自动控制原理第1章_自动控制系统的基础知识

自动控制原理课程的性质和特点自动控制是一门技术学科，它是从方法论的角度来研究系统的建立、分析与设计。《自动控制原理》是本学科的专业基础课，是自动控制理论的基础课程，该课程与其他课程的关系如下:微积分（含微分方程）电机与拖动模拟电子技术线性代数电路理论信号与系统自动控制理论复变函数、拉普拉斯变换大学物理（力学、热力学）课程的性质和特点自动控制理论已经发展为理论严密、系统完整、逻辑性很强的一门学科。从基本反馈控制原理发展到自适应控制、优化控制、鲁棒控制、大系统控制、智能控制。课程的性质和特点●讨论的对象：因果系统、工程系统●系统的广义性：经济、社会、工程、生物、环境、医学●课程特点：研究系统的共性问题数学模型实际系统物理模型方法（系统组成分析、设计）第1章自动控制系统的基础知识教学重点了解自动控制系统的基本结构和特点及其工作原理；了解闭环控制系统的组成和基本环节；掌握反馈控制系统的基本要求－稳定性、动态和稳态性能指标；学会自动控制系统的类型及本质特征。教学难点自动控制系统的基本工作原理，自动控制系统的结构及特点、组成和基本环节，自动控制系统的性能指标，自动控制系统的类型。概述：在人类社会走向信息化的今天，计算机、通信、信息处理技术的发展对社会经济以及人类生活产生了巨大影响。其中，自动控制作为一种技术手段已经广泛地应用于工业、农业、国防以及日常生活和社会科学的各个领域。自控理论：自动控制理论就是研究自动控制共同规律的科学技术，自动控制原理仅是工程控制论中的一个分支，是研究控制系统分析和设计的一般理论。本章内容：本章是自动控制技术及应用的基础，主要介绍自动控制的基本原理和概念，自动控制系统的组成和分类，以及自动控制系统的性能指标等。本章内容包括：自动控制理论的发展自动控制系统的基本原理自动控制系统的分类自动控制系统的基本要求1.1自动控制理论的发展控制理论的发展过程一般可分为三个阶段：●“经典控制理论”时期●“现代控制理论”时期●“大系统理论”和“智能控制”时期1.经典控制理论●研究对象：单输入－单输出系统（线性定常系统）●研究方法：以传递函数、频率特性、根轨迹为基础的频域分析方法。●代表人物：维纳（《控制论》）、伯德（伯德图法）和伊文思（根轨迹法）。2.现代控制理论●研究对象：多输入－多输出系统（线性定常或非线性时变）●研究方法：状态空间方法●代表人物：庞特里亚金（极大值原理）、贝尔曼（动态规划原理）、卡尔曼（卡尔曼滤波）等3.大系统理论和智能控制●关系：前者是控制理论在广度上的开拓，后者是控制理论在深度上的挖掘。●研究内容：“大系统理论”通过采用控制和信息的观点，研究各种大系统的结构方案、总体设计中的分解方法和协调等问题。“智能控制”通过模拟人类智能活动及其控制与信息传递过程的规律，研究具有某些仿人智能的工程控制与信息处理系统。1.2自动控制系统的基本原理1.自动控制系统的基本概念●自动控制：没有人的直接干预，利用控制装置使被控对象（如生产设备）的工作状态或被控制量按照预定的规律运行。●自动控制系统：实现上述自动控制的目的，由相互联系和制约的各部件组成的具有特定功能的整体称为自动控制系统。2.自动控制系统的组成基本工作原理：通过测量装置随时监测被控量，并与给定值进行比较，产生偏差信号；根据控制要求对偏差进行计算和信号放大，并且产生控制量，驱动被控制量维持在期望值附近。自动控制系统组成：由被控对象以及为完成控制任务而配置的控制装置两大部分构成。图1-1自动控制系统框图●被控对象：是控制系统所控制和操纵的对象，它接受控制量并输出被控量。可以是一套装置或设备，也可以是一个动态过程（被控制的运行状态）。如化工行业中从原料到产品的生产工艺流程。●测量环节：其作用是检测被控对象的控制量（温度、压力、流量、位移等），并且一般需要转换为标准的电信号（如0~5V直流电压或0~10mA直流电流），以便于处理。为了保证控制精度，测量环节应当测量准确，并且牢固、可靠，受环境条件影响小。●比较环节：其作用是将测量环节的实际输出值与给定量进行比较，求出它们之间的偏差。通常采用的比较元件有差动放大器、电桥、机械的差动装置等。●计算环节：它是控制装置的核心，决定着控制系统性能的好坏。其作用是根据控制要求，对偏差信号进行各种计算并形成适当的控制作用。校正装置就是可以实现某种“控制规律”的计算环节，从而改善系统的动态、稳态性能。对于复杂的运算可以利用计算机完成。●放大环节：由于经过计算机处理的信号通常是标准化的弱信号，不能驱动被控对象，因此需要加以放大。放大环节的输出必须有足够的能量，一般需要幅值的放大和功率的放大，才能实现驱动能力。●执行环节：其作用是产生控制量，直接推动被控对象的控制量发生变化。如电动机、调节阀门等就是执行元件。常用的名词术语●给定量：又称为参考输入，是指人为给定的并且要求系统输出量参照变化的外部指令信号。给定量与期望的输出量之间一般存在着物理量纲转换关系。给定量可以是常值，也可以是随时间变化的已知函数或未知函数。●被控量：又称为输出量，是指被控对象中某个需要被控制的物理量。它与给定量之间存在一定函数关系。●干扰：又称为扰动信号，是指由某些因素（外部和内部）引起的、对系统被控量产生不利影响的信号。●反馈：是系统的输出量从被控量端（输出）经变换、处理到达系统的给定量端（输入）。若是从系统输出端到系统输入端，这种反馈称为主反馈；而其他反馈称为局部反馈。●前向通道：是从系统的给定量端（输入）到被控量端（输出）所经过的通路。●偏差：是给定量与反馈量之差。●误差：是系统输出量的实际值与期望值之差。系统期望值是理想化系统的输出，实际中很难达到。在单位反馈情况下，期望值就是系统的给定量，则误差就等于偏差。●系统：是一些部件的组合，能完成一定的任务。系统的概念可以应用于抽象的动态现象。1.3自动控制系统的分类●按系统结构分类●按系统输入信号分类●按系统数学模型分类●按系统参数特性分类●按系统时间变量特性分类●其他分类方法1.按系统结构分类（1）开环控制系统工作原理：在控制器和被控对象之间只有正向控制而没有反馈控制，即系统的输出量对控制量没有影响。图1-2开环控制系统原理框图(2)闭环控制系统工作原理：根据被控量的反馈信息，即实际输出量，来修正控制装置对被控对象的控制作用，实现控制任务。图1-3闭环控制系统原理框图(3)复合控制系统工作原理：闭环控制与开环控制相结合的一种自动控制系统。在闭环控制的基础上，附加一个正馈通道，对干扰信号进行补偿，以达到精确的控制效果。图1-4复合控制系统原理框图2.按系统输入信号分类（1）恒值控制系统系统的输入信号是某一恒定的常值，要求系统能够克服干扰的影响，使输出量在这一常值附近微小变化。举例：连续生产过程中的恒温、恒压、恒速等自动控制系统。（2）程序控制系统系统的输入信号是某一已知的时间函数（不是常数），要求系统按照该时间函数进行顺序操作。举例：数控机床按给定程序加工一个工件、家用洗衣机等。（3）随动控制系统（或称伺服控制系统）系统的输入信号是一个未知的随时间任意变化的函数，要求输出量能够精确地跟随输入信号变化，称为随动控制系统。随动控制系统中的被控量是机械位置或其导数时，称为伺服控制系统。举例：导弹自动跟踪系统等。3.按系统数学模型分类（1）线性系统系统的运动规律可以用一个或一组线性微分方程来描述。线性系统的运动方程一般形式为式中，为输入量；为输出量。()(1)(1)()(1)(1)011011nnmmnnmmayayayaybrbrbrbrry线性系统的两个重要特性叠加性：当同时存在几个输入量时，线性系统的输出量等于各输入量单独作用时所产生的输出量之和。即若当系统的输入分别为和时，对应的输出分别为和，则当和同时作用时，输出量为。齐次性：当输入量增大或缩小Ｋ(Ｋ为实数)倍时，线性系统的输出量也增大或缩小相同倍数。即若系统的输入为时，对应的输出为，则当输入量为时，输出量为。1()rt2()rt1()yt2()yt1()rt2()rt12()()ytyt()rt()yt()Krt()Kyt（2）非线性系统●特点：系统某一环节具有非线性特性，不满足叠加原理。●典型的非线性特性：继电器特性、死区特性、饱和特性、间隙特性等。图1-5典型的非线性特性4.按系统参数特性分类（1）定常系统系统参数在系统运行过程中相对于时间是不变的。举例：许多物理系统在所观察的时间范围内，可以认为参数是定常的，它的微小变化可以忽略不计。（2）时变系统系统中的参数是时间的函数。举例：在工程上的大部分系统属于这类系统。5.按系统时间变量特性分类（1）连续时间系统控制系统各环节的输入量和输出量均为时间的连续函数。举例：工业生产中普遍采用的常规仪表控制系统。（2）离散时间系统控制系统中有一处或一处以上的信号是脉冲序列或数字编码，又称为采样控制系统。图1-6采样控制系统方框图随着数字计算机技术的飞速发展，计算机作为控制器已经广泛引入控制系统中。计算机控制系统就是通过A/D转换器，将采样信号转换为数字信号进行运算、处理，得到的结果再经过D/A转换器转换为模拟信号，用以驱动执行机构。图1-7计算机控制系统方框图６.其他分类方法●按控制系统的输入、输出数量分类，有单输入－单输出系统和多输入－多输出系统；●按控制系统的功能分类，有温度控制系统、位置控制系统、速度控制系统等；●按组成系统的部件分类，有机械系统、电力系统、液压系统等；●按控制理论分类，有PID控制系统、最优控制系统、预测控制系统、模糊控制系统等。1.4自动控制系统的基本要求对于线性定常系统，性能指标主要包括三个方面内容：稳定性、动态性能指标和稳态误差。1.稳定性一个控制系统能正常工作的首要条件。稳定系统：当系统受到外部干扰后，输出会偏离正常工作状态，但是当干扰消失后，系统能够回复到原来的工作状态，系统的输出不产生上述等幅振荡、发散振荡或单调增长运动。2.动态性能指标反映控制系统输出信号跟随输入信号的变化情况。当系统输入信号为阶跃函数时，其输出信号称为阶跃响应。图1-8阶跃输入信号和输出响应曲线3.稳态误差稳态误差（或称为静态误差）是指系统到达平衡状态（过渡过程结束后）后被控量与给定量之间的偏差，记为。一般要求稳态误差在给定量的2％～5％之内。sse