自動控制的一般概念

1、1自動控制原理自動控制原理天津大學精密儀器與光電子工程學院吳斌17樓東配樓206E_mail：2主要內(nèi)容 學習經(jīng)典控制經(jīng)典控制的基本理論和基本方法，重點學習線性控制系統(tǒng)線性控制系統(tǒng)的基本理論和基本方法。主要內(nèi)容包括：控制系統(tǒng)的數(shù)學模型、控制系統(tǒng)的時域分析法、控制系統(tǒng)的根軌跡法、控制系統(tǒng)的頻域分析法、控制系統(tǒng)的常用校正方法等。 3所需知識1 電子學模擬部分 2 拉普拉斯變換 3 復變函數(shù) 4 MATLAB FOR WINDOWS 語言等 4教材及參考文獻n1 胡壽松，自動控制原理，科學出版社，第4版，2001 ；n2 胡壽松，自動控制原理，科學出版社，第5版，2007；n3 自動控制原理，清華大

2、學出版社，吳麒主編；n4 自動控制原理，中國科學技術(shù)大學出版社，龐國仲編；n5 自動控制原理試題精選與答題技巧，哈爾濱工業(yè)大學出版社，王彤主編；n6 自動控制原理常見題型解析及模擬題，西北工業(yè)大學出版社，史忠科，盧京潮編著；n7 MATLAB 語言工具箱TOOLBOX實用指南，西北工業(yè)大學出版社，施陽 李俊等編著；n8 MATLAB 語言演算紙式的科學工程計算語言，中國科學技術(shù)大學出版社，張培強主編；n9 系統(tǒng)分析與仿真MATLAB語言及應(yīng)用，國防科技大學出版社，黃文梅 楊勇等編著； 5教學安排講課講課48(44)課時，實驗課時，實驗8(+4)課時課時n第一章 自動控制的一般概念 （4課時）n

3、第二章 控制系統(tǒng)的數(shù)學模型 （8課時）n第三章 線性系統(tǒng)的時域分析法 （10課時）n第四章 線性系統(tǒng)的根軌跡法 （6課時）n第五章 線性系統(tǒng)的頻域分析法 （10課時）n第六章 線性系統(tǒng)的校正方法 （10課時）6實驗安排n實驗一：控制系統(tǒng)時域、頻域?qū)嶒炓唬嚎刂葡到y(tǒng)時域、頻域MATLABMATLAB仿真實驗仿真實驗 （0 0課時）課時） 1、階躍響應(yīng) 2、脈沖響應(yīng) 3、斜坡響應(yīng)4、繪制Bode圖 5、畫Nyquist圖，6、校正結(jié)果分析 n實驗二：直流電機速度控制實驗實驗二：直流電機速度控制實驗 （8 8課時）課時） 1、開環(huán)控制、閉環(huán)控制系統(tǒng)分析（4次大作業(yè)）2、控制系統(tǒng)的校正設(shè)計（ 1次大設(shè)計

4、）實驗三：工業(yè)機器人控制實驗實驗三：工業(yè)機器人控制實驗 （4 4課時）課時）1、機器人開環(huán)控制實驗2、機器人閉環(huán)控制（測控系統(tǒng)）實驗7作業(yè)和考試n課堂紀律課堂紀律n作業(yè)作業(yè) （課后作業(yè)、大作業(yè)、設(shè)計）n答疑答疑n考試考試 期末成績50%，平時成績（作業(yè)、平時測驗及課堂情況）40%，綜合實驗?zāi)芰?0% 8第一章第一章 自動控制的一般概念自動控制的一般概念11自動控制的基本原理與方式自動控制的基本原理與方式1.1.什么是自動控制什么是自動控制? ? 指在沒有人的直接參與下，利用外加設(shè)備或裝置（控制裝置或控制器）使機器、設(shè)備或生產(chǎn)過程（被控對象）的某個工作狀態(tài)或參數(shù)（被控量）自動地按照預定的規(guī)律運行

5、。 91.1.什么是自動控制什么是自動控制? ?人工控制的恒溫箱恒溫箱的自動控制系統(tǒng)恒溫控制、溫度曲線控制、導彈自動尋敵系統(tǒng)、直流穩(wěn)恒溫控制、溫度曲線控制、導彈自動尋敵系統(tǒng)、直流穩(wěn)壓電源、數(shù)控車床、飛機的自動駕駛、人造衛(wèi)星控制等壓電源、數(shù)控車床、飛機的自動駕駛、人造衛(wèi)星控制等 102. 現(xiàn)代控制理論3. 大系統(tǒng)理論4. 智能控制理論采樣控制理論非線性控制理論線性控制理論經(jīng)典控制理論. 12.2.自動控制理論的發(fā)展自動控制理論的發(fā)展 自動控制理論是研究自動控制共同規(guī)律的技術(shù)科學，其發(fā)展初期是以反饋理論為基礎(chǔ)，并主要應(yīng)用于工業(yè)控制。二戰(zhàn)期間，由于軍事武器裝備競爭的需要，自動控制應(yīng)用水平和自動控制理

6、論都獲得了極大的發(fā)展，二戰(zhàn)后，形成了完整的自動控制理論體系經(jīng)典控制理論；60年代后，為適應(yīng)宇航技術(shù)的發(fā)展，研究復雜系統(tǒng)的控制問題，進一步發(fā)展了現(xiàn)代控制理論。 111 1、經(jīng)典控制理論、經(jīng)典控制理論 1717世紀反饋調(diào)節(jié)器世紀反饋調(diào)節(jié)器18681868年系統(tǒng)穩(wěn)定性代數(shù)判據(jù)（馬克斯威年系統(tǒng)穩(wěn)定性代數(shù)判據(jù)（馬克斯威爾、數(shù)學家勞斯及赫爾維茨）爾、數(shù)學家勞斯及赫爾維茨）二戰(zhàn)期間，奈奎斯特提出了二戰(zhàn)期間，奈奎斯特提出了頻率響應(yīng)理論頻率響應(yīng)理論19481948年，萬斯提出根軌跡法。年，萬斯提出根軌跡法。特點：特點：以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)，主要研究單輸入以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)，主要研究單輸入單輸出、線性定常系單輸出、線性

7、定常系統(tǒng)的分析和設(shè)計問題。統(tǒng)的分析和設(shè)計問題。（單變量系統(tǒng)）（單變量系統(tǒng)）如：調(diào)節(jié)電壓改變電機的速度；調(diào)整方向盤改變汽車 的運動軌跡等。2.2.自動控制理論的發(fā)展自動控制理論的發(fā)展122 2、現(xiàn)代控制理論、現(xiàn)代控制理論 發(fā)展于發(fā)展于2020世紀世紀6060年代初期。年代初期。 特點：特點：主要研究具有高性能、高精度的多變量變參數(shù)系統(tǒng)的最優(yōu)控主要研究具有高性能、高精度的多變量變參數(shù)系統(tǒng)的最優(yōu)控制問題。制問題。采用以狀態(tài)分析為基礎(chǔ)的時域方法。采用以狀態(tài)分析為基礎(chǔ)的時域方法。（多變量系統(tǒng)）（多變量系統(tǒng)）如：汽車看成是一個具有兩個輸入（駕駛盤和加速踏 板）和兩個輸出（方向和速度）的控制系統(tǒng)。2.2.自

8、動控制理論的發(fā)展自動控制理論的發(fā)展13經(jīng)典控制理論與現(xiàn)代控制理論比較經(jīng)典控制理論與現(xiàn)代控制理論比較 項目項目經(jīng)典控制理論經(jīng)典控制理論現(xiàn)代控制理論現(xiàn)代控制理論研究對象研究對象線性定常系統(tǒng)線性定常系統(tǒng)（單輸入、單輸出）（單輸入、單輸出）線性、非線性、定常、線性、非線性、定常、時變系統(tǒng)時變系統(tǒng)（多輸入、多輸出）（多輸入、多輸出）描述方法描述方法傳遞函數(shù)傳遞函數(shù)（輸入、輸出描述）（輸入、輸出描述）向量空間向量空間（狀態(tài)空間描述）（狀態(tài)空間描述）研究辦法研究辦法時域分析法、根軌跡時域分析法、根軌跡法和頻率法法和頻率法狀態(tài)空間法狀態(tài)空間法研究目標研究目標系統(tǒng)分析及給定輸入、系統(tǒng)分析及給定輸入、輸出情況下的

9、系統(tǒng)綜輸出情況下的系統(tǒng)綜合合揭示系統(tǒng)的內(nèi)在規(guī)律，實揭示系統(tǒng)的內(nèi)在規(guī)律，實現(xiàn)在一定意義下的最優(yōu)控現(xiàn)在一定意義下的最優(yōu)控制與設(shè)計制與設(shè)計14 3 3、大系統(tǒng)控制理論、大系統(tǒng)控制理論 大系統(tǒng)控制理論是一種過程控制與信息處理相結(jié)合的動大系統(tǒng)控制理論是一種過程控制與信息處理相結(jié)合的動態(tài)系統(tǒng)工程理論，研究的對象具有規(guī)模龐大、結(jié)構(gòu)復雜、功態(tài)系統(tǒng)工程理論，研究的對象具有規(guī)模龐大、結(jié)構(gòu)復雜、功能綜合、目標多樣、因素眾多等特點。它是一個多輸入、多能綜合、目標多樣、因素眾多等特點。它是一個多輸入、多輸出、多干擾、多變量的系統(tǒng)。輸出、多干擾、多變量的系統(tǒng)。 如：人體，我們就可以看作為一個大系統(tǒng)，其中有體溫如：人體，我

10、們就可以看作為一個大系統(tǒng)，其中有體溫的控制、情感的控制、人體血液中各種成分的控制等等。的控制、情感的控制、人體血液中各種成分的控制等等。 大系統(tǒng)控制理論目前仍處于發(fā)展階段。大系統(tǒng)控制理論目前仍處于發(fā)展階段。 2. 2. 自動控制理論的發(fā)展自動控制理論的發(fā)展154 4、智能控制、智能控制 發(fā)展于發(fā)展于2020世紀世紀8080年代，以人工智能理論為基礎(chǔ)，研年代，以人工智能理論為基礎(chǔ)，研究具有模糊性、不確定性、不完全性、偶然性的系統(tǒng)。究具有模糊性、不確定性、不完全性、偶然性的系統(tǒng)。 特點：特點：不基于精確的數(shù)學描述或模型，具有較好的容錯不基于精確的數(shù)學描述或模型，具有較好的容錯性能和初級的智能。性能

11、和初級的智能。 2.2.自動控制理論的發(fā)展自動控制理論的發(fā)展162.2.自動控制理論的發(fā)展自動控制理論的發(fā)展173.3.反饋控制原理反饋控制原理反饋：反饋：系統(tǒng)輸出量送回到輸入端，與輸入信號相比較產(chǎn)生偏差信號的過程。利用反饋進行控制的系統(tǒng)稱為反饋控制系統(tǒng)。在反饋控制系統(tǒng)中,控制裝置對被控對象的控制作用，是取自被控量的反饋信息，用來不斷修正被控量與輸入量之間的偏差，從而實現(xiàn)對被控對象的控制任務(wù)，這就是反饋控制原理。反饋控制原理。 控制器 加熱器 輸入 T Tout 溫度調(diào)節(jié)器：溫度調(diào)節(jié)器： 反饋控制系統(tǒng)有著廣泛的生物學基礎(chǔ)。反饋控制系統(tǒng)有著廣泛的生物學基礎(chǔ)。反饋控制系統(tǒng)在工業(yè)控制和工程實踐中有大

12、量成熟的應(yīng)用。反饋控制系統(tǒng)在工業(yè)控制和工程實踐中有大量成熟的應(yīng)用。 183.1 3.1 反饋控制系統(tǒng)的基本原理框圖反饋控制系統(tǒng)的基本原理框圖 控制器 Gc 被控對象 G0 測量環(huán)節(jié) H 輸入量 r 輸出量 c 主反饋 b 偏差 e 擾動 n 輸入量r（參考輸入）：輸入到控制系統(tǒng)的指令信號；主反饋b:與輸出成正比或某種函數(shù)關(guān)系，量綱與輸入相同；偏差e：等于參考輸入與主反饋之差；控制環(huán)節(jié)Gc：接受偏差信號，通過轉(zhuǎn)換與運算，產(chǎn)生所需的控制量；控制量u：來自控制環(huán)節(jié)，作用于控制對象的信號；193.1 3.1 反饋控制系統(tǒng)的基本原理框圖反饋控制系統(tǒng)的基本原理框圖 控制器 Gc 被控對象 G0 測量環(huán)節(jié)

13、H 輸入量 r 輸出量 c 主反饋 b 偏差 e 擾動 n 擾動n：不希望的影響輸出的一些信號；被控對象G0：接受控制量，輸出被控制量；輸出c：反饋控制系統(tǒng)的被控制量；反饋環(huán)節(jié)H：將輸出轉(zhuǎn)換為主反饋信號的裝置；比較環(huán)節(jié)：獲得參考輸入與主反饋信號之差； 203.1 3.1 反饋控制系統(tǒng)的基本原理框圖反饋控制系統(tǒng)的基本原理框圖 控制器 Gc 被控對象 G0 測量環(huán)節(jié) H 輸入量 r 輸出量 c 主反饋 b 偏差 e 擾動 n 控制系統(tǒng)方塊圖：控制系統(tǒng)方塊圖：將控制裝置的各元件和被控對象用方塊表將控制裝置的各元件和被控對象用方塊表示，系統(tǒng)中感興趣的物理量（信號）用箭頭表示，進入方塊示，系統(tǒng)中感興趣的

14、物理量（信號）用箭頭表示，進入方塊的箭頭表示元件的輸入量，離開方塊的箭頭表示元件輸出量，的箭頭表示元件的輸入量，離開方塊的箭頭表示元件輸出量，被控對象的輸出量即為系統(tǒng)的輸出量，位于最右端；系統(tǒng)的被控對象的輸出量即為系統(tǒng)的輸出量，位于最右端；系統(tǒng)的輸入量為參據(jù)量，位于系統(tǒng)最左端。輸入量為參據(jù)量，位于系統(tǒng)最左端。 213.2 3.2 反饋控制系統(tǒng)的基本組成反饋控制系統(tǒng)的基本組成控制系統(tǒng)包含被控對象和控制裝置兩大部分，控制裝置是由具有一定功能的各種基本部件組成。不同的系統(tǒng)中結(jié)構(gòu)完全不同的部件可以具有相同的功能。 串聯(lián)補串聯(lián)補償元件償元件放大放大元件元件執(zhí)行執(zhí)行元件元件被控被控對象對象反饋補反饋補償元

15、件償元件測量測量元件元件輸出量輸出量局部反饋局部反饋223.2 3.2 反饋控制系統(tǒng)的基本組成反饋控制系統(tǒng)的基本組成串聯(lián)補串聯(lián)補償元件償元件放大放大元件元件執(zhí)行執(zhí)行元件元件被控被控對象對象反饋補反饋補償元件償元件測量測量元件元件輸出量輸出量局部反饋局部反饋組成控制系統(tǒng)的組成控制系統(tǒng)的部件按功能分為部件按功能分為主要幾種：主要幾種： 測量元件：測量元件：檢測被檢測被控制的物理量；控制的物理量； 給定元件：給定元件：給定與給定與期望的系統(tǒng)輸出量期望的系統(tǒng)輸出量相對應(yīng)的系統(tǒng)輸入相對應(yīng)的系統(tǒng)輸入量；量； 比較元件：比較元件：求出測量元件得到的被控量實際值和給定元件給出的輸入量之間的偏差；求出測量元件得

16、到的被控量實際值和給定元件給出的輸入量之間的偏差； 放大元件：放大元件：放大偏差信號；放大偏差信號； 執(zhí)行元件：執(zhí)行元件：直接推動被控對象，使被控量發(fā)生變化；直接推動被控對象，使被控量發(fā)生變化； 校正元件：校正元件：即補償元件，校正系統(tǒng)參數(shù)，改善系統(tǒng)性能即補償元件，校正系統(tǒng)參數(shù)，改善系統(tǒng)性能；前向通路、主反饋回路、主回路、內(nèi)回路、單回路系統(tǒng)、多回路系統(tǒng)、有用輸入、擾動前向通路、主反饋回路、主回路、內(nèi)回路、單回路系統(tǒng)、多回路系統(tǒng)、有用輸入、擾動234.4.自動控制系統(tǒng)的基本控制方式自動控制系統(tǒng)的基本控制方式 反饋控制：反饋控制：基本控制方式，應(yīng)用最廣泛；基本控制方式，應(yīng)用最廣泛； 開環(huán)控制開環(huán)控

17、制 復合控制復合控制 4.1 4.1 反饋控制反饋控制 利用反饋信號，按偏差進行控制。利用反饋信號，按偏差進行控制。 特點：特點：控制精度較高，抗內(nèi)外擾動能力強?？刂凭容^高，抗內(nèi)外擾動能力強。 244.2 4.2 開環(huán)控制開環(huán)控制控制環(huán)節(jié)與被控對象間控制環(huán)節(jié)與被控對象間只有順向作用沒有反饋作用只有順向作用沒有反饋作用。特點：特點：輸出量不對系統(tǒng)的控制作用產(chǎn)生影響，沒有自動修正偏差的能力，抗擾動性輸出量不對系統(tǒng)的控制作用產(chǎn)生影響，沒有自動修正偏差的能力，抗擾動性較差。較差。 開環(huán)控制可以按給定量控制方式組成，也可以按擾動控制方式組成。開環(huán)控制可以按給定量控制方式組成，也可以按擾動控制方式組成。

18、 按給定量控制的開環(huán)系統(tǒng)：按給定量控制的開環(huán)系統(tǒng)：抗干擾能力差，結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)整方便、成本低，在精抗干擾能力差，結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)整方便、成本低，在精度要求不高或擾動影響較小的情況下使用。度要求不高或擾動影響較小的情況下使用。 按擾動控制的開環(huán)系統(tǒng)：按擾動控制的開環(huán)系統(tǒng)：利用可測量的擾動量，產(chǎn)生補償作用，從而減小擾動對輸利用可測量的擾動量，產(chǎn)生補償作用，從而減小擾動對輸出的影響。出的影響。 25按擾動控制的開環(huán)系統(tǒng)按擾動控制的開環(huán)系統(tǒng) 功放 K 壓放 K1 U0 Ue Ub Ua R R0 I 負載 UdbeUUU0RIKUb1eaKUUIRIRUUad0IRRRIKKKUUd)(010RRRKK01

19、0KUUdUdUd為反向電動勢，與轉(zhuǎn)速成正比；有為反向電動勢，與轉(zhuǎn)速成正比；有 當當時，有時，有 從而消除了負載對轉(zhuǎn)速的影響。從而消除了負載對轉(zhuǎn)速的影響。 264.3 4.3 復合控制復合控制 按偏差與按擾動相結(jié)合的控制方式。按偏差與按擾動相結(jié)合的控制方式。 按擾動控制較按偏差控制方式簡單，但只適用于擾動可測量的場合，并且一個按擾動控制較按偏差控制方式簡單，但只適用于擾動可測量的場合，并且一個補償裝置只能補償一個擾動因素。比較合理的控制方式是將兩種方式結(jié)合起來：補償裝置只能補償一個擾動因素。比較合理的控制方式是將兩種方式結(jié)合起來：對于主要擾動采用適當?shù)难a償裝置實現(xiàn)按擾動控制，同時，再組成反饋控

20、制系對于主要擾動采用適當?shù)难a償裝置實現(xiàn)按擾動控制，同時，再組成反饋控制系統(tǒng)實現(xiàn)按偏差控制，以消除其余干擾。統(tǒng)實現(xiàn)按偏差控制，以消除其余干擾。 電壓放電壓放大器大器功率放功率放大器大器電動機電動機測速發(fā)測速發(fā)電機電機電壓放電壓放大器大器電阻電阻RMcnu0ueui2712自動控制系統(tǒng)示例自動控制系統(tǒng)示例一、函數(shù)記錄儀一、函數(shù)記錄儀 28正確畫框圖是對實際系統(tǒng)進行分析的前提，繪制思路：正確畫框圖是對實際系統(tǒng)進行分析的前提，繪制思路：確定系統(tǒng)輸出量（被控量）確定系統(tǒng)輸出量（被控量） 為系統(tǒng)的最終輸出；為系統(tǒng)的最終輸出；確定被控對象確定被控對象 被控量的載體，為一獨立裝置；被控量的載體，為一獨立裝置；

21、確定測量環(huán)節(jié)確定測量環(huán)節(jié) 系統(tǒng)通過測量元件測量被控量的環(huán)節(jié)；系統(tǒng)通過測量元件測量被控量的環(huán)節(jié)；確定輸入量確定輸入量 與被控量相對應(yīng)（注意：有時輸入量會通過某環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)化為易于與被控量相對應(yīng)（注意：有時輸入量會通過某環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)化為易于比較的形式）；比較的形式）；比較環(huán)節(jié)比較環(huán)節(jié) 測量環(huán)節(jié)的輸出與輸入量相比較；測量環(huán)節(jié)的輸出與輸入量相比較；1.1. 按系統(tǒng)信號傳遞的順序確定其它環(huán)節(jié)按系統(tǒng)信號傳遞的順序確定其它環(huán)節(jié)（控制器、執(zhí)行器等）；也可從被控對象（控制器、執(zhí)行器等）；也可從被控對象開始，開始， 考察各環(huán)節(jié)的控制量和輸出量，從右到左逐一確定；考察各環(huán)節(jié)的控制量和輸出量，從右到左逐一確定； 在繪制的同時，應(yīng)

22、當時時記憶典型原理框圖在繪制的同時，應(yīng)當時時記憶典型原理框圖 原理框圖的繪制原理框圖的繪制 29二、電阻爐微計算機溫度控制系統(tǒng)二、電阻爐微計算機溫度控制系統(tǒng) D/A晶閘管觸發(fā)器電阻爐電阻絲熱電偶A/D放大濾波溫度計算機30三、三、水溫控制器水溫控制器 ( (習題習題1-4)1-4) 溫度控制器蒸汽閥門交換器溫度測量流量測量熱水溫度流量擾動給定溫度3113 自動控制系統(tǒng)的分類自動控制系統(tǒng)的分類按按控制方式：控制方式：1 1、開環(huán)控制、開環(huán)控制2 2、閉環(huán)控制、閉環(huán)控制3 3、復合控制、復合控制 按按元件類型：元件類型：機械系統(tǒng)機械系統(tǒng)電氣系統(tǒng)電氣系統(tǒng)機電系統(tǒng)機電系統(tǒng)液壓系統(tǒng)液壓系統(tǒng)1.1. 氣動

23、系統(tǒng)氣動系統(tǒng) 等等 按按系統(tǒng)性能系統(tǒng)性能可分為：線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)；連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)；定?？煞譃椋壕€性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)；連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)；定常系統(tǒng)和時變系統(tǒng)；確定性系統(tǒng)和不確定性系統(tǒng)。系統(tǒng)和時變系統(tǒng)；確定性系統(tǒng)和不確定性系統(tǒng)。 按按參據(jù)量變化規(guī)律參據(jù)量變化規(guī)律：恒值控制系統(tǒng)；隨動控制系統(tǒng)；程序控制系統(tǒng)等。：恒值控制系統(tǒng)；隨動控制系統(tǒng)；程序控制系統(tǒng)等。 一般，為了全面反映控制系統(tǒng)的特點，常常將多種分類方法組合使用。一般，為了全面反映控制系統(tǒng)的特點，常常將多種分類方法組合使用。 32線性連續(xù)控制系統(tǒng)線性連續(xù)控制系統(tǒng) )()()()()()()()(1111011110trbtrdtdbtrd

24、tdbtrdtdbtcatcdtdatcdtdatcdtdammmmmmnnnnnn式中式中 )(tc是被控量，是被控量， )(tr是系統(tǒng)輸入量。系數(shù)是系統(tǒng)輸入量。系數(shù)0a1ana，0b1bnb，為常量時稱為線性定常系統(tǒng)，為常量時稱為線性定常系統(tǒng)，隨時間變化時為時變系統(tǒng)隨時間變化時為時變系統(tǒng) （注意：只隨時間變化）。（注意：只隨時間變化）。 線性定常連續(xù)系統(tǒng)按其線性定常連續(xù)系統(tǒng)按其輸入量的變化規(guī)律輸入量的變化規(guī)律分為：分為： 恒值恒值控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)隨動隨動控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)1.1. 程序程序控制系統(tǒng)控制系統(tǒng) 33恒值控制系統(tǒng)恒值控制系統(tǒng) (調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器) 輸入量輸入量為一為一常量常量，要求，要

25、求輸出量輸出量等于等于常量常量（但可定期校準或更改輸入（但可定期校準或更改輸入量）量） 。恒值控制系統(tǒng)的任務(wù)是保證在任何擾動下系統(tǒng)的輸出量為恒值。恒值控制系統(tǒng)的任務(wù)是保證在任何擾動下系統(tǒng)的輸出量為恒值。系系統(tǒng)分析、設(shè)計的重點是研究各種干擾對被控對象的影響以及抗擾動的措施統(tǒng)分析、設(shè)計的重點是研究各種干擾對被控對象的影響以及抗擾動的措施。在恒值控制系統(tǒng)中，參據(jù)量可以隨生產(chǎn)條件的變化改變，但在調(diào)整完成后，在恒值控制系統(tǒng)中，參據(jù)量可以隨生產(chǎn)條件的變化改變，但在調(diào)整完成后，被控量應(yīng)當及時與調(diào)整好的參據(jù)量保持一致。在工業(yè)控制系統(tǒng)中，如果被控量應(yīng)當及時與調(diào)整好的參據(jù)量保持一致。在工業(yè)控制系統(tǒng)中，如果被控被控

26、量量是溫度、流量、壓力、液位等是溫度、流量、壓力、液位等生產(chǎn)過程參量生產(chǎn)過程參量時，稱為時，稱為過程控制系統(tǒng)過程控制系統(tǒng)。如：液位控制系統(tǒng)，直流電機調(diào)速系統(tǒng)，如：液位控制系統(tǒng)，直流電機調(diào)速系統(tǒng)，機床的位置控制，電力系統(tǒng)的電網(wǎng)機床的位置控制，電力系統(tǒng)的電網(wǎng)電壓、頻率控制等電壓、頻率控制等； 34隨動控制系統(tǒng)隨動控制系統(tǒng) (跟蹤系統(tǒng)跟蹤系統(tǒng)) 輸入量是預先未知的隨時間任意變化的函數(shù)，要求被控量以盡可能小的誤輸入量是預先未知的隨時間任意變化的函數(shù)，要求被控量以盡可能小的誤差跟隨輸入量變化。差跟隨輸入量變化。系統(tǒng)分析設(shè)計的重點是被控量跟隨的快速性和準確性系統(tǒng)分析設(shè)計的重點是被控量跟隨的快速性和準確性。

27、液壓仿形車床工作原理圖液壓仿形車床工作原理圖如果被控量是機械位置或其導數(shù)（如速度、如果被控量是機械位置或其導數(shù)（如速度、加速度）時，則稱為伺服系統(tǒng)。加速度）時，則稱為伺服系統(tǒng)。如：自動火炮系統(tǒng)、雷達跟蹤系統(tǒng)、自動如：自動火炮系統(tǒng)、雷達跟蹤系統(tǒng)、自動導航系統(tǒng)、自動駕駛系統(tǒng)及自動測量儀等。導航系統(tǒng)、自動駕駛系統(tǒng)及自動測量儀等。35程序控制系統(tǒng)程序控制系統(tǒng) 輸入量是按預定規(guī)律隨時間變化的函數(shù)，要求被控量快速、準確復現(xiàn)。輸入量是按預定規(guī)律隨時間變化的函數(shù)，要求被控量快速、準確復現(xiàn)。如：溫度曲線控制器、仿真控制系統(tǒng)、數(shù)控機床。如：溫度曲線控制器、仿真控制系統(tǒng)、數(shù)控機床。 程序控制系統(tǒng)程序控制系統(tǒng)隨動系統(tǒng)

28、具有一般性，程序系統(tǒng)和恒值系統(tǒng)是特例。隨動系統(tǒng)具有一般性，程序系統(tǒng)和恒值系統(tǒng)是特例。 36其它控制系統(tǒng)其它控制系統(tǒng) 線性定常離散控制系統(tǒng)：線性定常離散控制系統(tǒng)： 系統(tǒng)中某處或多處的信號在時間上是離散的。系統(tǒng)中某處或多處的信號在時間上是離散的。非線性控制系統(tǒng)：非線性控制系統(tǒng)： 系統(tǒng)中有非線元件，用非線性微分（或差分方程）描述。系統(tǒng)中有非線元件，用非線性微分（或差分方程）描述。特點是方程特點是方程中的系數(shù)與輸入輸出變量有關(guān)，或者方程中含有變量或其導數(shù)的高次冪或中的系數(shù)與輸入輸出變量有關(guān)，或者方程中含有變量或其導數(shù)的高次冪或乘積項。乘積項。 3714 對自動控制系統(tǒng)的基本要求對自動控制系統(tǒng)的基本要求

29、基本要求是穩(wěn)定性、快速性和準確性，即穩(wěn)、快、準?；疽笫欠€(wěn)定性、快速性和準確性，即穩(wěn)、快、準。穩(wěn)定性：穩(wěn)定性：保證系統(tǒng)正常工作的先決條件。被控量偏離期望值后，經(jīng)過一個過渡保證系統(tǒng)正常工作的先決條件。被控量偏離期望值后，經(jīng)過一個過渡過程，可以回到期望值狀態(tài)。線性系統(tǒng)的穩(wěn)定性由系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)決定，與外過程，可以回到期望值狀態(tài)。線性系統(tǒng)的穩(wěn)定性由系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)決定，與外界無關(guān)，不穩(wěn)定系統(tǒng)多表現(xiàn)為振蕩發(fā)散形式。界無關(guān)，不穩(wěn)定系統(tǒng)多表現(xiàn)為振蕩發(fā)散形式。快速性：快速性：系統(tǒng)過渡時間的長，短和過渡形式提出要求。即系統(tǒng)的動態(tài)性能。系統(tǒng)過渡時間的長，短和過渡形式提出要求。即系統(tǒng)的動態(tài)性能。準確性：準確性：穩(wěn)態(tài)

30、誤差大小提出要求，是表示系統(tǒng)控制精度的重要指標。穩(wěn)態(tài)誤差大小提出要求，是表示系統(tǒng)控制精度的重要指標。 38典型外作用函數(shù)典型外作用函數(shù) 工程實踐中，為使用統(tǒng)一的方法研究和比較控制系統(tǒng)的性能，通常選工程實踐中，為使用統(tǒng)一的方法研究和比較控制系統(tǒng)的性能，通常選用幾種典型函數(shù)作為外部作用，要求是：用幾種典型函數(shù)作為外部作用，要求是：現(xiàn)場或?qū)嶒炇胰菀椎玫?；現(xiàn)場或?qū)嶒炇胰菀椎玫?；作用性能能夠代替實際工作條件下的性能；作用性能能夠代替實際工作條件下的性能；數(shù)學表達簡單，便于理論分析；數(shù)學表達簡單，便于理論分析； 階躍函數(shù)、斜坡函數(shù)、加速度函數(shù)、脈沖函數(shù)、正弦函數(shù)，以及偽隨階躍函數(shù)、斜坡函數(shù)、加速度函數(shù)、脈

31、沖函數(shù)、正弦函數(shù)，以及偽隨機函數(shù)等。機函數(shù)等。 39階躍函數(shù)階躍函數(shù)000)(tAttrA=1A=1時為單位階躍函數(shù)，時為單位階躍函數(shù)，0100)( 1ttttAf(t)0ssR1)(40斜坡函數(shù)斜坡函數(shù)000)(tAtttrA=1A=1時為單位斜坡函數(shù)，時為單位斜坡函數(shù)，000)( 1tttttAf(t)021)(ssR41加速度函數(shù)加速度函數(shù)02100)(2ttAttrA=1A=1時為單位加速度函數(shù)，時為單位加速度函數(shù)，02100)( 12tttttAf(t)031)(ssR42脈沖函數(shù)脈沖函數(shù)A=1A=1時為單位脈沖函數(shù)，時為單位脈沖函數(shù)，)( 1)( 1 )(00lim00ttttAtrt)( 1)( 1 1)(00lim00tttttrt正弦函數(shù)：正弦函數(shù)：)sin()(wtAtr，當，當A=1A=1時為單位正弦函數(shù)。時為單位正弦函數(shù)。 1)