(浙江科技学院)第一章控制系统导论

第一章控制系统导论-1-第一章控制系统导论本章提纲1.1自动控制的基本原理1.2自动控制系统的分类1.3对控制系统的基本要求1.4自动控制的发展简史1.5控制系统设计导论本章小结本章重点：自动控制与自动控制系统的基本概念；自动控制系统各个基本物理量；系统的方框图的绘制；自动控制系统的分类，对控制系统的基本要求，自动控制的历史等问题。导论这门课程研究的是系统的分析方法，因此，我们首先应对系统的概念有所了解。1、系统的概念所谓系统，是指若干个环节以一定的方式组合起来，并能够完成或实现一定功能的集合。如：血液循环系统、神经系统；商品流通系统、自动控制系统等等。要想对系统进行分析、处理，甚至设计一个系统，则首先需要对系统进行一个客观地、准确地描述。描述需要通过语言来表达，并通过不同的形式、不同的视角对一个事物、一个系统进行描述。犹如学生要解一道题时，首先要审题，看懂题，什么叫看懂了，就是说能够把题的中含义能够作作图啊、绘制曲线等方式描述出来，描述的越准确，越符合题意，计算的结果就会越正确，通常说，对问题能够正确地描述（题意弄懂了），问题也就等于做了一半。2、系统的描述方法从系统的组成角度来描述可以有如下结论：系统是由若干个子系统（或叫小系统或叫环节）组成。换句话说，系统可以分解为若干个子系统（或叫小系统或叫环节）。从系统的不同方式，不同用途，不同的结构形式都可以进行分类描述。3、描述语言或手段：雕塑、绘画、物理模型、数学公式（模型）各种座标曲线等等，都可以视为表达人们观察事物或系统后的一种描述语言或描述方法。雕塑家用雕塑语言，如泥雕、浮雕等等，来表达他心中的事物映像。画家用绘画语言，如油画、水彩画等等，来表达他心中的事物映像；而工程师则用数学语言，如微分方程、代数方程，各种变换，来表达他心中的事物映像。要分析问题，首先要求对问题或研究对象的描述要准确、要反映问题的实质的内在的东西。从这一点出发，数学语言的描述（表现形式是数学表达式或数学模型）通常是较为准确的，特别是微分方程，能够反映事物发展变化过程中每一瞬间的速度、位置、姿态等物理量的信息，使得人们能够更深入地去分析研究事物变化过程，从而采取改进措施和控制。这也是为什么这门课程要反复运用数学工具或数学模型来描述系统的原因。例如：什么叫做两个相同的系统。相同的概念是指什么？相同的概念是指两个系统具有相同的数学模型，当两个系统数学模型相同时，尽管其外在形式不同，仍视为相同的系统。看下面两个系统就可知道：第一章控制系统导论-2-RCvivoxoxikfdxo/dttutuRtiic0dtoiodxfxxktutudttduRCiccioodtkxkxdxf仅仅有了语言还不够，语言仅仅是一个描述事物或系统的一个工具。还要拥有相关事物的大量信息和数据。这些信息和数据主要来源于对事物或系统的观察，并以此做为语言描述的依据，而这些信息和数据又与观察者所与被观察者的相对位置和的角度有关，于是有：从时域角度观察，根据系统的输入量与输出量随时间变化的过程中得到的信息和数据，并运用数学方法和手段进行描述，如输入量与输出量随时间的变化曲线；输入量与输出量之间的函数关系表达式；系统内部的结构框图；动态微分方程等形式。依据数学的描述结果，对事物和系统进行分析就形成了一整套的时域分析方法。同样道理，如从频域角度观察，根据系统的输入量与输出量随频率的变化的过程中得到的信息和数据，并运用数学方法和手段进行描述，如输入量与输出量随频率的变化曲线（频谱曲线）；输入量与输出量之间的频谱函数关系表达式等形式。依据数学的描述结果，对事物和系统进行分析就形成了一整套的频域分析方法。从系统中的每个环节或子系统输入量与输出量之间（数学描述）的相互关系去观察，又形成了系统结构框图分析方法。从系统的数学描述表达式或数学模型中的根的变化轨迹去观察，又形成了根轨迹分析方法。由此看出，无论哪种方法，数学是基础。主要是高等数学、工程数学中的各种变换、高中的代数基础。无论你采用什么分析方法，凡是通过对系统的分解，逐一地进行分析，从而得到整个系统的特性，并对系统加以校正，使得其外部特性符合人们对系统的要求的方法都叫做——系统分析方法。而对系统的外部特性首先做一个设计，使其满足人们对系统的要求，这一特性也称为期望特性或理想特性。为了实现这一期望特性，反过来要求系统应具有什么样的结构或应设计系统应具有什么样的结构的方法和过程，称之为系统的设计与综合。分析与设计是两个相逆的思维过程。本门课程首先从分析方法入手，重点掌握分析方法，其次，再学习综合的方法。1.1自动控制的基本原理一、自动控制与自动控制系统的一般概念1）控制的概念第一章控制系统导论-3-某个主体使其它对象按照一定的规律和目的来动作的过程叫控制。2）控制的基本过程所谓的控制过程就是系统中（或输出）的某一个物理量不断地进行测量误差和纠正误差的过程。3）控制的目的控制的目的就是要使被控制对象的输出按照预定或期望的规律变化。4）自动控制的概念所谓自动控制就是指在没有人参与的情况下，利用控制装置使被控制对象中的某一物理量自动地按预定的或期望的规律变化的一种控制过程。5）控制系统是指由控制装置和执行机构与被控制对象及反馈装置按一定方式组成的，并且能够自动地完成预定要求运行的整体（集合）。6）控制系统的基本特征是控制系统中的各个组成环节、部件之间都存在着控制与信息联系。图中红色箭头表示系统中信号传送的正向通道；而蓝色箭头表示系统中信号传送的反馈通道。所谓自动控制就是指在系统在脱离人的直接干预条件下，系统能够根据反馈信号的变化，自动对控制装置（简称控制器）使被控对象（如设备生产过程等）的工作状态或简称被控量（如温度、压力、流量、速度、pH值等）进行调整和控制,使其输出量按照预定的规律运行的过程。能够实现上述控制目的，由相互制约的各部分按一定规律组成的具有特定功能的整体（集合）称为自动控制系统。二、自动控制原理其自动控制的基本原理是：系统能够根据反馈信号与给定信号（期望值）之间的的偏差去控制和驱动被控制对象和被控制量，使系统的实际输出与期望值之间的误差在到达稳态时达到最小，甚至为零，且稳定运行。实现自动控制的关键在于：1、系统存在着反馈，而且一定是负反馈2、自动控制系统是在无须人的干预条件实现，3、控制信号即不是输入信号，也不是反馈信号，而是它们之差。是这一偏差信号使被控制量能够按预期的要求变化，最终消除偏差。三、自动控制系统的基本组成及物理量（一）系统的组成包括：1、被控制对象Object——实现将控制量转化为被控制量变化的物理装置。也正因为如此，被控制对象有两个特征：一是控制信号最终作用于它；二是被控制量一定产生于它。2、执行机构第一章控制系统导论-4-是传递控制信号并将控制信号转换成具有一一定能量的和适当形式作用于被控制对象的装置。3、放大环节对控制器所产生的控制信号的幅度、功率能够进行放大或增强的装置。4、控制器是能够根据输入的偏差信号的实际实现对系统实际输出进行调整（控制）的装置。5、反馈环节能够将系统输出量以一定的方式传送到系统输入端，并能正确反映输出量实时变化的装置。6、比较环节能够完成将系统输入给定信号与反馈环节输出的反馈信号进行比较并产生相应的偏差信号的环节。（二）系统中所含的物理量1、输入量（也叫给定信号）对整个系统施加的给定量（信号）或输入的能够表示期望输出值的物理量。2、输出量（信号）系统中被研究和关心的物理量（信号）或被控制和最终输出的物理量（信号），它通常出现在被控制对象中。3、反馈量（也叫回馈信号）从系统输出端引回到系统输入端的并能够代表或反映系统输出量变化规律的物理量（信号）。一般称传送传送信号的电路或通道叫反馈网络或反馈通道，而且通常认为该通道只是单向传送信号。4、干扰量（信号）系统中不受控制（非主观作用）的并对最终输出结果（信号）会产生影响的物理量（信号）。干扰量的特点通常具有随机性和无法回辟等特点。其影响往往取决于其作用点。5、输出误差量（信号）系统的实际输出量与系统的期望输出量之间的偏差量（信号）。误差信号既可以在系统的输出端进行比较、检测，也可以在系统的输入端进行比较、检测。由于信号能量的大小、控制是否方便，以及反馈是否易行等关系，一般的说，控制系统普遍采取输入端比较的方式，提取输入误差。四、自动控制系统举例判别一个控制系统是否是自动控制系统，其主要依据是看整个控制过程中是否需要人介入。如：需人介入才能完成整个控制过程，则不能视为是自动控制系统。如：人骑自行车沿着一条直线走的过程就是一个典型的控制过程，人们用肉眼观察自行车前轮的前进方向与直线之间的角度，并不断地调整这个角度，使自行车总是能够沿着直线走，这是一个典型的控制过程。但是，由于有人的介入，这一过程不能视为自动控制。然而，家庭中使用的水箱的水位控制确是一个最简单的自动控制系统。其根据是整个水位控制和保持过程不需要人介入。如水箱中的水位在期望高度时，用户用水，这对保持水位的控制系统而言构成了一个干扰或Hhdh扰动M第一章控制系统导论-5-扰动，使水位发生变化，产生一个dh变化，变化就意味着信号，是实际水位与期望水位之间的误差信号。这一信号立刻被浮球检测出来，并通过机械杠杆系统，在杠杆的另一端阳产生一个足够在的推力使阀门打开，向水箱中放水，以提高因用水造成的水位下降，水位逐渐地升高，阀门的推力也逐渐变小，水流量也不断地减少，直到水箱中的水位到达理想水位时，阀门也自动关闭。水位将一保持到下一次用水。系统在这一阶段处于稳定状态或静态，即水位不再变化。水位自动控制系统中的信号传递的过程如用框图来表示，则有如下框图：理想情况下水箱的实际水位高度应等于期望的水位高度。从物理角度上来看，自动控制理论研究的是特定激励作用下的系统响应变化情况；从数学角度上来看，研究的是输入与输出之间的映射关系；从信息处理的角度来看，研究的是信息的获取、处理、变换、输出等问题。随着科学技术的进步，自动控制的概念也在扩大，政治、经济、社会等各个领域也越来越多地被认为与自动控制有关。现在已发展成为一门独立的学科——控制论。其中包括：工程控制论、生物控制论和经济控制论。五、一个简单控制系统实例直流电动机速度自动控制的原理结构图如图1-1所示。图中，电位器电压为输入信号。测速发电机是电动机转速的测量元件，又称为变送元件（变送器）。图1-1中，代表电动机转速变化的测速发电机电压送到输入端与电位器电压进行比较，两者的差值（又称偏差信号）控制功率放大器（控制器），控制器的输出控制电动机的转速，这就形成了电动机转速自动控制系统。当电源变化、负载变化等引起转速变化，称为扰动。电动机被称为被控对象，转速称杠杆阀门浮球HhdhQd水箱FQodQ＋U电动机电位器＋＋UdUgUf△U测测发电机功率放大电路第一章控制系统导论-6-为被控量，当电动机受到扰动后，转速（被控量）发生变化，经测量元件（测速发电机）将转速信号（又称为反馈信号）反馈到控制器（功率放大器），使控制器的输出（称为控制量）发生相应的变化，从而可以自动地保持转速不变或使偏差保持在允许的范围内。六、控制系统结构方框图画控制系统的方框图是对控制系统结构进行分析的一种非常清晰、形象的分析方法，使人们通过方框图，能够对系统的结构组成、系统内部的信号流向、能量的分布等有着非常清楚地了解和掌握，对以后的系统数学模型的建立是非常有帮助的。控制系统往往是非常复杂的，但是，通过系统结构图的绘制，对系统结构的逐一分解，将系统分解为若干个环节——或子系统。系统的分解尽可能的细，使分解后得到的每一个环节做到，利用当前人们已掌握的知识就能够对其进行分析求解。从而也形成了一种非常好的系统分析方法，这就是：将比较复杂的系统，通过分解，将其分解为若干个，利用人们现在已掌握的知识就能够对其进行分析求解的环节，然后各个击破，最终达到掌握整个系统、并能对其进行分析的目的。这一是种非常好的思维方式。画控制系统的方框图一般习惯于控制量或系统的输入量放大在结构框图的左侧，系统的输出量或被控制