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1、第一章第一章 自动控制系统概述自动控制系统概述 1-1 引言 1-2 开环控制和闭环控制 1-3 自动控制系统的组成 1-4 自动控制系统的分类 1-5 自动控制系统的性能指标 1-6 研究自动控制系统的方法 1-1 引言引言一一、基本概念：基本概念：1.控制控制：是使某些物理量按指定的规律变化（是使某些物理量按指定的规律变化（包包 括保持恒定），以保证生产的安全性，括保持恒定），以保证生产的安全性，经济性及经济性及 产品质量等要求的技术手段。产品质量等要求的技术手段。2.自动控制自动控制：就是在没有人直接参与的情况下，：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、目标利
2、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，使之达到预期要求等进行自动的调节与控制，使之达到预期的状态或性能的状态或性能要求求。3.自动控制系统自动控制系统：自动控制系统是指由控制装自动控制系统是指由控制装置与被控对象结合起来的，能够对被控对象的置与被控对象结合起来的，能够对被控对象的 一些物理量进行自动控制的一个有机整体。一些物理量进行自动控制的一个有机整体。二、自动控制的应用二、自动控制的应用：锅炉设备的压力和温度自动保持恒定锅炉设备的压力和温度自动保持恒定 数控机床按照预定的程序自动地切削工件数控机床按照预定的程序自动地切削工件 导弹发射与制导系统，自动地使导弹攻击
3、敌导弹发射与制导系统，自动地使导弹攻击敌方目标方目标 无人驾驶飞机按照预定航迹自动升降和飞行无人驾驶飞机按照预定航迹自动升降和飞行 人造卫星准确地进入预定轨道运行并回收人造卫星准确地进入预定轨道运行并回收 近年来，随着相关技术的发展，自动控制技术近年来，随着相关技术的发展，自动控制技术的应用范围已扩展到生物、医学、环境、经济管理的应用范围已扩展到生物、医学、环境、经济管理和其它许多社会生活领域中，自动控制已成为现代和其它许多社会生活领域中，自动控制已成为现代社会活动中不可缺少的重要组成部分。社会活动中不可缺少的重要组成部分。三、自动控制理论的发展：自动控制理论诞生于自动控制理论诞生于4040年
4、代，是自动控制、电年代，是自动控制、电子技术、计算机等多学科相互交叉、相互渗透的产子技术、计算机等多学科相互交叉、相互渗透的产物。物。5050年代后期，由于军事、航空等领域的需求，年代后期，由于军事、航空等领域的需求，控制理论日趋完善。控制理论日趋完善。6060年代后控制理论出现分枝，年代后控制理论出现分枝，即：经典控制理论和现代控制理论。即：经典控制理论和现代控制理论。经典控制理论和现代控制理论比较：研究对象研究对象 数学数学 工具工具 常用常用分析方法分析方法局限性局限性经典经典控制控制理论理论单输入单输入-单单输出线性输出线性定常系统定常系统微分方微分方程，传程，传递函数递函数时域分析时
5、域分析法，频域法，频域分析法分析法,根轨迹分根轨迹分析法析法对复杂多变量对复杂多变量系统、时变和系统、时变和非线性系统无非线性系统无能为力能为力现代现代控制控制理论理论多输入多输入-多多输出变系输出变系数，非线数，非线性等系统性等系统线性代线性代数、矩数、矩阵理论阵理论状态空间状态空间法法比较繁琐（但比较繁琐（但由于计算机技由于计算机技术的的迅速发术的的迅速发展，这一局限展，这一局限性已克服性已克服)1-2 开环控制和闭环控制开环控制和闭环控制一、开环控制系统：一、开环控制系统：1.定义定义：输出量与输入量之间没有反向联系，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
6、只靠输入量对输出量单向控制的系统叫开环 控制系统。控制系统。控制装置控制装置被控对象被控对象控制量控制量扰动扰动被控制量被控制量 开环控制又可称为前馈控制，因为控制作用是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馈由输入信号直接向前输送，而不是由输出信号回馈到输入信号来进行控制的，故称为前馈控制。到输入信号来进行控制的，故称为前馈控制。2.应用应用：目前比较常见的开环控制系统有自动售货机，目前比较常见的开环控制系统有自动售货机，自动洗衣机，自动流水线，包装机等。自动洗衣机，自动流水线，包装机等。例1.下面是一个具体的开环控制系统的例子 直流电机转速控制系
7、统电电压压放放大大器器可可控控硅硅功功放放负载负载uskuaun+MR电位器电压us 010V转速01000rpm方方 框框 图图电位器电位器电压电压放大器放大器可控硅可控硅功放功放直流直流电动机电动机usukn扰动扰动ua二、闭环控制系统：二、闭环控制系统：1.定义：输出量与输入量之间有反向联系，靠输定义：输出量与输入量之间有反向联系，靠输 入量与反馈信号之间的偏差对输出量进行控制的系入量与反馈信号之间的偏差对输出量进行控制的系 统叫闭环控制系统。统叫闭环控制系统。2.反馈：是把系统输出量全部或一部分回送到输反馈：是把系统输出量全部或一部分回送到输 入端，以增强或减弱输入信号的效应。入端，以
8、增强或减弱输入信号的效应。例2.引入闭环控制后的直流电机转速控制系统电电压压放放大大器器可可控控硅硅功功放放负载负载ukuaun+MRUsufG方框图方框图电位器电压放大器可控硅放大器直流电动机测速机usufuk-n扰动ua 转速负反馈的作用：引入测速发电机后，当外来转速负反馈的作用：引入测速发电机后，当外来的电网电压波动使电机的转速发生变化时，测速发电的电网电压波动使电机的转速发生变化时，测速发电机会将变化的情况反馈到比较环节，系统作出相应调机会将变化的情况反馈到比较环节，系统作出相应调节，最终控制转速稳定。节，最终控制转速稳定。电压放大器的输入：负反馈控制系统最大的特点：检测偏差，纠正偏负
9、反馈控制系统最大的特点：检测偏差，纠正偏差起。差起。按偏差控制按偏差控制 反馈分为正反馈和负反馈。反馈分为正反馈和负反馈。起增强输入信号作用起增强输入信号作用正反馈。正反馈。起减弱输入信号作用起减弱输入信号作用负反馈。负反馈。正反馈不能进行控制，只会使系统的偏差越来越正反馈不能进行控制，只会使系统的偏差越来越大。大。只有负反馈控制系统才能完成自动控制的任务。只有负反馈控制系统才能完成自动控制的任务。三、开环与闭环系统的比较：三、开环与闭环系统的比较：开环控制系统：开环控制系统：1.结构简单经济结构简单经济 2.调试方便调试方便 3.抗干扰能力差，控制精度不高。抗干扰能力差，控制精度不高。闭环控
10、制系统：闭环控制系统：1.系统具有纠正偏差的能力。系统具有纠正偏差的能力。2.抗扰性好，控制精度高。抗扰性好，控制精度高。3.包含元件多，结构复杂，价格高。包含元件多，结构复杂，价格高。4.参数应选择适当。参数应选择适当。开环闭环复合控制系统开环闭环复合控制系统 （兼有两者的优点，精度很高）（兼有两者的优点，精度很高）1-3 自动控制系统的组成自动控制系统的组成 一、自动控制系统的组成：一、自动控制系统的组成：自动控制系统是指由控制装置与被控对象结合自动控制系统是指由控制装置与被控对象结合 起来的，能够对被控对象的一些物理量进行自动控起来的，能够对被控对象的一些物理量进行自动控 制的一个有机整
11、体。制的一个有机整体。（一）.硬件部分：1.给定元件：调节给定信号，以调节输出量的大给定元件：调节给定信号，以调节输出量的大小。小。2.检测元件：检测输出量的大小，并反馈到输入检测元件：检测输出量的大小，并反馈到输入端。端。3.比较环节：反馈信号与给定信号在此迭加，比较环节：反馈信号与给定信号在此迭加，信号的极性以信号的极性以“+”或或“-”表示。极性相同为正反表示。极性相同为正反馈，馈，极性相反为负反馈。极性相反为负反馈。4.控制器（放大元件）：比较环节输出的信控制器（放大元件）：比较环节输出的信号，经控制器成为合适的信号，输出给执行元件。号，经控制器成为合适的信号，输出给执行元件。5.执行
12、元件：驱动被控对象的环节。执行元件：驱动被控对象的环节。6.控制对象控制对象(被调对象被调对象)：要求实现自动控制的：要求实现自动控制的机器设备或生产过程。机器设备或生产过程。7.反馈环节：将输出量引出，再回送到控制反馈环节：将输出量引出，再回送到控制部分。部分。*元件排列从左至右，给定元件在最左端，控元件排列从左至右，给定元件在最左端，控制对象在最右端。从左至右的通道称为顺馈通道，制对象在最右端。从左至右的通道称为顺馈通道，或前向通道。将输出信号引回输入端的通道称为或前向通道。将输出信号引回输入端的通道称为反馈通道，或反馈回路。反馈通道，或反馈回路。（二）（二）.系统中的各个量：系统中的各个
13、量：1.输入量（控制量、给定量）：通常通过给输入量（控制量、给定量）：通常通过给定元件给出或其他元件转换而来。定元件给出或其他元件转换而来。2.输出量（被控制量）：自动控制的目标。输出量（被控制量）：自动控制的目标。3.反馈量：通过检测元件将输出量转变成与反馈量：通过检测元件将输出量转变成与给定信号性质相同数量级相同的信号。给定信号性质相同数量级相同的信号。4.扰动量（干扰、噪声）：引起输出量发生变化扰动量（干扰、噪声）：引起输出量发生变化的各种因素，称为系统的扰动。如扰动来自外部，叫的各种因素，称为系统的扰动。如扰动来自外部，叫做外扰动，如果扰动来自内部，如系统中各元件参数做外扰动，如果扰动
14、来自内部，如系统中各元件参数的变化，称为内扰动。的变化，称为内扰动。5.中间变量：系统各环节之间的作用量。中间变量：系统各环节之间的作用量。1-4 自动控制系统的分类自动控制系统的分类 一、按输入量变化的规律分类：一、按输入量变化的规律分类：1.1.恒值控制系统：特点：系统的输入量是恒恒值控制系统：特点：系统的输入量是恒量，并且系统的输出量响应地保持恒定。量，并且系统的输出量响应地保持恒定。如恒温、如恒温、水位、恒压控制系统。水位、恒压控制系统。2.2.随动系统：（也叫伺服系统，跟踪系统）随动系统：（也叫伺服系统，跟踪系统）特点：输入量是变化的或是随机的，并且特点：输入量是变化的或是随机的，并
15、且输出量迅速而准确地跟随输入量的变化而变化。输出量迅速而准确地跟随输入量的变化而变化。比如：飞机和舰船的操舵系统，雷达自动跟踪比如：飞机和舰船的操舵系统，雷达自动跟踪系统。系统。3.过程控制系统过程控制系统：在生产过程中，要求自动在生产过程中，要求自动提供一定的外界条件，如压力、温度、流量等在提供一定的外界条件，如压力、温度、流量等在一定的时间内保持恒值或按一定的程序变化。如：一定的时间内保持恒值或按一定的程序变化。如：化工、石油等原料的生产。化工、石油等原料的生产。二、按系统传输入信号对时间的关系分类：二、按系统传输入信号对时间的关系分类：1.1.连续控制系统：连续控制系统：特点：系统的输入
16、量与输出量都是连续量或模拟量。连续系统的运动规律通常可用微分方程来描述。2.离散离散控制系统控制系统：又称采样控制系统。特点：系统中的信号是脉冲序列、采样数据或数字量。离散系统的运动规律通常可用差分方程来描述。三、按系统的输出量和输入量间的关系分类：三、按系统的输出量和输入量间的关系分类：1.1.线性系统：线性系统：系统全部由线性元件组成。具有叠加性和齐次性，可以用线性微分方程来描述。2.非线性系统非线性系统：系统中存在非线性元件。不适用叠加原理，通常用非线性微分方程来描述。四、按系统中的参数对时间的变化情况分类：四、按系统中的参数对时间的变化情况分类：1.1.定常系统：定常系统：系统的全部参
17、数不随时间变化。2.时变系统时变系统：系统中有的参数是时间的函数，它随时间变化而改变。1-5 自动控制系统的性能指标自动控制系统的性能指标 自动控制系统的性能 系统的稳定性系统的稳定性 稳态性能稳态性能 动态性能动态性能一、系统的稳定性：对任何自动控制系统，首要的条件便是系统对任何自动控制系统，首要的条件便是系统稳定正常运行。稳定正常运行。当输入信号突然发生跳变或有扰动时，系统原有的平衡状态被破坏，通过系统内部的自动调节，能重新稳定下来的为稳定系统。否则为不稳定系统。二、系统的稳态性能：二、系统的稳态性能：系统从一个稳定状态过渡到新的稳定状态后，会出现偏差，称为稳态误差ess。ess=0,系统
18、称为无静差系统。否则称为有静差系统。稳态误差的大小反映了稳态误差的大小反映了系统的稳态精度，表征系统的准确程度。系统的稳态精度，表征系统的准确程度。t01输入r(t)t01输入c(t)12理想的实际ess三、系统的动态性能指标：三、系统的动态性能指标：任何实际系统从原平衡状态到达新的平衡状态都要经历一个过渡过程，表征这个过渡过程的指标为动态指标。动态指标有最大超调量动态指标有最大超调量 、调调整时间整时间t ts s、振荡次数振荡次数 N N。1.最大超调量:输出量与稳态值的最大偏差，与稳态值之比。最大超调量最大超调量 反映了系统的动态精度。反映了系统的动态精度。不同的控制系统，对最大超调量的
19、要求也不同：一般系统，可为10%-35%；轧钢机初扎，小于10%；连轧机，小于2%-5%.2.调整时间ts:表征系统的过渡过程时间。调整时间反映了系统的快速性。调整时间反映了系统的快速性。s；造纸机的调整时间为0.3s。3.振荡次数 N：指在调整时间内，输出量在稳态值上下摆动的次数。振荡次数反映了系统的稳定性能。振荡次数反映了系统的稳定性能。普通机床允许振荡2-3次；龙门刨床、轧钢机允许振荡1次；造纸机不允许有振荡。我们总是希望系统能达到稳、准、快。性能指标是衡量自动控制系统技术品质的客性能指标是衡量自动控制系统技术品质的客观标准，也是定货、验收的基本依据。观标准，也是定货、验收的基本依据。对性能指标的要求，在同一系统中往往相互矛盾；性能指标要求过高，成本会大幅增加；因此要统筹兼顾。建立数学模型定性分析：弄清工作原理1-6 研究自动控制系统的方法研究自动控制系统的方法定量分析：静、动态指标校正、设计