自動化導(dǎo)論第三章

04二月20231/41《自動化導(dǎo)論》《IntroductiontoAutomation》04二月20232/41第三章自動控制系統(tǒng)的基本控制過程3.1人工控制和自動控制3.2自動控制系統(tǒng)的基本控制方式3.3不同輸入作用下的控制3.4不同特性信號下的控制3.5*

控制系統(tǒng)中的非線性現(xiàn)象本章小結(jié)04二月20233/413.1人工控制和自動控制實例：如何將水位水溫調(diào)整到期望狀態(tài)？這就是一個控制過程！04二月20234/41模型（方塊圖）控制過程的模型化！抽象含物質(zhì)、能量的流動過程抽象僅含信息的流動過程04二月20235/41單獨考慮溫度控制自動控制：沒有人直接參與，從測量到操作閥門等全部過程都用相關(guān)裝置（設(shè)備）代替人來完成。人工控制：對溫度感知和對閥門的操作完全由洗浴者自己完成。思考3-1：人在此控制系統(tǒng)中擔(dān)當(dāng)了哪些角色和功能？04二月20236/413.2自動控制系統(tǒng)的基本控制方式控制的目的？要求系統(tǒng)狀態(tài)（以水溫表征）向期望狀態(tài)（理想的水溫）轉(zhuǎn)移！

有哪些控制的方式？開環(huán)控制方式復(fù)合控制方式反饋控制方式04二月20237/413.2.1開環(huán)控制方式一種液位控制系統(tǒng)方塊圖：

其信號是沿箭頭方向單方面流動，不存在反饋，是典型的開環(huán)控制。優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、功耗小、動作快。缺點：對干擾無能為力，會使系統(tǒng)存在不允許的誤差，控制精度低04二月20238/41按擾動控制的開環(huán)控制方式（順饋控制）利用可測量的擾動經(jīng)測量變換后，作為補償作用，用來消除或削弱擾動對被控量的影響。但當(dāng)擾動作用較多時，將使得控制系統(tǒng)復(fù)雜化，很難協(xié)調(diào)地進行控制。思考3-2：可實施順饋控制的條件有哪些？（如彈道修正——射表）04二月20239/413.2.2反饋控制方式復(fù)習(xí)：什么叫反饋？示例：手動控制液位過程：04二月202310/41如果能用一些相應(yīng)的元部件來代替人工控制時各部分的功能，可以組成仿人液位控制系統(tǒng)：液位控制系統(tǒng)的控制過程04二月202311/41更一般的反饋控制方式思考3-3：那么多擾動該怎么辦？04二月202312/413.2.3復(fù)合控制方式復(fù)合控制系統(tǒng)中的補償控制（順饋控制）能及時地抵消可測擾動量對被控量的不利影響，而反饋控制能保證系統(tǒng)的高精度。這是一種得到廣泛應(yīng)用的控制方式。04二月202313/413.3不同輸入信號作用下的控制（1）這種函數(shù)在現(xiàn)場和實驗中容易得到；（2）控制系統(tǒng)在這種函數(shù)作用下的性能應(yīng)代表在實際工作條件下的性能；（3）這種函數(shù)的數(shù)學(xué)表達式簡單，便于理論計算。先思考幾個問題：（思考3-4）（1）輸入信號有什么作用？（2）有哪些類型的輸入信號？可選作典型輸入信號的函數(shù)應(yīng)具備的條件（3）為什么要引入典型輸入信號？04二月202314/41（1）階躍信號

3.3.1自動控制系統(tǒng)的典型輸入信號04二月202315/41（2）脈沖信號

04二月202316/41（3）斜坡信號

04二月202317/41（4）正弦信號04二月202318/413.3.2不同輸入信號下的控制分析與設(shè)計的重點：各種擾動對被控對象的影響及抗擾動的措施。（1）恒值控制（或稱自動調(diào)節(jié)、自動鎮(zhèn)定）控制系統(tǒng)的特點：參據(jù)量是一個恒定的數(shù)值（常值），要求被控量也是一個常值。典型參考輸入信號：一般采用階躍信號。典型應(yīng)用：工業(yè)生產(chǎn)中的恒溫、恒壓、恒液位等過程控制系統(tǒng)。04二月202319/413.3.2不同輸入信號下的控制分析與設(shè)計的重點：被控量跟隨未知的任意變化量的快速性和準確性

。（2）隨動控制（如被控量為機械量，又稱伺服控制）控制系統(tǒng)的特點：參據(jù)量是一個預(yù)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參據(jù)量的變化。典型參考輸入信號：一般采用斜坡信號。典型應(yīng)用：火炮（調(diào)炮）、函數(shù)記錄儀等系統(tǒng)。04二月202320/413.3.2不同輸入信號下的控制分析與設(shè)計的重點：控制精度的準確性、控制算法的快速性和控制程序的可靠性。

（3）程序控制控制系統(tǒng)的特點：參據(jù)量是預(yù)先規(guī)定的隨一定規(guī)律變化的函數(shù)，要求被控量快速、準確地加以復(fù)現(xiàn)。典型參考輸入信號：隨系統(tǒng)的作用和特點而定。典型應(yīng)用：數(shù)控機床、全自動家用電器等。04二月202321/413.4不同特性信號作用下的控制

3.4.1連續(xù)與離散控制從控制信號的特性角度，我們可以簡單地將所有控制系統(tǒng)分為連續(xù)控制系統(tǒng)和離散控制系統(tǒng)兩大類。

離散控制系統(tǒng)：指在系統(tǒng)的局部或全部是時間上的斷續(xù)信號。（即離散信號）連續(xù)控制系統(tǒng)：指系統(tǒng)中所有傳遞的信號都是時間上的連續(xù)函數(shù)。思考3-5：當(dāng)控制系統(tǒng)中存在數(shù)字式環(huán)節(jié)時該怎么辦？04二月202322/411、連續(xù)與離散控制系統(tǒng)04二月202323/41典型的離散控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)抽樣(采樣、sampling)：利用開關(guān)信號s(t)從連續(xù)信號f(t)中“抽取”一系列離散樣本值的過程。引例：信號數(shù)字處理（了解?。╅_關(guān)信號需解決的問題：F(j)S(j)如何進行抽樣？2、連續(xù)信號的離散化在信號處理中，傅里葉變換的典型用途是將信號分解成幅值分量和頻率分量

04二月202324/41

一個最高頻率為m的有限帶寬信號f(t)，可用均勻抽樣間隔的抽樣值fs(t)唯一確定。說明：

1)f(t)為有限帶寬信號，即：||>m時,F(j)=0

2)抽樣間隔或:抽樣頻率

Shannon采樣定理時域抽樣定理04二月202325/4104二月202326/412、連續(xù)信號的離散化保持04二月202327/413.4.2數(shù)字計算機控制典型的計算機控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

04二月202328/41數(shù)字計算機控制系統(tǒng)是典型的離散控制系統(tǒng)，因此類控制系統(tǒng)的主要信息處理設(shè)備是數(shù)字計算機，故常稱其為計算機控制系統(tǒng)。計算機控制系統(tǒng)的硬件組成1）計算機主機2）輸入輸出設(shè)備3）人機接口設(shè)備計算機控制系統(tǒng)的軟件組成1）系統(tǒng)軟件2）應(yīng)用軟件幾點說明

04二月202329/413.5*

控制系統(tǒng)中的非線性現(xiàn)象

思考3-6：實際控制系統(tǒng)中的所有環(huán)節(jié)都呈線性特性嗎？A.理想的線性系統(tǒng)是不存在的，僅是實際系統(tǒng)的一種近似；B.只要控制系統(tǒng)中存在非線性元件，則系統(tǒng)必是非線性的；C.要基本了解非線性環(huán)節(jié)對控制系統(tǒng)性能影響的有利和不利面。本節(jié)學(xué)習(xí)提示04二月202330/41A.線性特性如元件（環(huán)節(jié)）的輸入/輸出特性滿足疊加原理，則稱該元件（環(huán)節(jié)）具線性特性，或稱該元件（環(huán)節(jié)）是線性的。線性元件的特性（a）方塊圖；（b）特性圖3.5*

控制系統(tǒng)中的非線性現(xiàn)象

04二月202331/41B.非線性特性如元件（環(huán)節(jié)）的輸入/輸出特性不滿足疊加原理，則稱該元件（環(huán)節(jié)）具非線性特性，或稱該元件（環(huán)節(jié)）是非線性的。非線性元件特性舉例：（a）方塊圖（b）飽和非線性；（c）死區(qū)非線性；（d）磁滯非線性；（e）繼電型非線性；（f）帶有死區(qū)的繼電型非線性；（g）具有磁滯的繼電型非線性04二月202332/413.5*

控制系統(tǒng)中的非線性現(xiàn)象

3.5.1線性與非線性控制系統(tǒng)線性控制系統(tǒng)：如控制系統(tǒng)中各元件的輸入/輸出特性均是線性的，則該控制系統(tǒng)被稱為線性控制系統(tǒng)，其動態(tài)過程可以用線性微分方程描述。非線性控制系統(tǒng)：如控制系統(tǒng)中有一個或一個以上元件的輸入/輸出特性是非線性的，則該控制系統(tǒng)被稱為非線性控制系統(tǒng)，其動態(tài)過程就要用非線性方程來描述。04二月202333/413.5*

控制系統(tǒng)中的非線性現(xiàn)象

3.5.2非線性特性元件對控制系統(tǒng)的影響不同非線性特性元件對控制系統(tǒng)性能的影響是不同的；有時，人們會有意識地利用非線性特性元件的特性，達到特定的系統(tǒng)輸出信號形式。要一分為二地看待不同非線性特性元件對控制系統(tǒng)性能的有利和不利影響；04二月202334/41死區(qū)特性

I-O過程：當(dāng)輸入小于等于a時，無輸出。

優(yōu)點：可抑制輸入端的小擾動信號，對提高系統(tǒng)的抗干擾能力有積極作用缺點：（1）會導(dǎo)致系統(tǒng)產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)誤差；（2）會導(dǎo)致系統(tǒng)輸出滯后輸入。不同非線性特性元件對控制系統(tǒng)性能的影響（選）

常見于測量（如反饋）、變換、放大等元件

04二月202335/41飽和特性

I-O過程：當(dāng)輸入大于等于a時，輸出保持不變。

優(yōu)點：可抑制系統(tǒng)的振蕩（但可能出現(xiàn)等幅振蕩）；可保護元件正常工作等。缺點：進入飽和時系統(tǒng)等效開環(huán)增益下降，導(dǎo)致過渡時間增加和穩(wěn)態(tài)誤差增大，甚至?xí)瓜到y(tǒng)喪失閉環(huán)控制作用！

常見于反饋、放大、執(zhí)行等元件

不同非線性特性元件對控制系統(tǒng)性能的影響（選）04二月202336/413.5*

控制系統(tǒng)中的非線性現(xiàn)象

3.5.3非線性控制系統(tǒng)的典型特征穩(wěn)定性不僅與系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)有關(guān)，而且與運動的初始條件、輸入信號有直接關(guān)系。

對于非線性系統(tǒng)，不存在系統(tǒng)是否穩(wěn)定的籠統(tǒng)概念，必須針對系統(tǒng)某一具體的運動狀態(tài)，才能討論其是否穩(wěn)定的問題。設(shè)t=0時，系統(tǒng)的初始條件為x0，可以求得上述微分方程的解為：幾個平衡態(tài)？幾個穩(wěn)定態(tài)？04二月202337/413.5*

控制系統(tǒng)中的非線性現(xiàn)象

3.5.3非線性控制系統(tǒng)的典型特征時間響應(yīng)與輸入信號的大小和初始條件有關(guān)。

tC(t)R2R10線性系統(tǒng)非線性系統(tǒng)04二月202338/413.5*

控制系統(tǒng)中的非線性現(xiàn)象

3.5.3非線性控制系統(tǒng)的典型特征自持振蕩——系統(tǒng)在沒有外界周期變化信號的作用下，系統(tǒng)中就能產(chǎn)生具有固定振幅和頻率的穩(wěn)定周期運動。

對正弦信號的響應(yīng)——非線性系統(tǒng)輸出的幅值A(chǔ)c與ω的關(guān)系可能會發(fā)生跳躍諧振和多值響應(yīng)。

跳躍諧振跳躍諧振不穩(wěn)定振蕩04二月202339/41本章小結(jié)控制的目的是要求系統(tǒng)狀態(tài)向期望狀態(tài)轉(zhuǎn)移，而要實現(xiàn)這種轉(zhuǎn)移則必須采用適當(dāng)?shù)目刂品绞?。在自動控制系統(tǒng)中，有前（順）饋控制（開環(huán)控制）

、反饋控制（閉環(huán)控制）和復(fù)合控制三種基本的控制方式。根據(jù)系統(tǒng)響應(yīng)的參據(jù)量的特點，自動控制系統(tǒng)可分為恒值控制、隨動控制和程序控制等三種基本控制形式。每種控制形式下的系統(tǒng)各有其分析和設(shè)計的重點話題。根據(jù)系統(tǒng)中采集、傳輸、處理和使用諸環(huán)節(jié)信