第1章 自动控制概论

自动控制理论自动控制理论2020/2/101第1章自动控制概论导读为什么要介绍本章?自动化技术几乎渗透到国民经济的各个领域及社会生活的各个方面，是当代发展最迅速、应用最广泛、最引人注目的高科技，是推动新的技术革命和新的产业革命的关键技术，在某种程度上说，自动化是现代化的同义词。自动控制原理研究分析、设计自动控制系统的基本方法。本章主要讲什么内容?从介绍自动控制的发展历史入手，引出自动控制理论分析、设计自动控制系统的基本思想，然后介绍自动控制的基本概念，以及对自动控制系统的基本要求，对自动控制理论的总的目标有大致的了解。自动控制理论自动控制理论2020/2/102第1章自动控制绪论控制系统的基本概念控制系统的基本方式控制系统的分类对控制系统的基本要求主要内容：自动控制理论自动控制理论2020/2/1031.1自动控制系统的基本概念自动控制在没有人直接参与的情况下，通过控制器使被控对象或过程自动地按照预定的规律运行。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，它由被控对象和控制装置组成。自动控制理论自动控制理论2020/2/1041.1自动控制系统的基本概念控制系统的基本组成1、测量元件：传感器2、比较元件：对控制量与参考输入量进行比较，多和测量或放大元件结合在一起3、放大元件：使微弱信号具有足够的幅值和功率4、执行元件：接受偏差信号的控制产生动作，改变控制量5、校正元件：用于消除或减弱系统在控制过程中产生的震荡自动控制理论自动控制理论2020/2/105反馈控制系统基本组成扰动测量变送给定环节比较环节放大变换执行机构被控对象串联校正反馈校正反馈信号参考输入偏差控制量被控量输出-+-给出与期望的输出相对应的系统输入量，是一类产生系统控制指令的装置（或软件界面）为改善系统的动态和静态性能特性而附加的装置，其参数可灵活调整。工程上称为调节器或控制器。将比较微弱的偏差信号加以放大，以足够的功率来推动执行机构或被控对象其职能是直接推动被控对象，使其被控量发生变化。常见的执行元件有阀门，伺服电动机等用来检测被控量的实际值。测量变送环节一般也称为反馈环节。通常是一个设备、物体或过程（一般称任何被控制的运行状态为过程），其作用是完成一种特定的操作。它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。其作用是把测量元件检测到的实际输出值与给定环节给出的输入值进行比较，求出它们之间的偏差。常用的电量比较元件有差动放大器、电桥电路等。1.1自动控制系统的基本概念自动控制理论自动控制理论2020/2/1061.1自动控制系统的基本概念自动控制理论自动控制理论2020/2/107被控量：即系统的输出，是一种被测量和被控制的量值或状态。控制量：控制量也称操纵量，是一种由控制器改变的量值或状态，它将影响被控量的值。通常，被控量是系统的输出量。控制意味着对系统的被控量的值进行测量，并且使控制量作用于系统，以修正或限制测量值对期望值的偏离。参考输入：是人为给定的，使系统具有预定性能或预定输出的激发信号，它代表输出的希望值。故又称为给定输入、给定值、期望输出等。名词术语：1.1自动控制系统的基本概念自动控制理论自动控制理论2020/2/108反馈：将系统（或环节）的输出量经变换、处理送到系统（或环节）的输入端，称为反馈。偏差：给定输入量与主反馈量之差。误差：是指系统输出量的实际值与希望值之差。系统希望值是理想化系统的输出，实际上很难达到，因而用与控制输入量有一定比例关系的信号来表示。在单位反馈情况下，希望值就是系统的输入量，误差量就等于偏差量。扰动：扰动是一种对系统的输出量产生不利影响的信号。如果扰动产生在系统的内部，称为内部扰动；反之，当扰动产生在系统的外部时，则称之为外部扰动。外部扰动也是系统的输入量。1.1自动控制系统的基本概念自动控制理论自动控制理论2020/2/1091.2自动控制的基本方式开环控制（信号单向流动）控制装置与被控对象之间只有顺向作用而没有反向联系的控制。开关闭合后，不同的输入电压u对应于不同的温度t。自动控制理论自动控制理论2020/2/10101.2自动控制的基本方式输入量输出量典型开环控制的方框图控制装置被控对象扰动输出量受控对象控制装置(电源)输入量(温度)扰动量开关电炉恒温箱加热电阻丝炉温开环控制系统方框图自动控制理论自动控制理论2020/2/10111.2自动控制的基本方式控制方式：按给定值操纵。信号由给定值至输出量单向传递。一定的给定值对应一定的输出量。系统的控制精度取决于系统事先的调整精度。对于工作过程中受到的扰动或特性参数的变化无法自动补偿。结构简单，成本低廉，多用于系统结构参数稳定和扰动信号较弱的场合。开环控制系统特点：信号从输入到输出无反馈,单向传递结构简单控制精度不高,无法抑制扰动自动控制理论自动控制理论2020/2/1012闭环控制（信号有反向作用）闭环控制系统原理框图控制装置被控对象输入量被控量反馈环节扰动1.2自动控制的基本方式反馈：输出量送回至输入端并与输入信号比较的过程负反馈：反馈的信号与输入信号相减而使偏差越来越小自动控制理论自动控制理论2020/2/10131.2自动控制的基本方式闭环控制:是指控制器与控制对象之间既有顺向作用有反向联系的控制过程。特点:输出影响输入，所以能削弱或抑制干扰；低精度元件可组成高精度系统；因为可能发生超调、振荡，所以稳定性很重要。自动控制理论自动控制理论2020/2/1014复合控制（前向联系、反向作用）复合控制是闭环控制和开环控制相结合的一种方式。实质上是在闭环控制回路的基础上，附加一个输入信号（给定或扰动）的顺馈通路，对该信号带来的干扰进行补偿，以达到精确的控制效果。1.2自动控制的基本方式自动控制理论自动控制理论2020/2/1015单变量系统多变量系统按给定信号的形式分按系统参数是否随时间变化分按输入输出变量的多少分分类按系统是否满足叠加定理分按信号传递的形式分恒值系统随动系统线性系统非线性系统定常系统时变性系统连续系统离散系统1.3控制系统的分类自动控制理论自动控制理论2020/2/1016定值调节系统如果反馈控制系统的参考输入信号为恒定的常量，则称这类反馈控制系统为定值调节系统。1.3控制系统的分类自动控制理论自动控制理论2020/2/1017随动系统在闭环控制系统中，如果参考输入信号为一任意时间函数，其变化规律无法预先予以确定，则称这类输入信号的闭环控制系统为随动系统。1.3控制系统的分类自动控制理论自动控制理论2020/2/10181.4对控制系统的基本要求稳定性被控制信号能跟踪已变化的输入信号，从一种状态到另一种状态，如果能做到，我们就认为该系统是稳定的，这是对反馈控制系统提出的最基本要求。快速性对过渡过程的形式和快慢提出要求，一般称为动态性能。稳定高射炮射角随动系统，虽然炮身最终能跟踪目标，但如果目标变动迅速，而炮身行动迟缓，仍然抓不住目标。控制系统的基本要求：自动控制理论自动控制理论2020/2/10191.4对控制系统的基本要求准确性用稳态误差来表示。在参考输入信号作用下，当系统达到稳态后，其稳态输出与参考输入所要求的期望输出之差叫做给定稳态误差。显然，这种误差越小，表示系统的输出跟随参考输入的精度越高。稳定性：是保证控制系统正常工作的先决条件。快速性：动态性能，有指标。准确性：稳态（过度结束后的）值应尽量与期望值一致。自动控制理论自动控制理论2020/2/10201.4对控制系统的基本要求自动控制系统除了满足稳态性能之外，还应满足动态过程的性能要求。动态过程的基本特性取决于系统的结构和参数，其基本形态有：（1）单调过程（2）衰减振荡过程（3）等幅振荡过程（4）发散振荡过程自动控制理论自动控制理论2020/2/10211.4对控制系统的基本要求tnn1(a)0(b)nt0n0n1t0nn0t(e)n1n0t(d)n0(c)n1n0t(f)(a)、(b)非周期振荡；(c)发散振荡；(d)、(e)衰减振荡；(f)等幅振荡自动控制理论自动控制理论2020/2/1022本章小结1-1自动控制的基本概念1-2自动控制的基本方式开环控制闭环控制复合控制1-3控制系统的分类恒值系统随动系统1-4对自动控系统的要求稳定性快速性准确性