模塊一認(rèn)自動(dòng)控制系統(tǒng)

1、模塊一模塊一 認(rèn)識(shí)自動(dòng)控制系統(tǒng)認(rèn)識(shí)自動(dòng)控制系統(tǒng)任務(wù)名稱任務(wù)名稱 : 自動(dòng)控制系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)自動(dòng)控制系統(tǒng)的認(rèn)識(shí) 自動(dòng)控制技術(shù)的基本知識(shí)自動(dòng)控制技術(shù)的基本知識(shí)教學(xué)目標(biāo)知識(shí)目標(biāo)：熟練掌握開、閉環(huán)控制的特點(diǎn) 掌握自控系統(tǒng)的分類 了解自控系統(tǒng)性能指標(biāo)和研究方法能力目標(biāo)：能掌握開、閉環(huán)控制的特點(diǎn) 能了解自控系統(tǒng)的分類、性能指標(biāo)和 研究方法素質(zhì)目標(biāo): 培養(yǎng)自學(xué)能力 培養(yǎng)文獻(xiàn)檢索、資料查找與閱讀能力教學(xué)內(nèi)容開、閉環(huán)控制的特點(diǎn)初識(shí)自動(dòng)控制系統(tǒng)自控系統(tǒng)的分類自控系統(tǒng)性能指標(biāo)自控系統(tǒng)的研究方法課題一課題一 初識(shí)自動(dòng)控制系統(tǒng)初識(shí)自動(dòng)控制系統(tǒng) 開環(huán)控制和閉環(huán)控制開環(huán)控制和閉環(huán)控制 1. 開環(huán)控制系統(tǒng)(openloop co

2、ntrol system) 若系統(tǒng)的輸出量不被引回來對(duì)系統(tǒng)的控制部分產(chǎn)生影響， 則這樣的系統(tǒng)稱為開環(huán)控制系統(tǒng)。 圖 1 - 1 數(shù)控加工機(jī)床示意圖 圖 1 - 2 為數(shù)控加工機(jī)床開環(huán)控制框圖。 此系統(tǒng)的輸入量為加工程序指令， 輸出量為機(jī)床工作臺(tái)的位移， 系統(tǒng)的控制對(duì)象為工作臺(tái)， 執(zhí)行機(jī)構(gòu)為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。 由圖可見， 系統(tǒng)無反饋環(huán)節(jié)， 輸出量并不返回來影響控制部分， 因此是開環(huán)控制。 圖 1 - 2 數(shù)控加工機(jī)床開環(huán)控制框圖 控制器執(zhí)行元件控制對(duì)象輸入量(控制脈沖)(脈沖分配器)(步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及傳動(dòng)機(jī)構(gòu))(工作臺(tái))輸出量(位 移) 2. 閉環(huán)控制系統(tǒng)(closedloop control

3、system) 若系統(tǒng)輸出量通過反饋環(huán)節(jié)返回來作用于控制部分， 形成閉合環(huán)路， 則這樣的系統(tǒng)稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)， 又稱為反饋控制系統(tǒng)(feedback control system)。 圖 1 - 3 為電爐箱恒溫自動(dòng)控制系統(tǒng)。 圖 1 - 3 電爐箱恒溫自動(dòng)控制系統(tǒng) 圖 1 - 4 電爐箱自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成框圖 圖 1 5 爐溫自動(dòng)調(diào)節(jié)過程 自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成 現(xiàn)以圖 1 - 3和圖 1 - 4 所示的恒溫控制系統(tǒng)來說明自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成和有關(guān)術(shù)語。 圖 1 - 6 自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成框圖 由圖 1 - 6 可以看出， 一般自動(dòng)控制系統(tǒng)包括： (1) 給定元件（command

4、 element）： 由它調(diào)節(jié)給定信號(hào)（ust）， 以調(diào)節(jié)輸出量的大小。 (2) 檢測(cè)元件（detecting element）： 由它檢測(cè)輸出量（如爐溫t）的大小， 并反饋到輸入端。 (3) 比較環(huán)節(jié)（comparing element）： 在此處， 反饋信號(hào)與給定信號(hào)進(jìn)行疊加， 信號(hào)的極性以“+”或“-”表示。 (4) 放大元件（amplifying element）： 由于偏差信號(hào)一般很小， 因此要經(jīng)過電壓放大及功率放大， 以驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件。 (5) 執(zhí)行元件（executive element）： 驅(qū)動(dòng)被控制對(duì)象的環(huán)節(jié)。 (6) 控制對(duì)象（controlled plant）： 亦稱被調(diào)對(duì)

5、象。 (7) 反饋環(huán)節(jié)（feedback element）： 由它將輸出量引出， 再回送到控制部分。 由圖 1 - 6 可見， 系統(tǒng)中的各種作用量和被控制量包括 (1) 輸入量（input variable）： 又稱控制量或調(diào)節(jié)量（reference input variable）， 所以輸入量的角標(biāo)常用i(或 r)表示。它通常由給定信號(hào)電壓構(gòu)成,或通過檢測(cè)元件將非電輸入量轉(zhuǎn)換成信號(hào)電壓。 (2) 輸出量（output variable）： 又稱被控制量（controlled variable）, 所以輸出量角標(biāo)常用o(或 c)表示。它是被控制對(duì)象的輸出，是自動(dòng)控制的目標(biāo)。 (3) 反饋量（f

6、eedback variable）： 通過檢測(cè)元件將輸出量轉(zhuǎn)變成與給定信號(hào)性質(zhì)相同且數(shù)量級(jí)相同、數(shù)值相近的信號(hào)電壓。 (4) 擾動(dòng)量（disturbance variable）: 又稱干擾或“噪聲”（noise）， 所以擾動(dòng)量的角標(biāo)常以d（或n）表示。 它通常指引起輸出量發(fā)生變化的各種因素。 (5) 中間變量(semifinisbed variable)： 系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)之間的作用量。 課題二課題二 自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類 自動(dòng)控制系統(tǒng)可以從不同的角度來進(jìn)行分類， 常見的有以下幾種。 1. 按輸入量變化的規(guī)律分類 自動(dòng)控制系統(tǒng)按輸入量變化的規(guī)律可分為以下三類。 1) 恒值控制系統(tǒng)(

7、fixed set-point control system) 恒值控制系統(tǒng)的特點(diǎn)是： 系統(tǒng)的輸入量是恒量， 并且要求系統(tǒng)的輸出量相應(yīng)地保持恒定。 2) 隨動(dòng)系統(tǒng)（follow-up control system） 隨動(dòng)控制系統(tǒng)又稱伺服系統(tǒng)（serve-system）， 其特點(diǎn)是： 輸入量是隨機(jī)變化著的， 并且要求系統(tǒng)的輸出量，能跟隨輸入量的變化而作出相應(yīng)的變化。 3) 過程控制系統(tǒng)(programme control system) 過程控制系統(tǒng)的特點(diǎn)是： 輸入量按照一定的時(shí)間函數(shù)變化， 并且要求輸出量隨之變化。 例如數(shù)控伺服系統(tǒng)以及一些自動(dòng)化生產(chǎn)線等。 2. 按系統(tǒng)傳輸信號(hào)對(duì)時(shí)間的關(guān)系分類

8、 自動(dòng)控制系統(tǒng)按系統(tǒng)傳輸信號(hào)對(duì)時(shí)間的關(guān)系可分為兩類。 1) 連續(xù)控制系統(tǒng)（continuous control system） 連續(xù)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)是：控制作用的信號(hào)都是連續(xù)量或模擬量， 因此它又稱為模擬控制系統(tǒng)（analogue control system）。 圖 1 - 3 所示的恒溫控制系統(tǒng)就是連續(xù)控制系統(tǒng)。 連續(xù)控制系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律通?？捎梦⒎址匠虂砻枋觥?2) 離散控制系統(tǒng)(discrete control system) 離散控制系統(tǒng)又稱采樣數(shù)據(jù)控制系統(tǒng)（sampted-date control system）。 它的特點(diǎn)是： 系統(tǒng)中有的信號(hào)是斷續(xù)量， 或采樣數(shù)據(jù)量、 數(shù)字量。 3.

9、 按系統(tǒng)的輸出量和輸入量間的關(guān)系分類 自動(dòng)控制系統(tǒng)按系統(tǒng)的輸出量和輸入量間的關(guān)系可分為兩類。 1) 線性控制系統(tǒng)(liner control system) 線性控制系統(tǒng)的特點(diǎn)是： 系統(tǒng)由線性元件構(gòu)成， 它的各個(gè)環(huán)節(jié)或系統(tǒng)都可以用關(guān)系用線性微分方程來描述。 2) 非線性控制系統(tǒng)(non liner control system) 非線性控制系統(tǒng)的特點(diǎn)是： 系統(tǒng)中存在有非線性元件， 如具有死區(qū)、 出現(xiàn)飽和、 含有摩擦等非線性特性的元件， 它的輸出量與輸入量間的關(guān)系要用非線性微分方程來描述。 4. 按系統(tǒng)中的參數(shù)對(duì)時(shí)間的變化情況分類 自動(dòng)控制系統(tǒng)按系統(tǒng)中的參數(shù)對(duì)時(shí)間的變化情況可分為兩類。 1) 定

10、常系統(tǒng)（time-invariant system） 定常系統(tǒng)(又稱時(shí)不變系統(tǒng)), 其特點(diǎn)是： 系統(tǒng)的全部參數(shù)不隨時(shí)間變化， 它的輸出量與輸入量間的關(guān)系用定常微分方程來描述。 2) 時(shí)變系統(tǒng)(time-varying system) 時(shí)變系統(tǒng)的特點(diǎn)是： 系統(tǒng)中有的參數(shù)是時(shí)間t的函數(shù)， 它隨時(shí)間變化而改變。 課題三課題三 對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)性能的要求對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)性能的要求 1. 系統(tǒng)的穩(wěn)定性系統(tǒng)的穩(wěn)定性 穩(wěn)定性是保證控制系統(tǒng)正常工作的先決條件。 一個(gè)穩(wěn)定的控制系統(tǒng)， 其被控量偏離期望值的初始偏差應(yīng)隨時(shí)間的增長逐漸減小或趨于零。 圖1-7 穩(wěn)定系統(tǒng)和不穩(wěn)定系統(tǒng) a)穩(wěn)定系統(tǒng) b)不穩(wěn)定系統(tǒng)2、系統(tǒng)的

11、穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)、系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo) (steaty-state performance specification) 當(dāng)系統(tǒng)從一個(gè)穩(wěn)態(tài)過渡到新的穩(wěn)態(tài)，或系統(tǒng)受擾動(dòng)作用又重新平衡后，系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)偏差，這種偏差稱為穩(wěn)態(tài)誤差ess(steady-state error)。系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差的大小反映了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度(或靜態(tài)精度)(static accuracy)，它表明了系統(tǒng)的準(zhǔn)確程度。穩(wěn)態(tài)誤差越小，則系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度越高。 .有靜差系統(tǒng):ess0，如圖1-8a所示。 .無靜差系統(tǒng):ess=0，如圖1-8b所示。 圖1-8 自動(dòng)控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能a)有靜差系統(tǒng) b)無靜差系統(tǒng)3、系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)、系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性

12、能指標(biāo)(dynamic performance specification) 系統(tǒng)從一個(gè)穩(wěn)態(tài)過渡到新的穩(wěn)態(tài)都需要經(jīng)歷一段時(shí)間，亦即需要經(jīng)歷一個(gè)過渡過程。表征這個(gè)過渡過程性能的指標(biāo)叫做動(dòng)態(tài)指標(biāo)。 圖1-9為系統(tǒng)對(duì)突加給定信號(hào)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線（1）.最大超調(diào)量最大超調(diào)量( )(maximum overshoot)最大超調(diào)量是輸出量c(t)與穩(wěn)態(tài)值 的最大偏差與穩(wěn)態(tài)值 之比。即 = / 100%最大超調(diào)量反映了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)精度，最大超調(diào)量越小，則說明系統(tǒng)過渡過程進(jìn)行得越平穩(wěn)。（2 2）. .調(diào)整時(shí)間調(diào)整時(shí)間( )(settling time)( )(settling time)調(diào)整時(shí)間( )是給定量作用

13、于系統(tǒng)開始，到輸出量進(jìn)入并一直保持在離穩(wěn)態(tài)值的允許誤差帶內(nèi)所需要的時(shí)間。 （3 3）. .振蕩次數(shù)振蕩次數(shù)( )(order number)( )(order number) 振蕩次數(shù)是指在調(diào)整時(shí)間內(nèi)，輸出量在穩(wěn)態(tài)值上下擺動(dòng)的次數(shù)。結(jié)論結(jié)論 在上述指標(biāo)中，最大超調(diào)量和振蕩次數(shù)反映了系統(tǒng)的穩(wěn)定性能。調(diào)整時(shí)間反映了系統(tǒng)的快速性。穩(wěn)態(tài)誤差反映了系統(tǒng)的準(zhǔn)確度。一般說來，我們總是希望最大超調(diào)量小一點(diǎn)，振蕩次數(shù)少一點(diǎn)，調(diào)整時(shí)間短一些，穩(wěn)態(tài)誤差小一點(diǎn)?？傊?，希望系統(tǒng)能達(dá)到穩(wěn)、快、準(zhǔn)。以后的分析將表明，這些指標(biāo)要求，在同一個(gè)系統(tǒng)中往往是相互矛盾的。這就需要根據(jù)具體對(duì)象所提出的要求，對(duì)其中的某些指標(biāo)有所側(cè)重，同

14、時(shí)又要注意統(tǒng)籌兼顧。性能指標(biāo)是衡量自動(dòng)控制系統(tǒng)技術(shù)品質(zhì)的客觀標(biāo)準(zhǔn)，它是訂貨、驗(yàn)收的基本依據(jù)，也是技術(shù)合同的基本內(nèi)容。 研究自動(dòng)控制系統(tǒng)的方法研究自動(dòng)控制系統(tǒng)的方法 對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行分析研究，首先是對(duì)系統(tǒng)進(jìn)首先是對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行定性分析行定性分析。所謂定性分析，主要是搞清各個(gè)單元及各個(gè)元件在系統(tǒng)中的地位和作用，以及它們之間的相互聯(lián)系，并在此基礎(chǔ)上搞清系統(tǒng)的工作原理。然后，在定性分析的基礎(chǔ)上，可以建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型；再應(yīng)用自動(dòng)控制理論對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、穩(wěn)態(tài)性能和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性、穩(wěn)態(tài)性能和動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行定量分析性能進(jìn)行定量分析。在系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)上就可以找到改善系統(tǒng)性能，提高系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)的有效途

15、徑，這也就是系統(tǒng)的校正和設(shè)計(jì)。 自動(dòng)控制理論又分為經(jīng)典控制理論(classical control theory)和現(xiàn)代控制理論(modern control theory)。 經(jīng)典控制理論是建立在傳遞函數(shù)(transfer function)概念基礎(chǔ)之上的，它對(duì)單輸入單輸出系統(tǒng)是十分有效的。 現(xiàn)代控制理論是建立在狀態(tài)變量(state variable)概念基礎(chǔ)之上的，它適用于復(fù)雜的多輸入多輸出控制系統(tǒng)及變參數(shù)非線性系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)控制(adaptive control)、最佳控制(optimal control)等。在經(jīng)典控制理論中，又有時(shí)域分析法 (timedomain analysis

16、method)、頻率響應(yīng)法(freguency response ethod)和根軌跡法(the root locus method)等幾種分析方法。 課題四課題四 自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展歷史自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展歷史 在工業(yè)、 農(nóng)業(yè)、 交通運(yùn)輸和國防各個(gè)方面都離不開自動(dòng)控制。 所謂自動(dòng)控制， 就是在沒有人直接參與的情況下， 利用控制裝置對(duì)生產(chǎn)過程、 工藝參數(shù)、 目標(biāo)要求等進(jìn)行自動(dòng)的調(diào)節(jié)與控制， 使之按照預(yù)定的方案達(dá)到要求的指標(biāo)。 自動(dòng)控制系統(tǒng)性能的優(yōu)劣， 將直接影響到產(chǎn)品的產(chǎn)量、 質(zhì)量、 成本、 勞動(dòng)條件和預(yù)期目標(biāo)的完成。 自動(dòng)控制技術(shù)的應(yīng)用可以追溯到18世紀(jì)(1788年)瓦特(watt)利用小球離

17、心調(diào)速器使蒸汽機(jī)轉(zhuǎn)速保持恒定的開創(chuàng)性的突破， 以及19世紀(jì)(1868年)麥克斯威爾（maxwell）對(duì)輪船擺動(dòng)（穩(wěn)定性）的研究。 但在初期， 自動(dòng)控制技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)展很緩慢。 自動(dòng)控制技術(shù)的真正發(fā)展是在20世紀(jì)。 自動(dòng)控制理論通?？煞譃榻?jīng)典控制理論、 現(xiàn)代控制理論和智能控制理論。 1) 經(jīng)典控制理論 經(jīng)典控制理論產(chǎn)生并發(fā)展于20世紀(jì)4060年代。 2) 現(xiàn)代控制理論 現(xiàn)代控制理論于20世紀(jì)60年代中期發(fā)展成熟。 3) 智能控制理論 智能控制理論是20世紀(jì)70年代后， 控制理論向廣度和深度發(fā)展的結(jié)果。 智能控制系統(tǒng)是指具有某些仿人智能的工程控制與信息處理系統(tǒng)， 其中最典型的就是智能機(jī)器人。 對(duì)自動(dòng)

18、控制理論的具體描述可表示為下圖。 對(duì)自動(dòng)控制理論的具體描述 習(xí)習(xí) 題題 1 - 1 分析比較開環(huán)控制與閉環(huán)控制的特征、 優(yōu)缺點(diǎn)和應(yīng)用場合的不同。 1 - 2 指出下列系統(tǒng)中哪些屬開環(huán)控制， 哪些屬閉環(huán)控制: (1) 家用電冰箱 (2) 家用空調(diào) (3) 家用洗衣機(jī) (4) 抽水馬桶 (5) 普通車床 (6) 電飯煲 (7) 多速電風(fēng)扇 (8) 高樓水箱 (9) 調(diào)光臺(tái)燈 (10) 自動(dòng)報(bào)時(shí)電子鐘 1 - 3 衡量一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)通常有哪些？ 下圖 為某自動(dòng)控制系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)的動(dòng)態(tài)曲線， 其中x(t)為被控量， xo為期望穩(wěn)態(tài)值。 曲線、 對(duì)應(yīng)不同的調(diào)節(jié)參數(shù)。 試分析比較、 兩種情況技術(shù)性能的優(yōu)劣。 某自動(dòng)控制系統(tǒng)的啟動(dòng)曲線t / (1 s /