自動(dòng)控制原理知識(shí)點(diǎn)

第一節(jié)自動(dòng)控制的基本方式一、兩個(gè)定義：（1）自動(dòng)控制：在沒有人直接參與的情況下，利用控制裝置使某種設(shè)備、裝置或生產(chǎn)過程中的某些物理量或工作狀態(tài)能自動(dòng)地按照預(yù)定規(guī)律變化或數(shù)值運(yùn)行的方法，稱為自動(dòng)控制。（2）自動(dòng)控制系統(tǒng)：由控制器(含測(cè)量元件)和被控對(duì)象組成的有機(jī)整體?；蛴上嗷リP(guān)聯(lián)、相互制約、相互影響的一些元部件組成的具有自動(dòng)控制功能的有機(jī)整體。稱為自動(dòng)控制系統(tǒng)。在控制系統(tǒng)中，把影響系統(tǒng)輸出量的外界輸入量稱為系統(tǒng)的輸入量。系統(tǒng)的輸入量，通常指兩種：給定輸入量和擾動(dòng)輸入量。給定輸入量，又常稱為參考較輸入量，它決定系統(tǒng)輸出量的要求值或某種變化規(guī)律。擾動(dòng)輸入量，又常稱為干擾輸入量，它是系統(tǒng)不希望但又客觀存在的外部輸入量，例如，電源電壓的波動(dòng)、環(huán)境溫度的變化、電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)負(fù)載的變化等，都是實(shí)際系統(tǒng)中存在的擾動(dòng)輸入量。擾動(dòng)輸入量影響給定輸入量對(duì)系統(tǒng)輸出量的控制。自動(dòng)控制的基本方式二、基本控制方式(3種)1、開環(huán)控制方式(1)定義：控制系統(tǒng)的輸出量對(duì)系統(tǒng)不產(chǎn)生作用的控制方式，稱為開環(huán)控制方式。具有這種控制方式的有機(jī)整體，稱為開環(huán)控制系統(tǒng)。如果從系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)角度看，開環(huán)控制方式也可表達(dá)為，沒有系統(tǒng)輸出量反饋的控制方式。職能方框圖任何開環(huán)控制系統(tǒng)，從組成系統(tǒng)元部件的職能角度看，均可用下面的方框圖表示。閉環(huán)控制方式(1)定義：系統(tǒng)輸出量直接或間接地反饋到系統(tǒng)的輸入端，參予了系統(tǒng)控制的方式，稱為閉環(huán)控制方式。如果從系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)看，閉環(huán)控制方式也可表達(dá)為，有系統(tǒng)輸出量反饋的控制方式。自動(dòng)控制的基本方式工作原理開環(huán)調(diào)速結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上引入一臺(tái)測(cè)速發(fā)電機(jī)，作為檢測(cè)系統(tǒng)輸出量即電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速并轉(zhuǎn)換為電壓。反饋電壓與給定電壓比較(相減)后，產(chǎn)生一偏差電壓，經(jīng)電壓和功率放大器放大后去控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。當(dāng)系統(tǒng)處于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，電動(dòng)機(jī)就以電位器滑動(dòng)端給出的電壓值所對(duì)應(yīng)的希望轉(zhuǎn)速運(yùn)行。當(dāng)系統(tǒng)受到某種干擾時(shí)(例如負(fù)載變大)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速會(huì)發(fā)生變化(下降)，測(cè)速反饋電壓跟著變化(變小)，由于給定電壓值未變，偏差電壓值發(fā)生變化(變大)，經(jīng)放大后使電動(dòng)機(jī)電樞電壓變化(提高)，從而電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速也變化(上升)，去減小或消除由于干擾引起的轉(zhuǎn)速偏差。(參閱教材)！(2)閉環(huán)控制系統(tǒng)職能框圖任何閉環(huán)控制系統(tǒng)，從組成系統(tǒng)元部件的職能角度看，均可用下面的結(jié)構(gòu)框圖表示。3、復(fù)合控制方式開環(huán)控制方式+閉環(huán)控制方式。兩種結(jié)構(gòu)：按輸入信號(hào)補(bǔ)償；按擾動(dòng)信號(hào)補(bǔ)償4、控制方式比較(1)從系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)看，開環(huán)控制方式簡(jiǎn)單，復(fù)合控制方式復(fù)雜，閉環(huán)控制方式介于兩者間；(2)從性能看，開環(huán)控制方式較差，閉環(huán)控制方式較好；復(fù)合控制方式最好；(3)現(xiàn)代工程應(yīng)用系統(tǒng)中，閉環(huán)控制方式應(yīng)用最廣泛。第二節(jié)閉環(huán)系統(tǒng)的基本組成基本組成的結(jié)構(gòu)方塊圖(1）被控對(duì)象：要進(jìn)行控制的設(shè)備或生產(chǎn)過程。（例，工作機(jī)械）(2）執(zhí)行機(jī)構(gòu)：作用于被控制對(duì)象的裝置或設(shè)備。(例，電動(dòng)機(jī))（3）測(cè)量裝置：用來檢測(cè)被控量，并將其轉(zhuǎn)換成與給定量相同物理量的裝置（例，測(cè)速發(fā)電機(jī)）（4）放大環(huán)節(jié)：對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大或能量形式的轉(zhuǎn)換，使之適合執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作。（例，電壓放大器，可控硅整流功放）（5）給定環(huán)節(jié)：產(chǎn)生系統(tǒng)的給定輸入信號(hào)。（電位器）（6）比較環(huán)節(jié)：將所測(cè)的被控量與給定量進(jìn)行比較。（7）校正環(huán)節(jié)：用于改善系統(tǒng)性能的電路。校正環(huán)節(jié)可加于偏差信號(hào)與輸出信號(hào)之間的通道內(nèi)，也可加于某一局部反饋通道內(nèi)。前者稱為串聯(lián)校正環(huán)節(jié)，后者稱為并聯(lián)校正或(局部)反饋校正環(huán)節(jié)。前向通道：信號(hào)從輸入端沿箭頭方向到達(dá)系統(tǒng)輸出端的傳輸通道，又稱正向通道。反饋通道：又可分為主反饋通道和局部反饋通道。系統(tǒng)輸出量經(jīng)由測(cè)量裝置反饋到系統(tǒng)輸入端的傳輸通道，或簡(jiǎn)稱系統(tǒng)輸出量與輸入量間的反饋通道，稱為主反饋通道。局部部件間反饋通道，稱為局部反饋通道。單回路系統(tǒng)：只有一個(gè)(主)反饋通道的系統(tǒng)。多回路系統(tǒng)：有二個(gè)以上反饋通道的系統(tǒng)。注意：反饋有正、負(fù)之分。反饋信號(hào)的極性與輸入信號(hào)的極性相反，從而產(chǎn)生一偏差信號(hào)的反饋方式，稱負(fù)反饋；反饋信號(hào)的極性與輸入信號(hào)的極性相同，稱正反饋，正反饋方式只可能在局部反饋中采用；所有閉環(huán)系統(tǒng)，都是負(fù)反饋控制系統(tǒng)。例題1例題2自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類一、按數(shù)學(xué)描述形式分類：1．線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)（1）線性系統(tǒng)：用線性微分方程或線性差分方程描述的系統(tǒng)。重要性質(zhì)：滿足疊加性和齊次性（2）非線性系統(tǒng)：用非線性微分方程或差分方程描述的系統(tǒng)。注意：不滿足疊加性和齊次性！2．連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)（1）連續(xù)系統(tǒng)：系統(tǒng)中各元件的輸入量和輸出量均為時(shí)間t的連續(xù)函數(shù)。連續(xù)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律可用微分方程描述，系統(tǒng)中各部分信號(hào)都是模擬量。（2）離散系統(tǒng)：系統(tǒng)中某一處或幾處的信號(hào)是以脈沖系列或數(shù)碼的形式傳遞的系統(tǒng)。離散系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律可以用差分方程來描述。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)就是典型的離散系統(tǒng)。二、按給定信號(hào)分類（1）恒值控制系統(tǒng)：給定值不變，要求系統(tǒng)輸出量以一定的精度接近給定希望值的系統(tǒng)。如生產(chǎn)過程中的溫度、壓力、流量、液位高度、電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速等自動(dòng)控制系統(tǒng)屬于恒值系統(tǒng)。（2）隨動(dòng)控制系統(tǒng)：給定值按未知時(shí)間函數(shù)變化，要求輸出跟隨給定值的變化。如跟隨衛(wèi)星的雷達(dá)天線系統(tǒng)。（3）程序控制系統(tǒng)：給定值按一定時(shí)間函數(shù)變化。如程控機(jī)床。三、按系統(tǒng)的功能分類速度控制系統(tǒng)，溫度控制系統(tǒng)，位置控制系統(tǒng)等等。第四節(jié)對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求總體上來說，對(duì)任何控制系統(tǒng)的基本要求，集中體現(xiàn)在系統(tǒng)性能的“穩(wěn)定性”、“動(dòng)態(tài)特性”和“穩(wěn)態(tài)特性”三個(gè)方面，或簡(jiǎn)稱為“穩(wěn)”、“快”和“準(zhǔn)”。一、穩(wěn)定性控制系統(tǒng)“穩(wěn)定性”的定義，有多種表達(dá)。一種較通常的表達(dá)是，一個(gè)處于靜止或某一平衡工作狀態(tài)的系統(tǒng)，在受到任何輸入（給定信號(hào)或擾動(dòng)）作用時(shí)，系統(tǒng)的輸出會(huì)離開靜止?fàn)顟B(tài)或偏離原來的平衡位置；當(dāng)作用消除后，若系統(tǒng)能回到原來的靜止?fàn)顟B(tài)或平衡位置，則稱系統(tǒng)是穩(wěn)定的。否則稱系統(tǒng)是不穩(wěn)定的。對(duì)于線性定常系統(tǒng)，也可表達(dá)為，在階躍信號(hào)作用下，若系統(tǒng)輸出會(huì)有一個(gè)確定值相對(duì)應(yīng)，則稱系統(tǒng)是穩(wěn)定的；若系統(tǒng)輸出越來越大，稱系統(tǒng)是不穩(wěn)定的。如圖所示穩(wěn)定性，是系統(tǒng)能否工作的前題條件，是對(duì)系統(tǒng)最起碼的要求！二、動(dòng)態(tài)特性穩(wěn)定的控制系統(tǒng)，當(dāng)受到階躍輸入信號(hào)作用后，系統(tǒng)的輸出要經(jīng)歷一過程才能達(dá)到某一穩(wěn)定值。系統(tǒng)輸出隨時(shí)間t變化的這一過程稱為系統(tǒng)的響應(yīng)過程。響應(yīng)過程，又分為動(dòng)態(tài)過程和穩(wěn)態(tài)過程，如圖所示。動(dòng)態(tài)特性就是反映系統(tǒng)在動(dòng)態(tài)過程中，跟蹤輸入或抑制干擾的能力。動(dòng)態(tài)特性好的系統(tǒng)，表現(xiàn)為動(dòng)態(tài)過程具有較好的平穩(wěn)性、調(diào)節(jié)時(shí)間短且振蕩次數(shù)少。穩(wěn)態(tài)特性統(tǒng)在過渡過程結(jié)束后，其輸出量的狀態(tài)一般由穩(wěn)態(tài)特性來描述。穩(wěn)態(tài)誤差的大小反映了系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)特性的好壞。穩(wěn)態(tài)誤差值越小的系統(tǒng)，穩(wěn)態(tài)特性越好，意味著控制精度愈高。注意，對(duì)于同一個(gè)系統(tǒng)體現(xiàn)穩(wěn)定性、動(dòng)態(tài)特性和穩(wěn)態(tài)特性的穩(wěn)、快、準(zhǔn)這三個(gè)要求是相互制約的。第二章線性系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型第一節(jié)列寫系統(tǒng)微分方程人們常將描述系統(tǒng)工作狀態(tài)的各物理量隨時(shí)間變化的規(guī)律用數(shù)學(xué)表達(dá)式或圖形表示出來，這種描述系統(tǒng)各個(gè)物理量之間關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式或圖形稱為系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。建立數(shù)學(xué)模型有兩種方法：機(jī)理分析法和實(shí)驗(yàn)辨識(shí)法。機(jī)理分析法是通過理論推導(dǎo)得出，這種方法是根據(jù)各環(huán)節(jié)所遵循的物理規(guī)律來編寫；實(shí)驗(yàn)辨識(shí)法是由實(shí)驗(yàn)求取，即根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)通過整理編寫出來。本章著重討論機(jī)理分析法。機(jī)理分析法通常會(huì)先把系統(tǒng)劃分為若干個(gè)獨(dú)立的部件（環(huán)節(jié)），分別求出每個(gè)部件（環(huán)節(jié)）的動(dòng)態(tài)微分方程，然后再合并各部件（環(huán)節(jié)），得到整個(gè)系統(tǒng)的微分方程列寫環(huán)節(jié)微分方程一、列寫環(huán)節(jié)(部件)微分方程的目的、方法與步驟目的：通過該方程確定環(huán)節(jié)(部件)的輸出量與給定量之間的函數(shù)關(guān)系。方法與步驟：（1）根據(jù)實(shí)際情況，確定環(huán)節(jié)的輸入、輸出變量。（2）從輸入端開始，按信號(hào)傳遞遵循的有關(guān)規(guī)節(jié)列出相關(guān)的微分方程。（3）消去中間變量，寫出輸入、輸出變量的微分方程。（4）整理，輸入量項(xiàng)=輸出量項(xiàng)。例題3例題5二、系統(tǒng)動(dòng)態(tài)微分方程的編寫（1）確定系統(tǒng)輸入量、輸出量；（2）從輸入端開始將系統(tǒng)劃分為若干個(gè)部件（環(huán)節(jié)），依有關(guān)定理列寫各個(gè)部件（環(huán)節(jié)）的方程組；（3）消去中間變量；（4）整理。例題6三、負(fù)載效應(yīng)與相似性負(fù)載效應(yīng)：后一級(jí)的部件影響前一級(jí)的輸出量。在建立系統(tǒng)微分方程時(shí)，若在部件（環(huán)節(jié)）劃分時(shí)沒有考慮負(fù)載效應(yīng)，即部件（環(huán)節(jié)）間存在的耦合關(guān)系，將不能得到系統(tǒng)準(zhǔn)確的微分方程。例題8相似性：以上例中的物理部件（環(huán)節(jié)）不盡相同，但它們的數(shù)學(xué)模型卻可以是相同的。我們把具有相同數(shù)學(xué)模型的不同物理系統(tǒng)稱之為相似系統(tǒng)。在相似系統(tǒng)中，占據(jù)相應(yīng)位置的物理量稱為相似量。對(duì)于同一個(gè)物理系統(tǒng)，當(dāng)輸入量、輸出量改變時(shí)，所求出的數(shù)學(xué)模型卻是不同的。第三節(jié)傳遞函數(shù)一、傳遞函數(shù)的定義線性系統(tǒng)在零初始條件下，輸出信號(hào)的拉氏變換與輸入信號(hào)的拉氏變換之比。線性定常系統(tǒng)微分方程的一般表達(dá)式:例題9例題10二、傳遞函數(shù)主要特點(diǎn)1.傳遞函數(shù)的概念只適應(yīng)于單輸入-單輸入線性定常系統(tǒng)。2.傳遞函數(shù)只與系統(tǒng)本身的特性參數(shù)有關(guān)，而與輸入量變化無關(guān)。3.傳遞函數(shù)不能反映非零初始條件下系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。4.傳遞函數(shù)分子多項(xiàng)式階次低于或至多等于分母多項(xiàng)式的階次。5.分母稱為特征多項(xiàng)式；令特征多項(xiàng)式等于0，稱為系統(tǒng)特征方程式；系統(tǒng)特征方程式的根，為系統(tǒng)特征根，亦稱為系統(tǒng)極點(diǎn)。三、傳遞函數(shù)三種表達(dá)式1.傳遞函數(shù)的多項(xiàng)式比的表達(dá)形式2.傳遞函數(shù)的零極點(diǎn)表示形式3.傳遞函數(shù)的時(shí)間常數(shù)表示形式例題11四、典型環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)（1）比例環(huán)節(jié)（放大環(huán)節(jié)/無慣性環(huán)節(jié)）特點(diǎn)：輸入量與輸出量的關(guān)系為一種固定的比例關(guān)系。（2）慣性環(huán)節(jié)特點(diǎn)：只包含一個(gè)儲(chǔ)能元件，使其輸出量不能立即跟隨輸入量的變化，存在時(shí)間上的延遲。3）積分環(huán)節(jié)特點(diǎn)：輸出量隨時(shí)間成正比地?zé)o限增加。5）微分環(huán)節(jié)特點(diǎn)：是積分環(huán)節(jié)的逆運(yùn)算，其輸出量反映了輸入信號(hào)的變化趁勢(shì)。實(shí)踐中，理想的微分環(huán)節(jié)難以實(shí)現(xiàn)。（6）延遲環(huán)節(jié)（時(shí)滯環(huán)節(jié)、滯后環(huán)節(jié)）特點(diǎn)：輸出信號(hào)經(jīng)過一段延遲時(shí)間τ后，可完全復(fù)現(xiàn)輸入信號(hào)。第四節(jié)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖及其等效變換“結(jié)構(gòu)圖”是“動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖”的簡(jiǎn)稱，也稱為“方框圖”。因?yàn)樵搱D是將系統(tǒng)中各部件的功能及其相互關(guān)系用圖形表示，所以，又稱它為控制系統(tǒng)（或環(huán)節(jié)）圖形化的一種數(shù)學(xué)模型，是分析、設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)最常使用的一種數(shù)學(xué)模型之一。一、結(jié)構(gòu)圖的組成要素及繪制方法1、組成要素系統(tǒng)（或環(huán)節(jié)）的結(jié)構(gòu)圖，由4種基本圖形組成。（1）信號(hào)線：帶箭頭的直線，箭頭表示信號(hào)傳遞方向。（2）引出點(diǎn)（分離點(diǎn)）：表示信號(hào)引出或測(cè)量的位置。（3）比較點(diǎn)（相加點(diǎn)）：對(duì)兩個(gè)以上信號(hào)加減運(yùn)算。（4）方框：方框圖內(nèi)輸入環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)。2.動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖的繪制步驟：（1）確定系統(tǒng)輸入量與輸出量。（2）將復(fù)雜系統(tǒng)劃分為若干個(gè)典型環(huán)節(jié)。（3）求出各典型環(huán)節(jié)對(duì)應(yīng)的傳遞函數(shù)。（4）作出相應(yīng)的結(jié)構(gòu)圖。（5）按系統(tǒng)各變量的傳遞順序，依次將各元件的結(jié)構(gòu)圖連接起來。例題12強(qiáng)調(diào)指出：同一個(gè)系統(tǒng)，劃分的環(huán)節(jié)不同，結(jié)構(gòu)圖也會(huì)不同。也就是說，對(duì)于一個(gè)系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)圖并不是唯一的。但對(duì)同一個(gè)系統(tǒng)繪出的不同結(jié)構(gòu)圖中，系統(tǒng)輸入信號(hào)與輸出信號(hào)之間的傳遞關(guān)系，即系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，一定是相同的。二、結(jié)構(gòu)圖的等效變換分析系統(tǒng)時(shí)往