自動化導論第三章

1、2022年6月3日星期五1/41自動化導論自動化導論Introduction to AutomationIntroduction to Automation2022年6月3日星期五2/41第三章 自動控制系統(tǒng)的基本控制過程3.1 人工控制和自動控制3.2 自動控制系統(tǒng)的基本控制方式3.3 不同輸入作用下的控制3.4 不同特性信號下的控制3.5* 控制系統(tǒng)中的非線性現(xiàn)象本章小結2022年6月3日星期五3/413.1 3.1 人工控制和自動控制人工控制和自動控制實例：2022年6月3日星期五4/41模型（方塊圖）控制過程的模型化！抽象含物質、能量含物質、能量的流動過程的流動過程抽象僅含信息的僅含信

2、息的流動過程流動過程2022年6月3日星期五5/41單獨考慮溫度控制自動控制：沒有人直接參與，從測量到操作閥門等全部過程都用相關裝置（設備）代替人來完成。人工控制：對溫度感知和對閥門的操作完全由洗浴者自己完成。思考3-1：人在此控制系統(tǒng)中擔當了哪些角色和功能？2022年6月3日星期五6/413.2 3.2 自動控制系統(tǒng)的基本控制方式自動控制系統(tǒng)的基本控制方式控制的目的？控制的目的？要求系統(tǒng)狀態(tài)（以水溫表征）向期望狀態(tài)（理想的水溫）轉移！ 有哪些控制的方式？有哪些控制的方式？開環(huán)控制方式復合控制方式反饋控制方式2022年6月3日星期五7/413.2.1 開環(huán)控制方式一種液位控制系統(tǒng)方塊圖： 其信

3、號是沿箭頭方向單方面流動 ，不存在反饋，是典型的開環(huán)控制。 優(yōu)點：結構簡單、功耗小、動作快。 缺點：對干擾無能為力，會使系統(tǒng)存在不允許的誤差，控制精度低 2022年6月3日星期五8/41l 按擾動控制的開環(huán)控制方式（順饋控制）u利用可測量的擾動經(jīng)測量變換后，作為補償作用，用來消除或削弱擾動對被控量的影響。但當擾動作用較多時，將使得控制系統(tǒng)復雜化，很難協(xié)調地進行控制。思考3-2：可實施順饋控制的條件有哪些？（如彈道修正如彈道修正射表射表）2022年6月3日星期五9/413.2.2 反饋控制方式 復習：什么叫反饋？ 示例：手動控制液位過程：2022年6月3日星期五10/41l 如果能用一些相應的元

4、部件來代替人工控制時各部分的功能 ，可以組成仿人液位控制系統(tǒng)：液位控制系統(tǒng)的控制過程液位控制系統(tǒng)的控制過程2022年6月3日星期五11/41 更一般的反饋控制方式思考3-3：那么多擾動該怎么辦？2022年6月3日星期五12/413.2.3 復合控制方式l 復合控制系統(tǒng)中的補償控制（順饋控制）能及時地抵消可測擾動量對被控量的不利影響，而反饋控制能保證系統(tǒng)的高精度。這是一種得到廣泛應用的控制方式。2022年6月3日星期五13/413.3 3.3 不同輸入信號作用下的控制不同輸入信號作用下的控制（1）這種函數(shù)在現(xiàn)場和實驗中容易得到；（2）控制系統(tǒng)在這種函數(shù)作用下的性能應代表在實際工作條件下的性能；（

5、3）這種函數(shù)的數(shù)學表達式簡單，便于理論計算。u 先思考幾個問題：（1）輸入信號有什么作用？（2）有哪些類型的輸入信號？u 可選作典型輸入信號的函數(shù)應具備的條件（3）為什么要引入典型輸入信號？2022年6月3日星期五14/41（1）階躍信號 000)(tRttf3.3.1 自動控制系統(tǒng)的典型輸入信號0000)(ttRttttf2022年6月3日星期五15/41（2）脈沖信號 )t1(t1(t)tRf(t)000tlim02022年6月3日星期五16/41（3）斜坡信號 000)(tRtttf2022年6月3日星期五17/41（4）正弦信號)sin()(tAtf2022年6月3日星期五18/413

6、.3.2 不同輸入信號下的控制分析與設計的重點分析與設計的重點：各種擾動對被控對象的影響及抗擾動的措施。（1）恒值控制（或稱自動調節(jié)、自動鎮(zhèn)定）控制系統(tǒng)的特點控制系統(tǒng)的特點：參據(jù)量是一個恒定的數(shù)值（常值），要求被控量也是一個常值。典型參考輸入信號典型參考輸入信號：一般采用階躍信號。典型應用典型應用：工業(yè)生產(chǎn)中的恒溫、恒恒溫、恒壓、恒液位壓、恒液位等過程控制系統(tǒng)。2022年6月3日星期五19/413.3.2 不同輸入信號下的控制分析與設計的重點分析與設計的重點：被控量跟隨未知的任意變化量的快速性和準確性 。（2）隨動控制（如被控量為機械量，又稱伺服控制）控制系統(tǒng)的特點控制系統(tǒng)的特點：參據(jù)量是一個

7、預先未知的隨時間任意變化的函數(shù)，要求被控量以盡可能小的誤差跟隨參據(jù)量的變化 。典型參考輸入信號典型參考輸入信號：一般采用斜坡信號。典型應用典型應用：火炮（調炮）、函數(shù)記錄儀火炮（調炮）、函數(shù)記錄儀等系統(tǒng)。2022年6月3日星期五20/413.3.2 不同輸入信號下的控制分析與設計的重點分析與設計的重點：控制精度的準確性、控制算法的快速性和控制程序的可靠性。 （3）程序控制控制系統(tǒng)的特點控制系統(tǒng)的特點：參據(jù)量是預先規(guī)定的隨一定規(guī)律變化隨一定規(guī)律變化的函數(shù)，要求被控量快速、準確地加以復現(xiàn) 。典型參考輸入信號典型參考輸入信號：隨系統(tǒng)的作用和特點而定。典型應用典型應用：數(shù)控機床、全自動家用電器數(shù)控機床

8、、全自動家用電器等。2022年6月3日星期五21/413.4 3.4 不同特性信號作用下的控制不同特性信號作用下的控制 3.4.1 連續(xù)與離散控制 從控制信號的特性角度，我們可以簡單地將所有控制系統(tǒng)分為連續(xù)控制系統(tǒng)和離散控制系統(tǒng)兩大類。 離散控制系統(tǒng)：指在系統(tǒng)的局部或全部是時間上的斷續(xù)信號。 （即離散信號）（即離散信號）連續(xù)控制系統(tǒng)：指系統(tǒng)中所有傳遞的信號都是時間上的連續(xù)函數(shù)。思考3-5：當控制系統(tǒng)中存在數(shù)字式環(huán)節(jié)時該怎么辦？2022年6月3日星期五22/411、連續(xù)與離散控制系統(tǒng)2022年6月3日星期五23/41典型的離散控制系統(tǒng)結構抽樣抽樣(采樣、采樣、sampling)：利用開關信號利用

9、開關信號s(t)從連續(xù)信號從連續(xù)信號f(t)中中“抽取抽取”一系列離散樣本值的過程。一系列離散樣本值的過程。引例：信號數(shù)字處理（了解?。┮盒盘枖?shù)字處理（了解！）開關開關信號信號 需解決的問題需解決的問題： )()()(tstftfs)(*)(21)(jSjFjFsF(j )S(j )的關系？的關系？與與)()(jFjFs的全部信息？的全部信息？能否包含能否包含)()(tftfs如何進行抽樣？如何進行抽樣？2、連續(xù)信號的離散化在信號處理中，傅里葉變換的典型用途是將信號分解成幅值分量和頻率分量 2022年6月3日星期五24/41 一個最高頻率為一個最高頻率為 m的的有限帶寬信號有限帶寬信號f(

10、t)，可用均勻抽樣，可用均勻抽樣 間隔間隔 的抽樣值的抽樣值fs(t)唯一確定。唯一確定。說明：說明： 1) f(t)為有限帶寬信號，即：為有限帶寬信號，即： | | m時時,F(j )=0 2) 抽樣間隔抽樣間隔msfT21 或或: 抽樣頻率抽樣頻率ms2ms2min Shannon 采樣定理采樣定理msfT21max 時域抽樣定理時域抽樣定理msfT21 2022年6月3日星期五25/412022年6月3日星期五26/412、連續(xù)信號的離散化保持2022年6月3日星期五27/413.4.2 數(shù)字計算機控制典型的計算機控制系統(tǒng)結構 2022年6月3日星期五28/41u數(shù)字計算機控制系統(tǒng)是典型

11、的離散控制系統(tǒng)，因此類控制系統(tǒng)的主要信息處理設備是數(shù)字計算機，故常稱其為計算機控制系統(tǒng)。u 計算機控制系統(tǒng)的硬件組成 1）計算機主機 2）輸入輸出設備 3）人機接口設備u 計算機控制系統(tǒng)的軟件組成 1）系統(tǒng)軟件 2）應用軟件幾點說明 2022年6月3日星期五29/413.53.5* * 控制系統(tǒng)中的非線性現(xiàn)象控制系統(tǒng)中的非線性現(xiàn)象 思考3-6：實際控制系統(tǒng)中的所有環(huán)節(jié)都呈線性特性嗎？A.理想的線性系統(tǒng)是不存在的，僅是實際系統(tǒng)的一種近似；B.只要控制系統(tǒng)中存在非線性元件，則系統(tǒng)必是非線性的；C.要基本了解基本了解非線性環(huán)節(jié)對控制系統(tǒng)性能影響的有利和不利面。本節(jié)學習提示2022年6月3日星期五30

12、/41A. 線性特性如元件（環(huán)節(jié)）的輸入/輸出特性滿足疊加原理，則稱該元件（環(huán)節(jié)）具線性特性，或稱該元件（環(huán)節(jié)）是線性的。線性元件的特性（a）方塊圖；（b）特性圖3.53.5* * 控制系統(tǒng)中的非線性現(xiàn)象控制系統(tǒng)中的非線性現(xiàn)象 2022年6月3日星期五31/41B. 非線性特性如元件（環(huán)節(jié)）的輸入/輸出特性不滿足疊加原理，則稱該元件（環(huán)節(jié)）具非線性特性，或稱該元件（環(huán)節(jié)）是非線性的。非線性元件特性舉例：（a）方塊圖（b）飽和非線性；（c）死區(qū)非線性；（d）磁滯非線性；（e）繼電型非線性；（f）帶有死區(qū)的繼電型非線性；（g）具有磁滯的繼電型非線性2022年6月3日星期五32/413.53.5*

13、* 控制系統(tǒng)中的非線性現(xiàn)象控制系統(tǒng)中的非線性現(xiàn)象 3.5.1 線性與非線性控制系統(tǒng)線性控制系統(tǒng)： 如控制系統(tǒng)中各元件的輸入/輸出特性均是線性的，則該控制系統(tǒng)被稱為線性控制系統(tǒng)，其動態(tài)過程可以用線性微分可以用線性微分方程描述方程描述。非線性控制系統(tǒng)： 如控制系統(tǒng)中有一個或一個以上元件的輸入/輸出特性是非線性的，則該控制系統(tǒng)被稱為非線性控制系統(tǒng)，其動態(tài)過程就要用非線性方程來描述用非線性方程來描述。2022年6月3日星期五33/413.53.5* * 控制系統(tǒng)中的非線性現(xiàn)象控制系統(tǒng)中的非線性現(xiàn)象 3.5.2 非線性特性元件對控制系統(tǒng)的影響l 不同非線性特性元件對控制系統(tǒng)性能的影響是不同的；l 有時，

14、人們會有意識地利用非線性特性元件的特性，達到特定的系統(tǒng)輸出信號形式。l 要一分為二地看待不同非線性特性元件對控制系統(tǒng)性能的有利和不利影響；2022年6月3日星期五34/41u 死區(qū)特性 I-O過程：當輸入小于等于a時，無輸出。 優(yōu)點：可抑制輸入端的小擾動信號，對提高系統(tǒng)的抗干擾能力有積極作用 缺點：（1）會導致系統(tǒng)產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)誤差；（2）會導致系統(tǒng)輸出滯后輸入。不同非線性特性元件對控制系統(tǒng)性能的影響（選）atetsigneateKatetx)()()()(0)( 常見于測量（如反饋）、變換、放大等元件 2022年6月3日星期五35/41u 飽和特性 I-O過程：當輸入大于等于a時，輸出保持不變。

15、優(yōu)點：可抑制系統(tǒng)的振蕩（但可能出現(xiàn)等幅振蕩）； 可保護元件正常工作等。 缺點：進入飽和時系統(tǒng)等效開環(huán)增益下降，導致過渡時間增加和穩(wěn)態(tài)誤差增大，甚至會使系統(tǒng)喪失閉環(huán)控制作用！atetsigneaKatetketx)()()()()( 常見于反饋、放大、執(zhí)行等元件 不同非線性特性元件對控制系統(tǒng)性能的影響（選）2022年6月3日星期五36/413.53.5* * 控制系統(tǒng)中的非線性現(xiàn)象控制系統(tǒng)中的非線性現(xiàn)象 3.5.3 非線性控制系統(tǒng)的典型特征l 穩(wěn)定性不僅與系統(tǒng)的結構和參數(shù)有關，而且與運動的初始條件、輸入信號有直接關系。 )1 (2xxxxxttexxextx0001)( 對于非線性系統(tǒng)，不存在系

16、統(tǒng)是否穩(wěn)定的籠統(tǒng)概念，必須針對系統(tǒng)某一具體的運動狀態(tài)，才能討論其是否穩(wěn)定的問題。設t=0時，系統(tǒng)的初始條件為x0 ，可以求得上述微分方程的解為：幾個平衡態(tài)？幾個穩(wěn)定態(tài)？2022年6月3日星期五37/413.53.5* * 控制系統(tǒng)中的非線性現(xiàn)象控制系統(tǒng)中的非線性現(xiàn)象 3.5.3 非線性控制系統(tǒng)的典型特征l 時間響應與輸入信號的大小和初始條件有關。 tC(t)R2R10線性系統(tǒng)非線性系統(tǒng)2022年6月3日星期五38/413.53.5* * 控制系統(tǒng)中的非線性現(xiàn)象控制系統(tǒng)中的非線性現(xiàn)象 3.5.3 非線性控制系統(tǒng)的典型特征l 自持振蕩系統(tǒng)在沒有外界周期變化信號的作用下，系統(tǒng)中就能產(chǎn)生具有固定振幅和頻率的穩(wěn)定周期運動。 l 對正弦信號的響應非線性系統(tǒng)輸出的幅值Ac與的關系可能會發(fā)生跳躍諧振和多值響應。 跳躍諧振跳躍諧振不穩(wěn)定振蕩2022年6月3日星期五39/41本 章 小 結l 控制的目的是要求系統(tǒng)狀態(tài)向期望狀態(tài)轉移，而要實現(xiàn)這種轉移則必須采用適當?shù)目刂品绞?。在自動控制系統(tǒng)中，有前（順）饋控制（開環(huán)控制） 、反饋控制（閉環(huán)控制）和復合控制三種基本的控制方式。l 根據(jù)系統(tǒng)響應的參據(jù)量的特點，自動控制系統(tǒng)可分為恒值控制、隨動控制和程序控制等三種基本控制形式。每種控制形式下的系統(tǒng)各