自動控制系統(tǒng)概述

自動控制系統(tǒng)概述1第1頁，共36頁，2023年，2月20日，星期六§1-1引言自動控制

指在沒有人參與的情況下，通過控制器或控制裝置來控制機(jī)器或者設(shè)備等物理裝置，使得機(jī)器設(shè)備的受控物理量按照希望的規(guī)律變化，達(dá)到控制的目的。自動控制技術(shù)廣泛應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域

不僅廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制中，在軍事、農(nóng)業(yè)、航空、航海、核能利用等領(lǐng)域也發(fā)揮著重要作用?；卣率?第2頁，共36頁，2023年，2月20日，星期六

“自動控制原理”是自動控制學(xué)科的基礎(chǔ)理論，是一門理論性較強(qiáng)的工程科學(xué)。

本課程的主要任務(wù)是研究與討論控制系統(tǒng)的一般規(guī)律，從而設(shè)計(jì)出合理的自動控制系統(tǒng)，滿足工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和各種工程上的需要?；卣率谆毓?jié)首3第3頁，共36頁，2023年，2月20日，星期六

自動控制理論的發(fā)展與應(yīng)用可以改善勞動條件，把人類從繁重的勞動中解放出來；由于自動控制系統(tǒng)能以某種最佳方式運(yùn)行，可以提高勞動生產(chǎn)率，提高產(chǎn)品質(zhì)量，節(jié)約能源，降低成本。自動控制理論的應(yīng)用是實(shí)現(xiàn)工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防等方面科學(xué)技術(shù)現(xiàn)代化的有利工具?；卣率谆毓?jié)首4第4頁，共36頁，2023年，2月20日，星期六§1-2開環(huán)控制與閉環(huán)控制

系統(tǒng)

指由內(nèi)部互相聯(lián)系的部件按照一定規(guī)律組成，能夠完成一定功能的有機(jī)整體。

控制系統(tǒng)的兩種最基本的形式：

開環(huán)控制和閉環(huán)控制，如圖1-1(a)、(b)所示?；卣率?第5頁，共36頁，2023年，2月20日，星期六輸入量控制器控制量受控對象輸出量（a）開環(huán)控制系統(tǒng)圖1-1開環(huán)控制系統(tǒng)與閉環(huán)控制系統(tǒng)回章首回節(jié)首控制量輸入量控制器受控對象輸出量反饋元件-+（b）閉環(huán)控制系統(tǒng)6第6頁，共36頁，2023年，2月20日，星期六

開環(huán)控制

開環(huán)控制是最簡單的一種控制方式。

特點(diǎn)：控制量與輸出量之間僅有前向通路，而沒有反饋通路。也就是說，輸出量不能對控制量產(chǎn)生影響。開環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)容易、成本低、不存在穩(wěn)定性問題，應(yīng)用于許多控制設(shè)備中?；卣率谆毓?jié)首7第7頁，共36頁，2023年，2月20日，星期六缺點(diǎn)：控制精度取決于組成系統(tǒng)的元件的精度，因此對元器件的要求比較高。由于輸出量不能反饋回來影響控制量，所以輸出量受擾動信號的影響比較大，系統(tǒng)抗干擾能力差。根據(jù)上述特點(diǎn)，開環(huán)控制方式僅適用于輸入量已知，控制精度要求不高，擾動作用不大的情況。開環(huán)控制系統(tǒng)一般是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)的?；卣率谆毓?jié)首8第8頁，共36頁，2023年，2月20日，星期六

閉環(huán)控制不僅有一條從輸入端到輸出端的前向通路，還有一條從輸出端到輸入端的反饋通路。輸出量通過一個(gè)測量變送元件反饋到輸入端，與輸入信號比較后得到偏差信號來作為控制器的輸入，反饋的作用是減小偏差，以達(dá)到滿意的控制效果。閉環(huán)控制又稱為反饋控制?；卣率谆毓?jié)首9第9頁，共36頁，2023年，2月20日，星期六

反饋：系統(tǒng)的輸出量通過測量變送元件返回到系統(tǒng)的輸入端，并和系統(tǒng)的輸入量作比較的過程就稱為反饋。

負(fù)反饋：如果輸入量和反饋量相減則稱為負(fù)反饋。

正反饋：如果輸入量和反饋量相加則稱為正反饋。控制系統(tǒng)中一般采用負(fù)反饋方式。

偏差信號：輸入量與反饋量之差稱為偏差信號?；卣率谆毓?jié)首10第10頁，共36頁，2023年，2月20日，星期六閉環(huán)控制系統(tǒng)在控制上的特點(diǎn)

由于輸出信號的反饋量與給定信號作比較產(chǎn)生偏差信號，利用偏差信號實(shí)現(xiàn)對輸出量的控制或者調(diào)節(jié)，所以系統(tǒng)的輸出量能夠自動地跟蹤給定量，減小跟蹤誤差，提高控制精度，抑制擾動信號的影響。

其他的優(yōu)點(diǎn)：引進(jìn)反饋通路后，使得系統(tǒng)對前向通路中元件參數(shù)的變化不靈敏，從而系統(tǒng)對于前向通路中元件的精度要求不高；反饋?zhàn)饔眠€可以使得整個(gè)系統(tǒng)對于某些非線性影響不靈敏等等?；卣率谆毓?jié)首11第11頁，共36頁，2023年，2月20日，星期六圖1-2直流電動機(jī)轉(zhuǎn)速開環(huán)控制功率放大器電動機(jī)負(fù)載電位器V+

舉例說明開環(huán)控制與閉環(huán)控制

圖1-2是直流電動機(jī)轉(zhuǎn)速開環(huán)控制示意圖。電動機(jī)的轉(zhuǎn)速可由調(diào)節(jié)電位器來給定。但當(dāng)電動機(jī)受到負(fù)載變化影響時(shí)，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速是要發(fā)生變化的。

開環(huán)控制系統(tǒng)不能做到自動調(diào)節(jié)，控制的精度是比較低的。

回章首回節(jié)首12第12頁，共36頁，2023年，2月20日，星期六圖1-3中，增加了一個(gè)由測速發(fā)動機(jī)構(gòu)成的反饋回路，檢測輸出轉(zhuǎn)速的變化并進(jìn)行反饋。

閉環(huán)控制可以實(shí)現(xiàn)電動機(jī)轉(zhuǎn)速的自動調(diào)節(jié)。

圖1-3是直流電動機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制示意圖。圖1-3直流電動機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制V+功率放大器電動機(jī)負(fù)載電位器測速發(fā)電機(jī)回章首回節(jié)首13第13頁，共36頁，2023年，2月20日，星期六系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)電動機(jī)轉(zhuǎn)速的過程如下：

當(dāng)系統(tǒng)受到負(fù)載擾動作用時(shí)，如果負(fù)載增大，則電動機(jī)的轉(zhuǎn)速降低，測速發(fā)電機(jī)的端電壓減小，功率放大器的輸入電壓增加，電動機(jī)的電樞電壓上升，使得電動機(jī)的轉(zhuǎn)速增加。如果負(fù)載減小，則電動機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的過程與上述過程相反。

這樣，消除或者抑制了負(fù)載擾動對于電動機(jī)轉(zhuǎn)速的影響，提高了系統(tǒng)的控制精度?；卣率谆毓?jié)首14第14頁，共36頁，2023年，2月20日，星期六綜上所述?

閉環(huán)控制系統(tǒng)的自動控制或者自動調(diào)節(jié)作用是基于輸出信號的負(fù)反饋?zhàn)饔枚a(chǎn)生的。?

經(jīng)典控制理論

主要研究對象是負(fù)反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)。

研究目的是得到它的一般規(guī)律，從而可以設(shè)計(jì)出符合設(shè)計(jì)要求的，滿足實(shí)際需要的，性能指標(biāo)優(yōu)良控制系統(tǒng)?；卣率谆毓?jié)首15第15頁，共36頁，2023年，2月20日，星期六§1-3自動控制與自動控制系統(tǒng)1-3-1自動控制系統(tǒng)的組成及定義

自動控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖1-4所示?？刂破鱃c受控對象Go反饋環(huán)節(jié)H+-輸入量rucn擾動量輸出量反饋量b偏差控制量圖1-4自動控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)回章首16第16頁，共36頁，2023年，2月20日，星期六受控對象是指被控制的裝置或者設(shè)備(如電動機(jī)、車床等)，有時(shí)也指受控的物理量。受控過程

受控物理量的變化過程稱為受控過程。例如化學(xué)反應(yīng)過程、水泥窯爐的生產(chǎn)過程等。一般用符號Go表示。參考輸入(設(shè)定值)系統(tǒng)的給定輸入信號，或者稱為希望值，一般用符號r

表示。回章首回節(jié)首1.

控制系統(tǒng)的一些常用術(shù)語17第17頁，共36頁，2023年，2月20日，星期六控制量施加給受控對象的信號，使受控對象按照一定的規(guī)律運(yùn)行，一般用符號u表示。

輸出量控制系統(tǒng)的輸出，即受控的物理量，一般用符號c表示。偏差信號系統(tǒng)的參考輸入信號與反饋信號之差稱為偏差，是控制系統(tǒng)中的一個(gè)重要參數(shù)，一般用符號表示?；卣率谆毓?jié)首18第18頁，共36頁，2023年，2月20日，星期六擾動信號外界或者系統(tǒng)內(nèi)部影響系統(tǒng)輸出的干擾信號。外部的擾動稱為外擾，它是系統(tǒng)的一個(gè)輸入量。內(nèi)部的擾動稱為內(nèi)擾，也可等價(jià)為系統(tǒng)的一個(gè)輸入量。一般用符號n表示。前向通路從輸入端到輸出端的單方向通路。反饋通路從輸出端到輸入端的反方向通路?；卣率谆毓?jié)首19第19頁，共36頁，2023年，2月20日，星期六2.控制系統(tǒng)的組成

一個(gè)典型的控制系統(tǒng)由以下幾部分組成：

受控對象(或者受控過程，其定義如前所述)

定值元件

在常規(guī)儀表控制中，用它來產(chǎn)生參考輸入或者設(shè)定值。設(shè)定值既可以由手動操作設(shè)定，也可以由自動裝置給定。參考輸入的值根據(jù)實(shí)際情況而定，其類型與變送器的類型相一致。

在當(dāng)前的計(jì)算機(jī)控制中，參考輸入或者設(shè)定值一般可以由計(jì)算機(jī)給出，因此沒有專用的定值元件?；卣率谆毓?jié)首20第20頁，共36頁，2023年，2月20日，星期六

控制器

接收偏差信號或者輸入信號，通過一定的控制規(guī)律給出控制量，送到執(zhí)行元件。如常規(guī)控制儀表(電動儀表，氣動儀表)、可編程邏輯控制器(PLC)、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)等都屬于控制器。

執(zhí)行元件

控制器與受控對象之間實(shí)現(xiàn)功率級別轉(zhuǎn)換或者物理量綱轉(zhuǎn)換的裝置稱為執(zhí)行元件，又常稱為執(zhí)行機(jī)構(gòu)或者執(zhí)行器。常見的執(zhí)行元件有步進(jìn)電動機(jī)、電磁閥、氣動閥、各種驅(qū)動裝置等?；卣率谆毓?jié)首21第21頁，共36頁，2023年，2月20日，星期六

測量變送元件

又稱傳感器，用于檢測受控對象的輸出量，如溫度、壓力、流量、位置轉(zhuǎn)速等非電量，并變換成標(biāo)準(zhǔn)信號(一般是電信號)后作為反饋量送到控制器。例如各種壓力傳感器、流量傳感器、差壓變送器、測速發(fā)電機(jī)等。

比較元件

用以產(chǎn)生偏差信號來形成控制。

有的系統(tǒng)以標(biāo)準(zhǔn)裝置的方式配以專用的比較器，大部分是以隱藏的方式合并在其它控制裝置中，如計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)等?；卣率谆毓?jié)首22第22頁，共36頁，2023年，2月20日，星期六1-3-2自動控制系統(tǒng)的分類前面已經(jīng)介紹過開環(huán)控制系統(tǒng)與閉環(huán)控制系統(tǒng)，這是按照控制原理來分類的。下面再介紹自動控制系統(tǒng)的另外幾種主要分類方法。1．恒值控制系統(tǒng)與隨動控制系統(tǒng)

根據(jù)給定的參考輸入信號的不同來分類。

恒值控制系統(tǒng)：系統(tǒng)的參考輸入為恒值或者波動范圍很小，系統(tǒng)的輸出量也要求保持恒定，這類控制系統(tǒng)稱為恒值控制系統(tǒng)。例如恒溫控制系統(tǒng)和轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)等?；卣率谆毓?jié)首23第23頁，共36頁，2023年，2月20日，星期六

隨動控制系統(tǒng)又稱伺服控制系統(tǒng)：其參考輸入值不斷地變化，而且變化規(guī)律未知?？刂频哪康氖鞘沟孟到y(tǒng)的輸出量能夠準(zhǔn)確地跟蹤輸入量的變化。隨動控制系統(tǒng)常用于軍事上對于機(jī)動目標(biāo)的跟蹤，例如雷達(dá)跟蹤系統(tǒng)、坦克炮塔自穩(wěn)系統(tǒng)等?；卣率谆毓?jié)首24第24頁，共36頁，2023年，2月20日，星期六2.線性系統(tǒng)與非線性系統(tǒng)

根據(jù)系統(tǒng)數(shù)學(xué)性質(zhì)的不同來分類。

線性系統(tǒng)的主要特征是滿足疊加原理，即：當(dāng)系統(tǒng)在輸入信號u1(t)的作用下產(chǎn)生系統(tǒng)的輸出y1(t)，當(dāng)系統(tǒng)在輸入信號u2(t)的作用下產(chǎn)生系統(tǒng)的輸出y2(t)，系數(shù)a，b可以是常數(shù)，也可以是時(shí)變參數(shù)。這樣的系統(tǒng)稱為線性系統(tǒng)，否則稱為非線性系統(tǒng)。本書所研究和討論的主要是線性定常系統(tǒng)。如果系統(tǒng)的輸入信號為系統(tǒng)的輸出滿足回章首回節(jié)首25第25頁，共36頁，2023年，2月20日，星期六3.連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)與離散時(shí)間系統(tǒng)

根據(jù)時(shí)間信號的不同方式來對系統(tǒng)進(jìn)行分類的。

連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)：當(dāng)系統(tǒng)的輸入信號與輸出信號均是以連續(xù)時(shí)間函數(shù)u(t)與y(t)來表示，則稱為連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)。

離散時(shí)間系統(tǒng)：當(dāng)系統(tǒng)的輸入信號與輸出信號均以離散時(shí)間量u(kT)與y(kT)來表示，則稱為離散時(shí)間系統(tǒng)。回章首回節(jié)首tu(t)0tu(kT)0T2TnT…圖1-5

連續(xù)時(shí)間信號與離散時(shí)間信號兩類時(shí)間信號如圖1-5所示。26第26頁，共36頁，2023年，2月20日，星期六給定值A(chǔ)/D數(shù)字計(jì)算機(jī)D/A執(zhí)行器受控對象傳感器輸出數(shù)字控制器+-圖1-6計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)

在數(shù)字化與計(jì)算機(jī)控制的當(dāng)今時(shí)代，是將連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)等價(jià)為離散時(shí)間系統(tǒng)來分析與研究的，這樣可方便地利用計(jì)算機(jī)作為控制器來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)如圖1-6所示。回章首回節(jié)首27第27頁，共36頁，2023年，2月20日，星期六

4．單輸入-單輸出系統(tǒng)與多輸入-多輸出系統(tǒng)

回章首回節(jié)首圖1-7單輸入-單輸出系統(tǒng)與多輸入-多輸出系統(tǒng)系統(tǒng)uy(a)SISO系統(tǒng)(b)MIMO系統(tǒng)系統(tǒng)u1u2umy2yry1單輸入-單輸出系統(tǒng)與多輸入-多輸出系統(tǒng)如圖1-7所示。28第28頁，共36頁，2023年，2月20日，星期六

從端口關(guān)系上來分類，故不考慮端口內(nèi)部的通路與結(jié)構(gòu)。

單輸入-單輸出系統(tǒng)(SISO)：只有一個(gè)輸入量和一個(gè)輸出量。單輸入-單輸出系統(tǒng)是經(jīng)典控制理論的主要研究對象。

多輸入-多輸出系統(tǒng)(MIMO)：多個(gè)輸入量和多個(gè)輸出量，其主要特點(diǎn)是輸出與輸入之間呈現(xiàn)多路耦合。與單輸入-單輸出系統(tǒng)相比，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)要復(fù)雜得多，本書基本不予討論。除了以上提到的分類方法外，自動控制系統(tǒng)還有其他的分類方法，如集中參數(shù)系統(tǒng)與分布參數(shù)系統(tǒng)、確定性系統(tǒng)與隨機(jī)控制系統(tǒng)等?；卣率谆毓?jié)首29第29頁，共36頁，2023年，2月20日，星期六1-3-3自動控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

自動控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法根據(jù)實(shí)際情況的不同而不同。

首先要符合自動控制系統(tǒng)的基本要求，其次要遵循自動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則。1.對自動控制系統(tǒng)的基本要求對于一個(gè)控制系統(tǒng)首要的要求是系統(tǒng)的絕對穩(wěn)定性。在系統(tǒng)穩(wěn)定的前提之下，要求系統(tǒng)的動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能要好。系統(tǒng)的動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能是由相應(yīng)的性能指標(biāo)來描述的。在此，對于系統(tǒng)的性能要求可以簡要概括為:

響應(yīng)動作要快動態(tài)過程平穩(wěn)跟蹤值要準(zhǔn)確上述三條自動控制系統(tǒng)的基本要求如圖1-8所示?；卣率谆毓?jié)首30第30頁，共36頁，2023年，2月20日，星期六c(t)

給定值響應(yīng)緩慢響應(yīng)快速

tc(t)

變化劇烈響應(yīng)平穩(wěn)tc(t)

跟蹤誤差

t圖1-8控制系統(tǒng)的基本要求(a)響應(yīng)快速性(b)動態(tài)平穩(wěn)性(c)跟蹤準(zhǔn)確性回章首回節(jié)首31第31頁，共36頁，2023年，2月20日，星期六圖(a)顯示了給定恒值信號時(shí)，系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)值的快速性。

圖(b)說明了給定恒值信號時(shí)，系統(tǒng)的響應(yīng)能夠很快穩(wěn)定在穩(wěn)態(tài)值附近與在穩(wěn)態(tài)值附近上下波動的兩種比較情況。

圖(c)說明了跟蹤等速率變化信號時(shí)，系統(tǒng)的響應(yīng)能否準(zhǔn)確地跟蹤輸入信號。能夠準(zhǔn)確地跟蹤的系統(tǒng)，就沒有跟蹤誤差或者跟蹤誤差很小，否則，跟蹤誤差就大。回章首回節(jié)首32第32頁，共36頁，2023年，2月20日，星期六2.自動控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則

自動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目的是要保證系統(tǒng)的輸出在給定性能要求的基礎(chǔ)上跟蹤輸入信號,并且要有一定的抗干擾能力。自動控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)大體上可以歸結(jié)為以下幾個(gè)步驟：

(1)系統(tǒng)分析(2)系統(tǒng)設(shè)計(jì)(3)實(shí)驗(yàn)仿真(4)控制實(shí)現(xiàn)

回章首回節(jié)首在本書中，重點(diǎn)從理論上探討、研究自動控制系統(tǒng)的分析問題和系統(tǒng)的設(shè)計(jì)問題(自動控制系統(tǒng)的校正)。33第33頁，共36頁，2023年，2月20日，星期六§1-4自動控制理論的發(fā)展1-4-1經(jīng)典控制理論發(fā)展階段