經(jīng)典控制基礎(chǔ)

1職業(yè)教育機(jī)電一體化專(zhuān)業(yè)教學(xué)資源庫(kù)高級(jí)維修電工學(xué)習(xí)單元1：經(jīng)典控制基礎(chǔ)四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院1.1開(kāi)環(huán)控制與閉環(huán)控制1.2自動(dòng)控制系統(tǒng)分類(lèi)與性能指標(biāo)前言

自動(dòng)控制學(xué)科由自動(dòng)控制技術(shù)和自動(dòng)控制理論兩部分組成。

自動(dòng)控制技術(shù)廣泛地應(yīng)用于機(jī)械、冶金、石油、化工、電子、電力、交通運(yùn)輸、航天航空、航海、生物工程及管理工程等各個(gè)學(xué)科領(lǐng)域。

自動(dòng)控制理論就是在解決各種自動(dòng)控制技術(shù)問(wèn)題的過(guò)程中逐步形成和發(fā)展起來(lái)的研究自動(dòng)控制技術(shù)的一門(mén)基礎(chǔ)理論，它是分析、設(shè)計(jì)和調(diào)試自動(dòng)控制系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)。自動(dòng)控制理論的分類(lèi)： 大致分為經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論。前言經(jīng)典控制理論——以傳遞函數(shù)作為數(shù)學(xué)工具，采用時(shí)域分析法、頻域分析法和根軌跡分析法等方法，研究單輸入、單輸出自動(dòng)控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)問(wèn)題。現(xiàn)代控制理論——以矩陣?yán)碚摰葦?shù)學(xué)方法作為數(shù)學(xué)工具，采用狀態(tài)空間分析法等方法，研究復(fù)雜的多變量控制系統(tǒng)、變參數(shù)非線性系統(tǒng)、最優(yōu)控制、動(dòng)態(tài)系統(tǒng)辨識(shí)、自適應(yīng)控制、人工智能控制，以及將過(guò)程控制與信息處理相結(jié)合的綜合自動(dòng)控制。1.1開(kāi)環(huán)控制與閉環(huán)控制

控制系統(tǒng)就是通過(guò)執(zhí)行規(guī)定的功能來(lái)實(shí)現(xiàn)某一給定目標(biāo)的一些相互關(guān)聯(lián)單元的組合。分為手動(dòng)與自動(dòng)

手動(dòng)控制：由人直接或間接操作執(zhí)行裝置的控制方式自動(dòng)控制：無(wú)需人去直接或間接操縱執(zhí)行機(jī)構(gòu)，利用控制裝置（控制器）控制被控制量自動(dòng)地按預(yù)定的規(guī)律變化的過(guò)程由人直接或間接操作執(zhí)行裝置的控制方式控制系統(tǒng)開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)1.1開(kāi)環(huán)控制與閉環(huán)控制小游戲：1.請(qǐng)同學(xué)們閉上眼睛在紙上畫(huà)一個(gè)正圓形；2.再睜開(kāi)眼睛在紙上畫(huà)一個(gè)正圓形。思考并討論：為什么睜眼畫(huà)的圓更好？提示：閉眼畫(huà)時(shí)，控制信號(hào)從腦—手—筆是單向的，睜眼畫(huà)時(shí)，控制信號(hào)從腦—手—筆—眼睛再到腦，是環(huán)形的一般開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)框圖1.1開(kāi)環(huán)控制與閉環(huán)控制開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng) 開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)是指系統(tǒng)的輸出端和輸入端不存在反饋關(guān)系，系統(tǒng)的輸出量對(duì)控制作用不發(fā)生影響的系統(tǒng)。這種系統(tǒng)既不需要對(duì)輸出量進(jìn)行測(cè)量，也不需要將輸出量反饋到輸入端與輸入量進(jìn)行比較，控制裝置與被控對(duì)象之間只有順向作用，沒(méi)有反向聯(lián)系。一般開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)框圖1.1開(kāi)環(huán)控制與閉環(huán)控制優(yōu)點(diǎn)： 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，系統(tǒng)穩(wěn)定性好，調(diào)試方便，成本低。缺點(diǎn)： 當(dāng)控制過(guò)程中受到來(lái)自系統(tǒng)外部的各種擾動(dòng)因素，如負(fù)載變化、電源電壓波動(dòng)等，以及來(lái)自系統(tǒng)內(nèi)部的擾動(dòng)因素，如元件參數(shù)變化等，都將會(huì)直接影響到輸出量，而控制系統(tǒng)不能自動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償。適用范圍： 用于控制性能要求不高，系統(tǒng)輸入與輸出關(guān)系明確、干擾較小且相對(duì)穩(wěn)定的場(chǎng)合。

系統(tǒng)的控制裝置和被控對(duì)象不僅有順向作用，而且輸出端和輸入端之間存在反饋關(guān)系，所以稱(chēng)為閉環(huán)控制系統(tǒng)。一般閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖1.1開(kāi)環(huán)控制與閉環(huán)控制1.1開(kāi)環(huán)控制與閉環(huán)控制閉環(huán)控制系統(tǒng)利用了負(fù)反饋獲取偏差信號(hào)，利用偏差產(chǎn)生控制作用去克服偏差。這種控制原理稱(chēng)為反饋控制原理。

優(yōu)點(diǎn)： 系統(tǒng)具有抗擾能力，除對(duì)反饋通道上的元件精度和給定信號(hào)裝置的精度要求較高外，對(duì)系統(tǒng)中的其它元器件的要求不高。缺點(diǎn)： 安裝、調(diào)試較困難，如調(diào)試水平欠佳，系統(tǒng)可能工作不穩(wěn)定。適用范圍： 用于控制性能要求高，干擾較大的場(chǎng)合。

開(kāi)環(huán)系統(tǒng)示例閉環(huán)系統(tǒng)示例n↓→ufn↓→ue

＝（ur—ufn

）↑→uc↑→ud↑→n↑

1.1開(kāi)環(huán)控制與閉環(huán)控制指令信號(hào)（CommandSignal）s輸入元件（InputElement）參考輸入量（ReferenceInputVariable）r

比較元件（ComparingElement）cp偏差信號(hào)（ErrorSignal）e放大元件（AmplificationElement）校正元件（CompensationElement）執(zhí)行元件（ExecutiveElement）操縱量（ManipulationVariable）m被控對(duì)象（ControlledPlant）被控量（ControlledVariable）c擾動(dòng)量（Disturbance）d反饋元件（FeedbackElement）反饋信號(hào)（FeedbackSignal）b間接被控量q

1.1開(kāi)環(huán)控制與閉環(huán)控制1.2自動(dòng)控制系統(tǒng)分類(lèi)與性能指標(biāo)一.按控制策略分類(lèi)（1）順序自動(dòng)控制（即開(kāi)環(huán)控制）時(shí)間順序控制條件順序控制（2）反饋控制系統(tǒng)（即閉環(huán)控制）1.2自動(dòng)控制系統(tǒng)分類(lèi)與性能指標(biāo)二．按照參考輸入量變化的規(guī)律分類(lèi)（1）恒值控制系統(tǒng)（2）隨動(dòng)系統(tǒng)（3）程序控制系統(tǒng)1.2自動(dòng)控制系統(tǒng)分類(lèi)與性能指標(biāo)恒值控制系統(tǒng)的參考輸入量是恒值，并要求系統(tǒng)的輸出量相應(yīng)地保持恒定。恒值控制系統(tǒng)是最常見(jiàn)的一類(lèi)自動(dòng)控制系統(tǒng)，如自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)，恒溫控制系統(tǒng)，恒張力控制系統(tǒng)，以及工業(yè)生產(chǎn)中的恒壓（壓力）、穩(wěn)壓（電壓）、穩(wěn)流（電流）、恒頻（頻率）自動(dòng)控制系統(tǒng)都屬于恒值控制系統(tǒng)。1.2自動(dòng)控制系統(tǒng)分類(lèi)與性能指標(biāo)

恒值控制舉例：自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)。

n↓→ufn↓→ue

＝（ur—ufn）↑→uc↑→ud↑→n↑

1.2自動(dòng)控制系統(tǒng)分類(lèi)與性能指標(biāo)

溫度↑→ufT↑→Δu↓→產(chǎn)生電壓ud→電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)→帶動(dòng)調(diào)壓器滑動(dòng)臂轉(zhuǎn)動(dòng)→ur↓→溫度↓→直到Δu=0→電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)→溫度恒定。恒值控制舉例：恒溫控制系統(tǒng)1.2自動(dòng)控制系統(tǒng)分類(lèi)與性能指標(biāo)

水位↑→浮子上浮→下觸點(diǎn)閉合→電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)→關(guān)小閥門(mén)→水位↓→下觸點(diǎn)斷開(kāi)→電動(dòng)機(jī)停止工作→水位恒定在規(guī)定的范圍內(nèi)。恒值控制舉例：恒液位控制系統(tǒng)1.2自動(dòng)控制系統(tǒng)分類(lèi)與性能指標(biāo)

張力↑→滾筒搖臂失去平衡而上移→產(chǎn)生偏角位移量→偏差電壓↑→電制動(dòng)器制動(dòng)力矩↓→張力↓→直到張力達(dá)到平衡。恒值控制舉例：恒張力控制系統(tǒng)1.2自動(dòng)控制系統(tǒng)分類(lèi)與性能指標(biāo)

φ1↑→Δu↑→ud↑→電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)φ2↑→直到φ1

=φ2→Δu=0→ud=0→電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)。隨動(dòng)控制舉例：角度跟蹤系統(tǒng)1.2自動(dòng)控制系統(tǒng)分類(lèi)與性能指標(biāo)三.按被控制量來(lái)分類(lèi)（1）運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，如數(shù)控機(jī)床的伺服控制系統(tǒng)（2）生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)控制系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱(chēng)過(guò)程控制），如釀酒廠的恒溫發(fā)酵系統(tǒng)四.按照信號(hào)的作用特點(diǎn)分類(lèi)（1）連續(xù)控制系統(tǒng)，指?jìng)鬏斶B續(xù)信號(hào)的控制系統(tǒng)，如：前述的恒溫控制系統(tǒng)。（2）斷續(xù)控制系統(tǒng)，指?jìng)鬏敂嗬m(xù)信號(hào)的控制系統(tǒng)，如：繼電器控制系統(tǒng)、離散控制系統(tǒng)、數(shù)字控制系統(tǒng)。系統(tǒng)中的信號(hào)在時(shí)間上、幅值上是不連續(xù)的。如：PLC控制系統(tǒng)1.2自動(dòng)控制系統(tǒng)分類(lèi)與性能指標(biāo)五.按照元件特性分類(lèi)（1）線性控制系統(tǒng)，指輸入輸出之間是線性關(guān)系的控制系統(tǒng)。（2）非線性控制系統(tǒng)，指輸入輸出之間是非線性關(guān)系的控制系統(tǒng)。1.2自動(dòng)控制系統(tǒng)分類(lèi)與性能指標(biāo)1.2自動(dòng)控制系統(tǒng)分類(lèi)與性能指標(biāo)六.按系統(tǒng)中參數(shù)對(duì)時(shí)間的變化情況分類(lèi)（1）定常系統(tǒng)，又稱(chēng)為時(shí)不變系統(tǒng)（2）時(shí)變系統(tǒng)七.按自動(dòng)控制系統(tǒng)的功能分類(lèi)（1）自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)（2）最優(yōu)控制系統(tǒng)（3）自適應(yīng)控制系統(tǒng)（4）自學(xué)習(xí)系統(tǒng)1.2自動(dòng)控制系統(tǒng)分類(lèi)與性能指標(biāo)穩(wěn)定系統(tǒng)不穩(wěn)定系統(tǒng)1.2自動(dòng)控制系統(tǒng)分類(lèi)與性能指標(biāo)Textinhere靜態(tài)性能動(dòng)態(tài)性能系統(tǒng)性能穩(wěn)定性

穩(wěn)定性——是指系統(tǒng)重新恢復(fù)平衡狀態(tài)的能力。對(duì)于系統(tǒng)穩(wěn)定性的要求，還要求達(dá)到一定的穩(wěn)定裕量，以免由于系統(tǒng)參數(shù)隨環(huán)境等因素變化導(dǎo)致系統(tǒng)進(jìn)入不穩(wěn)定狀態(tài)。穩(wěn)定系統(tǒng)不穩(wěn)定系統(tǒng)1.2自動(dòng)控制系統(tǒng)分類(lèi)與性能指標(biāo)動(dòng)態(tài)性能：（1）最大超調(diào)量σp％：

最大超調(diào)量是輸出量c（t）與穩(wěn)態(tài)值C（∞）的最大偏差ΔCmax與穩(wěn)態(tài)值C（∞）之比。反映了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)精度，超調(diào)量越小，說(shuō)明系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程進(jìn)行得越平滑。

（2）建立時(shí)間ts

：（又稱(chēng)為調(diào)節(jié)時(shí)間，或過(guò)渡過(guò)程時(shí)間）指系統(tǒng)響應(yīng)曲線與其穩(wěn)態(tài)值之差達(dá)到，并且不再超過(guò)規(guī)定的誤差范圍δC（∞）所需的時(shí)間，其誤差范圍一般定為δ=±2％～±5％。它反映了系統(tǒng)的快速性能，建立時(shí)間越小，系統(tǒng)快速性越好。（3）振蕩次數(shù)N

：振蕩次數(shù)指ts時(shí)間范圍內(nèi)輸出信號(hào)的振蕩周期數(shù)，即ts時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)響應(yīng)曲線穿越穩(wěn)態(tài)值次數(shù)的一半。振蕩次數(shù)越少，系統(tǒng)穩(wěn)定性越能好。1.2自動(dòng)控制系統(tǒng)分類(lèi)與性能指標(biāo)1.2自動(dòng)控制系統(tǒng)分類(lèi)與性能指標(biāo)系統(tǒng)對(duì)突加給定信號(hào)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線靜態(tài)性能：

系統(tǒng)從一個(gè)穩(wěn)態(tài)過(guò)渡到另一個(gè)穩(wěn)態(tài)，或系統(tǒng)受到擾動(dòng)作用又重新進(jìn)入平衡狀態(tài)后，系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)偏差，這種偏差稱(chēng)為穩(wěn)態(tài)誤差ess。系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差的大小表征系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度，即系統(tǒng)的準(zhǔn)確程度。穩(wěn)態(tài)誤差越小，則系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度越高。對(duì)于ess=0的系統(tǒng)，稱(chēng)為無(wú)靜差系統(tǒng)；而ess≠0的系統(tǒng)，則稱(chēng)為有靜差系統(tǒng)。1.2自動(dòng)控制系統(tǒng)分類(lèi)與性能指標(biāo)1.2自動(dòng)控制系統(tǒng)分類(lèi)與性能指標(biāo)a)有靜差系統(tǒng)b)無(wú)靜差系統(tǒng)1.2自動(dòng)控制系統(tǒng)分類(lèi)與性能指標(biāo)系統(tǒng)性能總結(jié)：

σp%和N反映了系統(tǒng)的穩(wěn)定性能，ts反映了系統(tǒng)的快速性，而ess反映了系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。簡(jiǎn)而言之，我們希望控制系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)、準(zhǔn)、快。在同一控制系統(tǒng)中這些性能指標(biāo)往往是相互矛盾的。這就需要根據(jù)具體控制對(duì)象所提出的要求，對(duì)其中的某些指標(biāo)有所側(cè)重的同時(shí)，又要注意兼顧其它性能指標(biāo)。在考慮提高系統(tǒng)的性能指標(biāo)的同時(shí)，還要考慮到系統(tǒng)的可靠性和經(jīng)濟(jì)性。1.2自動(dòng)控制系統(tǒng)分類(lèi)與性能指標(biāo)系統(tǒng)分析過(guò)程定性分析——建立數(shù)學(xué)模型