chap_1自動(dòng)控制理論一般概念

自動(dòng)控制理論 第一章自動(dòng)控制理論的一般概念第二章控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型第三章控制系統(tǒng)的時(shí)域分析法第四章根軌跡法第五章頻率法第六章控制系統(tǒng)的校正第七章非線性系統(tǒng)的分析第八章采樣控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì) 第一章自動(dòng)控制理論的一般概念 1 1自動(dòng)控制發(fā)展簡(jiǎn)史1 2自動(dòng)控制的基本方式1 3典型控制系統(tǒng)1 4對(duì)于自動(dòng)控制系統(tǒng)的要求 1765年 瓦特發(fā)明蒸汽機(jī) 用離心式調(diào)速器控制蒸氣機(jī)1948年 維納 控制論 或關(guān)于在動(dòng)物和機(jī)器中控制和通信的科學(xué) 產(chǎn)生40 60年代經(jīng)典控制理論 頻域法為主 60 70年代現(xiàn)代控制理論 時(shí)域法為主 70年代以后大系統(tǒng)控制理論 自動(dòng)控制 在沒有人直接參與的情況下 采用控制裝置或機(jī)械使被控制對(duì)象達(dá)到預(yù)期的目標(biāo) 1 1自動(dòng)控制發(fā)展簡(jiǎn)史 發(fā)展簡(jiǎn)史 自動(dòng)控制研究的內(nèi)容 經(jīng)典控制理論現(xiàn)代控制理論經(jīng)典控制理論主要研究對(duì)象 對(duì)單輸入單輸出線性定常系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)問(wèn)題 現(xiàn)代控制理論主要研究對(duì)象 多輸入 多輸出 時(shí)變參數(shù) 高精度復(fù)雜系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)問(wèn)題 閉環(huán)控制 復(fù)合控制 開環(huán)控制 1 2自動(dòng)控制的基本方式 一 開環(huán)控制 控制裝置與被控對(duì)象之間只有順向作用而沒有反向聯(lián)系的控制 或者說(shuō)系統(tǒng)的輸出量對(duì)系統(tǒng)的控制作用無(wú)影響的控制系統(tǒng) 給定值 控制方式 按給定值操縱 信號(hào)由給定值至輸出量單向傳遞 一定的給定值對(duì)應(yīng)一定的輸出量 系統(tǒng)的控制精度取決于系統(tǒng)事先的調(diào)整精度 對(duì)于工作過(guò)程中受到的擾動(dòng)或特性參數(shù)的變化無(wú)法自動(dòng)補(bǔ)償 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 成本低廉 多用于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)穩(wěn)定和擾動(dòng)信號(hào)較弱的場(chǎng)合 開環(huán)控制系統(tǒng)特點(diǎn) 信號(hào)從輸入到輸出無(wú)反饋 單向傳遞 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 控制精度不高 無(wú)法抑制擾動(dòng) 例 直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速開環(huán)控制系統(tǒng) 輸出量對(duì)輸入量沒有影響的系統(tǒng)稱為開環(huán)系統(tǒng) 二 閉環(huán)控制 圖示 人工電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng) 反饋 控制任務(wù) 保持工作機(jī)械恒速運(yùn)行 控制過(guò)程 反饋 輸出量送回至輸入端并與輸入信號(hào)比較的過(guò)程負(fù)反饋 反饋的信號(hào)與輸入信號(hào)相減而使偏差越來(lái)越小 典型閉環(huán)系統(tǒng)方框圖 閉環(huán)控制 是指控制器與控制對(duì)象之間既有順向作用有反向聯(lián)系的控制過(guò)程 系統(tǒng)的輸出量對(duì)系統(tǒng)的控制作用有影響的控制過(guò)程 特點(diǎn) 輸出影響輸入 所以能削弱或抑制干擾 低精度元件可組成高精度系統(tǒng) 因?yàn)榭赡馨l(fā)生超調(diào) 振蕩 所以穩(wěn)定性很重要 開環(huán)優(yōu)點(diǎn) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 成本低廉 工作穩(wěn)定 當(dāng)輸入信號(hào)和擾動(dòng)能預(yù)先知道時(shí) 控制效果較好 缺點(diǎn) 不能自動(dòng)修正被控制量的偏離 系統(tǒng)的元件參數(shù)變化以及外來(lái)的未知擾動(dòng)對(duì)控制精度影響較大 閉環(huán)優(yōu)點(diǎn) 具有自動(dòng)修正被控制量出現(xiàn)偏離的能力 可以修正元件參數(shù)變化及外界擾動(dòng)引起的誤差 控制精度高 缺點(diǎn) 被控量可能出現(xiàn)振蕩 甚至發(fā)散 三 開環(huán)控制與反饋控制的比較 主反饋 與輸出成正比或某種函數(shù)關(guān)系 但量綱與給定信號(hào)相同 偏差 給定信號(hào)與主反饋信號(hào)之差的信號(hào) 控制單元 接受偏差信號(hào) 通過(guò)轉(zhuǎn)換與運(yùn)算 產(chǎn)生期望的控制量 擾動(dòng) 對(duì)系統(tǒng)輸出產(chǎn)生不利影響的信號(hào) 反饋環(huán)節(jié) 檢測(cè)輸出信號(hào)并轉(zhuǎn)換與給定輸入信號(hào)相同量綱的信號(hào) 四 閉環(huán)控制系統(tǒng)的術(shù)語(yǔ)和定義 閉環(huán)控制系統(tǒng)的方框圖 方框圖的組成 主要有三部分組成 五 復(fù)合控制 它是把按偏差控制與按擾動(dòng)控制結(jié)合起來(lái) 對(duì)于主要擾動(dòng)采用適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償裝置實(shí)現(xiàn)按擾動(dòng)控制 同時(shí)再組成反饋控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)按偏差控制 以消除其余擾動(dòng)產(chǎn)生的偏差 按擾動(dòng)補(bǔ)償 也稱鎮(zhèn)定系統(tǒng) 輸出量以一定的精度等于給定值 而給定值一般不變化或變化很緩慢 擾動(dòng)可隨時(shí)變化的系統(tǒng)稱為恒值系統(tǒng) 在生產(chǎn)過(guò)程中 這類系統(tǒng)非常多 例如 冶金部門的恒溫系統(tǒng) 石油部門的恒壓系統(tǒng)等 1 3典型控制系統(tǒng) 恒值系統(tǒng) 例電站鍋爐空氣預(yù)熱器密封間隙控制系統(tǒng) 系統(tǒng)通過(guò)間隙傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量出密封間隙值并送入計(jì)算機(jī) 與設(shè)定值比較后 發(fā)出控制指令至電動(dòng)機(jī)提升機(jī)構(gòu) 調(diào)整密封板的位置 達(dá)到維持密封間隙值恒定的目的 輸出量能以一定精度跟隨給定值變化的系統(tǒng)稱隨動(dòng)系統(tǒng) 又稱為跟蹤系統(tǒng) 這類系統(tǒng)的特點(diǎn)是系統(tǒng)的給定值變化規(guī)律完全取決于事先不能確定的時(shí)間函數(shù) 而輸出量是與輸入量同樣的物理量并且能以一定的精度跟隨輸入量變化的系統(tǒng) 例如 火炮系統(tǒng) 衛(wèi)星控制系統(tǒng)等 隨動(dòng)系統(tǒng) 例 一位置隨動(dòng)系統(tǒng)的工作原理圖 控制任務(wù) 要求工作機(jī)械能夠跟隨指令機(jī)構(gòu)同步轉(zhuǎn)動(dòng) 即要使工作機(jī)械的角位置跟隨給定指令轉(zhuǎn)角 亦即使 首先確定以下基本問(wèn)題 1 受控對(duì)象 工作機(jī)械 2 被控量 角位置 3 指令轉(zhuǎn)角 給定值 4 測(cè)量元件 通過(guò)兩個(gè)相同的電位計(jì)測(cè)量轉(zhuǎn)角值 并轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓值 5 計(jì)算比較 兩個(gè)測(cè)量電位計(jì)的橋式連接 即完成了減法運(yùn)算 兩電刷之間的電壓代表了被控量對(duì)給定量的誤差 6 執(zhí)行機(jī)械 電機(jī)減速裝置 系統(tǒng)的工作原理 如果工作機(jī)械轉(zhuǎn)角等于指令轉(zhuǎn)角 則經(jīng)事先整定 即電機(jī)不動(dòng) 系統(tǒng)處于平衡狀態(tài) 當(dāng)指令轉(zhuǎn)角改變 隨之改變 而工作機(jī)械仍處于原位 則從而使電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)工作機(jī)械朝所要求的方向快速偏轉(zhuǎn) 直至電機(jī)停轉(zhuǎn) 此時(shí)系統(tǒng)在新的位置上處于與指令同步的平衡工作狀態(tài) 即完成了跟隨的任務(wù) 自動(dòng)控制系統(tǒng)的被控制量如果是根據(jù)預(yù)先編好的程序進(jìn)行控制的系統(tǒng)稱程序控制系統(tǒng) 例如 煉鋼爐中的微機(jī)控制系統(tǒng) 洲際彈道導(dǎo)彈的程序控制系統(tǒng)等 程序控制系統(tǒng) 穩(wěn)定性被控制信號(hào)能跟蹤已變化的輸入信號(hào) 從一種狀態(tài)到另一種狀態(tài) 如果能做到 我們就認(rèn)為該系統(tǒng)是穩(wěn)定的 這是對(duì)反饋控制系統(tǒng)提出的最基本要求 穩(wěn)定有絕對(duì)穩(wěn)定和相對(duì)穩(wěn)定 快速性對(duì)過(guò)渡過(guò)程的形式和快慢提出要求 一般稱為動(dòng)態(tài)性能 穩(wěn)定高射炮射角隨動(dòng)系統(tǒng) 雖然炮身最終能跟蹤目標(biāo) 但如果目標(biāo)變動(dòng)迅速 而炮身行動(dòng)遲緩 仍然抓不住目標(biāo) 準(zhǔn)確性用穩(wěn)態(tài)誤差來(lái)表示 在參考輸入信號(hào)作用下 當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)后 其穩(wěn)態(tài)輸出與參考輸入所要求的期望輸出之差叫做給定穩(wěn)態(tài)誤差 顯然 這種誤差越小 表示系統(tǒng)的輸出跟隨參考輸入的精度越高 1 4對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)系統(tǒng)的要求 穩(wěn)定性 是保證控制系統(tǒng)正常工作的先決條件 快速性 動(dòng)態(tài)性能 有指標(biāo) 準(zhǔn)確性 穩(wěn)態(tài) 過(guò)渡過(guò)程結(jié)束后的 值應(yīng)盡量與期望值一致 t n n1 a 0 b n t 0 n0 n1 t 0 n c n 0 t e n1 n 0 t d n0 n1 n 0 t f a b 非周期振蕩 c 發(fā)散振蕩 d e 收斂振