第1章-控制系統(tǒng)導(dǎo)論

控制工程基礎(chǔ)第1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)的應(yīng)用實(shí)例1.3自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類1.1自動(dòng)控制的基本原理1-1自動(dòng)控制的基本原理一、控制系統(tǒng)基本概念1.控制（Control）：根據(jù)某種原理或方法，使特定對(duì)象（被控對(duì)象）的某些物理量（被控量）按照預(yù)期規(guī)律變化的操縱過(guò)程。2.人工控制（ManualControl）：由人直接或間接操作執(zhí)行裝置的控制方式。3.自動(dòng)控制（AutomaticControl）：是指在沒(méi)有人直接參與的情況下，利用自動(dòng)控制裝置（或稱為控制裝置或控制器），使機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過(guò)程（統(tǒng)稱為被控對(duì)象）的某個(gè)工作狀態(tài)或參數(shù)（稱為被控量）自動(dòng)地按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行。人工控制的例子

示例——水池水位控制

人工控制被控對(duì)象：水池被控量：水池的水位

觀測(cè)實(shí)際水位，將期望的水位值與實(shí)際水位相比較，兩者之差為偏差。根據(jù)偏差的大小和方向調(diào)節(jié)進(jìn)水閥門的開(kāi)度，即當(dāng)實(shí)際水位高于要求值時(shí)，關(guān)小進(jìn)水閥門開(kāi)度，否則加大閥門開(kāi)度以改變進(jìn)水量，從而改變水池水位，使之與要求值保持一致。

1-1自動(dòng)控制的基本原理人腦：記住水位的期望值；給定值人眼：觀察水池的實(shí)際水位；測(cè)量人腦：比較水池的期望值-實(shí)際值；比較人手：調(diào)節(jié)進(jìn)水閥門的開(kāi)度。執(zhí)行是一個(gè)反復(fù)觀察測(cè)量、比較、調(diào)整執(zhí)行的過(guò)程，力圖將水池水位的期望值與實(shí)際值之間的差值減為0。19缺點(diǎn)：人工控制精度不高，人的反應(yīng)不夠快，不少惡劣的場(chǎng)合人無(wú)法參與直接控制。自動(dòng)控制系統(tǒng)可以解決以上問(wèn)題。1-1自動(dòng)控制的基本原理1-1自動(dòng)控制的基本原理自動(dòng)控制的例子

當(dāng)實(shí)際水位低于要求水位時(shí)，電位器輸出電壓值為正，且其大小反映了實(shí)際水位與水位要求值的差值，放大器輸出信號(hào)將有正的變化，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)減速器使進(jìn)水閥門開(kāi)度增加，直到實(shí)際水位重新與水位要求值相等時(shí)為止。期望水位電位器+連桿：連桿指針在電位器中間位置，輸出電壓為0對(duì)應(yīng)期望水位；給定輸入信號(hào)浮子：測(cè)量水池的實(shí)際水位并反饋給電位器+連桿機(jī)構(gòu)；測(cè)量反饋機(jī)構(gòu)電位器+連桿：連桿指針在電位器中間位置上下移動(dòng)，輸出偏差電壓，偏差電壓值與實(shí)際水位和期望水位的偏差值成線性關(guān)系；比較機(jī)構(gòu)電動(dòng)機(jī)：調(diào)節(jié)進(jìn)水閥門的開(kāi)度，執(zhí)行控制作用。執(zhí)行機(jī)構(gòu)1-1自動(dòng)控制的基本原理電位器+連桿：產(chǎn)生給定輸入信號(hào)

—人腦：記住水位的期望值。浮子：測(cè)量實(shí)際水位高度

—人眼：觀察水池的實(shí)際水位。電位器+連桿：產(chǎn)生偏差電壓

—人腦：計(jì)算水位的偏差值。電動(dòng)機(jī)：控制進(jìn)水閥門開(kāi)度

—人手：調(diào)節(jié)進(jìn)水閥門開(kāi)度。1-1自動(dòng)控制的基本原理人工控制和自動(dòng)控制對(duì)應(yīng)關(guān)系二、反饋控制系統(tǒng)的基本組成1-1自動(dòng)控制的基本原理信號(hào)從輸入端沿箭頭方向到達(dá)輸出端的傳輸通道稱前向通路，系統(tǒng)輸出量經(jīng)測(cè)量元件反饋到輸入端的傳輸通道稱主反饋通路。前向通路與主反饋通路共同組成主回路。只包含一個(gè)主反饋通路的系統(tǒng)稱單回路系統(tǒng)；有兩個(gè)或兩個(gè)以上反饋通路的系統(tǒng)稱多回路系統(tǒng)。1.被控對(duì)象（被控過(guò)程）——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.給定元件——它是產(chǎn)生控制輸入信號(hào)的裝置（給定輸入量）。3.測(cè)量反饋元件——它用來(lái)測(cè)量被控量的實(shí)際值,并經(jīng)過(guò)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)具有相同量綱的信號(hào)。反饋環(huán)節(jié)一般也稱為測(cè)量變送環(huán)節(jié)。反饋控制系統(tǒng)通過(guò)控制裝置對(duì)被控對(duì)象施加控制作用，利用被控量的反饋信息，不斷修正被控量與輸入量之間的偏差，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制。1-1自動(dòng)控制的基本原理4.比較元件——比較輸入信號(hào)與反饋信號(hào)，以產(chǎn)生反映兩者差值的偏差信號(hào)。5.放大元件——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(lái)放大變換。6.校正元件——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。7.執(zhí)行元件——根據(jù)偏差信號(hào)的性質(zhì)執(zhí)行相應(yīng)的控制作用，以便使被控制量按期望值變化。1-1自動(dòng)控制的基本原理1-1自動(dòng)控制的基本原理(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)又稱給定輸入量、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(yǔ)1-1自動(dòng)控制的基本原理(4)偏差信號(hào):控制輸入信號(hào)與主反饋信號(hào)之差。(5)誤差信號(hào):它指系統(tǒng)輸出量的實(shí)際值與期望值之差。在單位反饋情況下,期望值就是系統(tǒng)控制輸入信號(hào)的值,誤差信號(hào)等于偏差信號(hào)。(6)擾動(dòng)信號(hào):除控制信號(hào)以外,對(duì)系統(tǒng)的輸出有影響的信號(hào)。三、自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本控制方式控制系統(tǒng)中最常見(jiàn)的兩種控制方式是開(kāi)環(huán)控制和閉環(huán)控制（反饋控制），這兩種控制的組合——即為復(fù)合控制，相對(duì)應(yīng)的控制系統(tǒng)稱為開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)、閉環(huán)控制系統(tǒng)和復(fù)合控制系統(tǒng)。

1-1自動(dòng)控制的基本原理1.開(kāi)環(huán)控制開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)原理框圖（給定控制）1-1自動(dòng)控制的基本原理輸出量與輸入量之間沒(méi)有反饋回路，被控量不會(huì)反饋到輸入端，而且被控量不會(huì)對(duì)控制作用產(chǎn)生影響。直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)

給定電壓ur經(jīng)放大后得到電樞電壓ua，改變ur可得不同的轉(zhuǎn)速n，該系統(tǒng)只有輸入量ur對(duì)輸出量n的單向控制作用。輸出端和輸入端之間不存在反饋回路。Mc恒定：ur,ua,n

ur,ua,n

ur

恒定：Mc,n

Mc,n

1-1自動(dòng)控制的基本原理開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的優(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。因此，在輸入量和輸出量之間的關(guān)系固定，且內(nèi)部參數(shù)或外部負(fù)載等擾動(dòng)因素不大，或這些擾動(dòng)因素可以預(yù)測(cè)并進(jìn)行補(bǔ)償?shù)那疤嵯拢瑧?yīng)盡量采用開(kāi)環(huán)控制方式。開(kāi)環(huán)控制的缺點(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)行調(diào)節(jié)，抗干擾能力差。因此，開(kāi)環(huán)系統(tǒng)對(duì)元器件的質(zhì)量要求較高。1-1自動(dòng)控制的基本原理2.閉環(huán)控制輸出量與輸入量之間有反饋回路，通過(guò)輸入量與主反饋信號(hào)之間的偏差對(duì)輸出量進(jìn)行控制。系統(tǒng)的輸出信號(hào)對(duì)控制作用有直接影響。1-1自動(dòng)控制的基本原理Mc恒定：ur,ue

u1

ua,n,

uf,ue,u1

ua,n

1-1自動(dòng)控制的基本原理ur

恒定：Mc,n

uf,ue,u1

ua,n

直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)這種控制方式,當(dāng)系統(tǒng)由于外界干擾或結(jié)構(gòu)參數(shù)變化引起被控量出現(xiàn)偏差時(shí),系統(tǒng)就利用反饋偏差去糾正輸出偏差,所以這種控制方式又稱為按偏差控制。閉環(huán)控制系統(tǒng)的突出優(yōu)點(diǎn)是利用偏差來(lái)糾正偏差,使系統(tǒng)達(dá)到較高的控制精度。但與開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)比較,閉環(huán)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。由于閉環(huán)控制存在反饋信號(hào),利用偏差進(jìn)行控制,如果設(shè)計(jì)得不好,就會(huì)使系統(tǒng)無(wú)法穩(wěn)定地工作。另外,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。

1-1自動(dòng)控制的基本原理1.3

自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類1-3自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類1.按信號(hào)流向劃分（1）開(kāi)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),

2.按系統(tǒng)輸入信號(hào)劃分

（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(guò)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(wú)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)。

1-3自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類3.線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)（1）線性系統(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(lái)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。

（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(méi)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,