自动控制系统基本知识01

自动控制基本知识引言自动控制学科由自动控制技术和自动控制理论两部分组成。什么是自动控制?自动控制，就是在无人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（控制装置），使机器、设备或生产过程（控制对象）的某个工作状态或参数（被控量）自动地按照预定的规律运行。随着生产和科学技术的发展，自动控制技术可以说已渗透到各种学科领域，成为促进当代生产发展和科学技术进步的重要因素。事实上，任何技术设备、工作机械或生产过程都必须按要求运行。例如：要使火炮能自动跟踪并命中飞行目标，炮身就必须按照指挥仪的命令而作方位角和俯仰角的变动；要把数吨重人造卫星送入数百公里高空的轨道，使其所携带的各种仪器能长期使用、准确地工作，就必须保持卫星的正确姿态，使它的太阳能电池一直朝向太阳，无线电发射天线一直指向地球；要使数控机床能加工出高精度的工件，就必须保证其工作台或刀架的进给量准确地按照程序指令的设定值变化；要想使轮船安全顺利的航行，就必须按照领航员的命令改变尾舵的方向；所有这一切都是以高水平的自动控制技术为前提的。要使炼钢炉提供优质的产品，就必须严格控制炉温……等等。近几十年来，自动控制技术正在迅猛的发展，并在工农业生产、交通运输、国防建设和航空航天事业等领域中获得广泛应用。比如：人造地球卫星的成功发射与安全返回，导弹的准确击中目标，雷达系统的准确跟踪目标，自动控制技术都起着极其重要的作用。交通系统：安全、快捷、舒适、准点制造系统：数控机床加工生产线自动码垛机器人自动包装机器人家用电器：电扇：控制转速电冰箱、空调、电饭煲：控制温度洗衣机：控制水位、强弱、时间等什么是自动控制系统?自动控制系统是指能够对被控对象的工作状态进行自动控制的系统。它是控制对象以及参与实现其被自动控制的装置或元部件的组合，一般由控制装置和被控对象组成。一般包括三种机构：测量机构、比较机构、执行机构。自动控制系统的功能和组成是多种多样的，其结构有简单也有复杂。它可以只控制一个物理量，也可以控制多个物理量甚至一个企业机构的全部生产和管理过程；它可以是一个具体的工程系统，也可以是比较抽象的社会系统、生态系统或经济系统。控制系统分析：已知系统的结构参数，分析系统的稳定性，求取系统的动态、静态性能指标，并据此评价系统的过程称为控制系统分析。控制系统设计（或综合）：根据控制对象和给定系统的性能指标，合理的确定控制装置的结构参数，称为控制系统设计。随着自动控制技术的广泛应用和迅猛发展，出现了许多新问题，这些问题要求从理论上加以解决。自动控制理论正是在解决这些实际技术问题的过程中逐步形成和发展起来的，它是研究自动控制技术的基础理论，是研究自动控制共同规律的技术科学。按其发展的不同阶段，可把自动控制理论分为经典控制理论和现代控制理论两大部分。自动控制理论的发展古典控制理论以传递行数为基础研究单输入-单输出一类定常控制系统的分析与设计问题。这些理论由于发展较早，现已臻成熟。在工程上也比较成功地解决了如伺服系统与恒值系统自动控制的实践问题。现代控制理论是在古典控制理论基础上随着科学技术发展和工程实践需要而迅速发展起来的。它以状态空间法为基础，研究多输入-多输出、时变、非线性、高精度、高效能等控制系统的分析与设计问题。它物流在数学工具、理论基础，还是研究方法上都不是古典控制理论的简单延伸和推广,而是认识上的一次飞跃。最优控制、最佳滤波、系统辨识、自适应控制等理论都是这一领域的主要课题。自动控制系统的分类从信号传送的特点或系统结构特点分类：可以将控制系统分为开环控制系统、闭环控制系统和复合控制系统三大类。按输入量的特点分类：可以将控制系统分为定值系统、随动系统、程序系统开环控制是指系统的被控制量（输出量）只受控于控制作用，而对控制作用不能反施任何影响的控制方式。采用开环控制的系统称为开环控制系统。优点：结构简单，成本低廉，易于实现缺点：对扰动没有抑制能力，控制精度低开环控制闭环控制是指系统的被控制量（输出量）与控制作用之间存在着负反馈的控制方式。采用闭环控制的系统称为闭环控制系统或反馈控制系统。闭环控制是一切生物控制自身运动的基本规律。人本身就是一个具有高度复杂控制能力的闭环系统。闭环控制优点：具有自动补偿由于系统内部和外部干扰所引起的系统误差（偏差）的能力，因而有效地提高了系统的精度。缺点：系统参数应适当选择，否则可能不能正常工作。闭环控制反馈的概念反馈：把输出量送回到系统的输入端并与输入信号比较的过程。若反馈信号是与输入信号相减而使偏差值越来越小，则称为负反馈；反之，则称为正反馈。显然，负反馈控制是一个利用偏差进行控制并最后消除偏差的过程，又称偏差控制。同时，由于有反馈的存在，整个控制过程是闭合的，故也称为闭环控制。反馈控制是一种最基本最重要的控制方式，引入反馈信号后，系统对来自内部和外部干扰的响应变得十分迟钝，从而提高了系统的抗干扰能力和控制精度。与此同时，反馈作用又带来了系统稳定性问题，正是这个曾一度困扰人们的系统稳定性问题激发了人们对反馈控制系统进行深入研究的热情，推动了自动控制理论的发展与完善。因此从某种意义上讲，古典控制理论是伴随着反馈控制技术的产生和发展而逐渐完善和成熟起来的。反馈的概念比较开环与闭环两种控制方式由于开环控制的特点是控制装置只按照给定的输入信号对被控制量进行单向控制，而不对控制量进行测量并反向影响控制作用。这样，当炉温偏离希望值时，开关K的接通或断开时间不会相应改变。因此，开环控制不具有修正由于扰动（使被控制量偏离希望值的因素）而出现的被控制量与希望值之间偏差的能力，即抗干扰能力差。比较开环与闭环两种控制方式在闭环控制中，被控量一般是由测量装置检测并反馈到输入端，然后由比较装置将它与输入信号综合得到偏差（误差），有时，测量与综合作用是由一个装置完成的，如水银温度计。由于采用了接触式水银温度计，可以不断对炉温进行测量和比较，根据炉温的实际偏差进行控制，提高了控制精度和抗干扰能力。是开环和闭环控制相结合的一种控制方式。它是在闭环控制回路的基础上，附加一个输入信号或扰动信号的顺馈通路，用来提高系统的控制精度。顺馈通路通常由对输入信号的补偿器或对扰动信号的补偿器组成。应用顺馈补偿扰动信号对系统输出的影响，是在可测扰动信号的不利影响产生之前，通过补偿通道来抵消这种扰动对系统输出的影响。•复合控制应用顺馈减小系统响应控制信号的误差，是在反馈系统的基础上，引入控制信号的微分（一般为一阶、二阶微分）作为系统的附加输入而实现的优点：具有很高的控制精度，可以抑制几乎所有的可量测扰动缺点:补偿器的参数要有较高的稳定性•复合控制定值系统:这类系统即白动调节系统，其输入量是定值(根据工艺过程的需要，允许调整为另外的值)，要求系统的输出量也保持相应的定值，如电动机白动调速、恒温、恒压、恒流等白动控制系统。随动系统:这类系统的输入量是随意变化着的，要求系统的输出量，能以一定的精确度随输入量的变化作相应的变化。因此，也称之为自动跟踪系统。如机床的仿形控制、雷达自动跟踪目标。程序系统:这类系统的特点是系统的控制作用按预先制定的程序或跟随某一参数的变化而变化。如按预先制定的引导雷达跟踪目标。1.3.2按给定值的特点分：①定常系统：系统的参数不随时间变化的系统。描述其动态特性的微分方程或差分方程的系数为常数。时变系统：系统的参数随时间而变化。描述其动态特性的微分方程或差分方程的系数不为常数。此外，自动控制系统按系统参数是否随时间变化分类可分为定常系统与时变系统一个自动控制系统由若干个环节组成，每个环节有其特定的功能。自动控制系统的组成和信号的传递情况常用方框图表示，在方框图中，系统的各环节用方框表示，环节间作用信号的传递情况用箭头表示。方框图的概念方框图的概念方框：控制装置和被控对象分别用方框表示信号线：方框的输入和输出以及它们之间的联接用带箭头的信号线表示输入信号：进入方框的信号输出信号：离开方框的信号信号线方框信号线输入信号输出信号开环控制电加热炉方框图开关电阻丝输入量输出量（炉温实际值）输入量：加在电阻丝两端的电压被控制对象：炉子被控制量（输出量）：炉温控制装置：开关K和电热丝，对被控制量起控制作用。（电压）温度计继电器电阻丝炉温输入量（炉温希望值）输出量（炉温实际值）扰动闭环控制的电加热炉方框图闭环控制系统方框图的组成、名词术语控制装置:外加的设备或装置，亦叫控制器。受控对象:被控制的机器或物体。给定元件：其职能是给出与期望的被控量相对应的系统给定值。比较元件：其职能是把测量到的被控量实际值与给定元件给出的输入量进行比较，求出他们之间的偏差。测量元件：其职能是检测被控制量的物理量。闭环控制系统方框图的组成、名词术语放大元件：其职能是将比较元件给出的偏差信号进行放大，用来推动执行元件去控制受控对象。如：晶体管、集成电路、晶闸管等组成的电压、功率放大器。执行元件：其职能是直接推动受控对象，使其被控量发生变化。如：阀门、电机、液压马达等。校正元件：也叫补偿元件，它是结构或参数便于调整的元件。用串联或并联（反馈）的方式连接于系统中，以改善系统的性能。如：电阻、电容组成的无源或有源网络，还有计算机。闭环控制系统方框图的组成、名词术语给定值:来自系统外部的输入量称为指令，指令通常要转换为与之成正比的参考输入信号。参考输入信号就是给定值。调节环节:又称为相加点，是系统的比较环节，将输入信号和反馈信号在此处相加。图上应标明“+”、“一”号或信号的极性。放大环节:属于控制系统的运算环节，比较微弱的偏差信号在这里经过放大、整形等处理后，输出有足够功率的控制信号。执行环节:其输出控制量对被控对象进行控制，使被控量趋于其期望值，执行器可以与放大器合并并为控制环节。闭环控制系统方框图的组成、名词术语反馈环节:用以将被控量变换成与输入量相同性质的物理量，并送回到输入端，与输入信号相加。反馈控制的作用是在有扰动的情况下，保持被控量的稳定，反馈控制是基于被控输出量与给定输入量之问的偏差来实现的，反馈控制是针对无法预料的扰动而设计的。被控对象:通常是由一些机械或电器零件组成的一台设备，这台设备需要完成某些特定的动作，这些动作通常是控制系统最终输出的目标，如果反馈回路之外还连接有被控对象，则称为问接被控对象。被控量:即被控对象的输出量，通常是被调节量。闭环控制系统方框图的组成、名词术语前向通路：信号从输入端沿箭头方向，到达输出端的传输通路。主反馈通路：系统输出量通过测量装置反馈到输入端的传输通路。前向通路与主反馈通路一起构成主回路(主环)。某些自动控制系统，还有局部反馈通路以及它所组成的内回路(内环)。只有一个反馈通路的系统，称为单回路(单环)系统;而具有两个及以上反馈通路的系统，则称为多回路(多换)系统。扰动：是对系统的输出量产生反作用的信号或因素。若扰动产生于系统内部，则成为内扰;若其来白于系统外部，则称为外扰。典型闭环控制系统方框图控制系统的时域模型建立系统或元件微分方程的步骤1.确定元件输入量和输出量2.根据物理或化学定律，列出元件的原始方程3.在可能条件下，对各元件的原始方程进行适当简化，略去一些次要因素或进行线性化处理4.消去中间变量，得到描述元件输入和输出关系的微分方程5.对微分方程进行标准化处理：与输出量相关的各项置于等号左侧，而与输入量相关的置于等号右边；等号左右各项均按降幂排列；将各项系数归化为具有一定物理意义的形式例：RLC电路时域微分方程设回路电流为i（t）,由克希霍夫定律写出回路方程为：确定元件的输入ur(t)、输出uc(t)消去中间变量i（t），得到描述网络输入输出关系的微分方程为拉氏变换法求解步骤：1.考虑初始条件，对微分方程中的每一项分别进行拉氏变换，得到变量s的代数方程：2.求出输出量拉氏变换函数的表达式；3.对输出量拉氏变换函数求反变换，得到输出量的时域表达式，即为所求微分方程的解。线性定常微分方程的求解求解方法：经典法、拉氏变换法。拉氏(laplace)变换求解拉氏反变换为定义：设函数f(t)当t=0时有定义，而且积分存在，其中s是复数,则称F(s)是f(t)的象函数,即f(t)的拉氏变