自動控制系統(tǒng)的基本概念

1、經(jīng)典控制理論第一章第一章自動控制系統(tǒng)的基本概念自動控制系統(tǒng)的基本概念第二章第二章 自動控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型自動控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型第三章第三章 控制系統(tǒng)的時域分析控制系統(tǒng)的時域分析第四章第四章 控制系統(tǒng)的頻域分析控制系統(tǒng)的頻域分析第五章第五章 控制系統(tǒng)的校正方法控制系統(tǒng)的校正方法第一章第一章 自動控制系統(tǒng)的基本概念自動控制系統(tǒng)的基本概念第一章第一章 自動控制系統(tǒng)的基本概念自動控制系統(tǒng)的基本概念本章描述自動控制的基本概念、任務(wù)、控制方式及控制過程的簡單分析，建立對本學(xué)科的一個較為明確的認(rèn)識。1.1 概述概述所謂自動控制，是指無需人經(jīng)常直接參與，而是通過對某一對象施加合乎目的的作用，以使其產(chǎn)生所希望的

2、行為或變化的控制。上述控制隨然不是由人力來直接完成的，但卻是由人為了某種目的而預(yù)先造好的裝置來完成的。這樣的裝置成為控制器。后者按照人的安排接受某種信息，并遵循一定的法則加工這個信息，使其變?yōu)榭刂谱饔?，以施加在對象上。這樣的對象稱為被控對象。被控對象在控制作用影響下，在其功能的限度內(nèi)改變自己的狀態(tài)。第一章第一章 自動控制系統(tǒng)的基本概念自動控制系統(tǒng)的基本概念自動控制是一門理論性很強的科學(xué)技術(shù)，一般泛稱為“自動控制技術(shù)”。把實現(xiàn)自動控制所需的各個部件按一定的規(guī)律組合起來，去控制被控對象，這個組合體叫做“控制系統(tǒng)”。分析與綜合控制系統(tǒng)的理論稱之為“控制理論”。典型的自動控制系統(tǒng)組成如下：典型自動控制

3、的原理圖第一章第一章 自動控制系統(tǒng)的基本概念自動控制系統(tǒng)的基本概念自動控制系統(tǒng)：由被控對象和自動控制裝置按一定的方式連接起來，完成一定的自動控制任務(wù)，并具有預(yù)定性能的動力學(xué)系統(tǒng)。輸出量：表現(xiàn)于被控對象或系統(tǒng)的輸出端，是要求實現(xiàn)自動控制的物理量，也稱被控量。輸入量：作用于被控對象或系統(tǒng)的輸入端，是可使系統(tǒng)具有預(yù)定功能或預(yù)定輸出的物理量。從對輸出量的影響看，可以分為給定輸入量和擾動輸入量兩種。擾動：凡作用在控制系統(tǒng)中，可以引起輸出變量變化的除去控制變量以外的其它因素，都稱為擾動。擾動變量可以分為內(nèi)擾和外擾。由控制系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生的擾動，如元件參數(shù)的變化，稱為內(nèi)擾；而由于控制系統(tǒng)外部引入的擾動，如負(fù)載變

4、化，能源變化等，稱為外擾。擾動對控制系統(tǒng)是一種不利因素。比較元件：其作用是把測量元件檢測的被控量實際值與系統(tǒng)的輸入量進(jìn)行比較，求出它們之間的偏差。放大元件：其作用是將比較元件給出的偏差信號進(jìn)行放大，用來推動執(zhí)行機構(gòu)去控制被控對象。執(zhí)行元件：其作用是直接推動被控對象，使其被控量發(fā)生變化。測量元件：其作用是檢測被控制的物理量，如果這個物理量是非電量，則一般要轉(zhuǎn)換成電量。第一章第一章 自動控制系統(tǒng)的基本概念自動控制系統(tǒng)的基本概念1.2 開環(huán)控制系統(tǒng)與閉環(huán)控制系統(tǒng)開環(huán)控制系統(tǒng)與閉環(huán)控制系統(tǒng) 1.2.1 基本概念基本概念所有控制系統(tǒng)，均是由被控對象、控制量、被控制量、給定信號、擾動信號、 測量信號、偏差

5、信號、 控制信號、調(diào)節(jié)器（或控制器（內(nèi)含算法，控制率）輸出的信號以及執(zhí)行機構(gòu)組成?，F(xiàn)通過生活中廁所給排水系統(tǒng)，如圖所示，來介紹自動控制系統(tǒng)中的一些基本概念。第一章第一章 自動控制系統(tǒng)的基本概念自動控制系統(tǒng)的基本概念生活中單回路給排水系統(tǒng)該排水系統(tǒng)的工作原理如下：給定水池一個標(biāo)準(zhǔn)給定液位，即要求正常工作以后的水箱儲水量，水池上方有一個作為連接閥門的調(diào)節(jié)器的浮球。隨著水箱中的水被排出，浮球?qū)㈦S著下降的水位下降，從而開動入水閥門，浮球跟隨水位的上升而上升，當(dāng)給水量達(dá)到了給定液位時，浮球回到了原始位置，同時帶動入水閥門關(guān)閉，系統(tǒng)重歸平衡。第一章第一章 自動控制系統(tǒng)的基本概念自動控制系統(tǒng)的基本概念給排水

6、系統(tǒng)方塊圖首先，根據(jù)排水系統(tǒng)原理，畫出給排水系統(tǒng)方塊圖，如圖1.3所示：第一章第一章 自動控制系統(tǒng)的基本概念自動控制系統(tǒng)的基本概念根據(jù)例子中的排水系統(tǒng)，可分析控制系統(tǒng)組成如下：1 控制對象（被控對象，調(diào)節(jié)對象，對象）被控的設(shè)備或過程（上例中的水槽）。2 被控制量（被調(diào)參數(shù)輸出量，控制量）把被控制的物理量稱為被控制量，他常常是表征設(shè)備或過程的運行情況或狀態(tài)，且需要加以控制的參數(shù)（上例中的水位）。3 給定信號（參考輸入量）：設(shè)定的與被控參數(shù)期望值成比例的信號，起作用是為了保證輸出量達(dá)到所要求的目標(biāo)。（如上例中要求的液位）。4 擾動信號（擾動輸入量）：是一種妨礙被控參數(shù)達(dá)到期望值的外部作用。對系統(tǒng)工

7、作不利。5 測量信號：監(jiān)測儀表的輸出經(jīng)變送器變換后的與被控信號實際值成比例的信號（被量水位）。6 偏差信號： 給定信號與測量信號的差值信號。7 控制信號：調(diào)節(jié)器（或控制器（內(nèi)含算法，控制率）輸出的信號。8 執(zhí)行機構(gòu)：執(zhí)行器+調(diào)節(jié)閥。第一章第一章 自動控制系統(tǒng)的基本概念自動控制系統(tǒng)的基本概念1.2.2 自動控制系統(tǒng)的傳遞方塊圖自動控制系統(tǒng)的傳遞方塊圖在研究自動控制系統(tǒng)時，為便于分析和描述，將系統(tǒng)安基本組成部分分解，并用傳遞方塊圖來表示。1 環(huán)節(jié)：是構(gòu)成系統(tǒng)的基本組成部分。用一個方塊表示。2 傳遞方塊圖：將構(gòu)成系統(tǒng)的所有環(huán)節(jié)用有向線段連接起來所構(gòu)成的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。其中，有向線段表示環(huán)節(jié)之間的信號傳遞

8、關(guān)系。指向環(huán)節(jié)的作用線；表示輸入；背向環(huán)節(jié)的作用縣表示輸出；整個系統(tǒng)的輸出為被控參數(shù)；整個系統(tǒng)的輸入為給定信號和擾動信號；測量信號與給定信號通過相加疊加，符號代表信號的極性。第一章第一章 自動控制系統(tǒng)的基本概念自動控制系統(tǒng)的基本概念閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖說明: (1)傳地方塊圖中信號的傳遞具有單項性。 (2)作用線只代表信號的傳遞方向,不代表實際物流方向。 (3)方塊圖可簡可繁,以能清晰描述信號傳遞關(guān)系以及突出研究環(huán)節(jié)性能的原則。第一章第一章 自動控制系統(tǒng)的基本概念自動控制系統(tǒng)的基本概念閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡化圖(4)分析復(fù)雜系統(tǒng)時,可以簡化系統(tǒng)內(nèi)部模塊，用一個環(huán)節(jié)代表一個簡化模塊。(5)盡管實際控制

9、系統(tǒng)元器件各不相同,但概括起來一般都應(yīng)包括以下幾個基本環(huán)節(jié)第一章第一章 自動控制系統(tǒng)的基本概念自動控制系統(tǒng)的基本概念控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖該圖經(jīng)常作為描述分析系統(tǒng)的工具應(yīng)重點掌握。第一章第一章 自動控制系統(tǒng)的基本概念自動控制系統(tǒng)的基本概念下面根據(jù)控制系統(tǒng)方塊圖，具體詳細(xì)介紹每一個控制系統(tǒng)的環(huán)節(jié)：1.給定環(huán)節(jié):設(shè)定被控量的給定裝置,其精度直接影響對控制量的控制精度。如電為期,自整角機等模擬信號,還有精度更高的數(shù)字給定裝置。2.比較環(huán)節(jié):將檢測到的被控量與給定量比較得到偏差信號,該信號功率較小或物理性能比較時不同,不能直接作用執(zhí)行機構(gòu),需要增加中間環(huán)節(jié)3,4。3校正環(huán)節(jié):是為改善系統(tǒng)動態(tài)品質(zhì)或穩(wěn)態(tài)性能而

10、加入的裝置,他可以對偏差信號按照某種規(guī)律進(jìn)行運算。比例,積分,微分,等。4.放大環(huán)節(jié):將偏差信號轉(zhuǎn)換成適合于執(zhí)行器工作的信號(功效,SCR)注意:2,3,4合為一體控制器(裝置)5.執(zhí)行機構(gòu):直接作用于控制對象調(diào)節(jié)機構(gòu),傳動裝置,電機6.控制對象:要控制的機器,設(shè)備,或生產(chǎn)過程7.檢測裝置:測量控制量并轉(zhuǎn)換成與給定量同物理量信號。要求精度高,反映靈敏,性能穩(wěn)定，傳感器一般為測速發(fā)電機,熱電偶,自整角機等。第一章第一章 自動控制系統(tǒng)的基本概念自動控制系統(tǒng)的基本概念1.2.3 開環(huán)控制系統(tǒng)與閉環(huán)控制系統(tǒng)開環(huán)控制系統(tǒng)與閉環(huán)控制系統(tǒng)為完成控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計，首先必須對控制對象、控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有個明確的

11、了解。自動控制系統(tǒng)的性能和行為，在很大程度上取決于控制器所接受的信息。這些信息有兩種可能的來源：一時來自系統(tǒng)內(nèi)部，即由系統(tǒng)輸入端輸入的參考輸入信號；另一種來自被控對象的輸出端，即反映被控對象的行為或狀態(tài)信息。把從被控對象輸出端獲取的信息，通過中間環(huán)節(jié)再送回到控制器的輸入端，稱為反饋。故系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)，也就按是否有無反饋而分成兩大類：開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。第一章第一章 自動控制系統(tǒng)的基本概念自動控制系統(tǒng)的基本概念一、開環(huán)控制系統(tǒng)如果控制系統(tǒng)的輸出量對系統(tǒng)沒有控制作用,這種系統(tǒng)被稱為開環(huán)控制系統(tǒng)，如圖所示：開環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖開環(huán)控制系統(tǒng)是一種最簡單的控制方式，在控制器和控制對象間只有正向控

12、制作用，系統(tǒng)的輸出量不會對控制器產(chǎn)生任何影響。在該系統(tǒng)中，對于每一個輸入量，就有一個與之對應(yīng)的工作狀態(tài)和輸出量，系統(tǒng)的精度僅取決于元器件的精度和特性調(diào)整的精度。第一章第一章 自動控制系統(tǒng)的基本概念自動控制系統(tǒng)的基本概念開環(huán)控制系統(tǒng)的特點如下： (1)系統(tǒng)輸出量不參與控制; (2)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)徒步形成閉合回路; (3)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單,不需監(jiān)測被調(diào)量,輸入輸出一一對應(yīng); (4)控制精度取決于各組成環(huán)節(jié)的精度; (5)最實用與傳遞關(guān)系一直對數(shù)出精讀無要求,且不含擾動的場合;如系統(tǒng)起制動過程。自動售貨機,洗衣機,數(shù)控機床,紅綠燈轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中。(6)系統(tǒng)有擾動時只能靠人工操作,時輸出達(dá)到期望值.例:直流電動機速

13、度控制系統(tǒng).第一章第一章 自動控制系統(tǒng)的基本概念自動控制系統(tǒng)的基本概念有一種特殊的開環(huán)控制，稱為前饋控制，原理圖如圖所示，即當(dāng)系統(tǒng)受到的擾動信號可以測量時,可根據(jù)擾動信號的大小對控制作用作相應(yīng)補償,以提高系統(tǒng)精度。前饋控制原理圖前饋控制仍屬于一種開環(huán)控制,一旦參數(shù)搭配關(guān)系破壞(或不匹配),輸入就不能準(zhǔn)確補償擾動的干擾作用。因此,一般不單獨使用。第一章第一章 自動控制系統(tǒng)的基本概念自動控制系統(tǒng)的基本概念二、閉環(huán)控制系統(tǒng)如果在控制器和被控對象之間，不僅存在正向作用，而且存在著反向的作用，即系統(tǒng)的輸出量對控制量具有直接的影響，那么這類控制稱為閉環(huán)控制。閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖第一章第一章 自動控制系統(tǒng)的

14、基本概念自動控制系統(tǒng)的基本概念閉環(huán)控制系統(tǒng)的特點如下:(1)系統(tǒng)輸出參與控制(2)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖構(gòu)成閉合回路(3)是一種依偏差進(jìn)行控制的系統(tǒng),只需偏差存在,就有控制作用,其結(jié)果試圖使偏差減小。 (4)對系統(tǒng)內(nèi)部除反饋通道和給定通道外的一切擾動都有抑制作用。(5)引起振蕩。 第一章第一章 自動控制系統(tǒng)的基本概念自動控制系統(tǒng)的基本概念1.3 對對(反饋反饋,閉環(huán)閉環(huán))控制系統(tǒng)的基本要求控制系統(tǒng)的基本要求1.3.1 基本概念基本概念1. 系統(tǒng)的狀態(tài)行為:是指輸出量受輸入量的影響所表現(xiàn)出來的不同狀態(tài)。具體的講是指當(dāng)擾動量或給定量或給定量的變化規(guī)律發(fā)生變化時,輸出量偏離輸入量,其產(chǎn)生的偏差經(jīng)反饋作用,使系統(tǒng)

15、經(jīng)歷一個短暫的過渡過程,又將趨于原來給定量或按照新的給定量穩(wěn)定下來。即系統(tǒng)經(jīng)歷了由原來平衡狀態(tài)過渡到新的平衡狀態(tài)的過程,這里,我們把控制量(輸出)處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)稱為靜態(tài)或穩(wěn)定,而把控制量處于變化狀態(tài)的過程稱為動態(tài)或暫態(tài),瞬態(tài)。第一章第一章 自動控制系統(tǒng)的基本概念自動控制系統(tǒng)的基本概念2.數(shù)學(xué)解釋:對于MIMO系統(tǒng)可以用微分方程描述,而微分方程(線性)的穩(wěn)態(tài)解(特解)正是描述了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài);而其暫態(tài)解正式對應(yīng)了系統(tǒng)的暫態(tài)過程。3.穩(wěn)態(tài)性能:描述了系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)勢的穩(wěn)定程度,用穩(wěn)態(tài)誤差表示,踏實指系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)勢輸出量的實際值與期望值(給定值)之間的誤差。奇值為零稱為無差系統(tǒng)。他能夠表示出系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時的控

16、制精度。4.暫態(tài)性能:描述系統(tǒng)從一個穩(wěn)態(tài)到達(dá)另一個穩(wěn)態(tài)期間所表現(xiàn)的能力,主要指標(biāo)有:上升時間,超調(diào)量,過渡過程時間,振蕩次數(shù)等。第一章第一章 自動控制系統(tǒng)的基本概念自動控制系統(tǒng)的基本概念由于實際系統(tǒng)中,各元器件都存在著不同程度的滯后,是系統(tǒng)受干擾后呈現(xiàn)的過渡過程不可避免,情況各異，如圖所示:各類系統(tǒng)狀態(tài)圖第一章第一章 自動控制系統(tǒng)的基本概念自動控制系統(tǒng)的基本概念1.3.2 對控制系統(tǒng)的基本要求對控制系統(tǒng)的基本要求為了實現(xiàn)自動控制，必須對控制系統(tǒng)提出一定的要求。對于一個閉環(huán)控制系統(tǒng)而言，當(dāng)輸入量和擾動量均不變時，系統(tǒng)輸出量也恒定不變，這種狀態(tài)稱為平衡狀態(tài)或靜態(tài)、穩(wěn)態(tài)。顯然，系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)時的輸出量是

17、我們關(guān)心的，當(dāng)輸入量或擾動量發(fā)生變化，反饋量將與輸入量之間產(chǎn)生新的偏差，通過控制器的作用，從而使輸出量最終穩(wěn)定，即達(dá)到一個新的平衡。但由于系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)總存在慣性，系統(tǒng)從一個平衡點到另一個平衡點無法瞬間完成，即存在一個過渡過程，稱為動態(tài)過程或暫態(tài)過程。第一章第一章 自動控制系統(tǒng)的基本概念自動控制系統(tǒng)的基本概念過渡過程的形式不僅與系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)有關(guān)，也與參考輸入和外加擾動有關(guān)。一般有單調(diào)過程、衰減震蕩過程、等幅振蕩過程等形式；此外，我們關(guān)心系統(tǒng)會否穩(wěn)定，如果會穩(wěn)定，系統(tǒng)到達(dá)新的平衡狀態(tài)需要多少時間。 通過上面的分析可知, 對于一個自動控制系統(tǒng), 需要從如下三方面進(jìn)行分析:（1）穩(wěn)定性穩(wěn)定性是指當(dāng)

18、系統(tǒng)受到干擾后,經(jīng)過一段時間仍能恢復(fù)到原狀或新的平衡狀態(tài)。（2）準(zhǔn)確性準(zhǔn)確性是指系統(tǒng)輸出量跟隨給定量(輸入量)的精度給定恒值系統(tǒng):擾動誤差；隨動輸入變化系統(tǒng):給定誤差。從動靜兩態(tài)品質(zhì)衡量。有時在滿足系統(tǒng)暫態(tài)品質(zhì)與穩(wěn)態(tài)精度之間存在矛盾,在實際應(yīng)用中還需二者兼顧。第一章第一章 自動控制系統(tǒng)的基本概念自動控制系統(tǒng)的基本概念（3）快速性快速性是指當(dāng)系統(tǒng)受到干擾后能迅速做出相應(yīng)恢復(fù)原狀或達(dá)到新的平衡態(tài)?？刂葡到y(tǒng)不僅要穩(wěn)定并且有較高的精度，而且還要求系統(tǒng)的響應(yīng)具有一定的快速性，對于某些系統(tǒng)來說，這是一個十分重要的性能指標(biāo)。有關(guān)系統(tǒng)響應(yīng)速度定量的性能指標(biāo)，一般可以用上升時間調(diào)整時間和峰值時間來表示。第一章第

19、一章 自動控制系統(tǒng)的基本概念自動控制系統(tǒng)的基本概念1.3.3 自動控制系統(tǒng)的類型自動控制系統(tǒng)的類型對各種各樣控制系統(tǒng)進(jìn)行分類，從不同的觀點出發(fā)可以有不同的分類方法：通常按下列方法進(jìn)行劃分。（1）單變量與多變量控制系統(tǒng)從輸入/輸出變量的個數(shù)來看系統(tǒng)可分為這兩種。在單變量控制系統(tǒng)如圖,可以進(jìn)行單回路或多回路控制,還可以進(jìn)行串級控制。它是經(jīng)典控制論研究的對象。單變量控制系統(tǒng)框圖第一章第一章 自動控制系統(tǒng)的基本概念自動控制系統(tǒng)的基本概念在多變量控制系統(tǒng)如圖,控制回路之間有耦合關(guān)系,當(dāng)耦合關(guān)系較弱時,常常簡化成單變量系統(tǒng)。多變量控制系統(tǒng)框圖第一章第一章 自動控制系統(tǒng)的基本概念自動控制系統(tǒng)的基本概念（2）

20、線性控制系統(tǒng)和非線性控制系統(tǒng)若控制系統(tǒng)的所有環(huán)節(jié)或元件的狀態(tài)(特性)都可用線性微分方程(差分方程)來描述，則稱這種系統(tǒng)為線性控制系統(tǒng)。這種系統(tǒng)的輸入與輸出間的關(guān)系，一般用微分方程,傳遞函數(shù)來描述，也可以用狀態(tài)空間表達(dá)式來表示。線性系統(tǒng)的主要特點是具有齊次性和適用疊加原理。如果線性系統(tǒng)中的參數(shù)不隨時間而變化，則稱為線性定常系統(tǒng)；反之，則稱為線性時變系統(tǒng)。本書主要討論線性定常系統(tǒng)。第一章第一章 自動控制系統(tǒng)的基本概念自動控制系統(tǒng)的基本概念現(xiàn)介紹線性系統(tǒng)的判斷方法，對于公式：其中X（t） 為輸入量, y（t） 為輸出量。若方程中,輸入/出量及各階導(dǎo)數(shù)均為一次冪,且個系數(shù)均與輸入量(自變量)無關(guān)。就可定義為線性系統(tǒng),用拉氏變換可求出輸入輸出關(guān)系函數(shù)(傳遞函數(shù),動態(tài)數(shù)模)。10111011( )( )(