自动化导论第三章..

2020年1月26日星期日1/41《自动化导论》《IntroductiontoAutomation》2020年1月26日星期日2/41第三章自动控制系统的基本控制过程3.1人工控制和自动控制3.2自动控制系统的基本控制方式3.3不同输入作用下的控制3.4不同特性信号下的控制3.5*控制系统中的非线性现象本章小结2020年1月26日星期日3/413.1人工控制和自动控制实例：2020年1月26日星期日4/41阀门浴盆偏差操纵量期望值干扰干扰(42,60)IS)60,42(htE),(gwU(,)OSth模型（方块图）控制过程的模型化！抽象含物质、能量的流动过程抽象仅含信息的流动过程2020年1月26日星期日5/41阀门浴盆偏差操纵量实际水温希望水温干扰干扰(42)IST)42(tE)(gUGV测温计干扰()OSt单独考虑温度控制自动控制：没有人直接参与，从测量到操作阀门等全部过程都用相关装置（设备）代替人来完成。人工控制：对温度感知和对阀门的操作完全由洗浴者自己完成。思考3-1：人在此控制系统中担当了哪些角色和功能？2020年1月26日星期日6/413.2自动控制系统的基本控制方式控制的目的？要求系统状态（以水温表征）向期望状态（理想的水温）转移！有哪些控制的方式？开环控制方式复合控制方式反馈控制方式2020年1月26日星期日7/413.2.1开环控制方式一种液位控制系统方块图：希望液位)(wUwV实际液位操纵量阀门储液槽h0h•其信号是沿箭头方向单方面流动，不存在反馈，是典型的开环控制。•优点：结构简单、功耗小、动作快。•缺点：对干扰无能为力，会使系统存在不允许的误差，控制精度低2020年1月26日星期日8/41按扰动控制的开环控制方式（顺馈控制）利用可测量的扰动经测量变换后，作为补偿作用，用来消除或削弱扰动对被控量的影响。但当扰动作用较多时，将使得控制系统复杂化，很难协调地进行控制。执行机构被控对象操纵量实际输出干扰希望量检测元件思考3-2：可实施顺馈控制的条件有哪些？（如弹道修正——射表）2020年1月26日星期日9/413.2.2反馈控制方式•复习：什么叫反馈？手或脚及阀门浴盆决策操纵量实际液位希望液位)(wUGV测量装置实际液位的测量值大脑•示例：手动控制液位过程：2020年1月26日星期日10/41如果能用一些相应的元部件来代替人工控制时各部分的功能，可以组成仿人液位控制系统：拉杆连杆水浮球hV阀门储液槽浮球杠杆wVh0he液位控制系统的控制过程2020年1月26日星期日11/41•更一般的反馈控制方式执行机构被控对象决策操纵量输出量扰动量测量装置控制器扰动量扰动量扰动量扰动量偏差给定量给定装置控制装置思考3-3：那么多扰动该怎么办？2020年1月26日星期日12/413.2.3复合控制方式复合控制系统中的补偿控制（顺馈控制）能及时地抵消可测扰动量对被控量的不利影响，而反馈控制能保证系统的高精度。这是一种得到广泛应用的控制方式。检测元件执行机构被控对象决策操纵量扰动量测量装置控制器扰动量扰动量扰动量扰动量偏差给定量给定装置控制装置输出量2020年1月26日星期日13/413.3不同输入信号作用下的控制（1）这种函数在现场和实验中容易得到；（2）控制系统在这种函数作用下的性能应代表在实际工作条件下的性能；（3）这种函数的数学表达式简单，便于理论计算。先思考几个问题：（思考3-4）（1）输入信号有什么作用？（2）有哪些类型的输入信号？可选作典型输入信号的函数应具备的条件（3）为什么要引入典型输入信号？2020年1月26日星期日14/41（1）阶跃信号t)(tfR0t)(tfR00t000)(tRttf3.3.1自动控制系统的典型输入信号0000)(ttRttttf2020年1月26日星期日15/41（2）脉冲信号t)(tf0tR0t)(tf0tR00t0tt)(tf0tR00tt)(tf0)(t)t1(t1(t)tRf(t)000tlim02020年1月26日星期日16/41（3）斜坡信号t)(tfR0000)(tRtttf2020年1月26日星期日17/41（4）正弦信号)sin()(tAtf0t)(tf2020年1月26日星期日18/413.3.2不同输入信号下的控制分析与设计的重点：各种扰动对被控对象的影响及抗扰动的措施。（1）恒值控制（或称自动调节、自动镇定）控制系统的特点：参据量是一个恒定的数值（常值），要求被控量也是一个常值。典型参考输入信号：一般采用阶跃信号。典型应用：工业生产中的恒温、恒压、恒液位等过程控制系统。t)(tfR02020年1月26日星期日19/413.3.2不同输入信号下的控制分析与设计的重点：被控量跟随未知的任意变化量的快速性和准确性。（2）随动控制（如被控量为机械量，又称伺服控制）控制系统的特点：参据量是一个预先未知的随时间任意变化的函数，要求被控量以尽可能小的误差跟随参据量的变化。典型参考输入信号：一般采用斜坡信号。典型应用：火炮（调炮）、函数记录仪等系统。t)(tfR02020年1月26日星期日20/413.3.2不同输入信号下的控制分析与设计的重点：控制精度的准确性、控制算法的快速性和控制程序的可靠性。（3）程序控制控制系统的特点：参据量是预先规定的随一定规律变化的函数，要求被控量快速、准确地加以复现。典型参考输入信号：随系统的作用和特点而定。典型应用：数控机床、全自动家用电器等。2020年1月26日星期日21/413.4不同特性信号作用下的控制3.4.1连续与离散控制从控制信号的特性角度，我们可以简单地将所有控制系统分为连续控制系统和离散控制系统两大类。离散控制系统：指在系统的局部或全部是时间上的断续信号。（即离散信号）连续控制系统：指系统中所有传递的信号都是时间上的连续函数。思考3-5：当控制系统中存在数字式环节时该怎么办？2020年1月26日星期日22/411、连续与离散控制系统D/A转换器A/D转换器滤波电路热电偶电阻丝继电器嵌入式计算机电炉2020年1月26日星期日23/41典型的离散控制系统结构D/A转换器A/D转换器滤波电路热电偶电阻丝继电器嵌入式计算机电炉抽样(采样、sampling)：利用开关信号s(t)从连续信号f(t)中“抽取”一系列离散样本值的过程。引例：信号数字处理（了解！）开关信号需解决的问题：)()()(tstftfs)(*)(21)(jSjFjFsF(j)S(j)的关系？与)()(jFjFs的全部信息？能否包含)()(tftfs如何进行抽样？2、连续信号的离散化在信号处理中，傅里叶变换的典型用途是将信号分解成幅值分量和频率分量2020年1月26日星期日24/41一个最高频率为m的有限带宽信号f(t)，可用均匀抽样间隔的抽样值fs(t)唯一确定。说明：1)f(t)为有限带宽信号，即：||m时,F(j)=02)抽样间隔msfT21或:抽样频率ms2ms2minShannon采样定理msfT21max时域抽样定理msfT212020年1月26日星期日25/412020年1月26日星期日26/412、连续信号的离散化保持2020年1月26日星期日27/413.4.2数字计算机控制典型的计算机控制系统结构2020年1月26日星期日28/41数字计算机控制系统是典型的离散控制系统，因此类控制系统的主要信息处理设备是数字计算机，故常称其为计算机控制系统。计算机控制系统的硬件组成1）计算机主机2）输入输出设备3）人机接口设备计算机控制系统的软件组成1）系统软件2）应用软件几点说明2020年1月26日星期日29/413.5*控制系统中的非线性现象思考3-6：实际控制系统中的所有环节都呈线性特性吗？A.理想的线性系统是不存在的，仅是实际系统的一种近似；B.只要控制系统中存在非线性元件，则系统必是非线性的；C.要基本了解非线性环节对控制系统性能影响的有利和不利面。本节学习提示2020年1月26日星期日30/41A.线性特性如元件（环节）的输入/输出特性满足叠加原理，则称该元件（环节）具线性特性，或称该元件（环节）是线性的。线性元件的特性（a）方块图；（b）特性图3.5*控制系统中的非线性现象2020年1月26日星期日31/41B.非线性特性如元件（环节）的输入/输出特性不满足叠加原理，则称该元件（环节）具非线性特性，或称该元件（环节）是非线性的。非线性元件特性举例：（a）方块图（b）饱和非线性；（c）死区非线性；（d）磁滞非线性；（e）继电型非线性；（f）带有死区的继电型非线性；（g）具有磁滞的继电型非线性2020年1月26日星期日32/413.5*控制系统中的非线性现象3.5.1线性与非线性控制系统线性控制系统：如控制系统中各元件的输入/输出特性均是线性的，则该控制系统被称为线性控制系统，其动态过程可以用线性微分方程描述。非线性控制系统：如控制系统中有一个或一个以上元件的输入/输出特性是非线性的，则该控制系统被称为非线性控制系统，其动态过程就要用非线性方程来描述。2020年1月26日星期日33/413.5*控制系统中的非线性现象3.5.2非线性特性元件对控制系统的影响不同非线性特性元件对控制系统性能的影响是不同的；有时，人们会有意识地利用非线性特性元件的特性，达到特定的系统输出信号形式。要一分为二地看待不同非线性特性元件对控制系统性能的有利和不利影响；2020年1月26日星期日34/41死区特性I-O过程：当输入小于等于a时，无输出。优点：可抑制输入端的小扰动信号，对提高系统的抗干扰能力有积极作用缺点：（1）会导致系统产生稳态误差；（2）会导致系统输出滞后输入。不同非线性特性元件对控制系统性能的影响（选）atetsigneateKatetx)()]()([)(0)(常见于测量（如反馈）、变换、放大等元件2020年1月26日星期日35/41饱和特性I-O过程：当输入大于等于a时，输出保持不变。优点：可抑制系统的振荡（但可能出现等幅振荡）；可保护元件正常工作等。缺点：进入饱和时系统等效开环增益下降，导致过渡时间增加和稳态误差增大，甚至会使系统丧失闭环控制作用！atetsigneaKatetketx)()()()()(常见于反馈、放大、执行等元件不同非线性特性元件对控制系统性能的影响（选）2020年1月26日星期日36/413.5*控制系统中的非线性现象3.5.3非线性控制系统的典型特征稳定性不仅与系统的结构和参数有关，而且与运动的初始条件、输入信号有直接关系。)1(2xxxxxttexxextx0001)(对于非线性系统，不存在系统是否稳定的笼统概念，必须针对系统某一具体的运动状态，才能讨论其是否稳定的问题。设t=0时，系统的初始条件为x0，可以求得上述微分方程的解为：几个平衡态？几个稳定态？2020年1月26日星期日37/413.5*控制系统中的非线性现象3.5.3非线性控制系统的典型特征时间响应与输入信号的大小和初始条件有关。tC(t)R2R10线性系统非线性系统2020年1月26日星期日38/413.5*控制系统中的非线性现象3.5.3非线性控制系统的典型特征自持振荡——系统在没有外界周期变化信号的作用下，系统中就能产生具有固定振幅和频率的稳定周期运动。对正弦信号的响应——非线性系统输出的幅值Ac与ω的关系可能会发生跳跃谐振和多值响应。跳跃谐振跳跃谐振不稳定振荡2020年1月26日星期日39/41本章小结控制的目的是要求系统状态向期望状态转移，而要实现这种转移则必须采用适当的控制方式。在自动控制系统中，有前（顺）馈控制（开环控制）、反馈控制（闭环控制）和复合控制三种基本的控制方式。根据系统响应的参据量的特点，自动控制系统可分为恒值控制、随动控制和程序控制等三种基本控制形式。每种控制形式下的系统各有其分析和设计的重点话