第1章 自动控制系统概述

第1篇之第1章自动控制系统概述引言自动控制理论的几个基本问题引言工业、农业、交通运输和国防各个方面，凡是要求较高的场合,都离不开自动控制。所谓自动控制，就是在没有人直接参与的情况下，利用控制装置，对生产过程、工艺参数、目标要求等进行自动的调节与控制，使之按照预定的方案达到要求的指标。动画：自动控制的概念自动控制系统性能的优劣，将直接影响到产品的产量、质量、成本、劳动条件和预期目标的完成。自动控制技术的发展历史自动控制技术的应用领域自动控制理论的几个基本问题一、开环控制和闭环控制二、自动控制系统的组成三、自动控制系统的分类四、自动控制系统的性能指标五、研究自动控制系统的方法开环控制和闭环控制1开环控制系统2闭环控制系统输出量与输入量之间没有反向联系，只靠输入量对输出量单向控制的系统叫开环控制系统（Open-loopControlSystem）。开环控制又可称为前馈控制，因为控制作用是由输入信号直接向前输送，而不是由输出信号回输到输入信号来进行控制的，故称为前馈控制。系统输出量通过反馈环节返回作用于控制部分形成闭合回路的系统叫闭环控制系统（Close-loopControlSystem）。开环控制又称为反馈控制(feedbackControlSystem)输出量(手柄位置)输入量调压器加热电阻丝电炉恒温箱受控对象(温度)扰动量(b)方块图控制装置扰动输出量输入量控制装置受控对象•开环控制系统的方框图•1.2.1开环控制温度计加热电阻丝调压器u(a)原理图~220V动画：炉温开环控制数控加工机床示意图数控加工机床开环控制框图特点：无反馈环节优点：结构简单，系统稳定性好，成本也低缺点：当控制过程受到各种扰动因素影响时，将会直接影响输出量，而系统不能自动进行补偿。特别是当无法预计的扰动因素使输出量产生的偏差超过允许的限度时，开环控制系统便无法满足技术要求适用场合：在输出量和输入量之间的关系固定，且内部参数或外部负载等扰动因素不大，或这些扰动因素产生的误差可以预计确定并能进行补偿，应尽量采用开环控制系统。•1.2.2闭环控制ugTiΔu(-)ufQTo给定装置放大器电动机、传动装置和阀门热处理炉放大器热电偶MuaΔuufug给定电位计+-电动机煤气空气阀门热处理炉工件热电偶放大器混合器放大器电炉箱恒温自动控制系统电炉箱自动控制框图特点：有反馈环节优点：可以自动进行补偿，可以达到很高的控制精度。缺点：要增加检测、反馈比较，调节器等部件，会使系统复杂、成本提高。而且闭环控制会带来副作用，使系统的稳定性变差，甚至造成不稳定。这是采用闭环控制时必须重视并要加以解决的问题。适用场合：使用开环控制不能满足控制要求时就可采用闭环控制动画：开环与闭环的比较ControlledPlantExecutiveElementComparingElement输出量被控量(-)输入量UsT调节器(或控制器)Ua受控系统ΔUY反馈量UfT控制量扰动给定元件校正装置放大元件执行机构受控对象反馈装置(检测元件)CommandElementDetectingElementAmplifyingElement1.3自动控制系统的组成FeedbackElement控制系统组成框图画法①哪个是控制对象?被控量是什么?影响被控量的主扰动量是什么?②哪个是执行元件?③测量被控量的元件有哪些?有哪些反馈环节?④输入量是由哪个元件给定的?反馈量与给定量是如何进行比较的?⑤此外还有哪些元件(或单元)，它们在系统中处于什么地位?起什么作用?【例1-1】水位控制系统【例1-2】位置跟随系统绘制框图时，通常将给定元件放在最左端，控制对象排在最右端。即输入量在最左端，输出量在最右端。从左至右(即从输入至输出)的通道称为顺馈通道（FeedforwordPath)或前向通路(ForwordPath)，将输出信号引回输入端的通道称为反馈通道或反馈回路(FeedbackPath)。P171-11：直流调速系统RP1-M+RP2+TGSMudΔU-+UfnUSnUfnUKUFΔU0TLn-1.4自动控制系统的分类线性/非线性系统连续/离散性系统定常/时变性系统确定/不确定系统按控制方式分按被控对象分按系统性能分分类按输入量变化规律分按系统功用分按给定值操纵的开环控制按干扰补偿的开环控制按偏差调节的闭环控制复合控制：闭环反馈为主，开环补偿为辅恒值系统随动系统程序控制系统运动控制系统过程控制系统温度控制系统压力控制系统位置控制系统动画：液位恒值控制动画：天线随动控制动画：数学描述分类1.5自动控制系统的性能指标对控制系统的要求:1.稳定性：是保证控制系统正常工作的先决条件。2.快速性：动态性能，有指标。3.准确性：稳态（过度结束后的）值应尽量与期望值一致。tnn1(a)0(b)nt0n0n1t0n(c)n0t(e)n1n0t(d)n0n1n0t(f)暂态过程特点:(a)、(b)非周期振荡；(c)发散振荡；(d)、(e)收敛振荡；(f)等幅振荡。动画：直流调速系统的过渡过程系统的稳定性(Stability)稳定系统：当扰动作用(或给定值发生变化)时，输出量将会偏离原来的稳定值，这时，由于反馈环节的作用，通过系统内部的自动调节，系统能回到(或接近)原来的稳定(或跟随给定值)稳定下来。不稳定系统:由于内部的相互作用，使系统出现发散而处于不稳定状态。不稳定的系统无法工作。对任何自动控制系统，首要的条件便是系统能稳定正常运行。系统的稳态性能指标(Steady-StatePerformanceSpecification)稳态误差()(Steady-StateError)标志系统的准确程度a)有静差系统b)无静差系统系统的动态性能指标(DynamicPerformanceSpecification)n0t误差带最大超调量σ振荡次数N调整时间ts1.6研究自动控制系统的方法定性分析：搞清各个单元及各个元件在系统中的地位和作用，以及它们之间的相互联系，并在此基础上搞清系统的工作原理建立系统的数学模型定量分析：系统的稳定性、稳态性能和动态性能系统的校正和设计：找到改善系统性能，提高系统技术指标的有效途径小结(1)开环控制系统结构简单、稳定性好，但不能自动补偿扰动对输出量的影响。当系统扰动量产生的偏差可以预先进行补偿或影响不大时，采用开环控制是有利的。(2)闭环控制系统具有反馈环节，它能依靠负反馈环节进行自动调节，以补偿扰动对系统产生的影响。闭环控制极大地提高了系统的精度。但闭环系统使系统稳定性变差，需要重视并加以解决。(3)自动控制系统通常由给定元件、检测元件、比较环节、放大元件、执行元件、控制对象和反馈环节等部件组成。系统的作用量和被控制量有：输入量、反馈量、扰动量、输出量和各中间变量。框图可直观地表达系统各环节(或各部件)间的因果关系，可以表达各种作用量和中间变量的作用点和传递情况以及它们对输出量的影响。(4)恒值控制系统的特点是：输入量是恒量，并且要求系统的输出量也相应地保持恒定。随动控制系统的特点是：输入量是变化着的，并且要求系统的输出量能跟随输入量的变化而作出相应的变化。(5)对自动控制系统的性能指标的要求主要是：稳、准、快。最大超调量(σ)和振荡次数(N)反映了系统的稳定性，稳态误差(ess)反映了系统的准确性，调整时间(ts)反映了系统的快速性。(6)自动控制系统的研究方法，包括理论分析和实践探索。在经典控制理论中，有时域分析法，频率响应法和根轨迹法。如今MATLAB软件为自动控制系统的分析与研究提供了一个强有力的工具。本章作业P15：1-61-71-8二选一我国古代的自动控制技术东汉时期张衡制造了浑天仪和地动仪三国时期的马钧、南朝时的祖冲之创造和复制了指南车。产业革命时期，自动控制技术取得了巨大的发展1748年瓦特发明的蒸汽机中的离心调节器1868年麦克斯韦利用描述系统的微分方程解释了这种现象，并提出了判别低阶系统稳定性的判据1877年和1895年劳斯[英]和数学家胡尔维茨[瑞士]提出了可以判别高阶线性系统的稳定性的判据1920年，海维赛德在无线电方面的研究（并首先引入拉普拉斯变换、傅里叶变换的表征声强比的单位分贝）1932年奈奎斯特对控制系统稳定性的研究（奈奎斯特判据）I.经典控制(ClassicalControl)(1935-1950)美国MIT的N.Wiener发表《控制论》(Cybernetics)一书(1948)，标志着控制论学科的成熟。N.Wiener二战期间，自动控制理论进一步得到完善在贝尔实验室Bode领导的火炮控制系统研究小组工作的C.Shannon提出继电器逻辑自动化理论(1938)，随后，发表专著《通信的数字理论》(TheMathematicalTheoryofCommunication)，奠定了信息论的基础(1948)C.E.ShannonMITRadiationLaboratory在研究SCR-584雷达控制系统的过程中，创立了NicholsChartDesignMethod，R.S.Philips的工作OnNoiseinServomechanisms，以及Hurwicz(1947)的数字控制系统(SampledDataSystem)美国W.Evans提出根轨迹法(RootLocusMethod)(1948)，以单输入线性系统为对象的经典控制研究工作完成。多本有关经典控制的经典名著相继出版，包括Ed.S.Smith的AutomaticControlEngineering(1942)，H.Bode的NetworkAnalysisandFeedbackAmplifier(1945)，以及钱学森的《工程控制论》(EngineeringCybernetics)(1954)现代控制(ModernControl)(1950-)二次世界大战中火炮，雷达，飞机以及通讯系统的控制研究直接推动了经典控制的发展。五十年代后兴起的现代控制起源于冷战时期的军备竞赛，如导弹(发射，操纵，指导及跟踪)，卫星，航天器和星球大战，以及计算机技术的出现。为适应宇宙航天技术的发展，自动控制理论进入了新的阶段。(2)美国R.Bellman发表著名的DynamicProgramming，建立最优控制的基础(1957)(3)国际自动控制联合会(IFAC)成立(1957)，中国为发起国之一，第一届学术会议于莫斯科召开(1960)(1)苏联L.S.Pontryagin发表“最优过程数学理论”，提出极大值原理(MaximumPrinciple)(1956)L.S.Pontryagin(4)美国MIT的ServomechanismLaboratory研制出第一台数控机床(1952)(5)世界第一颗人造地球卫星(Sputnik)由苏联发射成功(1957)1957.Laika.Sputnik2(6)美国GeorgeDevol研制出第一台工业机器人样机(1954)，两年后，被称为机器人之父的JosephEngelberger创立了第一家机器人公司，Unimation(7)美籍匈牙利人R.E.Kalman发表“OntheGeneralTheoryofControlSystems”等论文，引入状态空间法分析系统，提出能控性，能观测性，最佳调节器和kalman滤波等概念，奠定了现代控制理论的基础(1960)R.E.Kalman(8)苏联东方-１号飞船载着加加林进入人造地球卫星轨道，人类宇航时代开始了(1961)宇宙哥伦布-加加林AstampissuedbyRussiatomemorizeY.GagarinCapsuleusedinfirstmannedorbitofearthIn1961,thefirsthumantopilotaspacecraft,YuriGagarin,waslaunchedbytheSovietUnionaboardVostokI.(9)苏联发射“月球”9号探测器，首次在月面软着陆成功(1966)，三年后(1969)，美国“阿波罗”11号把宇航员N.A.Arm