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(yīng)用 在我們周圍，確實(shí)存在著能實(shí)現(xiàn)自動控制的自然系統(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運(yùn)行自動運(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。l人體的體溫保持在3737的自動溫控系統(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系統(tǒng)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(yù)的情況下

2、自動運(yùn)行的。人造系統(tǒng)人造系統(tǒng)l數(shù)控車床按預(yù)定程序自動自動切削工件；l化學(xué)反應(yīng)爐的溫度或壓力自動自動地維持恒定；l雷達(dá)和計算機(jī)組成的導(dǎo)彈發(fā)射和制導(dǎo)系統(tǒng)自動自動將導(dǎo)彈引導(dǎo)到敵方目標(biāo)。l無人駕駛飛機(jī)按照預(yù)定航跡自動自動升降和飛行；l人造衛(wèi)星準(zhǔn)確地進(jìn)入預(yù)定軌道運(yùn)行并回收。自動控制在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用自動控制自動控制 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)過程（統(tǒng)稱被器），使機(jī)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)（即被控控對象）的某個工作狀態(tài)或參數(shù)（即被控量）量）自動

3、地按預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行自動地按預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行。2.自動控制理論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)計問題。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、時變、非線性一類控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計問題。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(yīng)對象的復(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，并與輸入信號相比較號相比較產(chǎn)生偏差信號產(chǎn)生偏差信號的過程，稱為反饋。的過程，稱為反饋。 若反饋的信號與

4、輸入信號相減，使產(chǎn)生的若反饋的信號與輸入信號相減，使產(chǎn)生的偏差越來越小，則稱為偏差越來越小，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) 能對輸入量與輸出量進(jìn)行比較，并且將它能對輸入量與輸出量進(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，整個控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制過程成為閉合的，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)輸出信號對控制作用

5、有直接影響凡是系統(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)。輸入信號和反饋信的系統(tǒng)，都稱為閉環(huán)系統(tǒng)。輸入信號和反饋信號（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，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，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。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(yīng)用反饋?zhàn)饔脕頊p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測量元件：測量元件：其職能是測量被控制的物理量; ;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：把測量元件檢測的被控量實(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，用來推動執(zhí)行元件去控制被控對象。l執(zhí)行元件：執(zhí)行元件：直接推動被控對象，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“”號代表比較元件比較元件；l“-”號代表兩者符號相反，“+”號代表兩者符

7、號相同。l信號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有兩個或兩個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 只有輸入量對輸出量產(chǎn)生控制作用，輸出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。量不參與對系統(tǒng)

8、的控制。 指控制裝置與被控對象之間只有指控制裝置與被控對象之間只有順向作用順向作用而沒有反向聯(lián)系的控制過程，按這種方式組而沒有反向聯(lián)系的控制過程，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(bǔ)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)可改變被控量，直接從擾動取得信息，并據(jù)可改變被控量，因此，其抗擾動性好，控制精度也較高，但因此，其抗擾動性好，控

9、制精度也較高，但它只適用于都測量的場合。它只適用于都測量的場合。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)、外擾動對被控制量產(chǎn)生的影響l精度高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)計、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，抗擾動性較差l結(jié)構(gòu)簡單、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控制擾動控制結(jié)合起來，對于主要擾動采用適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償裝置實(shí)現(xiàn)按擾動控制，同時，再組成反饋控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)按偏差控制，以消除其余擾動產(chǎn)生的偏差。1-2 自動

10、控制系統(tǒng)示例1.函數(shù)記錄儀2.電阻爐微型計算機(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)；時變系統(tǒng)：時變系統(tǒng)：系數(shù) 隨時間變化。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，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)格來說，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（長期穩(wěn)定性）、準(zhǔn)確性（精度）和快速性（相對穩(wěn)定性）。 穩(wěn)穩(wěn) 準(zhǔn)準(zhǔn) 快快穩(wěn)定性：1 1

12、 對恒值系統(tǒng)，要求當(dāng)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 2 對隨動系統(tǒng)，被控制量始終跟蹤參據(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)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(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(biāo)，但如果目標(biāo)變動迅速，而炮身行動遲緩，仍然抓不住目標(biāo)。準(zhǔn)確性： 用穩(wěn)態(tài)誤差來表示。 在參考輸入信號作用下，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)式簡單，便于理論計算。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；l負(fù)載突然增大或減??；l飛機(jī)飛行中遇到的常值陣風(fēng)擾動。（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，