第一章 自動控制原理概述

1、高等教育出版社高等教育出版社 自動控制原理自動控制原理 吳仲陽吳仲陽 主編主編 高等學校教材高等學校教材 授課教師授課教師： 查曉春查曉春 第一章 自動控制原理概述 本章重點 n控制系統(tǒng)的組成、分類、特點 n自動控制及自動控制系統(tǒng)的含義 n反饋與反饋控制的概念 本章難點 n確定控制系統(tǒng)的被控對象、被控量、給 定量等等，繪制方框圖，分析實際控制 系統(tǒng)的基本原理。 d自動控制的實質(zhì) n 深刻理解反饋的概念和思想 1.0 概述 l 自動控制技術在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國防、航 空航天等各個領域中起著重要的作用！ l廣泛應用于各種工程學科領域，并擴展到生 物、醫(yī)學、環(huán)境、經(jīng)濟管理和其它許多社會生 活領域 l獨立

2、的學科并與其它學科相互滲透、相互促進。 l自動控制原理是自動控制技術的基礎 理論，是一門理論性較強的工程科學。 根據(jù)自動控制技術發(fā)展的不同階段，自 動控制理論分為兩大部分： 在工程實踐中，經(jīng)典控制理論已得到許許 多多成功地運用，而且今后還將發(fā)揮其理論 指導作用 u經(jīng)典控制理論：19世紀末-上世紀60年 代，這一百多年所形成的理論，稱為經(jīng)典 控制理論，它是以傳遞函數(shù)為數(shù)學基礎， 主要研究單輸入、單輸出線性定常系統(tǒng)的 控制和綜合問題。 u現(xiàn)代控制理論：現(xiàn)代控制理論是上世紀60 年代以后發(fā)展起來的新理論稱為現(xiàn)代控制理 論，它是以狀態(tài)空間為數(shù)學基礎. 主要研究主要研究具有高性能的多輸入、多輸出變具有高

3、性能的多輸入、多輸出變 參數(shù)系統(tǒng)的控制和綜合問題。參數(shù)系統(tǒng)的控制和綜合問題。 現(xiàn)代控制理論能解決一些經(jīng)典控制理論難 以解決的問題，而且隨著計算機技術和現(xiàn)代 應用數(shù)學研究的發(fā)展，目前現(xiàn)代控制理論正 向著大系統(tǒng)和人工智能化方向發(fā)展。 現(xiàn)代的工程技術人員和科學工作者，必須 具備一定的自動控制理論基礎知識 1.1 自動控制理論和自動控制系統(tǒng)的基本概念自動控制理論和自動控制系統(tǒng)的基本概念 人工溫控系統(tǒng) （1）人工控制 一、人工控制與一、人工控制與自動控制 人工控制水位系統(tǒng) 水位人工控制系統(tǒng) 整個控制過程人在做的工作 l首先人用肉眼觀察水面（溫度）的實際高度h（T）; l 將實際水面高度h與期望的水面高度

4、H，進行比較， 得出偏差值 dH=H-h l 根據(jù)只得大小和方向來調(diào)節(jié)水閥的開口大小 l 人工的整個過程在做什么？人工的整個過程在做什么？ 在檢測偏差，糾正偏差在檢測偏差，糾正偏差 這也是控制的實質(zhì)這也是控制的實質(zhì) 所謂人工控制就是其檢測偏差和糾 正偏差，都是人工完成的所以稱為人工 控制。 n人工控制存在的問題： 1）由于用肉眼檢測偏差，所以誤差大，控制精 度低。 2）若系統(tǒng)變化快，則人的勞動強度大。 所以我們說：人工控制系統(tǒng)，勞動強度大，人工控制系統(tǒng)，勞動強度大， 控制精度低，不能適應高速運動系統(tǒng)?？刂凭鹊停荒苓m應高速運動系統(tǒng)。 （2）自動控制 n我們能否將一個人工控制系統(tǒng)，改造為 一個

5、自動控制系統(tǒng)呢？ 我們說是完全可以的，只要我們能 選擇一個合適的控制器，來替代人的工 作，就可將此人工控制系統(tǒng)改造為自動 控制系統(tǒng)。 例1 簡單的水位控制系統(tǒng) 此系統(tǒng)利用了一個連桿機構替代了 人的工作，實現(xiàn)了自動控制。 例2 較為完善的水位控制系統(tǒng) 例采用離心調(diào)速器的蒸汽機轉速控制系統(tǒng) 例3. 溫度自動控制系統(tǒng) 220V 電壓 放大器 功率 放大器 可逆 電機 給定電壓信號 熱電偶 加熱器 ua + - - + uf ue Ue=ua-uf，請大家看看此系統(tǒng)與人工控制系統(tǒng)作了那些改造 比較人工控制和自動控制可見 所謂自動控制是： 在沒有人直接參與的情況下，利用控制裝 置（或控制器）使某種設備、

6、工作機械或生 產(chǎn)過程自動按預定的運動規(guī)律運行 自動控制的類型很多 l國防業(yè)中使用的火炮，火炮根據(jù)雷達指揮儀傳來的 信息自動的調(diào)整方位角、俯仰角，隨時跟蹤目標，瞄 準著彈點。 l機加工中，數(shù)控機床能夠按預先安排的工藝程序進 行自動切削，最終加工出我們所需要的工件。 自動控制系統(tǒng)在生產(chǎn)實際和我們?nèi)粘Ｉ钪?，?們見到的很多，盡管它們的結構和功能各不相同，但 是它們有共同的規(guī)律：即 系統(tǒng)中被控制量按照控制量的變化規(guī)律來變化 例如：前面我們介紹溫控系統(tǒng) p 被控量(爐內(nèi)溫度)-隨控制量（給定電壓ua)的 變化而變化 火炮控制系統(tǒng) p被控量（火炮方位角和俯仰角）-隨控制量（雷達信 息）變化而變化 通過以

7、上分析，可見自動控制的實質(zhì)為： 檢測偏差，由偏差產(chǎn)生控制作用，檢測偏差，由偏差產(chǎn)生控制作用， 消除（或減少）偏差消除（或減少）偏差 自動控制的 基本原理 二、自動控制系統(tǒng)的組成 n從上述幾個控制系統(tǒng)可見，系統(tǒng)雖然簡單， 但從系統(tǒng)組成的角度來看，還是很典型的。 n 根據(jù)各部分性質(zhì)和功能，一般情況下，控制系統(tǒng)可 劃分為五個組成部分五個組成部分 u 檢測部分：把被控制量的大小檢測出來 u 比較部分：檢測值與給定值相比較，產(chǎn)生偏差信號 偏差-為系統(tǒng)的控制信號 u信號放大與轉換部分 u執(zhí)行機構部分：按信號的大小和方向，對控制 對象施于控制作用 溫度自動控制系統(tǒng) 通過可逆電機通過可逆電機電位器觸頭電位器觸

8、頭改變加熱電壓改變加熱電壓 u 控制對象：被控設備（爐溫） u校正裝置：用于改善系統(tǒng)性能 在控制系統(tǒng)中，為了明確系統(tǒng)各部分的 聯(lián)系，習慣用原理方框圖描述系統(tǒng)，圖中每 一方塊代表系統(tǒng)相應組成部分。 信號用箭頭表示，進入方塊的箭頭表示該裝 置的輸入量，離開方塊的箭頭表示該方塊的 輸出量。 代表比較元件，表示信號在這里進行代數(shù) 疊加 信號的分支點，表示信號的取出。 以溫度自控系統(tǒng)用原理方塊圖描述如下 放大裝置 執(zhí)行裝置 （散熱量Q） 控制對象 電壓、功率放大 可逆電機 調(diào)壓器 電熱爐 熱電偶 測量元件 控制裝置控制對象 Ua ue uf 即：控制系統(tǒng)=控制裝置+控制對象 n 專業(yè)術語： 1. 系統(tǒng)輸

9、入系統(tǒng)輸入：凡是能使被控制量發(fā)生變化作 用的量，稱為系統(tǒng)的輸入 由以上定義，在溫控系統(tǒng)中Ua、Q它們的變化都 會使被控量T發(fā)生變化，所以應該稱為系統(tǒng)的輸入。 但二則之間又有區(qū)別 l爐溫值的大小是用Ua變化來達到的-Ua稱為 系統(tǒng)的給定輸入 l Q的變化為干擾量，它使爐溫偏離要值-Q 稱為干擾輸入 2. 系統(tǒng)輸出系統(tǒng)輸出：需要加以控制的某些物理量 這樣，整個自動控制系統(tǒng)（溫控）可進 一步概括成一個大的方塊圖表示。 溫控系統(tǒng)的方塊圖描述 輸入量（干擾輸入） 溫度自動 控制系統(tǒng) 輸入量 （給定輸入） 輸出量 （被控量） 1.2 1.2 n 將控制系統(tǒng)分類的目的：了解各類系統(tǒng)的特點 系統(tǒng)分類的方法很多

10、 1）根據(jù)系統(tǒng)元件特性是否線性可分為： 線性系統(tǒng)線性系統(tǒng)和和非線性系統(tǒng)非線性系統(tǒng) 2）根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)是否隨時間變化可分為： 時變系統(tǒng)時變系統(tǒng)和和定常系統(tǒng)定常系統(tǒng) 3）根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)信號形式的不同分為： 連續(xù)系統(tǒng)連續(xù)系統(tǒng)和和離散系統(tǒng)離散系統(tǒng) 4 4）根據(jù)系統(tǒng)的物理性質(zhì)分為：根據(jù)系統(tǒng)的物理性質(zhì)分為： 機電控制系統(tǒng)、液壓控制系統(tǒng)和生物控制系統(tǒng)機電控制系統(tǒng)、液壓控制系統(tǒng)和生物控制系統(tǒng) 等等 6）根據(jù)信號傳遞的路線是否閉合分為 開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng) 下面我們重點介紹幾種比較重要的分類 5）根據(jù)被控量所遵循的規(guī)律分為： 恒值控制系統(tǒng)、隨動系統(tǒng)和程序控制系統(tǒng)等恒值控制系統(tǒng)、隨動系統(tǒng)

11、和程序控制系統(tǒng)等 一、開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng) l開環(huán)控制系統(tǒng)-系統(tǒng)的輸出對系統(tǒng)的 控制作用沒有影響的則稱為開環(huán)控制系統(tǒng) 方塊圖描述 控制器控制對象 輸入量 輸出量 開環(huán)控制系統(tǒng)在我們的日常生活中是很常見的 如：家中使用的洗衣機等一些家電產(chǎn)品 又如：直流電動機轉速開環(huán)控制系統(tǒng)又如：直流電動機轉速開環(huán)控制系統(tǒng) 放大 電機 UaUb i=const n 直流電動機開環(huán)控制系統(tǒng) 我們知道，當電機的激磁電流固定時 （i=const)， 改變加在電樞上的電壓(Ub),可 以改變電機的轉速。 n 此系統(tǒng)我們用方塊圖描述 功放電機 Ua Ub M(負載干擾）負載干擾） n 從圖中可見：當負載不變時: ua

12、 ubn 輸出轉速于輸入電壓成正比 ：1 1）前提是在負載不變的情況下 Ua與n是以正比關系 2）而當負載是一變化量時，這種正比關系就未必 存在。也就是說，當增大電壓輸入(Ua)時，負載(M) 也同時增加，此時轉速(n)未必加大。 從上系統(tǒng)可見，當負載在變化時，轉速的變化不因 其控制作用的改變，也就是說被控量(n)不參與控制作 用，從信號傳遞路線上可見，信號的傳遞是單向的， 是不閉合的。我們稱這種控制為開環(huán)控制系統(tǒng)。 注意： 開環(huán)控制系統(tǒng)在出現(xiàn)干擾現(xiàn)象 時，系統(tǒng)的輸出將不按照輸入所對 應的期望值和狀態(tài)運行，一句話： 開環(huán)控制系統(tǒng)沒有抗干擾的能力 2. 閉環(huán)控制系統(tǒng)- 系統(tǒng)的輸出量直接或間接的

13、參與系統(tǒng)的控制作用。也就是說閉環(huán)控制系統(tǒng)需 要對系統(tǒng)的輸出量進行測量（或者說檢測）。 結論 此系統(tǒng)與開環(huán)控制系統(tǒng)相比，主要的差別： 1）系統(tǒng)增加了測速發(fā)電機，測速發(fā)電機是一種傳感 器，它將電動機的轉速正比地轉換成電壓信號： Uf=kt*n 2)將電壓信號Uf反饋到輸入端與給定輸入Ua進行代數(shù) 疊加，產(chǎn)生偏差信號產(chǎn)生偏差信號Ue=Ua-UUe=Ua-Uf f，對系統(tǒng)施于控制作 用。 系統(tǒng)用方塊圖描述 放大 電動機 測速發(fā)電機 Ua Ue M(負載力矩） n 直流電機閉環(huán)控制系統(tǒng) uf ub 系統(tǒng)的工作過程： 當系統(tǒng)的給定輸入Ua=const電機對應某 一轉速n，某瞬間負載力矩增大（系統(tǒng)受 到干擾

14、作用），電機的轉速下降。 我們從另一個角度來看我們從另一個角度來看：方塊圖中信號 的傳遞路線是閉合的，也就是說系統(tǒng)的輸出n 影響了系統(tǒng)控制作用。 閉環(huán)系統(tǒng)的特點： 1）輸出影響輸入，因而能削弱和抑制干擾。 2）低精度元件可組成高精度系統(tǒng)。 3）因為可能發(fā)生超調(diào)、振蕩，所以穩(wěn)定性問題很重 要。 4）閉環(huán)控制必須對輸出量進行檢測。 注意注意 在閉環(huán)控制系統(tǒng)中出現(xiàn)新的概念-反饋，反饋，它在自 動控制重是一很重的概念。 反饋反饋是指把輸出信號返送回輸入端，并與輸入信 號進行比較（或進行代數(shù)疊加），產(chǎn)生偏差。這樣的 信號通道的閉合路線稱為反饋。 反饋有分正、負反饋兩種反饋有分正、負反饋兩種 1 1）正反

15、饋-當反饋信號加強了輸入信號的稱為正反饋 2）負反饋-當反饋信號削弱了輸入信號稱為負反饋 除此之外還有主反饋、局部反饋 主反饋-系統(tǒng)輸出信號返送到輸入端并進行代 數(shù)疊加的稱為主反饋信號。 局部反饋局部反饋-系統(tǒng)的某個環(huán)節(jié)的輸出返送到該環(huán) 節(jié)的輸入端并進行代數(shù)疊加的稱為局部反饋 二、恒值系統(tǒng) 系統(tǒng)的輸入是一個恒值，系統(tǒng)地的輸出保 持與輸入相對應的一個恒值。 例如上面給大家介紹的爐溫控制系統(tǒng)就是一個 極為典型的-恒值系統(tǒng) CT 0 1000 當給定輸入為 ua=5mv 爐溫 當給定輸入為ua=3mv爐溫 CT 0 800 系統(tǒng)的輸出保持與輸入相對應的某一個恒值 三、隨動系統(tǒng) 系統(tǒng)的輸入量是未知的時

16、間函數(shù)，也就是說 給定輸入的變化規(guī)律事先不知道，而要求系統(tǒng) 的輸出要能夠準確、迅速的跟蹤系統(tǒng)輸入的變 化 例如：國防業(yè)種火炮自動瞄準系統(tǒng)，就是典 型的隨動系統(tǒng) 四、程序控制系統(tǒng) 系統(tǒng)的給定輸入是按已知的時間的時間函數(shù) 變化的，系統(tǒng)輸出按給定的程序變化 常見的數(shù)控機床等就屬于程序控制系統(tǒng) 五、連續(xù)系統(tǒng)和斷續(xù)系統(tǒng) 系統(tǒng)中傳遞的信號都是時間的連續(xù)函數(shù)，則 該系統(tǒng)稱為連續(xù)系統(tǒng)。反之系統(tǒng)中只要有一個傳 遞信號是時間上的斷續(xù)信號，則稱為斷續(xù)系統(tǒng)或 稱采樣 系統(tǒng)、離散系統(tǒng)。 我們說計算機控制系統(tǒng)就是斷續(xù)系統(tǒng)（離 散系統(tǒng)）。 六、有差系統(tǒng)和無差系統(tǒng) 看系統(tǒng)在給定輸入和擾動輸入的作用下是否 存在穩(wěn)態(tài)誤差而分為有差系統(tǒng)和無差系統(tǒng) 1.3 1.3 在設計和分析自動控制系統(tǒng)時，需要有 一個評價系統(tǒng)性能的優(yōu)劣的標準，其標準通 常用性能指標來衡量，不同的被控對象，不 同的工作方式和控制方法，對系統(tǒng)的要求往 往有所不同，但是，總而言之對系統(tǒng)的要求 可以用三個字來描述。即“穩(wěn)”、“快”、 “準” 一、穩(wěn)定性 對于控制系統(tǒng)要想使系統(tǒng)能夠正常工作， 系統(tǒng)必須是穩(wěn)定的，而且還必須具有一定的 穩(wěn)定裕量，所以穩(wěn)定是對系統(tǒng)最起碼的要求， 也是系統(tǒng)能夠正常工作的前提條件。 二、動