第一章控制系统导论

17（1）自动控制：在无人直接参加的情况下，利用外加的设备或装置（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（被控量）自动地按预定规律运行。（2）被控对象：控制系统要进行控制的受控客体（3）被控量：控制对象要实现的量1.自动控制的基本概念一、自动控制的基本原理18自动控制理论：研究自动控制共同规律的技术科学。自动控制系统：是由控制装置和被控对象所组成，它们按照一定的方式连接起来，组成一个有机总体。2.自动控制的基本概念3.反馈控制系统的组成反馈控制（闭环控制）：采用负反馈(正反馈较少)并利用偏差进行控制的过程。注：由于引入了被反馈量的反馈信息，整个控制过程成为闭合的，因此反馈控制也称为闭环控制。21图1.5闭环控系统基本组成框图被控量——反馈控制系统的基本组成串连校正装置放大装置执行机构被控对象反馈校正装置测量装置给定装置22（1）给定装置：产生给定值或输入信号（量）（即参考量或期望值）（2）测量装置：测量被控制的物理量（被控量），用于产生反馈信号。各种传感器：测速发电机、电位计、热电偶等。（3）比较装置：把测量元件检测的实际值（被控量）与给定元件给出的参考量进行比较，求出它们之间的偏差。如差动放大器、自整角机。反馈控制系统的基本组成23（4）放大装置：将比较元件给出的偏差进行放大，用来推动执行元件。去控制被控对象，如放大器、晶闸管。（5）执行机构：直接推动被控对象，使其被控量发生变化。如步进电机，继电器开关。（6）补偿装置：它是结构或参数便于调整的元件或机构，用串联或反馈的方式连接在系统中，以改善控制系统性能。（7）工业应用的控制系统：电动、汽（气）动、液动。24输出量环节名称(或特性)输入量(a)(-)(b)re=r-bb(c)c引出点cc••闭环控制系统的方框图闭环控制系统的方框图••方框图的组成：方框图的组成：被控量偏差信号(-)参考输入信号r(t)调节器(或控制器)u(t)受控系统e(t)c(t)反馈信号控制量扰动给定控制环节放大元件执行机构受控对象反馈装置(测量元件)25（1）用“○”号代表比较装置，“—”号代表两者符号相反。（2）前向通路：信号沿箭头方向从输入端到达输出端的传输通路称；（3）主反馈通路：系统输出量经测量装置反馈到输入端的传输通路称。（4）前向通路与主反馈通路共同构成主回路。（5）局部反馈通路以及由它构成的内回路。反馈控制系统的基本组成264.自动控制系统的控制方式（1）开环控制方式：开环控制是指控制器与被控对象之间只有顺向作用而没有反向联系的控制过程。分为按给定控制的开环控制系统和按扰动控制的开环控制系统主要控制方式有：开环控制、反馈控制和复合控制27控制器被控制对象给定值输出量按给定值控制的原理方框图按给定控制的开环控制系统29信号由给定值至输出量单向传递。一定的给定值对应一定的输出量。系统的控制精度取决于系统事先的调整精度。对于工作过程中受到的扰动或特性参数的变化无法自动补偿。。控制形式：30输出不影响输入，对输出不需要测量，容易实现；对构成系统的元部件精度要求高，只有元部件精度高，系统的精度才能高；系统的稳定性不是主要问题结构简单，成本低廉，多用于系统结构参数稳定和扰动信号较弱的场合主要特点：31扰动输出量控制器被控制对象测量装置按扰动补偿的原理方框图按扰动控制的开环控制方式：33控制形式：利用对扰动信号的测量产生控制作用，以补偿扰动对输出量的影响。由于扰动信号经测量装置，控制器至被控对象的输出量是单向传递的，故属于开环控制方式。系统自身无法控制。特点：对于不可测扰动以及被控对象及各功能部件内部参数变化给输出量造成的影响不能控制，控制精度较低应用：常用于工作机械的恒速控制（如稳定刀具转速）以及电源系统的稳压，稳频控制。34（2）反馈控制方式：反馈：取出输出量送回输入端并与输入信号相比较产生偏差信号的过程负反馈控制原理：利用反馈产生偏差，并利用偏差进行控制直至最后消除偏差分类：正反馈和负反馈特点：按偏差进行控制，输出影响输入，所以能削弱或抑制干扰；低精度元件可组成高精度系统；因为可能发生超调，振荡，所以稳定性很重要35输入量输出量反馈控制典型方框图控制器被控制对象扰动反馈控制方式：测量装置36闭环与开环控制系统的比较•开环控制：顺向作用，没有反向的联系，没有修正偏差能力，抗扰动性较差。结构简单、调整方便、成本低。在精度要求不高或扰动影响较小的场合，这种控制方式有一定的实用价值（步进电机，水泵，风扇）。•闭环控制：为偏差控制，可以抑制内（系统参数变化）、外扰动（负载变化）对被控制量产生的影响，因此，控制精度高。但是结构复杂，成本高（价格成倍增加）；系统设计、分析麻烦。37控制方式：按偏差控制和按扰动控制相结合的一种控制方式优点：构成高精度控制系统的一种有效控制方式，使控制系统具有良好的控制性能。（3）复合控制方式：分类：按输入前馈补偿的复合控制按干扰前馈补偿的复合控制38图1.4输入补偿的复合控制系统框图输入量控制器控制对象测量元件输出量反馈回路被控量干扰量前馈补偿按输入顺馈补偿的复合控制方式：39图1.3干扰补偿的复合控制系统框图输入量控制器控制对象测量元件输出量反馈回路被控量干扰量前馈补偿按扰动前馈补偿的复合控制方式42函数记录仪原理示意图(P8)RQRWΔuLtur变换器放大器绳轮电机测速机减速器1.2自动控制系统示例43函数记录仪方块图(P8)514、自动控制系统的分类按控制方式分类开环控制、闭环控制、复合控制按系统性能分类线性系统和非线性系统定常系统和时变系统连续系统和离散系统按系统的功能分类温度控制系统、位置控制系统压力控制系统、调速系统52)()()()()()()()(1111011110trbtrdtdbtrdtdbtrdtdbtcatcdtdatcdtdatcdtdammmmmmnnnnnn（1）线性连续系统式中c(t)--系统输出量r(t)--是系统输入量，系数是常数时，称为定常系统；系数随时间变化时，称为时变系统。53（1）恒值控制系统：也称调节器。输出量以一定的精度等于给定值，而给定值一般不变化或变化很缓慢，扰动可随时变化的系统称为恒值系统，（2）随动系统：这类系统的特点是系统的给定值变化规律完全取决于事先不能确定的时间函数。输出量能以一定精度跟随给定值变化，又称为跟踪系统。（3）程序控制系统：自动控制系统的参据量是按预定规律随时间变化的函数，被控制量要迅速、准确地加以复现。按输入输出分类54（2）线性定常离散控制系统系统中只要有一个传递的信号是时间上断续的信号，则称为离散系统。计算机控制系统一定是离散系统。离散系统用差分方程描述：。为输入和输出采样序列)(),()()1()1()()()1()1()(110110kckrkrbkrbmkrbmkrbkcakcankcankcammnn55古典控制理论中，采用的是单输入单输出描述方法。主要是针对线性定常系统，对于非线性系统和时变系统，解决问题的能力是极其有限的。（3）非线性系统：如果不能应用叠加原理，则系统是非线性的。下面是非线性系统的一些例子：0,0)1(,sin)(322222222xxdtdxdtxdxdtdxxdtxdtAxdtdxdtxd56（4）对控制系统的一般要求为了实现自动控制的基本任务，必须对系统在控制过程中表现出来的行为提出要求。对控制系统的基本要求，通常是通过系统对特定输入信号的响应来满足的。（1）稳定性被控制信号能跟踪已变化的输入信号，从一种状态到另一种状态，如果能做到，我们就认为该系统是稳定的，这是对反馈控制系统提出的最基本要求。（2）快速性对动态性能提出的要求。包括过渡的快慢和振荡程度的强弱。.（3）准确性对静态性能提出的要求。也称为控制精度，以稳态误差的大小来衡量。57（5）典型外作用分析和设计控制系统，必须对各种控制系统性能进行评判，通过对这些系统施加各种典型（试验、测试）信号，比较它们的响应，能否满足工程要求。(1)信号在现场或实验室容易产生(2)尽可能接近实际工作时的外加信号(3)反映系统最不利的工作(环境)条件(4)函数表达式简单，便于理论计算（6）典型信号选取条件59阶跃函数：tR)(tf0,0,0)(tRttfR为阶跃幅度，R=1称为单位阶跃函数，记为1（t）。其拉氏变换后的像函数为：sRtfL)]([60斜坡函数（速度阶跃函数）：0,0,0)(tRtttfR=1时称为单位斜坡函数。t)(txRttf)(抛物线函数（加速度阶跃函数）：0,210,0)(2tRtttfR=1时称为单位抛物线函数。t)(tx221)(Rttf其拉氏变换后的像函数为：2)]([sRtfL其拉氏变换后的像函数为：3)]([sRtfL221)(Rttf221)(Rttf61脉冲函数：理想单位脉冲函数：[定义]：，且，其积分面积为1。000)(ttt1)(dtt出现在时刻，积分面积为A的理想脉冲函数定义如下：ttttA,,0)(且AdttA)(0)(t)(t其拉氏变换后的像函数为：1)]([tL