光-纖-通-信第1章-緒-論培訓資料

1第1章緒論1.1自動控制系統(tǒng)的基本概念與發(fā)展1.1.1自動控制的定義與基本組成閉環(huán)控制開環(huán)控制2所謂自動控制，是指在沒有人直接參與的情況下，利用外加的設備或裝置操縱機器、設備或生產過程，使其自動按預定規(guī)律運行的技術。定義：圖1-1人腦控制過程示意圖圖1-2仿人控制系統(tǒng)方框圖遙測、遙感31.1.2自動控制技術的發(fā)展歷史與現狀

外加設備或裝置，通常包括測量儀器、控制裝置和執(zhí)行機構。沒有檢測與執(zhí)行設備，單獨的控制器是無法發(fā)揮作用的。

發(fā)展歷史測控與軍事自動控制與民用工業(yè)

現代測控系統(tǒng)的發(fā)展現狀測控與科學51.2自動控制系統(tǒng)的基本控制方式

1.2.1開環(huán)控制系統(tǒng)所謂開環(huán)控制系統(tǒng)就是控制器與被控對象之間只有順向作用而無反向聯系，即控制是單方向進行的；系統(tǒng)的輸出量并不影響其控制作用，控制作用直接由系統(tǒng)輸入量產生。

直流電動機功率放大器激磁回路激磁電流電樞電壓6開環(huán)控制系統(tǒng)是最基本的不帶反饋（檢測裝置）的自動控制系統(tǒng)，其在生產過程及生活設施中隨處可見。

返回7輸入量輸出量圖1-4開環(huán)控制系統(tǒng)示意圖控制器執(zhí)行器

缺陷：由于系統(tǒng)周圍環(huán)境的變化會給系統(tǒng)造成干擾，開環(huán)控制系統(tǒng)的輸出量不可能精確地對應于輸入量，因此開環(huán)系統(tǒng)不具備克服輸出量與輸入量之間的偏差的能力，它的準確性和穩(wěn)態(tài)精度都不高。如果系統(tǒng)輸入量再隨時間變化，而系統(tǒng)的被控對象一般都存在慣性，所以不可能瞬時完成對輸入量的響應?！垢蓴_能力差

81.2.2閉環(huán)控制系統(tǒng)9前向通路

給控制系統(tǒng)引入反饋，即把輸出量饋送到系統(tǒng)輸入端，以便與輸入信號進行比較，取其偏差作為控制器的輸入，如圖所示。這樣的系統(tǒng)稱為帶負反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)。

——抗干擾性能優(yōu)于開環(huán)10外擾——由系統(tǒng)的動力源或負載變化以及外部因素引起。

擾動量內擾——由組成系統(tǒng)的元部件參數的變化引起。注意：加在控制器上的信號是輸入量和反饋量之間的差(偏差)?？刂破魉a生的控制作用力圖減小或者消除這種偏差。

帶有負反饋的閉環(huán)控制又稱為偏差控制

11液位閉環(huán)控制系統(tǒng)12爐溫閉環(huán)控制系統(tǒng)

冷水電加熱器溫控開關水箱給定溫度熱水測溫元件圖1-6電加熱器系統(tǒng)燃氣溫度控制系統(tǒng)爐溫開環(huán)控制系統(tǒng)13

冷水電加熱器溫控開關水箱給定溫度熱水測溫元件圖1-6電加熱器系統(tǒng)控制器—溫控開關輸入量—期望溫度輸出量—測溫元件檢測到的實際水溫偏差—由溫控開關確定外擾—注入的冷水和流出的熱水執(zhí)行機構—電加熱器14優(yōu)勢：有效地抑制前向通道中各種擾動對系統(tǒng)輸出量的影響，提高系統(tǒng)的抗擾動性能，增強魯棒性，改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度，提高響應速度。問題：慣性使控制作用不能及時校正系統(tǒng)誤差。如果控制系統(tǒng)的強激作用與被控對象的慣性匹配不當，還可能產生振蕩，甚至不穩(wěn)定。1.2.3復合控制系統(tǒng)使用條件：當單獨采用開環(huán)控制或閉環(huán)控制不能得到理想的控制效果時，可以采用開環(huán)和閉環(huán)控制相結合的復合控制系統(tǒng)。

15圖1-7復合控制示意圖作用：帶有負反饋的閉環(huán)控制起主調節(jié)作用，而帶有前饋的開環(huán)控制則起輔助作用。16圖1-8電動機復合控制系統(tǒng)

電動機速度復合控制系統(tǒng)是按擾動作用補償的復合控制系統(tǒng)。負載大小的改變引起轉速變化，反映在圖1-8（b）中即為負載轉矩Mc的改變。實例：171.3自動控制系統(tǒng)的基本類型1.3.1調節(jié)系統(tǒng)和隨動系統(tǒng)調節(jié)系統(tǒng)或恒值系統(tǒng)——系統(tǒng)的輸入量恒定不變的。輸入量并非被控對象的實際輸入而是希望輸出能夠達到的期望值，所以又稱其為參考輸入。隨動系統(tǒng)——系統(tǒng)的輸出能夠緊緊跟隨其輸入變化，并要求具有一定的跟隨精度。在這種系統(tǒng)中，輸入量的變化往往是任意的，非預知的。

基本控制方式：開、閉環(huán)，復合18

＋給定轉速給＋實際轉速定電位直流測速器－－電動機發(fā)電機生產機構圖1-9電動機轉速恒值調節(jié)系統(tǒng)

電壓和功率放大器工作原理：測速發(fā)電機將檢測到的實際轉速轉換成電壓反饋到輸入端，通過運算放大器與參考輸入（給定轉速的電壓當量）進行比較，取其偏差進行控制。

電、汽加熱系統(tǒng)（圖1-6所示）也是一個溫度恒值調節(jié)系統(tǒng)。日常生活中還有許多如壓力、水位、流量以及電壓、電流等參量的恒值調節(jié)系統(tǒng)。19＋＋

輸出角度－

同位儀電壓和功率放大器直流電動機炮身輸入角度圖1-10地空導彈跟蹤系統(tǒng)示意圖

20＋＋

輸出角度－

同位儀電壓和功率放大器直流電動機炮身輸入角度圖1-10火炮跟蹤系統(tǒng)示意圖

工作原理：同位儀是誤差檢測裝置，輸入信號是火炮跟蹤目標的監(jiān)測角度，反饋裝置把炮架轉動的角度送入同位儀，放大裝置輸出相應的偏差信號，使直流電動機帶動火炮的炮架轉動，如此直至反饋的角度信號與輸入的角度信號相等時，放大裝置的輸出功率為零，電動機停止轉動。由于火炮的目標是飛行物體，因此系統(tǒng)的輸入角度必須根據實際目標方位隨時調整，所以火炮跟蹤系統(tǒng)是一個隨動系統(tǒng)。211.3.2連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)連續(xù)系統(tǒng)——系統(tǒng)各個組成環(huán)節(jié)的輸入、輸出信號都是時間連續(xù)信號。

上面所舉的恒值調節(jié)系統(tǒng)和隨動系統(tǒng)的例子都屬于連續(xù)控制系統(tǒng)。

一般采用微分方程作為分析連續(xù)系統(tǒng)的數學工具。

離散系統(tǒng)——系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)的輸入、輸出信號都是離散信號。如果控制系統(tǒng)中既有連續(xù)信號又有離散信號，則稱之為采樣（離散）控制系統(tǒng)。

離散信號脈沖信號數字信號

離散系統(tǒng)的動態(tài)性能一般要用差分方程來描述和分析。22

圖1-11電阻爐溫度微機控制系統(tǒng)熱電偶

電阻電爐絲A/D轉換器單片機放大濾波D/A轉換器觸發(fā)電路微機控制的集成度越來越高→DSP、嵌入式系統(tǒng)、SOC晶閘管控制電路全數字化

電阻爐溫度微機控制系統(tǒng)屬于采樣控制系統(tǒng)。

A/D、D/A轉換器和單片機之間傳遞的是數字信號。有些控制系統(tǒng)轉換采用V/F、F/V變換器，那么它們與單片機之間傳遞的是脈沖信號。23圖1-12微機控制系統(tǒng)示意圖1.3.3單輸入單輸出系統(tǒng)和多輸入多輸出系統(tǒng)（SISO-SingleInputandSingleOutput）——只有一個輸入量和一個輸出量的控制系統(tǒng)。分析方法——以傳遞函數為基礎的時域法、頻域法和根軌跡法。

主要研究系統(tǒng)的輸入輸出特性。

可用低階微分方程（或差分方程）來描述簡單的SISO系統(tǒng)，可靠手算分析，這就是最初的時域法。數字控制器24

必須用高階微分（動態(tài)）方程來描述復雜的SISO系統(tǒng)，計算機輔助分析，狀態(tài)空間法。

多輸入多輸出系統(tǒng)（MIMO-Multi-inputandmulti-output

）——多信號、多回路、多變量且相互之間還有關聯（耦合）的復雜控制系統(tǒng)。分析方法——以狀態(tài)空間為基礎的“現代控制理論”?！刂破鞅豢貙ο鬁y量陣列反饋陣列……

控制擾動量狀態(tài)輸入量作用變量輸出量

r(t)u(t)x(t)y(t)

不局限于研究輸入輸出特性，而關注內部狀態(tài)的運動規(guī)律以及相互之間的關系，使系統(tǒng)在一定的控制約束和某種性能指標下實現最優(yōu)控制。251.3.4線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)線性系統(tǒng)——系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的輸入輸出特性是線性的，可以用線性微分（或差分）方程來描述。線性定常（時不變）：線性常微分方程。線性時變系統(tǒng)：線性微分方程的系數是時間函數。主要特點：

可以應用疊加和齊次性原理來處理輸入輸出之間的關系，以傳遞函數為基礎的經典控制理論是其主要研究依據。26

輸出輸出輸出輸出

輸入輸入輸入輸入（a）（b）（c）（d）圖1-14常見的非線性系統(tǒng)特性

非線性系統(tǒng)——在動態(tài)系統(tǒng)中，只要有一個元器件的輸入輸出特性是非線性的，就稱為非線性系統(tǒng)，用非線性微分（或差分方程）來描述。

不適用疊加和齊次性原理。

非本質非線性：可在工作點附近的小鄰域內線性化。本質非線性：工作點的定義域內存在間斷點，不是連續(xù)可微。需要專門的處理方法，例如描述函數法和相平面法等，目前較實用并有效地模糊控制。

271.3.5其它類型

確定性系統(tǒng)和隨機系統(tǒng)（數理統(tǒng)計、現代控制理論中的模型辨識和現代控制工程中的自適應控制方法）集中參數系統(tǒng)和分布參數系統(tǒng)4對控制系統(tǒng)的要求和本書內容簡介自動控制理論電機與拖動模擬電子技術線性代數微積分（含微分方程）復變函數、拉普拉斯變換電路理論大學物理（力學、熱力學）信號與系統(tǒng)28

控制系統(tǒng)設計：穩(wěn)態(tài)精度很高的系統(tǒng)容易導致動態(tài)品質惡化，甚至不穩(wěn)定。動態(tài)性能好的系統(tǒng)有可能達不到高穩(wěn)態(tài)精度的要求。

對控制系統(tǒng)的要求：穩(wěn)態(tài)性能（精度）：輸出響應的穩(wěn)態(tài)誤差。穩(wěn)定性：系統(tǒng)能夠正常工作的基本前提動態(tài)性能：系統(tǒng)輸出響應的快速性和超調量29

自動控制理論課程的內容：系統(tǒng)分析——將給定物理系統(tǒng)抽象成數學模