大三上自控第1章

第1章引論自動控制原理主講教師：王萬成第1章引論教材：謝克明主編電子工業(yè)出版社第1章引論自動控制理論是自動化學(xué)科的重要理論基礎(chǔ)，專門研究有關(guān)自動控制系統(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:對被控對象運(yùn)動過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。社會運(yùn)動生物過程經(jīng)濟(jì)過程物理過程化學(xué)過程溫度壓力的保持軋鋼造紙厚度的控制工程施工過程衛(wèi)星的控制導(dǎo)彈控制無人駕駛飛機(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“愛國者”地空導(dǎo)彈系統(tǒng)第1章引論控制領(lǐng)域一個經(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程：1觀測恒溫箱中的溫度（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章引論控制的實質(zhì)：檢測偏差和糾正偏差第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：自動控制第1章引論3.什么是自動控制?自動控制:在無人直接參與的情況下，通過控制器使被控對象運(yùn)動過程自動地按照預(yù)定要求進(jìn)行。第1章引論恒溫箱自動控制系統(tǒng)控制過程：1恒溫箱的溫度由熱電偶轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的電壓u22恒溫箱期望溫度由電壓u1給定，并與實際溫度u2比較得到溫度偏差信號△u＝u1－u2第1章引論

3溫度偏差信號經(jīng)電壓、功率放大后，用以驅(qū)動執(zhí)行電動機(jī)，并通過傳動機(jī)構(gòu)拖動調(diào)壓器動觸頭。當(dāng)溫度偏高時，動觸頭向減小電流的方向運(yùn)動，反之加大電流，直到溫度達(dá)到給定值為止，此時，偏差△u=0,電機(jī)停止轉(zhuǎn)動。第1章引論恒溫控制系統(tǒng)方塊圖第1章引論自動控制和人工控制的基本原理是相同的,它們都是建立在“測量偏差,修正偏差”的基礎(chǔ)上,自動控制和人工控制的區(qū)別在于自動控制用控制器代替人完成控制?？傊?所謂自動控制就是在沒有人直接參與的情況下,利用控制裝置使被控對象中某一物理量或數(shù)個物理量準(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.檢測輸出量（被控制量）的實際值；2.將輸出量的實際值與給定值（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，使得實際輸出量維持在期望的輸出。第1章引論§1.1開環(huán)控制和閉環(huán)控制§1.2自動控制系統(tǒng)的組成及術(shù)語§1.3自動控制系統(tǒng)的類型§1.4自動控制系統(tǒng)性能的基本要求§1.5自動控制課程的主要任務(wù)§1.6自動控制系統(tǒng)實例小結(jié)

目錄第1章引論§1.1開環(huán)控制和閉環(huán)控制1.1.1開環(huán)控制

開環(huán)控制系統(tǒng)是指無被控量反饋的控制系統(tǒng)，被控量對于控制作用沒有任何影響。結(jié)構(gòu)如圖所示。第1章引論信號由給定值至被控量單向傳遞。這種控制較簡單,但有較大的缺陷,即對象或控制裝置受到干擾,或工作中特性參數(shù)發(fā)生變化,會直接影響被控量,而無法自動補(bǔ)償。因此,系統(tǒng)的控制精度難以保證。從另一種意義理解,意味著對受控對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)中信號流向看,系統(tǒng)的輸出信號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)是利用偏差來糾正偏差,使系統(tǒng)達(dá)到較高的控制精度。但與開環(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,利用偏差進(jìn)行控制,如果設(shè)計得不好,將會使系統(tǒng)無法正常穩(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章引論開環(huán)控制和閉環(huán)控制方式各有優(yōu)缺點(diǎn)，在實際工程中應(yīng)根據(jù)工程要求及具體情況來決定。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,則采用開環(huán)控制較好。如果對系統(tǒng)外部干擾無法預(yù)測，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自動控制系統(tǒng)的組成及術(shù)語典型反饋控制系統(tǒng)的原理如下圖所示第1章引論(1)被控對象：它是控制系統(tǒng)所控制和操縱的對象，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，轉(zhuǎn)換為對被控對象進(jìn)行操作的控制信號。(3)放大變換環(huán)節(jié)：將偏差信號變換為適合控制器執(zhí)行的信號。它根據(jù)控制的形式、幅值及功率來放大變換。第1章引論(4)校正裝置：為改善系統(tǒng)動態(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)：它用來測量被控量的實際值，并經(jīng)過信號處理，轉(zhuǎn)換為與被控制量有一定函數(shù)關(guān)系，且與輸入信號同一物理量的信號。反饋環(huán)節(jié)一般也稱為測量變送環(huán)節(jié)。(6)給定環(huán)節(jié)：產(chǎn)生輸入控制信號的裝置。第1章引論(1)輸入信號:泛指對系統(tǒng)的輸出量有直接影響的外界輸入信號,既包括控制信號又包括擾動信號。其中控制信號又稱控制量、參考輸入、或給定值。(2)輸出信號(輸出量):是指反饋控制系統(tǒng)中被控制的物理量,它與輸入信號之間有一定的函數(shù)關(guān)系。(3)反饋信號:將系統(tǒng)(或環(huán)節(jié))的輸出信號經(jīng)變換、處理送到系統(tǒng)(或環(huán)節(jié))的輸入端的信號,稱為反饋信號。若此信號是從系統(tǒng)輸出端取出送入系統(tǒng)輸入端,這種反饋信號稱主反饋信號。而其它稱為局部反饋信號?？刂葡到y(tǒng)中常用的名詞術(shù)語：第1章引論(4)偏差信號:控制輸入信號與主反饋信號之差。(5)誤差信號:它指系統(tǒng)輸出量的實際值與希望值之差。系統(tǒng)希望值是理想化系統(tǒng)的輸出，實際上并不存在,它只能用與控制輸入信號具有一定比例關(guān)系的信號來表示。在單位反饋情況下,希望值就是系統(tǒng)的輸入信號,誤差信號等于偏差信號。(6)擾動信號:除控制信號以外,對系統(tǒng)的輸出有影響的外部信號。第1章引論問題：為什么要控制？返回第1章引論§1.3自動控制系統(tǒng)的類型1.3.1按信號流向劃分1.開環(huán)控制系統(tǒng)信號流動由輸入端到輸出端單向流動。

第1章引論2.閉環(huán)控制系統(tǒng)

若控制系統(tǒng)中信號除從輸入端到輸出端外,還有輸出到輸入的反饋信號,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)輸入信號劃分1.恒值調(diào)節(jié)系統(tǒng)(自動調(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)過程中恒溫、恒壓、恒速等控制系統(tǒng)。

2.隨動系統(tǒng)(跟蹤系統(tǒng))該系統(tǒng)的控制輸入量是一個事先無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)或跟蹤輸入信號的變化。如雷達(dá)天線的自動跟蹤系統(tǒng)和高炮自動描準(zhǔn)系統(tǒng)就是典型的隨動系統(tǒng)。

第1章引論3.程序控制系統(tǒng)

系統(tǒng)的控制輸入信號不是常值,而是事先確定的運(yùn)動規(guī)律,編成程序裝在輸入裝置中,即控制輸入信號是事先確定的程序信號,控制的目的是使被控對象的被控量按照要求的程序動作。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,可用一個或一組線性微分方程來描述系統(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)還沒有一種完整、成熟、統(tǒng)一的分析法。通常對于非線性程度不很嚴(yán)重,或做近似分析時,均可用線性系統(tǒng)理論和方法來處理。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系數(shù)都是與時間無關(guān)的常數(shù),則稱為定常系統(tǒng)。該類系統(tǒng)只要輸入信號的形式不變,在不同時間輸入下的輸出響應(yīng)形式是相同的。

2.時變系統(tǒng)

如果描述系統(tǒng)特性的微分方程中只要有一項系數(shù)是時間的函數(shù),此系統(tǒng)稱為時變系統(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)中所有元件的信號都是隨時間連續(xù)變化的,信號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)處的信號是脈沖序列或數(shù)碼。若系統(tǒng)中采用了采樣開關(guān),將連續(xù)信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡x散的脈沖形式的信號,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)字計算機(jī)或數(shù)字控制器,其離散信號是以數(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,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,稱為多輸入多輸出系統(tǒng)。對于線性多輸入多輸出系統(tǒng),系統(tǒng)的任何一個輸出等于數(shù)個輸入單獨(dú)作用下輸出的疊加。

返回第1章引論§1.4自動控制系統(tǒng)性能的基本要求自動控制系統(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象和控制器及各功能元器件的特性參數(shù)是否設(shè)計得當(dāng)。

最理想的情況是,控制系統(tǒng)的輸出量和輸入量,在任何時候均相等,系統(tǒng)完全無誤差,且不受干擾的影響。實際系統(tǒng)中,由于各種各樣原因,系統(tǒng)在受到輸入信號(也包括擾動信號)的激勵時,被控量將偏離輸入信號作用前的初始值,經(jīng)歷一段動態(tài)過程(過渡過程),則系統(tǒng)控制性能的優(yōu)劣,可以從動態(tài)過程中較充分地表現(xiàn)出來。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。一個高品質(zhì)的系統(tǒng),在整個運(yùn)行過程中,被控量對給定值的偏差應(yīng)該是最小的。考慮動態(tài)過程在不同階段中的特點(diǎn),工程上通常從穩(wěn)、準(zhǔn)、快三個方面來衡量自動控制系統(tǒng)。穩(wěn)定性是所有自動控制系統(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)根本無法完成控制任務(wù)?？紤]到實際系統(tǒng)工作環(huán)境或參數(shù)的變動,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動態(tài)過程(快)穩(wěn)態(tài)精度是指系統(tǒng)過渡到新的平衡工作狀態(tài)以后,或系統(tǒng)對抗干擾重新恢復(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),輸入信號形式有關(guān)。

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

返回第1章引論§1.5自動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)計自動控制系統(tǒng)的基本理論。對實際系統(tǒng),建立研究問題的數(shù)學(xué)模型,進(jìn)而利用所建立的數(shù)學(xué)模型來討論構(gòu)成、分析、綜合自動控制系統(tǒng)的基本理論和方法。

作為研究自動控制系統(tǒng)的分析與綜合的方法來說,對單輸入單輸出系統(tǒng)常采用的是時域法,頻域法,根軌跡法以及目前廣泛應(yīng)用的計算機(jī)輔助設(shè)計。第1章引論對于一個實際系統(tǒng)其輸入信號往往是比較復(fù)雜的,而系統(tǒng)的輸出響應(yīng)又與輸入信號類型有關(guān)。因此,在研究自動控制系統(tǒng)的響應(yīng)時,往往選擇一些典型輸入信號,并且以最不利的信號作為系統(tǒng)的輸入信號,分析系統(tǒng)在此輸入信號下所得到的輸出響應(yīng)是否滿足要求。估計系統(tǒng)在比較復(fù)雜信號作用下的性能指標(biāo)。常采用的典型輸入信號有：1.5.1階躍函數(shù)它的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：第1章引論它表示一個在t=0時出現(xiàn)的，幅值為的階躍變化函數(shù)，如圖所示。在實際系統(tǒng)中，如負(fù)荷突然增大或減小，流量閥突然開大或關(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時刻開始，隨時間以恒定速度增加。如圖所示。A=1時斜坡函數(shù)稱作單位斜坡函數(shù)。

斜坡函數(shù)等于階躍函數(shù)對時間的積分，反之，階躍函數(shù)等于斜坡函數(shù)對時間的導(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，稱為單位拋物線函數(shù)。拋物線函數(shù)是斜坡函數(shù)對時間的積分。

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)正弦信號作用于線性系統(tǒng)時，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分量是和輸入信號同頻率的正弦信號，僅僅是幅值和初相位不同。根據(jù)系統(tǒng)對不同頻率正弦輸入信號的穩(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自動控制系統(tǒng)實例1.6.1造紙機(jī)分部傳動控制系統(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機(jī)拖動，顯然兩個壓榨棍的轉(zhuǎn)速必須協(xié)調(diào)，否則將會拉斷紙頁或出現(xiàn)疊堆。

自動控制系統(tǒng)中壓榨棍拖動電動機(jī)M2的轉(zhuǎn)速由測速發(fā)電機(jī)TG檢測出來，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)過放大去控制拖動電機(jī)的轉(zhuǎn)速，達(dá)到兩個壓榨棍的轉(zhuǎn)速協(xié)調(diào)。

第1章引論1.6.2谷物濕度