自動控制理論 翁思義 第一章 概論

1、第一章第一章 概論概論u 對自動控制系統(tǒng)的性能要求對自動控制系統(tǒng)的性能要求 u 常規(guī)控制器的組成常規(guī)控制器的組成 u 自動控制系統(tǒng)的分類自動控制系統(tǒng)的分類 自動控制自動控制：是指在無人直接參與的情況下，利用外加的設(shè)備或裝置( (控制裝置或控制器）控制裝置或控制器），使工作機械、設(shè)備或生產(chǎn)過程（被控對象）（被控對象）的某一個物理量（被控量）（被控量）按預(yù)定的規(guī)律（給定量）（給定量）運行。 第一節(jié)第一節(jié) 自動控制和自動控制系統(tǒng)的基本概念自動控制和自動控制系統(tǒng)的基本概念 眼睛大腦手臂、手眼睛輸出量（手位置）輸入信號（書位置）被控對象被控量測量元件自動控制系統(tǒng)：能夠?qū)崿F(xiàn)自動控制任務(wù)的系統(tǒng)，由控制裝置與

2、被控對象組成；受控對象：要求實現(xiàn)自動控制的機器、設(shè)備或生產(chǎn)過程擾動：擾動是一種對系統(tǒng)的輸出產(chǎn)生不利影響的信號。如果擾動產(chǎn)生在系統(tǒng)內(nèi)部稱為內(nèi)擾；擾動產(chǎn)生在系統(tǒng)外部，則稱為外擾。外擾是系統(tǒng)的輸入量。給定值：受控對象的物理量在控制系統(tǒng)中應(yīng)保持的期望值，又稱參考輸入或給定值。反饋：將系統(tǒng)的輸出量饋送到參考輸入端，并與參考輸入進行比較的過程。偏差信號：輸入信號與反饋信號的差值。自動控制理論常用術(shù)語人所起的三個作用: : (1) (1) 通過轉(zhuǎn)速表觀察電機的轉(zhuǎn)速; ;(2) (2) 將觀察到的轉(zhuǎn)速與需要保持的轉(zhuǎn)速在頭腦中進行比較; ;(3) (3) 根據(jù)比較得出的結(jié)論去調(diào)整電位器的輸出電壓. .人工控制直

3、流電動機轉(zhuǎn)速示意圖如下所示人工控制直流電動機轉(zhuǎn)速示意圖如下所示: :直流電動機自動控制系統(tǒng)： 第二節(jié)第二節(jié) 自動控制系統(tǒng)和常規(guī)控制器的組成自動控制系統(tǒng)和常規(guī)控制器的組成 一、自動控制系統(tǒng)組成及方框圖：一、自動控制系統(tǒng)組成及方框圖：比較元件、控制器、受控對象、測量、變送元件比較元件、控制器、受控對象、測量、變送元件一個完整的控制系統(tǒng)，應(yīng)該由如下幾個部分組成：給定元件： 給定元件的職能就是給出與期望的被控量相對應(yīng)的系統(tǒng)輸入量（即參考量）；比較元件： 把測量元件檢測到的被控量的實際值與給定元件給出的參考值進行比較，求出它們之間的偏差。常用的比較元件有差動放大器、機械差動裝置和電橋等。測量反饋元件：該

4、元部件的職能就是測量被控制的物理量，如果這個物理量是非電量，一般需要將其轉(zhuǎn)換成為電量。常用的測量元部件有測速發(fā)電機、熱電偶、各種傳感器等；放大元件： 將比較元件給出的偏差進行放大，用來推動執(zhí)行元件去控制被控對象。如電壓偏差信號，可用電子管、晶體管、集成電路、晶閘管等組成的電壓放大器和功率放大級加以放大。二、常規(guī)控制器的組成二、常規(guī)控制器的組成第三節(jié)第三節(jié) 自動控制系統(tǒng)的分類自動控制系統(tǒng)的分類 一、按自動控制系統(tǒng)是否形成閉合回路分類：1.開環(huán)控制系統(tǒng)：一個控制系統(tǒng)，如果在其控制器的輸入信號中不包含受控對象輸出端的被控量的反饋信號，則稱為開環(huán)控制系統(tǒng)。 2.閉環(huán)控制系統(tǒng)：一個控制系統(tǒng)，如果在其控制

5、器的輸入信號中包含來自受控對象輸出端的被控量的反饋信號，則稱為閉環(huán)控制系，或稱為反饋控制系統(tǒng)。1.開環(huán)控制系統(tǒng)： 功率功率放大放大SM負(fù)載負(fù)載+u0nua開環(huán)系統(tǒng)優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，缺點：控制的精度較差； 2.閉環(huán)控制系統(tǒng)：閉環(huán)控制系統(tǒng)優(yōu)點：控制精度高， 缺點：結(jié)構(gòu)復(fù)雜、設(shè)計分析麻煩，制造成本高。 1.反饋控制系統(tǒng)：是根據(jù)被控量和給定值的偏差進行調(diào)節(jié)的，最后使系統(tǒng)消除偏差，達(dá)到被控量等于給定值的目的。2.前饋控制系統(tǒng)。3.前饋反饋復(fù)合控制系統(tǒng)。 二、按信號的結(jié)構(gòu)特點分類：1.恒值控制系統(tǒng)：若自動控制系統(tǒng)的任務(wù)是保持被控量恒定不變，也即是被控量在控制過程結(jié)束在一個新的穩(wěn)定狀態(tài)時，被控量等于給定值。

6、2.隨動控制系統(tǒng)：它又稱隨動系統(tǒng)，它是被控量的給定值隨時間任意變化的控制系統(tǒng)，隨動控制系統(tǒng)的任務(wù)是在各種情況下使被控量跟蹤給定值的變化。 3.程序控制系統(tǒng)：在這類系統(tǒng)中，被控量的給定值是一個已知的時間函數(shù)，控制的目的是要求被控量按確 定的給定值時間函數(shù)來改變。 三、按給定值信號的特點分類：1.1.線性系統(tǒng)是指組成系統(tǒng)的元器件的靜態(tài)特性為直線，能用線性常微分方程描述其輸出與輸入關(guān)系的系統(tǒng)。線性系統(tǒng)的主要特點是具有疊加性和齊次性。2.非線性系統(tǒng)是指組成系統(tǒng)的元器件中有一個以上不能用線性方程描述。非線性系統(tǒng)還可分為非線性時變系統(tǒng)與非線性定常系統(tǒng)。 嚴(yán)格地說，實際上不存在理想的線性系統(tǒng)。四、按控制系統(tǒng)

7、元件的特性分類：1.連續(xù)時間系統(tǒng)：當(dāng)控制系統(tǒng)的傳遞信號都是時間的連續(xù)函數(shù)，這種系統(tǒng)稱之為連續(xù)（時間）控制系統(tǒng)。連續(xù)控制系統(tǒng)又常稱作為模擬量控制系統(tǒng)。 2.離散（時間）控制系統(tǒng)：控制系統(tǒng)在某處或幾處傳遞的信號是脈沖系列或數(shù)字形式的在時間上是離散的系統(tǒng)，稱為離散控制系統(tǒng)或離散時間控制系統(tǒng)。 四、按控制系統(tǒng)信號的形式分類：第四節(jié)第四節(jié) 對自動控制系統(tǒng)的性能要求對自動控制系統(tǒng)的性能要求 定義：定義：通常將系統(tǒng)受到給定值或干擾信號作用后，被控量變化的全過程稱為通常將系統(tǒng)受到給定值或干擾信號作用后，被控量變化的全過程稱為系統(tǒng)的動態(tài)過程。系統(tǒng)的動態(tài)過程。控制系統(tǒng)的動態(tài)過程有哪幾種？控制系統(tǒng)的動態(tài)過程有哪幾種

8、？ 答：答：單調(diào)過程。衰減振蕩過程。等幅單調(diào)過程。衰減振蕩過程。等幅振蕩過程。漸擴震蕩過程。振蕩過程。漸擴震蕩過程。 n 穩(wěn)：穩(wěn)： 指動態(tài)過程的穩(wěn)定性。指動態(tài)過程的穩(wěn)定性。n 快：快： 指動態(tài)過程的快速性。指動態(tài)過程的快速性。n 準(zhǔn)：準(zhǔn)： 指動態(tài)過程的最終精度。指動態(tài)過程的最終精度。1.系統(tǒng)的動態(tài)過程系統(tǒng)的動態(tài)過程2. 工程上評價控制系統(tǒng)的性能要求工程上評價控制系統(tǒng)的性能要求tnn1(a)0(b)nt0n0n1t0n(c)n0t(e)n1n0t(d)n0n1n0t(f)控制系統(tǒng)的動態(tài)過程控制系統(tǒng)的動態(tài)過程（1）穩(wěn)定性：對恒值系統(tǒng)而言，要求當(dāng)系統(tǒng)受到擾動后，經(jīng)過一定時間的調(diào)整能夠回到原來的期望值

9、。而對隨動系統(tǒng)而言，被控制量始終跟蹤參考量的變化。穩(wěn)定性通常由系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)決定的，與外界因素?zé)o關(guān)，系統(tǒng)的穩(wěn)定性是對系統(tǒng)的基本要求，不穩(wěn)定的系統(tǒng)不能實現(xiàn)預(yù)定任務(wù)。 （2）準(zhǔn)確性：控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確性一般用穩(wěn)態(tài)誤差來表示。即系統(tǒng)在參考輸入信號作用下，系統(tǒng)的輸出達(dá)到穩(wěn)態(tài)后的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。（3）快速性：對過渡過程的形式和快慢的要求，一般稱為控制系統(tǒng)的動態(tài)性能。系統(tǒng)的快速性主要反映系統(tǒng)對輸入信號的變化而作出相應(yīng)的快慢程度，如穩(wěn)定高射炮射角隨動系統(tǒng)，雖然炮身最終能跟蹤目標(biāo)，但如果目標(biāo)變動迅速，而炮身行動遲緩，仍然抓不

10、住目標(biāo)?？刂葡到y(tǒng)的性能要求控制系統(tǒng)的性能要求16常規(guī)控制器中定值元件的作用是產(chǎn)生 信號，其類型應(yīng)與 來的信號一致。17 、 和準(zhǔn)確性是對自動控制系統(tǒng)性能的基本要求。 2002年10月高等教育自學(xué)考試 三、名詞解釋 26自動控制四、簡答題 34簡要說明發(fā)電機閉環(huán)勵磁控制系統(tǒng)工作原理。 2003年10月高等教育自學(xué)考試 二、填空題 16.線性控制系統(tǒng)的特點是可以使用_原理。 四、簡答題 31.開環(huán)控制系統(tǒng)的優(yōu)缺點是什么? 二、填空題二、填空題 2004年10月高等教育自學(xué)考試 24線性控制系統(tǒng)是指其動態(tài)過程可以用_方程描述的控制系統(tǒng)。 三、名詞解釋三、名詞解釋 26自動控制系統(tǒng)2005年1月高等教育自學(xué)考試 16. 根據(jù)系統(tǒng)給定值信號的特點，控制系統(tǒng)可分為_控制系統(tǒng)、_ 控制系統(tǒng)和程序控制系統(tǒng)。 17. 對于一個自動控制系統(tǒng)的性能要求可以概括為三個方面：穩(wěn)定性、_和準(zhǔn)確性。26. 非線性控制系統(tǒng) 2005年10月高等教育自學(xué)考試 16在