第1章自动控制系统引论

《自动控制原理》多媒体课件刘文定自动控制理论是自动化学科的重要理论基础，专门研究有关自动控制系统中基本概念、基本原理和基本方法。本章介绍了开环控制和闭环控制，控制系统的基本原理和组成，控制系统的类型，以及对控制系统的基本要求。第1章引论内容提要开环控制，闭环控制，控制装置，被控对象，稳定性，稳态误差，动态特性，MATLAB的基础知识。知识要点§1.1控制的意义控制的本意:为了达到某种目的对事物进行支配、管束、管制、管理、监督、镇压。自动控制:在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（称控制装置或控制器），使机器、设备或生产过程（被控对象）的某个工作状态或参数（即被控量）自动地按照预定的规律运行。控制系统示例钢铁轧制：轧出厚度一致的高精度铁板（厚度控制，张力控制）程控机床：自动进刀切削，加工出预期的几何形状。现代控制（导弹，卫星，航天器，星球大战）计算机集成制造系统，智能机器人，娱乐机器人，载人卫星美国阿波罗月球着陆，火星探测器，旅行者voyager,§1.2自动控制系统的工作原理工作原理以恒温箱控制为例1.人工控制原理及方块图2.自动控制原理及方块图恒温箱人工控制观测恒温箱内的温度（被控量）与要求的温度（给定值）进行比较得到偏差的大小和方向根据偏差的大小和方向调节调压器，控制加热电阻丝的电流以调节温度回到要求值控制过程:实质检测偏差纠正偏差如果温度过高控制手柄使触头左移电阻丝中的电流减少温度下降直到达到给定温度如果温度过低控制手柄使触头右移电阻丝中的电流增大温度上升直到达到给定温度恒温箱自动控制系统系统原理方块图控制过程:如果温度过高U2增加U1不变U1-U2减小控制手柄使触头左移电阻丝中的电流减少温度下降直到达到给定温度如果温度过高低U2减小U1不变U1-U2增加控制手柄使触头右移电阻丝中的电流增加温度上升直到达到给定温度自动控制和人工控制的基本原理是相同的,它们都是建立在“测量偏差,修正偏差”的基础上,并且为了测量偏差,必须把系统的实际输出反馈到输入端。自动控制和人工控制的区别在于自动控制用控制器代替人完成控制。总之,所谓自动控制就是在没有人直接参与的情况下,利用控制装置使被控对象中某一物理量或数个物理量准确地按照预定的要求规律变化。控制系统工作原理:1)检测温度:由测量元件检测输出量（被控制量）的实际值。2)偏差：检测输出量与给定值（输入量）进行比较,得到偏差的大小和方向。3)控制：根据偏差的大小和方向产生进控制调节信号（控制量）去消除偏差，使得输出量维持期望值。§1.3开环控制和闭环控制1.3.1开环控制开环控制系统是指无被控量反馈的控制系统,即需要控制的是被控对象的某一量(被控量),而测量的只是给定信号,被控量对于控制作用没有任何影响的系统。结构如图所示。信号由给定值至被控量单向传递。这种控制较简单,但有较大的缺陷,即对象或控制装置受到干扰,或工作中特性参数发生变化,会直接影响被控量,而无法自动补偿。因此,系统的控制精度难以保证。从另一种意义理解,意味着对受控对象和其它控制元件的技术要求较高。如数控线切割机进给系统、包装机等多为开环控制。1.3.2闭环控制(反馈控制)闭环控制的定义是有被控制量反馈的控制,其原理框如图所示。从系统中信号流向看,系统的输出信号沿反馈通道又回到系统的输入端,构成闭合通道,故称闭环控制系统,或反馈控制系统。这种控制方式,无论是由于干扰造成,还是由于结构参数的变化引起被控量出现偏差,系统就利用偏差去纠正偏差,故这种控制方式为按偏差调节。闭环控制系统的突出优点是利用偏差来纠正偏差,使系统达到较高的控制精度。但与开环控制系统比较,闭环系统的结构比较复杂,构造比较困难。需要指出的是,由于闭环控制存在反馈信号,利用偏差进行控制,如果设计得不好,将会使系统无法正常和稳定地工作。另外,控制系统的精度与系统的稳定性之间也常常存在矛盾。开环控制和闭环控制方式各有优缺点,在实际工程中应根据工程要求及具体情况来决定。如果事先预知输入量的变化规律,又不存在外部和内部参数的变化,则采用开环控制较好。如果对系统外部干扰无法预测,系统内部参数又经常变化,为保证控制精度,采用闭环控制则更为合适。如果对系统的性能要求比较高,为了解决闭环控制精度与稳定性之间的矛盾,可以采用开环控制与闭环控制相结合的复合控制系统。§1.4自动控制系统的组成及术语典型闭环（反馈）控制系统的原理如图所示(1)被控对象: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制量。(2)控制器:接收变换和放大后的偏差信号,转换为对被控对象进行操作的控制信号。(3)放大变换环节:将偏差信号变换为适合控制器执行的信号。它根据控制的形式、幅值及功率来放大变换。(4)校正装置:为改善系统动态和静态特性而附加的装置。如果校正装置串联在系统的前向通道中,称为串联校正装置;如果校正装置接成反馈形式,称为并联校正装置,又称局部反馈校正。(5)反馈环节:它用来测量被控量的实际值,并经过信号处理,转换为与被控制量有一定函数关系,且与输入信号同一物理量的信号。反馈环节一般也称为测量变送环节。(6)给定环节:产生输入控制信号的装置。(1)输入信号:泛指对系统的输出量有直接影响的外界输入信号,既包括控制信号又包括扰动信号。其中控制信号又称控制量、参考输入、或给定值。(2)输出信号(输出量):是指反馈控制系统中被控制的物理量,它与输入信号之间有一定的函数关系。(3)反馈信号:将系统(或环节)的输出信号经变换、处理送到系统(或环节)的输入端的信号,称为反馈信号。若此信号是从系统输出端取出送入系统输入端,这种反馈信号称主反馈信号。而其它称为局部反馈信号。控制系统中常用的名词术语：(4)偏差信号:控制输入信号与主反馈信号之差。(5)误差信号:它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，实际上并不存在,它只能用与控制输入信号具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信号,误差信号等于偏差信号。(6)扰动信号:除控制信号以外,对系统的输出有影响的信号。§1.5自动控制系统的类型1.5.1按信号流向划分1.开环控制系统信号流动由输入端到输出端单向流动。2.闭环控制系统若控制系统中信号除从输入端到输出端外,还有输出到输入的反馈信号,则构成闭环控制系统,也称反馈控制系统,如图所示。1.5.2按系统输入信号划分1.恒值调节系统(自动调节系统)这种系统的特征是输入量为一恒值,通常称为系统的给定值。控制系统的任务是尽量排除各种干扰因素的影响,使输出量维持在给定值(期望值)。如工业过程中恒温、恒压、恒速等控制系统。2.随动系统(跟踪系统,伺服系统)该系统的控制输入量是一个事先无法确定的任意变化的量,要求系统的输出量能迅速平稳地复现或跟踪输入信号的变化。如雷达天线的自动跟踪系统和高炮自动描准系统就是典型的随动系统。3.程序控制系统系统的控制输入信号不是常值,而是事先确定的运动规律,编成程序装在输入装置中,即控制输入信号是事先确定的程序信号,控制的目的是使被控对象的被控量按照要求的程序动作。如数控车床就属此类系统。1.5.3线性系统和非线性系统组成系统元器件的特性均为线性的,可用一个或一组线性微分方程来描述系统输入和输出之间的关系。线性系统的主要特征是具有齐次性和叠加性。1.线性系统2.非线性系统在系统中只要有一个元器件的特性不能用线性微分方程描述其输入和输出关系,则称为非线性系统。非线性系统还没有一种完整、成熟、统一的分析法。通常对于非线性程度不很严重,或做近似分析时,均可用线性系统理论和方法来处理。非线性系统分析将在第八章专门讨论。1.5.4定常系统和时变系统1.定常系统如果描述系统特性的微分方程中各项系数都是与时间无关的常数,则称为定常系统。该类系统只要输入信号的形式不变,在不同时间输入下的输出响应形式是相同的。2.时变系统如果描述系统特性的微分方程中只要有一项系数是时间的函数,此系统称为时变系统。1.5.5连续系统和离散系统1.连续系统系统中所有元件的信号都是随时间连续变化的,信号的大小均是可任意取值的模拟量,称为连续系统。2.离散系统离散系统是指系统中有一处或数处的信号是脉冲序列或数码。若系统中采用了采样开关,将连续信号转变为离散的脉冲形式的信号,此类系统称为采样控制系统或脉冲控制系统。若采用数字计算机或数字控制器,其离散信号是以数码形式传递的,此类系统称为数字控制系统。1.5.6单输入单输出系统与多输入多输出系统1.单输入单输出系统(单变量系统SISO)系统的输入量和输出量各为一个,称为单输入单输出系统。2.多输入多输出系统(多变量系统MIMO)若系统的输入量和输出量多于一个,称为多输入多输出系统。对于线性多输入多输出系统,系统的任何一个输出等于数个输入单独作用下输出的叠加。§1.6自动控制系统性能的基本要求自动控制系统是否能很好地工作,是否能精确地保持被控量按照预定的要求规律变化这取决于被控对象和控制器及各功能元器件的特性参数是否设计得当。在理想情况下,控制系统的输出量和输入量,在任何时候均相等,系统完全无误差,且不受干扰的影响。实际系统中,由于各种各样原因,系统在受到输入信号(也包括扰动信号)的激励时,被控量将偏离输入信号作用前的初始值,经历一段动态过程(过渡过程),则系统控制性能的优劣,可以从动态过程中较充分地表现出来。1.6.1稳定性(稳)控制精度是衡量系统技术性能的重要尺度。一个高品质的系统,在整个运行过程中,被控量对给定值的偏差应该是最小的。考虑动态过程在不同阶段中的特点,工程上通常从稳、准、好三个方面来衡量自动控制系统。稳定工作是所有自动控制系统的最基本要求,是系统能否工作的前题。不稳定的系统根本无法完成控制任务。考虑到实际系统工作环境或参数的变动,可能导致系统不稳定,因此,我们除要求系统稳定外,还要求其具有一定的稳定裕量。1.6.2稳态精度(准)1.6.3动态过程(好)稳态精度是指系统过渡到新的平衡工作状态以后,或系统对抗干扰重新恢复平衡后,最终保持的精度。稳态精度与控制系统的结构及参数,输入信号形式有关。动态过程是指控制系统的被控量在输入信号作用下随时间变化的全过程,衡量动态过程的品质好坏常采用单位阶跃信号作用下过渡过程中的超调量,过渡过程时间等性能指标。§1.7自动化技术发展简述前期控制古典控制理论(经典控制)自动控制理论现代控制理论古典控制理论:以传递函数为基础,研究单输入,单输出一类控制系统的分析和设计问题。现代控制理论：以状态空间法为基础,研究多输入,多输出，变参数，非线性，高精度，高效能等一类控制系统的分析和设计问题。前期控制（1400-1900）中国的指南针，候风动仪，亚历山大的分发圣水自动装置经典控制（1935-1950）美国船舶驾驶的伺服系统，火炮控制器美国的H.Hazen发表“关于伺服结构理论”并在MIT建立伺服结构实验室。贝尔实验室的Bode及Nyquist提出频率响应法。美国MIT的Wiener提出滤波理论，发表控制论》标志着控制论学科的诞生。贝尔实验室Bode领导的火炮控制系统发表《通信的数字理论》奠定信息论的基础。Evans提出根轨迹法，开始SISO为对象的经典控制研究工作。多本有关经典控制的名著出现：１.Smith的《自动控制工程》；２.钱学森的《工程控制论》.现代控制系统（数控机床，柔性机械手）现代控制（导弹，卫星，航天器，星球大战）计算机集成制造系统，智能机器人，娱乐机器人，载人卫星美国阿波罗月球着陆，火星探测器，旅行者voyager,§1.8自动控制课程的主要任务本课程的主要内容是阐述构成、分析和设计自动控制系统的基本理论。对实际系统,建立研究问题的数学模型,进而利用所建立的数学模型来讨论构成、分析、综合自动控制系统的基本理论和方法。作为研究自动控制系统的分析与综合的方法来说,对单输入单输出系统常采用的是时域法,频域法,根轨迹法以及目前广泛应用的计算机辅助设计。§1.9自动控制系统实例1.9.1造纸机分部传动控制系统如图所示。含有大量水分的纸张经过第