱為偏差越來(lái)越小，則稱為負(fù)反饋負(fù)反饋；反之，則稱為；反之，則稱為正反饋正反饋。反饋控制系統(tǒng)反饋控制系統(tǒng) 能對(duì)輸入量與輸出量進(jìn)行比較，并且將它能對(duì)輸入量與輸出量進(jìn)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(yù)定們的偏差作為控制手段，以保持兩者之間預(yù)定關(guān)系的系統(tǒng)，稱為反饋控制系統(tǒng)。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(gè)控由于引入了被反饋量的反饋信息，整個(gè)控制過(guò)程成為閉合的，因此反饋控制也稱為制過(guò)程成為閉合的，因此反饋控制也稱為閉環(huán)閉環(huán)控制。控制。閉環(huán)控制閉環(huán)控制 凡是系統(tǒng)輸出信號(hào)對(duì)控制作用

5、有直接影響凡是系統(tǒng)輸出信號(hào)對(duì)控制作用有直接影響的系統(tǒng)，都稱為閉環(huán)系統(tǒng)。輸入信號(hào)和反饋信的系統(tǒng)，都稱為閉環(huán)系統(tǒng)。輸入信號(hào)和反饋信號(hào)（反饋信號(hào)可以是輸出信號(hào)本身，也可以是號(hào)（反饋信號(hào)可以是輸出信號(hào)本身，也可以是輸出信號(hào)的函數(shù)或?qū)?shù)）之差，稱為誤差信號(hào)，輸出信號(hào)的函數(shù)或?qū)?shù)）之差，稱為誤差信號(hào)，誤差信號(hào)加到控制器上，以減小系統(tǒng)的誤差，誤差信號(hào)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。并使系統(tǒng)的輸出量趨于所希望的值。 換句話說(shuō)，“閉環(huán)”這個(gè)術(shù)語(yǔ)的涵義，就是應(yīng)用反饋?zhàn)饔脕?lái)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)器調(diào)節(jié)觸發(fā)器4.反饋控制系統(tǒng)的基本組成圖

6、1-5 反饋控制系統(tǒng)基本組成l測(cè)量元件：測(cè)量元件：其職能是測(cè)量被控制的物理量; ;l給定元件：給定元件：其職能是給出與期望的被控量相對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)輸入量（即參據(jù)量）。l比較元件：比較元件：把測(cè)量元件檢測(cè)的被控量實(shí)際值與給定元件給出的參據(jù)量進(jìn)行比較，求出它們之間的偏差。l放大元件：放大元件：將比較元件給出的偏差進(jìn)行放大，用來(lái)推動(dòng)執(zhí)行元件去控制被控對(duì)象。l執(zhí)行元件：執(zhí)行元件：直接推動(dòng)被控對(duì)象，使其被控量發(fā)生變化。l校正元件：校正元件：亦稱補(bǔ)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。l用“”號(hào)代表比較元件比較元件；l“-”號(hào)代表兩者符號(hào)相反，“+”號(hào)代表兩者符

7、號(hào)相同。l信號(hào)沿箭頭方向從輸入端到達(dá)輸出端的傳輸通路稱前向通路前向通路；l系統(tǒng)輸出量經(jīng)測(cè)量元件反饋到輸入端的傳輸通路稱主反饋通路主反饋通路。l前向通路與主反饋通路共同構(gòu)成主回路主回路。l局部反饋通路以及由它構(gòu)成的內(nèi)回路內(nèi)回路。l只包含一個(gè)主反饋通路的系統(tǒng)稱單回路系統(tǒng)單回路系統(tǒng)；l有兩個(gè)或兩個(gè)以上反饋通路的系統(tǒng)稱多回路系多回路系統(tǒng)統(tǒng)。5.自動(dòng)控制系統(tǒng)基本控制方式（1）反饋控制方式）反饋控制方式（2）開環(huán)控制方式）開環(huán)控制方式（3）復(fù)合控制方式）復(fù)合控制方式（2）開環(huán)控制方式）開環(huán)控制方式 只有輸入量對(duì)輸出量產(chǎn)生控制作用，輸出只有輸入量對(duì)輸出量產(chǎn)生控制作用，輸出量不參與對(duì)系統(tǒng)的控制。量不參與對(duì)系統(tǒng)

8、的控制。 指控制裝置與被控對(duì)象之間只有指控制裝置與被控對(duì)象之間只有順向作用順向作用而沒有反向聯(lián)系的控制過(guò)程，按這種方式組而沒有反向聯(lián)系的控制過(guò)程，按這種方式組成的系統(tǒng)以為成的系統(tǒng)以為開環(huán)控制系統(tǒng)開環(huán)控制系統(tǒng)。開環(huán)控制特點(diǎn)開環(huán)控制特點(diǎn)l輸入控制輸出輸入控制輸出l輸出不參與控制輸出不參與控制l系統(tǒng)沒有抗干擾能力系統(tǒng)沒有抗干擾能力開環(huán)控制系統(tǒng)按擾動(dòng)控制的開環(huán)控制系統(tǒng) 利用可測(cè)量的的擾動(dòng)量，產(chǎn)生一種補(bǔ)償作用，以減小或抵消擾動(dòng)對(duì)輸出量的影響，這種控制方式也稱順饋控制。 直接從擾動(dòng)取得信息，并據(jù)可改變被控量，直接從擾動(dòng)取得信息，并據(jù)可改變被控量，因此，其抗擾動(dòng)性好，控制精度也較高，但因此，其抗擾動(dòng)性好，控

9、制精度也較高，但它只適用于都測(cè)量的場(chǎng)合。它只適用于都測(cè)量的場(chǎng)合。閉環(huán)與開環(huán)控制系統(tǒng)的比較閉環(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(diǎn)開環(huán)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)l偏差控制，可以抑制內(nèi)、外擾動(dòng)對(duì)被控制量產(chǎn)生的影響l精度高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)計(jì)、分析麻煩l順向作用，沒有反向的聯(lián)系l沒有修正偏差能力，抗擾動(dòng)性較差l結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)整方便、成本低（3）復(fù)合控制方式 把按偏差控制偏差控制與按擾動(dòng)控制擾動(dòng)控制結(jié)合起來(lái)，對(duì)于主要擾動(dòng)采用適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償裝置實(shí)現(xiàn)按擾動(dòng)控制，同時(shí)，再組成反饋控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)按偏差控制，以消除其余擾動(dòng)產(chǎn)生的偏差。1-2 自動(dòng)

10、控制系統(tǒng)示例1.函數(shù)記錄儀2.電阻爐微型計(jì)算機(jī)溫度控制系統(tǒng)圖1-10 電阻爐溫度微機(jī)控制系統(tǒng)3.鍋爐液位控制系統(tǒng)1-3 自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類1.線性連續(xù)控制系統(tǒng)線性連續(xù)控制系統(tǒng)一般形式為：)()()()()()()(111101110trbtrdtdbtrdtdbtrdtdbtcatcdtdatcdtdammmmmmnnnnn)(tc被控量；系統(tǒng)輸入量。)(tr定常系統(tǒng)：定常系統(tǒng)：系數(shù) 是常數(shù)；時(shí)變系統(tǒng)：時(shí)變系統(tǒng)：系數(shù) 隨時(shí)間變化。mnbbbaaa,1010mnbbbaaa,10102.線性定常離散控制系統(tǒng)線性定常離散控制系統(tǒng)一般形式為：)() 1() 1()()() 1()(11010krbk

11、rbmkrbmkrbkcankcankcammnnnm,為差分方程的次數(shù)；為常系數(shù)；mnbbbaaa,1010)(),(kckr分別為輸入和輸出采樣序列；3.非線性控制系統(tǒng)非線性控制系統(tǒng) 系統(tǒng)中只要有一個(gè)元部件的輸入輸出特性是非線性的，這類系統(tǒng)就以為非線性控制系統(tǒng)，這時(shí)，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(diǎn)是系數(shù)與變量有關(guān)，或者方程中含有變量及其導(dǎo)數(shù)的高次冪或乘積項(xiàng)。 嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，實(shí)際物理系統(tǒng)中些含有程度不同的非線性元部件。1-4 自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求1.基本要求的提法 都可歸結(jié)為穩(wěn)定性（長(zhǎng)期穩(wěn)定性）、準(zhǔn)確性（精度）和快速性（相對(duì)穩(wěn)定性）。 穩(wěn)穩(wěn) 準(zhǔn)準(zhǔn) 快快穩(wěn)定性：1 1

12、 對(duì)恒值系統(tǒng)，要求當(dāng)系統(tǒng)受到擾動(dòng)后，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的調(diào)整能夠回到原來(lái)的期望值。2 2 對(duì)隨動(dòng)系統(tǒng)，被控制量始終跟蹤參據(jù)量的變化。 穩(wěn)定性是對(duì)系統(tǒng)的基本要求，不穩(wěn)定的系統(tǒng)穩(wěn)定性是對(duì)系統(tǒng)的基本要求，不穩(wěn)定的系統(tǒng)不能實(shí)現(xiàn)預(yù)定任務(wù)。穩(wěn)定性，通常由系統(tǒng)的結(jié)不能實(shí)現(xiàn)預(yù)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?zé)o關(guān)。構(gòu)決定與外界因素?zé)o關(guān)。快速性： 對(duì)過(guò)渡過(guò)程的形式和快慢提出要求，一般稱為動(dòng)態(tài)性能。舉例： 穩(wěn)定高射炮射角隨動(dòng)系統(tǒng)，雖然炮身最終能跟蹤目標(biāo)，但如果目標(biāo)變動(dòng)迅速，而炮身行動(dòng)遲緩，仍然抓不住目標(biāo)。準(zhǔn)確性： 用穩(wěn)態(tài)誤差來(lái)表示。 在參考輸入信號(hào)作用下，當(dāng)系統(tǒng)達(dá)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

13、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(yīng)具備可下條件：典型外作用函數(shù)應(yīng)具備可下條件：1）這種函數(shù)在現(xiàn)場(chǎng)或?qū)嶒?yàn)室中容易得到；2）控制系統(tǒng)在這種函數(shù)作用下的性能應(yīng)代表在實(shí)際工作條件下的性能；3）這種函數(shù)的數(shù)學(xué)表達(dá)式簡(jiǎn)單，便于理論計(jì)算。典型外作用函數(shù)：（1）階躍函數(shù)）階躍函數(shù)（2）斜坡函數(shù)）斜坡函數(shù)（3）脈沖函數(shù)）脈沖函數(shù)（4）正弦函數(shù)）正弦函數(shù)（1）階躍函數(shù)）階躍函數(shù) 表達(dá)式為000)(tRttfR0tf(t) 階躍函數(shù)是自動(dòng)控制系統(tǒng)在實(shí)際工作條件下經(jīng)常遇到的一種外作用形式。例如：l電源電壓突然跳動(dòng)；l負(fù)載突然增大或減小；l飛機(jī)飛行中遇到的常值陣風(fēng)擾動(dòng)。（2）斜坡函數(shù)）斜坡函數(shù) 表達(dá)式為000)(tRtttf0tf(t)R 在工程實(shí)踐中，某些隨動(dòng)系統(tǒng)就常常工作于這種外作用下。 例如： 雷達(dá)高射炮防空系統(tǒng)。（3）脈沖函數(shù)）脈沖函數(shù) 表達(dá)式為)( 1)( 1 lim)(0000ttttAtft0t0tA0t0t0t)(t 脈沖函數(shù)在現(xiàn)實(shí)中是不存在的，