光-纖-通-信第1章-緒-論培訓(xùn)資料

1第1章緒論1.1自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念與發(fā)展1.1.1自動(dòng)控制的定義與基本組成閉環(huán)控制開環(huán)控制2所謂自動(dòng)控制，是指在沒有人直接參與的情況下，利用外加的設(shè)備或裝置操縱機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過程，使其自動(dòng)按預(yù)定規(guī)律運(yùn)行的技術(shù)。定義：圖1-1人腦控制過程示意圖圖1-2仿人控制系統(tǒng)方框圖遙測、遙感31.1.2自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展歷史與現(xiàn)狀

外加設(shè)備或裝置，通常包括測量儀器、控制裝置和執(zhí)行機(jī)構(gòu)。沒有檢測與執(zhí)行設(shè)備，單獨(dú)的控制器是無法發(fā)揮作用的。

發(fā)展歷史測控與軍事自動(dòng)控制與民用工業(yè)

現(xiàn)代測控系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀測控與科學(xué)51.2自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本控制方式

1.2.1開環(huán)控制系統(tǒng)所謂開環(huán)控制系統(tǒng)就是控制器與被控對(duì)象之間只有順向作用而無反向聯(lián)系，即控制是單方向進(jìn)行的；系統(tǒng)的輸出量并不影響其控制作用，控制作用直接由系統(tǒng)輸入量產(chǎn)生。

直流電動(dòng)機(jī)功率放大器激磁回路激磁電流電樞電壓6開環(huán)控制系統(tǒng)是最基本的不帶反饋（檢測裝置）的自動(dòng)控制系統(tǒng)，其在生產(chǎn)過程及生活設(shè)施中隨處可見。

返回7輸入量輸出量圖1-4開環(huán)控制系統(tǒng)示意圖控制器執(zhí)行器

缺陷：由于系統(tǒng)周圍環(huán)境的變化會(huì)給系統(tǒng)造成干擾，開環(huán)控制系統(tǒng)的輸出量不可能精確地對(duì)應(yīng)于輸入量，因此開環(huán)系統(tǒng)不具備克服輸出量與輸入量之間的偏差的能力，它的準(zhǔn)確性和穩(wěn)態(tài)精度都不高。如果系統(tǒng)輸入量再隨時(shí)間變化，而系統(tǒng)的被控對(duì)象一般都存在慣性，所以不可能瞬時(shí)完成對(duì)輸入量的響應(yīng)?！垢蓴_能力差

81.2.2閉環(huán)控制系統(tǒng)9前向通路

給控制系統(tǒng)引入反饋，即把輸出量饋送到系統(tǒng)輸入端，以便與輸入信號(hào)進(jìn)行比較，取其偏差作為控制器的輸入，如圖所示。這樣的系統(tǒng)稱為帶負(fù)反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)。

——抗干擾性能優(yōu)于開環(huán)10外擾——由系統(tǒng)的動(dòng)力源或負(fù)載變化以及外部因素引起。

擾動(dòng)量內(nèi)擾——由組成系統(tǒng)的元部件參數(shù)的變化引起。注意：加在控制器上的信號(hào)是輸入量和反饋量之間的差(偏差)?？刂破魉a(chǎn)生的控制作用力圖減小或者消除這種偏差。

帶有負(fù)反饋的閉環(huán)控制又稱為偏差控制

11液位閉環(huán)控制系統(tǒng)12爐溫閉環(huán)控制系統(tǒng)

冷水電加熱器溫控開關(guān)水箱給定溫度熱水測溫元件圖1-6電加熱器系統(tǒng)燃?xì)鉁囟瓤刂葡到y(tǒng)爐溫開環(huán)控制系統(tǒng)13

冷水電加熱器溫控開關(guān)水箱給定溫度熱水測溫元件圖1-6電加熱器系統(tǒng)控制器—溫控開關(guān)輸入量—期望溫度輸出量—測溫元件檢測到的實(shí)際水溫偏差—由溫控開關(guān)確定外擾—注入的冷水和流出的熱水執(zhí)行機(jī)構(gòu)—電加熱器14優(yōu)勢：有效地抑制前向通道中各種擾動(dòng)對(duì)系統(tǒng)輸出量的影響，提高系統(tǒng)的抗擾動(dòng)性能，增強(qiáng)魯棒性，改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度，提高響應(yīng)速度。問題：慣性使控制作用不能及時(shí)校正系統(tǒng)誤差。如果控制系統(tǒng)的強(qiáng)激作用與被控對(duì)象的慣性匹配不當(dāng)，還可能產(chǎn)生振蕩，甚至不穩(wěn)定。1.2.3復(fù)合控制系統(tǒng)使用條件：當(dāng)單獨(dú)采用開環(huán)控制或閉環(huán)控制不能得到理想的控制效果時(shí)，可以采用開環(huán)和閉環(huán)控制相結(jié)合的復(fù)合控制系統(tǒng)。

15圖1-7復(fù)合控制示意圖作用：帶有負(fù)反饋的閉環(huán)控制起主調(diào)節(jié)作用，而帶有前饋的開環(huán)控制則起輔助作用。16圖1-8電動(dòng)機(jī)復(fù)合控制系統(tǒng)

電動(dòng)機(jī)速度復(fù)合控制系統(tǒng)是按擾動(dòng)作用補(bǔ)償?shù)膹?fù)合控制系統(tǒng)。負(fù)載大小的改變引起轉(zhuǎn)速變化，反映在圖1-8（b）中即為負(fù)載轉(zhuǎn)矩Mc的改變。實(shí)例：171.3自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本類型1.3.1調(diào)節(jié)系統(tǒng)和隨動(dòng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)或恒值系統(tǒng)——系統(tǒng)的輸入量恒定不變的。輸入量并非被控對(duì)象的實(shí)際輸入而是希望輸出能夠達(dá)到的期望值，所以又稱其為參考輸入。隨動(dòng)系統(tǒng)——系統(tǒng)的輸出能夠緊緊跟隨其輸入變化，并要求具有一定的跟隨精度。在這種系統(tǒng)中，輸入量的變化往往是任意的，非預(yù)知的。

基本控制方式：開、閉環(huán)，復(fù)合18

＋給定轉(zhuǎn)速給＋實(shí)際轉(zhuǎn)速定電位直流測速器－－電動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)生產(chǎn)機(jī)構(gòu)圖1-9電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速恒值調(diào)節(jié)系統(tǒng)

電壓和功率放大器工作原理：測速發(fā)電機(jī)將檢測到的實(shí)際轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成電壓反饋到輸入端，通過運(yùn)算放大器與參考輸入（給定轉(zhuǎn)速的電壓當(dāng)量）進(jìn)行比較，取其偏差進(jìn)行控制。

電、汽加熱系統(tǒng)（圖1-6所示）也是一個(gè)溫度恒值調(diào)節(jié)系統(tǒng)。日常生活中還有許多如壓力、水位、流量以及電壓、電流等參量的恒值調(diào)節(jié)系統(tǒng)。19＋＋

輸出角度－

同位儀電壓和功率放大器直流電動(dòng)機(jī)炮身輸入角度圖1-10地空導(dǎo)彈跟蹤系統(tǒng)示意圖

20＋＋

輸出角度－

同位儀電壓和功率放大器直流電動(dòng)機(jī)炮身輸入角度圖1-10火炮跟蹤系統(tǒng)示意圖

工作原理：同位儀是誤差檢測裝置，輸入信號(hào)是火炮跟蹤目標(biāo)的監(jiān)測角度，反饋裝置把炮架轉(zhuǎn)動(dòng)的角度送入同位儀，放大裝置輸出相應(yīng)的偏差信號(hào)，使直流電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)火炮的炮架轉(zhuǎn)動(dòng)，如此直至反饋的角度信號(hào)與輸入的角度信號(hào)相等時(shí)，放大裝置的輸出功率為零，電動(dòng)機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。由于火炮的目標(biāo)是飛行物體，因此系統(tǒng)的輸入角度必須根據(jù)實(shí)際目標(biāo)方位隨時(shí)調(diào)整，所以火炮跟蹤系統(tǒng)是一個(gè)隨動(dòng)系統(tǒng)。211.3.2連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)連續(xù)系統(tǒng)——系統(tǒng)各個(gè)組成環(huán)節(jié)的輸入、輸出信號(hào)都是時(shí)間連續(xù)信號(hào)。

上面所舉的恒值調(diào)節(jié)系統(tǒng)和隨動(dòng)系統(tǒng)的例子都屬于連續(xù)控制系統(tǒng)。

一般采用微分方程作為分析連續(xù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)工具。

離散系統(tǒng)——系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)的輸入、輸出信號(hào)都是離散信號(hào)。如果控制系統(tǒng)中既有連續(xù)信號(hào)又有離散信號(hào)，則稱之為采樣（離散）控制系統(tǒng)。

離散信號(hào)脈沖信號(hào)數(shù)字信號(hào)

離散系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能一般要用差分方程來描述和分析。22

圖1-11電阻爐溫度微機(jī)控制系統(tǒng)熱電偶

電阻電爐絲A/D轉(zhuǎn)換器單片機(jī)放大濾波D/A轉(zhuǎn)換器觸發(fā)電路微機(jī)控制的集成度越來越高→DSP、嵌入式系統(tǒng)、SOC晶閘管控制電路全數(shù)字化

電阻爐溫度微機(jī)控制系統(tǒng)屬于采樣控制系統(tǒng)。

A/D、D/A轉(zhuǎn)換器和單片機(jī)之間傳遞的是數(shù)字信號(hào)。有些控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)換采用V/F、F/V變換器，那么它們與單片機(jī)之間傳遞的是脈沖信號(hào)。23圖1-12微機(jī)控制系統(tǒng)示意圖1.3.3單輸入單輸出系統(tǒng)和多輸入多輸出系統(tǒng)（SISO-SingleInputandSingleOutput）——只有一個(gè)輸入量和一個(gè)輸出量的控制系統(tǒng)。分析方法——以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)的時(shí)域法、頻域法和根軌跡法。

主要研究系統(tǒng)的輸入輸出特性。

可用低階微分方程（或差分方程）來描述簡單的SISO系統(tǒng)，可靠手算分析，這就是最初的時(shí)域法。數(shù)字控制器24

必須用高階微分（動(dòng)態(tài)）方程來描述復(fù)雜的SISO系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)輔助分析，狀態(tài)空間法。

多輸入多輸出系統(tǒng)（MIMO-Multi-inputandmulti-output

）——多信號(hào)、多回路、多變量且相互之間還有關(guān)聯(lián)（耦合）的復(fù)雜控制系統(tǒng)。分析方法——以狀態(tài)空間為基礎(chǔ)的“現(xiàn)代控制理論”?！刂破鞅豢貙?duì)象測量陣列反饋陣列……

控制擾動(dòng)量狀態(tài)輸入量作用變量輸出量

r(t)u(t)x(t)y(t)

不局限于研究輸入輸出特性，而關(guān)注內(nèi)部狀態(tài)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律以及相互之間的關(guān)系，使系統(tǒng)在一定的控制約束和某種性能指標(biāo)下實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制。251.3.4線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)線性系統(tǒng)——系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的輸入輸出特性是線性的，可以用線性微分（或差分）方程來描述。線性定常（時(shí)不變）：線性常微分方程。線性時(shí)變系統(tǒng)：線性微分方程的系數(shù)是時(shí)間函數(shù)。主要特點(diǎn)：

可以應(yīng)用疊加和齊次性原理來處理輸入輸出之間的關(guān)系，以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)的經(jīng)典控制理論是其主要研究依據(jù)。26

輸出輸出輸出輸出

輸入輸入輸入輸入（a）（b）（c）（d）圖1-14常見的非線性系統(tǒng)特性

非線性系統(tǒng)——在動(dòng)態(tài)系統(tǒng)中，只要有一個(gè)元器件的輸入輸出特性是非線性的，就稱為非線性系統(tǒng)，用非線性微分（或差分方程）來描述。

不適用疊加和齊次性原理。

非本質(zhì)非線性：可在工作點(diǎn)附近的小鄰域內(nèi)線性化。本質(zhì)非線性：工作點(diǎn)的定義域內(nèi)存在間斷點(diǎn)，不是連續(xù)可微。需要專門的處理方法，例如描述函數(shù)法和相平面法等，目前較實(shí)用并有效地模糊控制。

271.3.5其它類型

確定性系統(tǒng)和隨機(jī)系統(tǒng)（數(shù)理統(tǒng)計(jì)、現(xiàn)代控制理論中的模型辨識(shí)和現(xiàn)代控制工程中的自適應(yīng)控制方法）集中參數(shù)系統(tǒng)和分布參數(shù)系統(tǒng)4對(duì)控制系統(tǒng)的要求和本書內(nèi)容簡介自動(dòng)控制理論電機(jī)與拖動(dòng)模擬電子技術(shù)線性代數(shù)微積分（含微分方程）復(fù)變函數(shù)、拉普拉斯變換電路理論大學(xué)物理（力學(xué)、熱力學(xué)）信號(hào)與系統(tǒng)28

控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)：穩(wěn)態(tài)精度很高的系統(tǒng)容易導(dǎo)致動(dòng)態(tài)品質(zhì)惡化，甚至不穩(wěn)定。動(dòng)態(tài)性能好的系統(tǒng)有可能達(dá)不到高穩(wěn)態(tài)精度的要求。

對(duì)控制系統(tǒng)的要求：穩(wěn)態(tài)性能（精度）：輸出響應(yīng)的穩(wěn)態(tài)誤差。穩(wěn)定性：系統(tǒng)能夠正常工作的基本前提動(dòng)態(tài)性能：系統(tǒng)輸出響應(yīng)的快速性和超調(diào)量29

自動(dòng)控制理論課程的內(nèi)容：系統(tǒng)分析——將給定物理系統(tǒng)抽象成數(shù)學(xué)模