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1、第一章自动控制系统概念本讲稿第一页，共五十九页课程的内容及要求课程的内容及要求n通过本课程的学习，要求掌握自动控制系统的组成和工作原理；掌握建立简单控制系统数学模型的方法；掌握分析控制系统的三种方法：时域法、根轨迹法和频率法；了解线性系统的校正方法。本讲稿第二页，共五十九页课程的内容课程的内容及要求及要求n了解系统动态过程及性能。n对于一个给定的已存在的具体系统，如何从理论上对系统的动态性能进行定性分析和定量估算系统分析。n根据给定的系统的动态性能要求，如何 根据已知的受控对象，合理地确定控制装置的部分结构和参数系统设计。本讲稿第三页，共五十九页控制思想控制思想的的起源起源n控制思想与技术的存
2、在至少已有数千年的历史了。“控制”这一概念本身即反映了人们对征服自然与外在的渴望，控制理论与技术也自然而然地在人们认识自然与改造自然的历史中发展起来。本讲稿第四页，共五十九页自动控制的定义及意义自动控制的定义及意义n自动控制是指应用自动化仪器、仪表或自动控制装置代替人自动地对仪器设备或工业生产过程进行控制，使之达到预期的状态或性能指标。n对传统的工业生产过程采用自动控制技术，可以有效提高产品的质量和企业的经济效益。对一些恶劣环境下的控制操作，自动控制显得尤其重要。本讲稿第五页，共五十九页历史上的三本重要著作历史上的三本重要著作n通讯的数学理论（通讯的数学理论（A Mathematical Th
3、eory of Communication），），目前被作为信息论开端的香农(Claude Elwood Shannon,1916-)的论文。奠定了信息论的基础。n控制论，或关于在动物和机器中控制和通讯的科学，控制论，或关于在动物和机器中控制和通讯的科学，控制论创立者维纳（Norbert Wienner,1894-1964）的经典论著。n工程控制论工程控制论 钱学森(Tsien H S,1991-)的著作工程控制论（Engineering Cybernetics.1954）。n这三部著作对人类社会有着巨大的影响，产生了新型的综合性基础理论：控制论，信息论和工程控制论。本讲稿第六页，共五十九页本
4、讲稿第七页，共五十九页本讲稿第八页，共五十九页本讲稿第九页，共五十九页本讲稿第十页，共五十九页本讲稿第十一页，共五十九页 自动控制系统的常用概念自动控制系统的常用概念n控制：某个主体使其它对象按照一定的控制：某个主体使其它对象按照一定的目的动作的过程，目的动作的过程，“其它对象其它对象”可以是可以是一个过程，也可以是器械、生产系统。一个过程，也可以是器械、生产系统。n自动控制：在无人直接参与的情况下，自动控制：在无人直接参与的情况下，通过控制器使被控对象或过程自动按照通过控制器使被控对象或过程自动按照预定要求预定要求(规律规律)运行的行为。运行的行为。n自动控制系统：实现自动任务的系统自动控制
5、系统：实现自动任务的系统本讲稿第十二页，共五十九页n被控对象：被控对象：以上所指的其它对象，通常称受控对象，即机械以上所指的其它对象，通常称受控对象，即机械或装备，如燃气轮机、锅炉等。或装备，如燃气轮机、锅炉等。n被控量：被控量：表征被控对象工作状态的物理量，如电压、转速、表征被控对象工作状态的物理量，如电压、转速、温度等。温度等。n输入量：输入量：作用与系统输入端，是实现输出量控制的参考物作用与系统输入端，是实现输出量控制的参考物理量。理量。n输出量：输出量：被控对象中要求实现自动控制的物理量，位于被控对象中要求实现自动控制的物理量，位于系统输出端。系统输出端。本讲稿第十三页，共五十九页n给
6、定值（参考输入）：给定值（参考输入）：在整个过程中，被控量所应保持的在整个过程中，被控量所应保持的理想数值理想数值.n控制的任务：控制的任务：使受控对象的被控量等于给定值使受控对象的被控量等于给定值.n扰动：扰动：不改变控制机构参数而使被控量发不改变控制机构参数而使被控量发生变化的因素生变化的因素.n扰动量：妨碍控制量对被控制量按要扰动量：妨碍控制量对被控制量按要求进行正常控制的物理量求进行正常控制的物理量.本讲稿第十四页，共五十九页n开环控制：开环控制：被控制量只受控于控制量，而对控制量被控制量只受控于控制量，而对控制量不能反施影响的一类系统成为开环控制系不能反施影响的一类系统成为开环控制系
7、统。统。n系统：系统：用以完成一定任务的一些元、部件的组用以完成一定任务的一些元、部件的组合为系统。合为系统。n控制过程：控制过程：消除扰动因素对系统的影响，从而保持被控消除扰动因素对系统的影响，从而保持被控制量按预期要求变化的过程，称为制量按预期要求变化的过程，称为控制过程控制过程。本讲稿第十五页，共五十九页按控制方法分类 n最优控制（optimal control）使控制系统的性能指标实现最优化的基本条件和综合方法。对一个受控的动力学系统或运动过程，从一类允许的控制方案中找出一个最优的控制方案，使系统的运动在由某个初始状态转移到指定的目标状态的同时，其性能指标值为最优。这类问题广泛存在于技
8、术领域或社会问题中。例如，确定一个最优控制方式使空间飞行器由一个轨道转换到另一轨道过程中燃料消耗最少。最优控制已被应用于综合和设计最速控制系统、最省燃料控制系统、最小能耗控制系统、线性调节器等。本讲稿第十六页，共五十九页按控制方法分类n系统辨识(System Identification)根据系统的输入输出时间函数来确定描述系统行为的数学模型。通过辨识建立数学模型的目的是估计表征系统行为的重要参数，建立一个能模仿真实系统行为的模型，用当前可测量的系统的输入和输出预测系统输出的未来演变，以及设计控制器。对系统进行分析的主要问题是根据输入时间函数和系统的特性来确定输出信号。对系统进行控制的主要问题
9、是根据系统的特性设计控制输入，使输出满足预先规定的要求。而系统辨识所研究的问题恰好是这些问题的逆问题。本讲稿第十七页，共五十九页n自适应控制(Self-adaptable control)自适应是指生物能改变自己的习性以适应新的环境的一种特征。自适应控制器应当是这样一种控制器，它能修正自己的特性以适应对象和扰动的动态特性的变化。自适应控制的研究对象是具有一定程度不确定性的系统，这里所谓的“不确定性”是指描述被控对象及其环境的数学模型不是完全确定的，其中包含一些未知因素和随机因素。本讲稿第十八页，共五十九页n鲁棒控制(Robust control)系统的“鲁棒性”，是指控制系统在一定（结构，大小
10、）的参数摄动下，维持某些性能的特性。以闭环系统的鲁棒性作为目标设计得到的固定控制器称为鲁棒控制器。由于工作状况变动、外部干扰以及建模误差的缘故，实际工业过程的精确模型很难得到，而系统的各种故障也将导致模型的不确定性，因此可以说模型的不确定性在控制系统中广泛存在。如何设计一个固定的控制器，使具有不确定性的对象满足控制品质，就是鲁棒控制的任务。本讲稿第十九页，共五十九页按控制对象及控制方式分类 n单输入-单输出n多输入-多输出 本讲稿第二十页，共五十九页自动控制与人工控制自动控制与人工控制n人工控制过程分析对策分析对策观察观察执行执行工作对象工作对象观察观察预期目标干扰实际结果本讲稿第二十一页，共
11、五十九页n自动控制的方法测量测量执行执行 测量测量比较计算比较计算受控对象受控对象被控量干扰工作对象工作对象受控对象受控对象实际对象实际对象被控量被控量给定值本讲稿第二十二页，共五十九页n开环控制开环控制：开环控制：系统的输出量与输入量之间开环控制：系统的输出量与输入量之间只有顺向作用，而无反向联系，输出量对系统的控制只有顺向作用，而无反向联系，输出量对系统的控制过程不发生影响过程不发生影响计算执行受控对象干扰给定值被控量本讲稿第二十三页，共五十九页n开环控制的特点开环控制的特点：a.a.输出量只取决于控制信号和元件特性。输出量只取决于控制信号和元件特性。b.b.当系统元件性能发生变化或出现干
12、扰因素时，当系统元件性能发生变化或出现干扰因素时，被控量将与给定值之间发生发生较大偏差而被控量将与给定值之间发生发生较大偏差而不能自动校正。不能自动校正。c.c.输出量的控制精度将取决于控制器及被控对输出量的控制精度将取决于控制器及被控对象的参数稳定性。象的参数稳定性。d.d.环节简单，容易实现，稳定性好。环节简单，容易实现，稳定性好。e.e.于是开环系统具有规定的精度，系统各元、于是开环系统具有规定的精度，系统各元、部件的参数值，在工作过程中，必须严格保部件的参数值，在工作过程中，必须严格保持在事先校准的量值上。持在事先校准的量值上。本讲稿第二十四页，共五十九页n闭环（反馈）控制：需控制的是
13、被控对象的被控量，而测量的也是需控制的是被控对象的被控量，而测量的也是被被 控量。并与给定值进行比较计算，求得控量。并与给定值进行比较计算，求得它们的偏差，通过偏差来自动纠正偏差它们的偏差，通过偏差来自动纠正偏差按按偏差调节系统。偏差调节系统。利用通过负反馈产生的偏差所取得的控制作用利用通过负反馈产生的偏差所取得的控制作用去消除偏差的控制原理称为反馈控制原理去消除偏差的控制原理称为反馈控制原理。比较计算执行受控对象测量给定值被控量本讲稿第二十五页，共五十九页反馈控制原理反馈控制原理 n利用通过负反馈产生的偏差所取得的控制作用去消除偏差的控制原理称为反馈控制原理；n反馈理论的要素包括三个部分：测
14、量、比较和执行。在控制过程中，测量测量所关心的变量，并与期望值相比较，用这个误差纠正调节控制系统的响应。n不管什么原因引起被控制量偏离其期望值而产主偏差时，一定会产生一个相应的控制作用，而该控制作用将尽可能去消除偏差，使被控制量重新恢复到期望值上去。因此，反馈控制系统具有抑制任何内外部干扰对系统输出影响的能力。本讲稿第二十六页，共五十九页本讲稿第二十七页，共五十九页n闭环闭环(反馈反馈)控制系统特点控制系统特点：a.a.无论是由干扰造成的，还是由结构参数无论是由干扰造成的，还是由结构参数的变化引起的，只要被控量出现偏差，的变化引起的，只要被控量出现偏差，系统则自动纠偏，使被控量重新恢复到系统则
15、自动纠偏，使被控量重新恢复到期望值上去。期望值上去。b.b.结构复杂，精度高，稳定性降低，实现结构复杂，精度高，稳定性降低，实现较困难。较困难。c.c.只有当系统的扰动量无法事先预计的情况下，只有当系统的扰动量无法事先预计的情况下，闭环控制方案才具有明显的优势。闭环控制方案才具有明显的优势。本讲稿第二十八页，共五十九页闭环控制系统必须满足的要求 n必须时被控制量进行测量，并将其反馈到系统的输入端与控制量相减，（即负反馈）得到偏差；n对偏差进行适当放大，从而产生对被控对象（如电动机）的控制作用；n上述控制作用应使被控制量作消除偏差保持期望值的相应变化。本讲稿第二十九页，共五十九页开环系统与闭环系
16、统的比较 a.开环控制系统是由输入来控制输出的单向控制,它是单向的控制过程；闭环控制系统是输出量反馈回输入端参与控制的控制系统,输入量与输出量往往是不同性质的量；其特点为：1、有反馈；2、会调整；3、被控量会被控制在一定的值结果稳定；4、“结果”会影响“结果”；5、给定量与被控量是可比较的同一种性质的量。本讲稿第三十页，共五十九页 b.开环控制系统容易建造，且不必对被控制量进行测量和反馈，因而结构简单。故当系统中可能出现的干扰预先确知，且可做到有效补偿时，采用开环控制具有一定优越性，特别是被控制量难以直接测量时可以考虑采用开环控制方案。只有当系统的扰动量无法事先预计的情况下，闭环控制方案才具有
17、明显的优越性；c.从系统的稳定性来考虑，开环控制系统在这个问题上容易解决，因而不是一个十分重要的问题；但对闭环控制系统来说，稳定性则是要研究的主要问题之一。本讲稿第三十一页，共五十九页d.对开环控制系统来说，由于不存在被控制量到控制量的负反馈，所以对于扰动给被控制量造成的误差，系统不具有自行修正的能力。对于这类系统的控制精度便完全由采用高精度元件和采取有效的抗干扰措施来保证；在闭环控制系统中，由于采用负反馈因而被控制量对于外部和内部的干扰都不甚敏感，从而有可能采用精度不高，成本低廉的元件来构成控制质量较高的系统；本讲稿第三十二页，共五十九页 项项 目目 开环控制开环控制 闭环控制闭环控制结构结
18、构抑制扰动能力抑制扰动能力控制精度控制精度设计与分析设计与分析简单简单无无一般一般较方便较方便复杂复杂能够抑制内、外扰动对系能够抑制内、外扰动对系统输出的影响统输出的影响较高较高较困难，需要考虑不换系较困难，需要考虑不换系统稳定性统稳定性反馈控制系统与开环控制系统比较反馈控制系统与开环控制系统比较本讲稿第三十三页，共五十九页n复合控制复合控制 在反馈控制系统中，加入开环控制措施（称在反馈控制系统中，加入开环控制措施（称为前馈），以补偿反馈控制的不足，称为复合为前馈），以补偿反馈控制的不足，称为复合控制。常用于对控制性能要求较高的系统中。控制。常用于对控制性能要求较高的系统中。如下图中（如下图中
19、（a a）、（）、（b b）、（）、（c c）。）。本讲稿第三十四页，共五十九页本讲稿第三十五页，共五十九页控制系统常用符号及表示方法 n r(t)代表控制量或控制信号；n c(t)代表被控制量或被控制信号；n(t)代表偏差或偏差信号；n f(t)代表扰动量或扰动信号；n符号代表信号比较，其中“”号表示对反馈信号y(t)取负值，即负反馈。n方框图中箭头指示方向代表信号流通方向，箭头进入方框的一侧为方框的输入端，箭头离开方框的一侧为其输出端。n对构成系统的每一个方框来说，箭头指示方向是不变的，说明信号在控制系统中是单方向流通的，不可逆的；本讲稿第三十六页，共五十九页控制系统分类举例n随动系统：随
20、动系统又称为 servo system，是一种反馈控制系统。在这种系统中，输出量是机械位移、速度或者加速度。由于随动系统的参考输入不是时间的解析函数，如何变化事先并不知道,因此，控制输入量的变化规律不能预先确定。控制系统的任务是在各种情况下保证输出量以一定精度迅速、准确、平稳地跟随着参考输入的变化而变化。就反馈控制系统来说，其控制信号r(t)为任意时间函数，其变化规律很难预测，若要求系统准确复现这样的控制信号，则称这类反馈控制系统为随动系统或伺服系统。本讲稿第三十七页，共五十九页控制的任务：使工作机械随指令机构同步控制的任务：使工作机械随指令机构同步转动转动 Qc(t)=Qr(t)举例：本讲稿
21、第三十八页，共五十九页被控对象：工作机械被控量：Qc给定值：Qr测量元件：转角Qc及Qr通过两个相同的电位计测量并转换为相应的电压Uc和Ur；计算比较：两电位计桥式连接，即可完成减法运算Us=（Ur-Uc），Us即代表了被控量Qc对给定值Qr 的偏差；执行机构：电机减速装置；本讲稿第三十九页，共五十九页n方框图本讲稿第四十页，共五十九页n控制原理控制原理1.Qc=Qr，则Uc=Ur，Us=0，电机不转，系统平衡；2.Qr 增大，Ur增大，若Qc不变、Uc不变则Us=Ur-Uc大于0，电机正转，使Qc增大，直到Qc=Qr，达到新的平衡；n Qr减小，Ur减小，若Qc不变、Uc不变则Us=Ur-U
22、c小于0，电机反转，使Qc减小，直到Qc=Qr，达到新的平衡。本讲稿第四十一页，共五十九页恒值控制系统恒值控制系统n定义 若反馈控制系统控制量取常值，从而要求其被控制量也保持在相应的常值上，则称这类反馈控制系统为恒值控制系统。n特点 在恒值控制系统中，由于其控制量取常值，所以使被控制量偏离其期望值的主要因素为扰动量的存在。本讲稿第四十二页，共五十九页n举例本讲稿第四十三页，共五十九页n分析分析被控对象：被控对象：烘炉烘炉 被控量：被控量：炉温炉温Tc 干扰：干扰：工件、环境温度、煤气压力等依靠调节煤气工件、环境温度、煤气压力等依靠调节煤气 管道上的阀门改变炉温；管道上的阀门改变炉温；测量元件：
23、测量元件：热电偶，它将炉温转变为相应的电压热电偶，它将炉温转变为相应的电压 给定装置：给定装置：给定电位计输出电压给定电位计输出电压Ur相当于要求的炉温相当于要求的炉温计算：计算：Ur、U t两电压反接，即完成减法运算输出电压（两电压反接，即完成减法运算输出电压（UrUc）相当于）相当于炉温的偏差炉温的偏差 执行机构：执行机构：电动机及传动装置电动机及传动装置本讲稿第四十四页，共五十九页n控制原理：控制原理：1.假定炉温恰好等于给定值，事先调整好。这假定炉温恰好等于给定值，事先调整好。这 时：时：Ut=Ur，电压差等于零，电机不转；煤气流量不，电压差等于零，电机不转；煤气流量不变，烘炉处于恒温
24、状态。变，烘炉处于恒温状态。2.如果增加工件，烘炉的负荷加大，而煤气流量一如果增加工件，烘炉的负荷加大，而煤气流量一时没变，则炉温下降，时没变，则炉温下降，T减小导致减小导致Ut下降，（下降，（Ur-Ut）大于）大于0，电机正转带动阀门开大，增加煤气，电机正转带动阀门开大，增加煤气供给量，炉温回升，直到供给量，炉温回升，直到Ut=Ur。3.若工件减少，则若工件减少，则T上升，上升，Ut增大，（增大，（Ur-Ut）小于）小于零，电机反转带动阀门关小，减小煤气流量，炉零，电机反转带动阀门关小，减小煤气流量，炉温下降，直到温下降，直到Ut=Ur为止。为止。本讲稿第四十五页，共五十九页n数字控制系统数
25、字控制系统 数字控制系统数字控制系统是一类以数字计算机为控制器实现具有连续工作状态被控对象闭环控制的反馈控制系统。由于控制量r(t)，被控制量c(t)和偏差e(t)均为模拟量，而数字计算机只能处理数字的离散信号。因此在数字控制系统中需采用采样开关，模拟-数字转换器（A/D），数字-模拟转换器（D/A）和保持器。本讲稿第四十六页，共五十九页自动控制系统的构成 a)为测量控制量及被控制量，系统需有测量元件；b)为实现被控制量到控制量的负反馈以产生偏差信号，系统需有比较元件；c)由于偏差信号一般比较微弱，为使其具有足够大的幅值和功率，系统需有放大元件；d)为能使系统偏差经放大形成的控制作用驱动披控制
26、对象以产生按控制信号的变化规律而变化的被控制信号，系统还需有执行元件；e)为使系统能正常工作，还需在系统中加进能消除或减弱上述振荡从而提高其控制性能的元件，称这类元件为校正元件；本讲稿第四十七页，共五十九页对控制系统的基本要求 a)任何一个反馈控制系统的工作都必须是稳稳定定的，这是对反馈控制系统提出的最基本要求；b)阻尼程度及超调；c)响应速度及控制精度；本讲稿第四十八页，共五十九页对控制系统基本要求的体现 n通过系统对特定形式输入信号的响应过程响应过程所具有的一些特征值特征值来体现的。n响应过程响应过程是指反馈控制系统在控制量或扰动量作用下由原平衡状态变化到新平衡状态时的过程来说的。n在分析与设计反馈控制系统时，对其提出的基本要求多数情况下是通过系统对单位单位阶跃信号阶跃信号的响应，即单位阶跃响应的某些特征量体现的。本讲稿第四十九页，共五十九页对控制系统基本要求的具体衡量n超调量 式中：cmax=sup|c(t)|，0tSup|c(t)|代表单位阶跃响应在0 t 0,放大器输出I0，驱动进水控制阀门开度增大，使进水量Q1增大；经测量装置使Hf逐步增大，直到=0，电机停止工作；阀门开度是偏差信号的积分。本系统是无差系统。当0，u0，0，门位置向打开方向平稳运动，使y逐步增大，直到=0，电机停止工作。关门过程原理相同。本讲稿第五十九页，共五十九页