電子信息工程概論（第2版）：第八章 自動控制系統(tǒng)概述

1、期中作業(yè)期中作業(yè) 設計一個簡易的兩人點對點通信系統(tǒng)（通設計一個簡易的兩人點對點通信系統(tǒng)（通 信距離信距離5米）米） 通信時不能錯助人為直接交流（如聲音、通信時不能錯助人為直接交流（如聲音、 眼神等），更不可借助現(xiàn)有通信工具（手眼神等），更不可借助現(xiàn)有通信工具（手 機等）機等） 指定用具為繩子，同時可以借助一些不具指定用具為繩子，同時可以借助一些不具 有直接與通信內容相關的日常生活用品。有直接與通信內容相關的日常生活用品。 第第8 8章章 自動控制系統(tǒng)概述自動控制系統(tǒng)概述 所謂的自動控制系統(tǒng)就是沒有人直接參與所謂的自動控制系統(tǒng)就是沒有人直接參與 的情況下，為的情況下，為完成某種完成某種“目標目標

2、”而采用的而采用的 一整套的完成方法和步驟。而這些方法和一整套的完成方法和步驟。而這些方法和 步驟通常又包含能夠更好實現(xiàn)這些步驟通常又包含能夠更好實現(xiàn)這些“目標目標” 的最佳的最佳策略。策略。 自動控制系統(tǒng)的重要性 近年來控制系統(tǒng)在現(xiàn)代文明和技術發(fā)展與近年來控制系統(tǒng)在現(xiàn)代文明和技術發(fā)展與 進步上扮演了越來越重要的角色。我們日進步上扮演了越來越重要的角色。我們日 ?；顒拥拿恳粋€方面幾乎都受到了某種控?；顒拥拿恳粋€方面幾乎都受到了某種控 制系統(tǒng)的影響。控制系統(tǒng)已經(jīng)大量地應用制系統(tǒng)的影響?？刂葡到y(tǒng)已經(jīng)大量地應用 到了工業(yè)的所有部門。如產品質量、自動到了工業(yè)的所有部門。如產品質量、自動 裝配線、機床控

3、制、空間技術與武器系統(tǒng)、裝配線、機床控制、空間技術與武器系統(tǒng)、 計算機控制、交通運輸、動力系統(tǒng)、機器計算機控制、交通運輸、動力系統(tǒng)、機器 人、微機系統(tǒng)、納米技術等。人、微機系統(tǒng)、納米技術等。 自動控制的基本方法 開環(huán)控制開環(huán)控制與閉環(huán)控制與閉環(huán)控制 1、應用：太陽能高效抽水機系統(tǒng) 太陽傳感器 太陽移動速度 電動機減速器泵 + + 電動機 電流 泵 地下水 蓄水池 灌溉 太陽能收集器 機械轉距 目標：利用太陽能結果：抽水中間環(huán)節(jié)：實現(xiàn)手段 上面例子中存在的問題 抽水過程只與太陽能轉換來的電流抽水過程只與太陽能轉換來的電流 大小有關，它不能反應水池的蓄水大小有關，它不能反應水池的蓄水 情況。因此，

4、這個控制系統(tǒng)存在著情況。因此，這個控制系統(tǒng)存在著 水資源的浪費問題。水資源的浪費問題。 如何解決這個問題？如何解決這個問題？ 太陽傳感器 太陽移動速度 電動機減速器泵 + + + + - - 水位傳感器 水池 電動機 電流 泵 地下水 蓄水池 太陽能收集器 水位傳感器 灌溉 將輸出端的將輸出端的 信號返回輸信號返回輸 入端入端 2、 開環(huán)控制和閉環(huán)控制 比較這兩個例子，我們給出概念：比較這兩個例子，我們給出概念： 開環(huán)控制系統(tǒng)開環(huán)控制系統(tǒng)(Open(Openloop Control System)loop Control System) 若系統(tǒng)的輸出量不被引回來對系統(tǒng)的控制部分產若系統(tǒng)的輸出量

5、不被引回來對系統(tǒng)的控制部分產 生影響，則這樣的系統(tǒng)稱為開環(huán)控制生影響，則這樣的系統(tǒng)稱為開環(huán)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)。 閉環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)(Closed(Closedloop Control System)loop Control 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)稱為分，形成閉合環(huán)路，則這樣的系統(tǒng)稱為閉環(huán)控制閉環(huán)控制 系統(tǒng)，又稱為反饋控制系統(tǒng)系統(tǒng)，又稱為反饋控制系統(tǒng)(Feedback Control (Feedback Control System)System)。 一、開環(huán)控制和閉環(huán)控制的概念一、開

6、環(huán)控制和閉環(huán)控制的概念 二、開環(huán)控制和閉環(huán)控制的概念二、開環(huán)控制和閉環(huán)控制的概念 數(shù)控加工機床數(shù)控加工機床 開環(huán)控制框圖開環(huán)控制框圖 數(shù)控加工機數(shù)控加工機 床示意圖床示意圖 閉環(huán)控制舉例 電爐箱恒溫自動控制系統(tǒng)電爐箱恒溫自動控制系統(tǒng) 電爐箱電爐箱 自動控自動控 制框圖制框圖 電爐箱恒溫自電爐箱恒溫自 動控制系統(tǒng)動控制系統(tǒng) 框圖可以把系統(tǒng)的組成簡單明了地表達出來框圖可以把系統(tǒng)的組成簡單明了地表達出來 為什么大多數(shù)控制系統(tǒng)均有反饋 提高系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性 增加系統(tǒng)帶寬和總增益 提高系統(tǒng)的輸入阻抗、降低系統(tǒng)的輸 出阻抗 提高系統(tǒng)的敏感度 3.自動控制系統(tǒng)的組成 例1-1 水位控制系統(tǒng) 通過對工作通過對

7、工作 原理進行分原理進行分 析，可以得析，可以得 到該系統(tǒng)的到該系統(tǒng)的 系統(tǒng)框圖。系統(tǒng)框圖。 4 自動控制系統(tǒng)的分類 恒值控制系統(tǒng)（恒值控制系統(tǒng)（Fixed Set-Point Fixed Set-Point Control SystemControl System） 恒值系統(tǒng)的特點是：控制系統(tǒng)的輸入量恒值系統(tǒng)的特點是：控制系統(tǒng)的輸入量 是恒量，并且要求系統(tǒng)的輸出量相應地是恒量，并且要求系統(tǒng)的輸出量相應地 保持恒定。保持恒定。 恒值控制系統(tǒng)是最常見的一類控制系統(tǒng)。恒值控制系統(tǒng)是最常見的一類控制系統(tǒng)。 按輸入量變化的規(guī)律分類按輸入量變化的規(guī)律分類 n隨動系統(tǒng)（隨動系統(tǒng)（Follow-Up Con

8、trol Follow-Up Control SystemSystem） n隨動系統(tǒng)的特點是：輸入量是變化著隨動系統(tǒng)的特點是：輸入量是變化著 的的( (有時是隨機的有時是隨機的) )，并且要求系統(tǒng)的輸，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的出量能跟隨輸入量的變化而作出相應的 變化。變化。 過程控制系統(tǒng)（過程控制系統(tǒng)（Process Control SystemProcess Control System） 生產過程通常是指把原料放在一定的外界條生產過程通常是指把原料放在一定的外界條 件下，經(jīng)過物理或化學變化而制成產品的過件下，經(jīng)過物理或化學變化而制成產品的過 程。在這些過程中，往

9、往要求自動提供一定程。在這些過程中，往往要求自動提供一定 的外界條件，例如溫度、壓力、流量、液位、的外界條件，例如溫度、壓力、流量、液位、 粘度、濃度等參量在一定的時間內保持恒值粘度、濃度等參量在一定的時間內保持恒值 或按一定的程序變化?；虬匆欢ǖ某绦蜃兓?在化工、輕工、食品等生產過程中對溫度、在化工、輕工、食品等生產過程中對溫度、 流量、壓力、濕度等的控制流量、壓力、濕度等的控制過程控制系過程控制系 統(tǒng)。統(tǒng)。 圖為食品加圖為食品加 工的在線調工的在線調 和流量控制和流量控制 （如生產調（如生產調 和油）和油） 化工廠中的溫化工廠中的溫 度、壓力、流度、壓力、流 量的控制量的控制 按系統(tǒng)傳輸

10、信號對時間的關系的規(guī)律分類按系統(tǒng)傳輸信號對時間的關系的規(guī)律分類 連續(xù)控制系統(tǒng)（連續(xù)控制系統(tǒng)（Continuous Control SystemContinuous Control System） 連續(xù)控制系統(tǒng)的特點是各元件的輸入量與輸出量都連續(xù)控制系統(tǒng)的特點是各元件的輸入量與輸出量都 是連續(xù)量或模擬量。所以它又稱為模擬控制系統(tǒng)是連續(xù)量或模擬量。所以它又稱為模擬控制系統(tǒng) (Analogue Control System)(Analogue Control System)。 離散控制系統(tǒng)（離散控制系統(tǒng)（Discrete Control SystemDiscrete Control System）

11、離散系統(tǒng)又稱采樣數(shù)據(jù)系統(tǒng)離散系統(tǒng)又稱采樣數(shù)據(jù)系統(tǒng)(Sampled Date (Sampled Date Control System)Control System)。它的特點是系統(tǒng)中有的信號是。它的特點是系統(tǒng)中有的信號是 脈沖序列或采樣數(shù)據(jù)量或數(shù)字量。脈沖序列或采樣數(shù)據(jù)量或數(shù)字量。 按輸出量和輸入量間的關系分類按輸出量和輸入量間的關系分類 線性控制系統(tǒng)（線性控制系統(tǒng)（Linear Control SystemLinear Control System） 線性系統(tǒng)的特點是系統(tǒng)全部由線性元件組成，它線性系統(tǒng)的特點是系統(tǒng)全部由線性元件組成，它 的輸出量與輸入量間的關系用線性微分方程來描的輸出量與輸入

12、量間的關系用線性微分方程來描 述。線性系統(tǒng)的最重要的特性，是可以應用述。線性系統(tǒng)的最重要的特性，是可以應用疊加疊加 原理。原理。 非線性控制系統(tǒng)（非線性控制系統(tǒng)（Nonlinear Control SystemNonlinear Control System） 非線性系統(tǒng)的特點是系統(tǒng)中存在有非線性元件非線性系統(tǒng)的特點是系統(tǒng)中存在有非線性元件( (如如 具有死區(qū)、出現(xiàn)飽和、含有庫倫摩擦等非線性特具有死區(qū)、出現(xiàn)飽和、含有庫倫摩擦等非線性特 性的元件性的元件) )，要用非線性微分方程來描述。非線性，要用非線性微分方程來描述。非線性 系統(tǒng)不能應用疊加原理。系統(tǒng)不能應用疊加原理。 定常系統(tǒng)（定常系統(tǒng)（T

13、ime-Invariant SystemTime-Invariant System） 定常系統(tǒng)的特點是系統(tǒng)的全部參數(shù)不隨時定常系統(tǒng)的特點是系統(tǒng)的全部參數(shù)不隨時 間變化，它用定常微分方程來描述。間變化，它用定常微分方程來描述。 按系統(tǒng)中的參數(shù)對時間的變化情況分類按系統(tǒng)中的參數(shù)對時間的變化情況分類 時變系統(tǒng)（時變系統(tǒng)（Time-Varying SystemTime-Varying System） 時變系統(tǒng)的特點是系統(tǒng)中有的參數(shù)是時時變系統(tǒng)的特點是系統(tǒng)中有的參數(shù)是時 間間t t的函數(shù)，它隨時間變化而改變。例如的函數(shù)，它隨時間變化而改變。例如 宇宙飛船控制系統(tǒng)。宇宙飛船控制系統(tǒng)。 5 自動控制理論的研

14、究內容及方法 時域 頻域 根軌跡 6 自動控制系統(tǒng)的性能指標 系統(tǒng)的穩(wěn)定性系統(tǒng)的穩(wěn)定性 (Stability) (Stability) 穩(wěn)定系統(tǒng)穩(wěn)定系統(tǒng): :當擾動作用當擾動作用( (或給定值發(fā)生變化或給定值發(fā)生變化) )時，時， 輸出量將會偏離原來的穩(wěn)定值，這時，由于反饋輸出量將會偏離原來的穩(wěn)定值，這時，由于反饋 環(huán)節(jié)的作用，通過系統(tǒng)內部的自動調節(jié)，系統(tǒng)可環(huán)節(jié)的作用，通過系統(tǒng)內部的自動調節(jié)，系統(tǒng)可 能回到能回到( (或接近或接近) )原來的穩(wěn)定原來的穩(wěn)定( (或跟隨或跟隨給定值給定值) )狀態(tài)。狀態(tài)。 不穩(wěn)定系統(tǒng)不穩(wěn)定系統(tǒng): :由于內部的相互作用，使系統(tǒng)出現(xiàn)由于內部的相互作用，使系統(tǒng)出現(xiàn) 發(fā)

15、散而處于發(fā)散而處于不穩(wěn)定狀態(tài)。不穩(wěn)定狀態(tài)。 不穩(wěn)定的系統(tǒng)是無法進行工作的；因此，對任何自不穩(wěn)定的系統(tǒng)是無法進行工作的；因此，對任何自 動控制系統(tǒng)，首要的條件便是系統(tǒng)能穩(wěn)定正常運行。動控制系統(tǒng)，首要的條件便是系統(tǒng)能穩(wěn)定正常運行。 圖圖1-13 1-13 穩(wěn)定系統(tǒng)和不穩(wěn)定系統(tǒng)穩(wěn)定系統(tǒng)和不穩(wěn)定系統(tǒng) a)a)穩(wěn)定系統(tǒng)穩(wěn)定系統(tǒng) b)b)不穩(wěn)定系統(tǒng)不穩(wěn)定系統(tǒng) 當系統(tǒng)從一個穩(wěn)態(tài)過渡到新的穩(wěn)態(tài)，或系當系統(tǒng)從一個穩(wěn)態(tài)過渡到新的穩(wěn)態(tài)，或系 統(tǒng)受擾動作用又重新平衡后，系統(tǒng)會出現(xiàn)統(tǒng)受擾動作用又重新平衡后，系統(tǒng)會出現(xiàn) 偏差，這種偏差稱為穩(wěn)態(tài)誤差，用偏差，這種偏差稱為穩(wěn)態(tài)誤差，用 表示表示 (Steady-State E

16、rror)(Steady-State Error)。系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差的。系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差的 大小反映了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度大小反映了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度( (或靜態(tài)精或靜態(tài)精 度度)(Static Accuracy)(Static Accuracy)，它表明了系統(tǒng)的，它表明了系統(tǒng)的 準確程度。穩(wěn)態(tài)誤差準確程度。穩(wěn)態(tài)誤差 越小，則系統(tǒng)的穩(wěn)越小，則系統(tǒng)的穩(wěn) 態(tài)精度越高。態(tài)精度越高。 . .有靜差系統(tǒng)有靜差系統(tǒng): 0: 0。 . .無靜差系統(tǒng)無靜差系統(tǒng): =0: =0。 系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能指標 (Steady-State Performance Specification) ss e ss e ss e ss e 自動控制

17、系統(tǒng)自動控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能的穩(wěn)態(tài)性能 a)a)有靜差系統(tǒng)有靜差系統(tǒng) b)b)無靜差系統(tǒng)無靜差系統(tǒng) 系統(tǒng)的動態(tài)性能指標 (Dynamic Performance Specification) 控制系統(tǒng)從一個穩(wěn)態(tài)過渡到新的穩(wěn)態(tài)都需控制系統(tǒng)從一個穩(wěn)態(tài)過渡到新的穩(wěn)態(tài)都需 要經(jīng)歷一段時間，亦即需要經(jīng)歷一個過渡要經(jīng)歷一段時間，亦即需要經(jīng)歷一個過渡 過程。表征這個過渡過程性能的指標叫做過程。表征這個過渡過程性能的指標叫做 控制系統(tǒng)的動態(tài)性能指標?，F(xiàn)在以系統(tǒng)對控制系統(tǒng)的動態(tài)性能指標?，F(xiàn)在以系統(tǒng)對 突加給定信號突加給定信號( (階躍信號階躍信號) )的動態(tài)響應來介的動態(tài)響應來介 紹動態(tài)指標。圖紹動態(tài)指標。圖1-

18、151-15為系統(tǒng)對突加給定信為系統(tǒng)對突加給定信 號的動態(tài)響應曲線。動態(tài)指標通常用最大號的動態(tài)響應曲線。動態(tài)指標通常用最大 超調量超調量( )( )、調整時間、調整時間( )( )和振蕩次數(shù)和振蕩次數(shù) ( )( )來衡量。來衡量。 s t N 1.最大超調量( )(Maximum Overshoot) 最大超調量是輸出量的大偏差與輸出穩(wěn)態(tài)值之比。 即 ： 最大超調量反映了系統(tǒng)的動態(tài)精度，最大超調量越小，則說明系統(tǒng)過渡過程 進行得越平穩(wěn)。 %100)( max cc 2.調整時間( )(Settling Time) 調整時間是系統(tǒng)輸出量進入并一直保持在離穩(wěn)態(tài)值的允許誤差帶內所需要的時間。 s t

19、 3.振蕩次數(shù)是指在調整時間內，輸出量在穩(wěn)態(tài)值上下擺動的次數(shù)。 在上述指標中，最大超調量和振蕩次數(shù)反映了系在上述指標中，最大超調量和振蕩次數(shù)反映了系 統(tǒng)的穩(wěn)定性能。調整時間反映了系統(tǒng)的快速性。統(tǒng)的穩(wěn)定性能。調整時間反映了系統(tǒng)的快速性。 穩(wěn)態(tài)誤差反映了系統(tǒng)的準確度。一般說來，我們穩(wěn)態(tài)誤差反映了系統(tǒng)的準確度。一般說來，我們 總是希望最大超調量小一點，振蕩次數(shù)少一點，總是希望最大超調量小一點，振蕩次數(shù)少一點， 調整時間短一些，穩(wěn)態(tài)誤差小一點?？傊?，希望調整時間短一些，穩(wěn)態(tài)誤差小一點?？傊Ｍ?系統(tǒng)能達到穩(wěn)、快、準。系統(tǒng)能達到穩(wěn)、快、準。 以后的分析將表明，這些指標要求，在同一以后的分析將表明，這些指標要求，在同一 個系統(tǒng)中往往是相互矛盾的。這就需要根據(jù)具體個系統(tǒng)中往往是相互矛盾的。這就需要根據(jù)具體 對象所提出的要求，對其中的某些指標有所側重，