自动控制原理

1王划一杨西侠编著2第一章绪论主要内容：1.自动控制、自动控制系统的概念2.自动控制的两种基本方式3.自动控制系统的类型4.自动控制系统的要求和分析设计5.自动控制理论的发展概况3第一章绪论§1-1引言§1-2自动控制的基本知识§1-3自动控制系统的基本控制方式§1-4自动控制系统的分类及基本组成§1-5对控制系统的要求和分析设计§1-6自动控制理论的发展概况41-1引言1.控制理论的基础观念控制理论是建立在有可能发展一种一般方法来研究各式各样系统中控制过程这一基础上的理论。2.控制理论的研究对象控制理论研究的对象可狭义地定义为这样一种信息系统，即根据期望的输出来改变输入，使系统的输出能有某种预期的效果。3.控制论与数学及自动化技术的关系51.2.1自动控制问题的提出一个简单的水箱液面，因生产和生活需要，希望液面高度h维持恒定。当水的流入量与流出量平衡时，水箱的液面高度维持在预定的高度上。1.2自动控制的基本知识水箱流出流入h当水的流出量增大或流入量减小，平衡则被破坏，液面的高度不能自然地维持恒定。6这种出水量与进水量的不平衡现象必然要经常发生的。这使得这种“水位恒定的要求”变得难以实现了。所谓控制就是强制性地改变某些物理量（如上例中的进水量），而使另外某些特定的物理量（如液面高度h）维持在某种特定的标准上。人工控制的例子。水箱流出流入h这种人为地强制性地改变进水量，而使液面高度维持恒定的过程，即是人工控制过程。71.2.2自动控制的定义及基本职能元件1.自动控制的定义自动控制就是在没有人直接参与的情况下，利用控制器使被控对象（或过程）的某些物理量（或状态）自动地按预先给定的规律去运行。水箱流出流入h控制器浮子当出水与进水的平衡被破坏时，水箱水位下降(或上升)，出现偏差。这偏差由浮子检测出来，自动控制器在偏差的作用下，控制阀门开大(或关小)，对偏差进行修正，从而保持液面高度不变。82.自动控制的基本职能元件自动控制的实现,实际上是由自动控制装置来代替人的基本功能，从而实现自动控制的。画出以上人工控制与自动控制的功能方框图进行对照。水箱流出流入h水箱流出流入h控制器浮子眼睛浮子大脑自动控制器肌肉、手执行元件9比较两图可以看出，自动控制实现人工控制的功能，存在必不可少的三种代替人的职能的基本元件：气动阀门希望液位实际液位浮子控制器水箱肌肉和阀门希望液位实际液位大脑水箱眼睛10执行元件参考输入输出测量变送元件控制器对象扰动输入测量元件与变送器（代替眼睛）；自动控制器（代替大脑）；执行元件（代替肌肉、手）。这些基本元件与被控对象相连接，一起构成一个自动控制系统。下图是典型控制系统方框图。111.2.3自动控制中的一些术语及方框图1.常用术语控制对象控制器系统系统输出操作量参考输入扰动特性2.系统方框图将系统中各个部分都用一个方框来表示，并注上文字或代号，根据各方框之间的信息传递关系，用有向线段把它们依次连接起来，并标明相应的信息。突出了系统中各环节输入与输出的关系及各环节之间的相互影响，便于定性和定量分析。121.3.1开环控制开环控制是最简单的一种控制方式，我们可以给出开环控制的一般定义：定义：控制量与被控量之间只有顺向作用而没有反向联系。开环控制系统的典型方框图如图所示。1.2自动控制系统的基本控制方式控制器被控对象控制量被控量交通指挥红绿灯，自动洗衣机，自动售货机，产品自动生产线，数控车床等等。13M功率放大器电动机负载电位器电动机转速滑臂位置功率放大器电位器1.按给定控制下图是一个直流电动机转速控制系统。当调节电位器滑臂位置时，改变功率放大器的输入电压，从而改变电动机的电枢电压，最终改变电动机的转速。以上的控制过程，用方框图简单直观地表示出来。142.按扰动控制图示是一个按扰动控制的直流电动机转速控制系统。电压放大器M功率放大器负载++-Ri+控制过程可用方框图表示成如图示的形式。15电动机转速给定不变功率放大器电位器++负载变化电压放大器检测电阻把负载变化视为外部扰动输入，对输出转速产生的影响及控制补偿作用，分别沿箭头的方向从输入端传送到输出端，作用的路径也是单向的，不闭合的。有时我们称按扰动控制为顺馈控制。16开环控制的特点：（1）结构简单、调整方便、成本低。（2）给定一个输入，有相应的一个输出。（3）在系统方框图中，作用信号是单方向传递的，形成开环。（4）输出不影响输入。（5）若系统有外界扰动时，系统输出量不可能有准确的数值，即开环控制精度不高，或抗干扰能力差。1.3.2闭环控制定义：凡是系统输出信号对控制作用有直接影响的系统，都叫做闭环控制系统。17在控制系统中，控制装置对被控对象所施加的控制作用，若能取自被控量的反馈信息，即根据实际输出来修正控制作用，实现对被控对象进行控制的任务，这种控制原理称为反馈控制原理。正是由于引入了反馈信息，使整个控制过程成为闭合的。因此，按反馈原理建立起来的控制系统，叫做闭环控制系统。在闭环控制系统中，其控制作用的基础是被控量与给定值之间的偏差。人本身就是一个具有高度复杂控制能力的闭环系统。比如，人可以用手拿到放在桌上的书等物，体现了闭环控制的原理。直流电动机转速闭环控制的例子。18电动机转速给定位置功率放大器电位器+-负载扰动测速发动机ufureuaM功率放大器电动机负载电位器F测速发动机19闭环控制的特点：①控制作用不是直接来自给定输入，而是系统的偏差信号，由偏差产生对系统被控量的控制；②系统被控量的反馈信息又反过来影响系统的偏差信号，即影响控制作用的大小。这种自成循环的控制作用，使信息的传递路径形成了一个闭合的环路，称为闭环。③提高了控制精度。闭环控制系统的典型方框图如图所示。控制器被控对象反馈元件输入输出+-偏差20三.开环与闭环控制系统的比较闭环系统的优点是采用了反馈，因而使系统的响应对外部干扰和内部系统的参数变化均相当不敏感。这样，对于给定的控制对象，有可能采用不太精密且成本较低的元件构成精密的控制系统。在开环情况下，就不可能做到这一点。从稳定性的观点出发，开环控制系统比较容易建造，因为对开环系统来说，不存在稳定性的问题。但是在闭环系统中，稳定性则始终是一个重要问题。因为闭环系统可能引起过调误差，从而导致系统做等幅振荡或变幅振荡。工程上常采用的复合控制方法，就是把两者结合起来使用。复合控制实质上是在闭环控制回路的基础21上，附加一个输入信号（给定或扰动）的顺馈通路，对该信号实行加强或补偿，以达到精确的控制效果。常见的方式有以下两种：1.附加给定输入补偿控制器被控对象补偿装置输入输出+-通常，附加的补偿装置可提供一个顺馈控制信号，与原输入信号一起对被控对象进行控制，以提高系统的跟踪能力。222.附加扰动输入补偿该种复合控制方框图。附加的补偿装置所提供的控制作用，主要起到对扰动影响“防患未然”的效果。控制器被控对象补偿装置输入输出+-+扰动231-4自动控制系统的分类基本组成1.4.1按给定信号的特征划分给定信号是系统的指令信息。它代表了系统希望的输出值，反映了控制系统要完成的基本任务和职能。1.恒值控制系统：给定输入维持不变，希望输出维持在某一特定值上。液位控制系统，直流电动机调速系统等等。2.随动控制系统：给定信号上预先不知道的随时间任意变化的函数。控制系统能够使被控量以尽可能小的误差跟随给定值的变化。跟踪卫星的雷达天线系统3.程序控制系统：给定值按预先给定的规律变化的控制系统。机械加工中的程序控制机床等等。241.4.2按系统的数学描述划分1.线性系统当系统各元件输入输出特性是线性特性，系统的状态和性能可以用线性微分（或差分）方程来描述时，则称这种系统为线性系统。所谓线性特性是指元件的静特性是一条过原点的直线，也称其为线性元件。因此，由线性元件组成的系统则必是线性系统。线性系统的一个突出特点就是满足叠加原理，可运用叠加原理的两个性质，作为鉴别系统是否为线性系统的依据。2.非线性系统系统中只要存在一个非线性特性的元件，系统就由非线性方程来描述，这种系统称为非线性系统。251.4.3按信号传递的连续性划分1.连续系统连续系统的特点是系统中各元件的输入信号和输出信号都是时间的连续函数。这类系统的运动状态是用微分方程来描述的。连续系统中各元件传输的信息在工程上称为模拟量，多数实际物理系统都属于这一类，其输入输出一般用r(t)和c(t)表示。r(t)t0c(t)t0262.离散系统控制系统中只要有一处的信号是脉冲序列或数码时，该系统即为离散系统。这种系统的状态和性能一般用差分方程来描述。实际物理系统中，信息的表现形式为离散信号的并不多见，往往是控制上的需要，人为地将连续信号离散化，我们称其为采样。c(t)t0c(t)c*(t)c*(t)t0271.4.4按系统的输入与输出信号的数量划分1.单变量系统（SISO）2.多变量系统（MIMO）1.4.5自动控制系统的基本组成在形形色色的自动控制系统中，反馈控制是最基本的控制方式之一。一个典型的反馈控制系统总是由控制对象和各种结构不同的职能元件组成的。除控制对象外，其他各部分可统称为控制装置。每一部分各司其职，共同完成控制任务。下面给出这些职能元件的种类和各自的职能。28输出输入放大元件+-测量变送元件给定元件执行元件串联校正元件+-对象反馈校正元件给定元件：其职能是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。29测量元件：其职能是检测被控量，如果测出的物理量属于非电量，大多情况下要把它转换成电量，以便利用电的手段加以处理。比较元件：其职能是把测量元件检测到的实际输出值与给定元件给出的输入值进行比较，求出它们之间的偏差。放大元件：其职能是将过于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。执行元件：其职能是直接推动被控对象，使其被控量发生变化。校正元件：为改善或提高系统的性能，在系统基本结构基础上附加参数可灵活调整的元件。工程上称为调节器。常用串联或反馈的方式连接在系统中。301.5对控制系统的要求和分析设计1.5.1对系统的要求各类控制系统为达到理想的控制目的，必须具备以下两个方面的性能(基本要求)：（a）使系统的输出快速准确地按输入信号要求的期望输出值变化。（b）使系统的输出尽量不受任何扰动的影响。对自控系统性能的要求一般可归纳为三大性能指标：（1）稳定性：要求系统绝对稳定且有一定的稳定裕量。（2）瞬态质量：要求系统瞬态响应过程具有一定的快速性和变化的平稳性。31在实际系统中，由于总是存在着不同性质的储能元件。并且也由于能源功率的限制，使得系统放大能力必然有限。因而使相应的运动加速度不会太大，速度和位移不会瞬间变化，而要经历一段时间，即系统运动必然有一个渐变的过程。r(t)t0c(t)t0（3）稳态误差：要求系统最终的响应准确度，限制在工程允许的范围之内，是系统控制精度的恒量。321.5.2控制系统的分析和设计1.系统分析系统给定，在规定的工作条件下，对它进行分析研究，其中包括稳态性能和动态性能分析，看是否满足要求，以及分析某个参数变化时对上述性能指标的影响，决定如何合理地选取等。2.系统的设计系统设计的目的，是要寻找一个能够实现所要求性能的自动控制系统。因此，在系统应完成的任务和应具备的性能已知的条件下，根据被控对象的特点，构造出适合的控制器是设计的主要任务。应进行的步骤如下：（1）熟悉对系统性能的要求。（2）根据要求的性能指标综合确定系统的数学模型。33（3）若控制对象是已知的，根据确定的系统数学模型和已知部分的数学模型，求得控制器的数模和控制规律。（4）按综合确定的数模进行系统分析，验证它在各种信号作用下是否满足要求。若不满足，及时修正。（5）样机设计制造和试验，验证设计结果。1-6自动控制理论的发展概况具有“自动”功能的装置的历史可追逆到公元前14~11世纪在中国、埃及和巴比伦出现的自动计时漏壶。公元4世纪，希腊柏拉图(Platon)首先使用了“控制论”一词。运用反馈原理设计出来并成功应用的是英-瓦特(J.wate)于1788年发明的蒸汽机用的离心式飞锤调速器。34后来，