大三上自控第1章

第1章引論自動(dòng)控制原理主講教師：王萬(wàn)成第1章引論教材：謝克明主編電子工業(yè)出版社第1章引論自動(dòng)控制理論是自動(dòng)化學(xué)科的重要理論基礎(chǔ)，專門研究有關(guān)自動(dòng)控制系統(tǒng)中基本概念、基本原理和基本方法。本章將介紹開(kāi)環(huán)控制和閉環(huán)控制，控制系統(tǒng)的基本原理和組成，控制系統(tǒng)的類型，以及對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求。第1章引論內(nèi)容提要第1章引論1.什么是控制?所謂控制就是:對(duì)被控對(duì)象運(yùn)動(dòng)過(guò)程施加一定的影響或措施使其按照指定路徑向預(yù)定目標(biāo)發(fā)展。社會(huì)運(yùn)動(dòng)生物過(guò)程經(jīng)濟(jì)過(guò)程物理過(guò)程化學(xué)過(guò)程溫度壓力的保持軋鋼造紙厚度的控制工程施工過(guò)程衛(wèi)星的控制導(dǎo)彈控制無(wú)人駕駛飛機(jī)工程控制論范疇生物/經(jīng)濟(jì)等控制論范疇第1章引論第1章引論“愛(ài)國(guó)者”地空導(dǎo)彈系統(tǒng)第1章引論控制領(lǐng)域一個(gè)經(jīng)典的例子：倒立擺第1章引論2.人工控制例子：恒溫箱溫度控制控制過(guò)程：1觀測(cè)恒溫箱中的溫度（被控量）2與要求的溫度（給定值）進(jìn)行比較得到溫度偏差的大小和方向3根據(jù)偏差大小和方向調(diào)節(jié)調(diào)壓器，控制加熱電阻絲的電流以調(diào)節(jié)溫度恢復(fù)到要求的溫度第1章引論控制的實(shí)質(zhì)：檢測(cè)偏差和糾正偏差第1章引論缺點(diǎn):速度低精度低效率低不適應(yīng)惡劣環(huán)境不能進(jìn)行復(fù)雜控制需要：自動(dòng)控制第1章引論3.什么是自動(dòng)控制?自動(dòng)控制:在無(wú)人直接參與的情況下，通過(guò)控制器使被控對(duì)象運(yùn)動(dòng)過(guò)程自動(dòng)地按照預(yù)定要求進(jìn)行。第1章引論恒溫箱自動(dòng)控制系統(tǒng)控制過(guò)程：1恒溫箱的溫度由熱電偶轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的電壓u22恒溫箱期望溫度由電壓u1給定，并與實(shí)際溫度u2比較得到溫度偏差信號(hào)△u＝u1－u2第1章引論

3溫度偏差信號(hào)經(jīng)電壓、功率放大后，用以驅(qū)動(dòng)執(zhí)行電動(dòng)機(jī)，并通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)拖動(dòng)調(diào)壓器動(dòng)觸頭。當(dāng)溫度偏高時(shí)，動(dòng)觸頭向減小電流的方向運(yùn)動(dòng)，反之加大電流，直到溫度達(dá)到給定值為止，此時(shí)，偏差△u=0,電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。第1章引論恒溫控制系統(tǒng)方塊圖第1章引論自動(dòng)控制和人工控制的基本原理是相同的,它們都是建立在“測(cè)量偏差,修正偏差”的基礎(chǔ)上,自動(dòng)控制和人工控制的區(qū)別在于自動(dòng)控制用控制器代替人完成控制。總之,所謂自動(dòng)控制就是在沒(méi)有人直接參與的情況下,利用控制裝置使被控對(duì)象中某一物理量或數(shù)個(gè)物理量準(zhǔn)確地按照預(yù)定的要求規(guī)律變化。第1章引論綜上所述控制系統(tǒng)的工作原理：1.檢測(cè)輸出量（被控制量）的實(shí)際值；2.將輸出量的實(shí)際值與給定值（輸入量）進(jìn)行比較得出偏差（反饋）；3.用偏差值產(chǎn)生控制調(diào)節(jié)作用去消除偏差，使得實(shí)際輸出量維持在期望的輸出。第1章引論§1.1開(kāi)環(huán)控制和閉環(huán)控制§1.2自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成及術(shù)語(yǔ)§1.3自動(dòng)控制系統(tǒng)的類型§1.4自動(dòng)控制系統(tǒng)性能的基本要求§1.5自動(dòng)控制課程的主要任務(wù)§1.6自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)例小結(jié)

目錄第1章引論§1.1開(kāi)環(huán)控制和閉環(huán)控制1.1.1開(kāi)環(huán)控制

開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)是指無(wú)被控量反饋的控制系統(tǒng)，被控量對(duì)于控制作用沒(méi)有任何影響。結(jié)構(gòu)如圖所示。第1章引論信號(hào)由給定值至被控量單向傳遞。這種控制較簡(jiǎn)單,但有較大的缺陷,即對(duì)象或控制裝置受到干擾,或工作中特性參數(shù)發(fā)生變化,會(huì)直接影響被控量,而無(wú)法自動(dòng)補(bǔ)償。因此,系統(tǒng)的控制精度難以保證。從另一種意義理解,意味著對(duì)受控對(duì)象和其它控制元件的技術(shù)要求較高。如數(shù)控切割機(jī)系統(tǒng)、包裝機(jī)等多為開(kāi)環(huán)控制。再如：紅綠燈第1章引論1.1.2閉環(huán)控制(反饋控制)

閉環(huán)控制是有被控制量反饋的控制,其原理框如圖所示。從系統(tǒng)中信號(hào)流向看,系統(tǒng)的輸出信號(hào)沿反饋通道又回到系統(tǒng)的輸入端,構(gòu)成閉合通道,故稱閉環(huán)控制系統(tǒng),或反饋控制系統(tǒng)。第1章引論這種控制方式，無(wú)論是由于干擾造成,還是由于結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化引起被控量出現(xiàn)偏差,系統(tǒng)就利用偏差去糾正偏差，故這種控制方式為按偏差調(diào)節(jié)。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,構(gòu)造比較困難。需要指出的是,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,將會(huì)使系統(tǒng)無(wú)法正常穩(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。第1章引論開(kāi)環(huán)控制和閉環(huán)控制方式各有優(yōu)缺點(diǎn)，在實(shí)際工程中應(yīng)根據(jù)工程要求及具體情況來(lái)決定。如果事先預(yù)知輸入量的變化規(guī)律，又不存在外部和內(nèi)部參數(shù)的變化,則采用開(kāi)環(huán)控制較好。如果對(duì)系統(tǒng)外部干擾無(wú)法預(yù)測(cè)，系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)又經(jīng)常變化,為保證控制精度，采用閉環(huán)控制則更為合適。如果對(duì)系統(tǒng)的性能要求比較高，為了解決閉環(huán)控制精度與穩(wěn)定性之間的矛盾，可以采用開(kāi)環(huán)控制與閉環(huán)控制相結(jié)合的復(fù)合控制系統(tǒng)。返回第1章引論§1.2自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成及術(shù)語(yǔ)典型反饋控制系統(tǒng)的原理如下圖所示第1章引論(1)被控對(duì)象：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)控制器：接收變換和放大后的偏差信號(hào)，轉(zhuǎn)換為對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行操作的控制信號(hào)。(3)放大變換環(huán)節(jié)：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。第1章引論(4)校正裝置：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。(5)反饋環(huán)節(jié)：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)同一物理量的信號(hào)。反饋環(huán)節(jié)一般也稱為測(cè)量變送環(huán)節(jié)。(6)給定環(huán)節(jié)：產(chǎn)生輸入控制信號(hào)的裝置。第1章引論(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)又稱控制量、參考輸入、或給定值。(2)輸出信號(hào)(輸出量):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)?？刂葡到y(tǒng)中常用的名詞術(shù)語(yǔ)：第1章引論(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)際值與希望值之差。系統(tǒng)希望值是理想化系統(tǒng)的輸出，實(shí)際上并不存在,它只能用與控制輸入信號(hào)具有一定比例關(guān)系的信號(hào)來(lái)表示。在單位反饋情況下,希望值就是系統(tǒng)的輸入信號(hào),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)的輸出有影響的外部信號(hào)。第1章引論問(wèn)題：為什么要控制？返回第1章引論§1.3自動(dòng)控制系統(tǒng)的類型1.3.1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)。

第1章引論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),如圖所示。

第1章引論1.3.2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?？刂葡到y(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)。

第1章引論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)。

第1章引論1.3.3線性系統(tǒng)和非線性系統(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)輸入和輸出之間的關(guān)系。線性系統(tǒng)的主要特征是具有齊次性和疊加性。

1.線性系統(tǒng)

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,或做近似分析時(shí),均可用線性系統(tǒng)理論和方法來(lái)處理。非線性系統(tǒng)分析將在第七章專門討論。

第1章引論1.3.4定常系統(tǒng)和時(shí)變系統(tǒng)

1.定常系統(tǒng)

如果描述系統(tǒng)特性的微分方程中各項(xiàng)系數(shù)都是與時(shí)間無(wú)關(guān)的常數(shù),則稱為定常系統(tǒng)。該類系統(tǒng)只要輸入信號(hào)的形式不變,在不同時(shí)間輸入下的輸出響應(yīng)形式是相同的。

2.時(shí)變系統(tǒng)

如果描述系統(tǒng)特性的微分方程中只要有一項(xiàng)系數(shù)是時(shí)間的函數(shù),此系統(tǒng)稱為時(shí)變系統(tǒng)。

第1章引論1.3.5連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)1.連續(xù)系統(tǒng)

系統(tǒng)中所有元件的信號(hào)都是隨時(shí)間連續(xù)變化的,信號(hào)的大小均是可任意取值的模擬量,稱為連續(xù)系統(tǒng)。

2.離散系統(tǒng)

離散系統(tǒng)是指系統(tǒng)中有一處或數(shù)處的信號(hào)是脈沖序列或數(shù)碼。若系統(tǒng)中采用了采樣開(kāi)關(guān),將連續(xù)信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡x散的脈沖形式的信號(hào),此類系統(tǒng)稱為采樣控制系統(tǒng)或脈沖控制系統(tǒng)。若采用數(shù)字計(jì)算機(jī)或數(shù)字控制器,其離散信號(hào)是以數(shù)碼形式傳遞的,此類系統(tǒng)稱為數(shù)字控制系統(tǒng)。第1章引論1.3.6單輸入單輸出系統(tǒng)與多輸入多輸出系統(tǒng)

1.單輸入單輸出系統(tǒng)(單變量系統(tǒng))系統(tǒng)的輸入量和輸出量各為一個(gè),稱為單輸入單輸出系統(tǒng)。

2.多輸入多輸出系統(tǒng)(多變量系統(tǒng))若系統(tǒng)的輸入量和輸出量多于一個(gè),稱為多輸入多輸出系統(tǒng)。對(duì)于線性多輸入多輸出系統(tǒng),系統(tǒng)的任何一個(gè)輸出等于數(shù)個(gè)輸入單獨(dú)作用下輸出的疊加。

返回第1章引論§1.4自動(dòng)控制系統(tǒng)性能的基本要求自動(dòng)控制系統(tǒng)是否能很好地工作,是否能精確地保持被控量按照預(yù)定的要求規(guī)律變化這取決于被控對(duì)象和控制器及各功能元器件的特性參數(shù)是否設(shè)計(jì)得當(dāng)。

最理想的情況是,控制系統(tǒng)的輸出量和輸入量,在任何時(shí)候均相等,系統(tǒng)完全無(wú)誤差,且不受干擾的影響。實(shí)際系統(tǒng)中,由于各種各樣原因,系統(tǒng)在受到輸入信號(hào)(也包括擾動(dòng)信號(hào))的激勵(lì)時(shí),被控量將偏離輸入信號(hào)作用前的初始值,經(jīng)歷一段動(dòng)態(tài)過(guò)程(過(guò)渡過(guò)程),則系統(tǒng)控制性能的優(yōu)劣,可以從動(dòng)態(tài)過(guò)程中較充分地表現(xiàn)出來(lái)。第1章引論1.4.1穩(wěn)定性(穩(wěn))控制精度是衡量系統(tǒng)技術(shù)性能的重要尺度。一個(gè)高品質(zhì)的系統(tǒng),在整個(gè)運(yùn)行過(guò)程中,被控量對(duì)給定值的偏差應(yīng)該是最小的?？紤]動(dòng)態(tài)過(guò)程在不同階段中的特點(diǎn),工程上通常從穩(wěn)、準(zhǔn)、快三個(gè)方面來(lái)衡量自動(dòng)控制系統(tǒng)。穩(wěn)定性是所有自動(dòng)控制系統(tǒng)的最基本要求,是系統(tǒng)能否工作的前題。不穩(wěn)定的系統(tǒng)根本無(wú)法完成控制任務(wù)?？紤]到實(shí)際系統(tǒng)工作環(huán)境或參數(shù)的變動(dòng),可能導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定,因此,我們除要求系統(tǒng)穩(wěn)定外,還要求其具有一定的穩(wěn)定裕量。

第1章引論1.4.2穩(wěn)態(tài)精度(準(zhǔn))

1.4.3動(dòng)態(tài)過(guò)程(快)穩(wěn)態(tài)精度是指系統(tǒng)過(guò)渡到新的平衡工作狀態(tài)以后,或系統(tǒng)對(duì)抗干擾重新恢復(fù)平衡后,最終保持的精度。穩(wěn)態(tài)精度與控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及參數(shù),輸入信號(hào)形式有關(guān)。

動(dòng)態(tài)過(guò)程是指控制系統(tǒng)的被控量在輸入信號(hào)作用下隨時(shí)間變化的全過(guò)程,衡量動(dòng)態(tài)過(guò)程的品質(zhì)好壞常采用單位階躍信號(hào)作用下過(guò)渡過(guò)程中的超調(diào)量,過(guò)渡過(guò)程時(shí)間等性能指標(biāo)。

返回第1章引論§1.5自動(dòng)控制課程的主要任務(wù)本課程的主要內(nèi)容是闡述構(gòu)成、分析和設(shè)計(jì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本理論。對(duì)實(shí)際系統(tǒng),建立研究問(wèn)題的數(shù)學(xué)模型,進(jìn)而利用所建立的數(shù)學(xué)模型來(lái)討論構(gòu)成、分析、綜合自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本理論和方法。

作為研究自動(dòng)控制系統(tǒng)的分析與綜合的方法來(lái)說(shuō),對(duì)單輸入單輸出系統(tǒng)常采用的是時(shí)域法,頻域法,根軌跡法以及目前廣泛應(yīng)用的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)。第1章引論對(duì)于一個(gè)實(shí)際系統(tǒng)其輸入信號(hào)往往是比較復(fù)雜的,而系統(tǒng)的輸出響應(yīng)又與輸入信號(hào)類型有關(guān)。因此,在研究自動(dòng)控制系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí),往往選擇一些典型輸入信號(hào),并且以最不利的信號(hào)作為系統(tǒng)的輸入信號(hào),分析系統(tǒng)在此輸入信號(hào)下所得到的輸出響應(yīng)是否滿足要求。估計(jì)系統(tǒng)在比較復(fù)雜信號(hào)作用下的性能指標(biāo)。常采用的典型輸入信號(hào)有：1.5.1階躍函數(shù)它的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：第1章引論它表示一個(gè)在t=0時(shí)出現(xiàn)的，幅值為的階躍變化函數(shù)，如圖所示。在實(shí)際系統(tǒng)中，如負(fù)荷突然增大或減小，流量閥突然開(kāi)大或關(guān)小均可以近似看成階躍函數(shù)的形式。

第1章引論A=1的函數(shù)稱為單位階躍函數(shù)，記作1(t)。因此，幅值為A的階躍函數(shù)也可表示為

出現(xiàn)在時(shí)刻的階躍函數(shù)，表示為

第1章引論1.5.2斜坡函數(shù)（等速度函數(shù)）

它的數(shù)學(xué)表達(dá)式為

斜坡函數(shù)從t=0時(shí)刻開(kāi)始，隨時(shí)間以恒定速度增加。如圖所示。A=1時(shí)斜坡函數(shù)稱作單位斜坡函數(shù)。

斜坡函數(shù)等于階躍函數(shù)對(duì)時(shí)間的積分，反之，階躍函數(shù)等于斜坡函數(shù)對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)。

第1章引論它的數(shù)學(xué)表達(dá)式為

曲線如圖所示。當(dāng)A=1時(shí)，稱為單位拋物線函數(shù)。拋物線函數(shù)是斜坡函數(shù)對(duì)時(shí)間的積分。

1.5.3拋物線函數(shù)（等加速度函數(shù)）第1章引論1.5.4脈沖函數(shù)

它的曲線如右圖所示，數(shù)學(xué)表達(dá)式為

其面積為A。即

面積A表示脈沖函數(shù)的強(qiáng)度。的脈沖函數(shù)稱為單位脈沖函數(shù)，記作，即

第1章引論于是強(qiáng)度為A的脈沖函數(shù)可表示為。

表示在時(shí)刻出現(xiàn)的單位脈沖函數(shù)，即

單位脈沖函數(shù)是單位階躍函數(shù)的導(dǎo)數(shù)

第1章引論1.5.5正弦函數(shù)

它的數(shù)學(xué)表達(dá)式為

式中A為振幅，ω為角頻率，正弦函數(shù)為周期函數(shù)。

當(dāng)正弦信號(hào)作用于線性系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分量是和輸入信號(hào)同頻率的正弦信號(hào)，僅僅是幅值和初相位不同。根據(jù)系統(tǒng)對(duì)不同頻率正弦輸入信號(hào)的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)，可以得到系統(tǒng)性能的全部信息。

返回第1章引論§1.6自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)例1.6.1造紙機(jī)分部傳動(dòng)控制系統(tǒng)

第1章引論如上圖所示。含有大量水分的紙張經(jīng)過(guò)第一壓榨棍后，去掉了一部分含水量，然后再進(jìn)入第二壓榨棍，再榨去一部分水分。第一和第二壓榨棍分別由各自的電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，顯然兩個(gè)壓榨棍的轉(zhuǎn)速必須協(xié)調(diào)，否則將會(huì)拉斷紙頁(yè)或出現(xiàn)疊堆。

自動(dòng)控制系統(tǒng)中壓榨棍拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)M2的轉(zhuǎn)速由測(cè)速發(fā)電機(jī)TG檢測(cè)出來(lái)，并轉(zhuǎn)換為速度反饋電壓Uf。參考電壓Ur，與反饋電壓Uf相比較得偏差電壓Ur-Uf，經(jīng)過(guò)放大去控制拖動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，達(dá)到兩個(gè)壓榨棍的轉(zhuǎn)速協(xié)調(diào)。

第1章引論1.6.2谷物濕度