第一章 反馈控制原理

自动控制原理天津理工大学电子信息与通信工程学院课程特点本课程主要介绍自动控制系统的基本概念，线性系统数学的模型，控制系统的时域分析法，控制系统的根轨迹分析法，控制系统的频率特性分析法等。通过本课程的学习，使学生较好的掌握分析和设计控制系统的基本思想和基本方法，提高学生分析问题和解决问题的能力，为以后的课程的学习奠定一定的理论基础。课程特点先修课程：《高等数学》《工程数学》《电路分析基础》《数字电子技术》《模拟电子技术》《信号与线性系统》学时：48考核方式：考试适用专业：电子信息工程、电子信息科学与技术主要参考书参考书：1、《自动控制原理》张旺等北京理工大学出版社2、《自动控制原理》胡寿松科学出版社(第四版)教材：《自动控制原理》张旺等北京理工大学出版社第一章反馈控制原理一、自动控制系统的发展1.萌芽18世纪第一次技术革命（机械化）①俄国人波尔佐诺夫发明锅炉水位调节器②英国人瓦特发明蒸汽机离心飞锤式调速器，萌生了自动控制的基本原理③1877年，劳斯，1895年，赫维茨分别提出了系统稳定的代数判据（19世纪末）2.奠定基础（20世纪）——经典控制论①30~40年代，奈奎斯特提出系统稳定性的频率判据奈氏图、奈氏判据、从时域分析转到频域分析②1940年，伯德在频率法中引入对数坐标系，伯德图③1942年，哈里斯引入传递函数概念④1948年，伊万恩提出根轨迹分析方法⑤1949年，英国人维纳在火炮控制中发现了反馈的概念，出版了《控制——关于在动物和机器中控制和通讯的科学》，发现了控制论是信息、反馈与控制三个基本要素，奠定了控制论的基础50年代中期，添加了非线性系统理论和离散控制理论，形成了完整的理论体系。第一章反馈控制原理3.发展迅速渗透到许多学科，应用于火炮、导弹控制系统，数控、电力、冶金，自动化技术钱学森，1954年首创“工程控制论”，推广到其它领域生物控制论：生命系统经济控制论：经济运行与发展问题社会控制论：社会管理与社会服务问题随着计算机技术的发展，控制论无论在三要素内涵上，还是在深度上和广度上都发展变化着，对促进生产的发展和社会进步产生深远的影响。第一章反馈控制原理二、自动控制系统的分类第一章反馈控制原理1.经典控制理论40~50年代，高阶常微分方程以传递函数为基础，研究单输入、单输出系统的分析和设计，针对线性定常系统，主要研究方法有时域分析法、根轨迹法和频率特性法。2.现代控制理论60~70年代以矩阵理论等近代数学方法作为工具，主要研究方法是状态空间法，把高阶常微分方程转化为一阶常微分方程组来描述系统，解决多输入多输出的问题，可处理多变量、非线性、时变系统。3.70年代至今巨大发展最优控制、系统辨识、多变量控制、自适应控制、专家系统、人工智能、神经网络控制、模糊控制、大系统理论等第一章反馈控制原理第二节自动控制的基本概念一、自动控制的基本术语1、控制：根据某种原理或方法，使特定对象（被控对象）的某些物理量（被控量）按照预期规律变化的操纵过程2、人工控制：由人直接或间接操作执行装置的控制方式自动控制：是指在没有人直接或间接参与的情况下，利用外加的设备和装置使被控对象自动按照预定规律运行第一章反馈控制原理4、自动控制系统：由控制器和被控对象组成的，能够实现自动控制任务的系统3、系统：为达到某一目的，由相互制约的各个部分，按照一定规律组成的具有一定功能的整体5、被控制量：在控制系统中，按规定的任务需要加以控制的物理量6、反馈：通过测量变换装置，将系统或元件的输出量返回到输入端，与输入信号相比较产生偏差的过程7、负反馈原理：把被控制量反馈到系统的输入端与参考输入进行比较，利用偏差产生控制作用，通过控制输出控制量以减少或消除误差第一章反馈控制原理二、控制系统的基本形式控制系统的类型很多，它们的结构类型和所完成的任务也各不相同。控制系统从信息传送的特点或系统的结构特点来看可分为开环控制系统和闭环控制系统，以及同时具有开环结构和闭环结构的复合控制系统。1、开环控制系统只有输入量的前向控制作用，输出量并不反馈回来影响输入量的控制作用，因而，我们将它称为开环控制系统（Open-LoopControlSystem）。开环控制系统可用下图表示。控制器被控制对象扰动因素参考输入被控制量第一章反馈控制原理开环系统的优点——结构简单，系统稳定性好，调试方便，成本低。因此，在输入量和输出量之间的关系固定，且内部参数或外部负载等扰动因素不大，或这些扰动因素可以预测并进行补偿的前提下，应尽量采用开环控制系统。开环控制的缺点——当控制过程中受到来自系统外部的各种扰动因素，如负载变化、电源电压波动等，以及来自系统内部的扰动因素，如元件参数变化等，都将会直接影响到输出量，而控制系统不能自动进行补偿。因此，开环系统对元器件的精度要求较高。第一章反馈控制原理示例——直流电动机开环调速系统给定电压ug经放大后得到电枢电压ua，改变ug可得不同的转速n，该系统只有输入量ug对输出量n的单向控制作用。输出端和输入端之间不存在反馈回路。因而，输出量n对输入量ug没有任何影响和联系，输出量的改变不会产生控制作用。电压放大器功率放大器Mc负载n电动机+_+_+_+E电位器augu第一章反馈控制原理2、闭环控制系统闭环控制系统（Close-LoopControlSystem）又称反馈控制系统（FeedbackControlSystem），是在闭环控制系统中，把输出量检测出来，经过物理量的转换，再反馈到输入端去与给定值（参考输入）进行比较（相减），并利用比较后的偏差信号，以一定的控制规律产生控制作用，抑制内部或外部扰动对输出量的影响，逐步减小以至消除这一偏差，从而实现要求的控制性能。第一章反馈控制原理电压放大器功率放大器Mc负载n电动机+_+_+_+E电位器测速发电机+_设上述系统原已在某个给定电压ug相对于的转速n状态下运行，若一旦受到某些干扰（如负载转矩突然增大）而引起转速下降时，系统就会自动地产生调整过程第一章反馈控制原理闭环控制的优点——抑制扰动能力强，与开环控制相比，对参数变化不敏感，并能获得满意的动态特性和控制精度。闭环控制的缺点——但是引入反馈增加了系统的复杂性，如果闭环系统参数的选取不适当，系统可能会产生振荡，甚至系统失稳而无法正常工作，这是自动控制理论和系统设计必须解决的重要问题。自动控制理论主要研究闭环控制系统第一章反馈控制原理三、自动控制系统的基本组成串联校正元件放大元件执行元件被控对象扰动并联校正元件反馈元件参考输入输出量比较环节偏差信号e主反馈信号测量反馈元件主反馈局部反馈＋＋－－给定元件)(tc)(tr1、组成给定元件——是给出与期望的输出相对应的系统输入量，是产生控制指令的装置。反馈元件——如传感器和测量仪表，测量被控变量的值并把它变换为与输入量同一物理量后，再反馈到输入端以作比较。比较元件——比较输入信号与反馈信号，以产生反映两者差值的偏差信号。放大元件——将微弱的信号作线性放大。校正元件——按某种函数规律变换控制信号，改善系统的动态品质或静态性能。执行元件——由偏差信号的性质执行相应的控制作用，使被控制量按期望值变化第一章反馈控制原理2、常见名词•输入信号：系统的输入信号是指参考输入，又称给定量或给定值，它是控制着输出量变化规律的指令信号。•输出信号：系统的输出信号是指被控对象中要求按一定规律变化的物理量，又称被控量，它与输入量之间保持一定的函数关系。•反馈信号：由系统（或元件）输出端取出并反向送回系统（或元件）输入端的信号称为反馈信号。反馈分为主反馈和局部反馈。•偏差信号：它是指参考输入与主反馈信号之差。偏差信号简称偏差。•误差信号：它是指系统输出量的实际值与期望值之差，简称误差。•扰动信号：简称扰动或干扰，它与控制作用相反，是一种不希望的、影响系统输出的不利因素。扰动信号既可来自系统内部，又可来自系统外部，分别为内部扰动和外部扰动。第一章反馈控制原理四、自动控制系统的分类1.按输入信号的特征分类1）恒值调节系统：该类系统的输入信号为一常数，扰动使被控量偏离理想值而出现偏差，利用偏差该系统可使被控量回复到理想值或接近理想值。转速闭环控制系统、恒温控制系统均属于此类系统。2）程序控制系统：该类系统的输入信号是已知时间函数。如：热处理的温度升温、保温、降温过程。3）随动系统：这类系统的给定量是时间的未知函数，系统能使被控量准确、快速地跟随给定量变化。随动系统又称伺服系统。火炮自动瞄准系统、船舶自动舵均属此类系统。第一章反馈控制原理2.按描述系统使用的数学方法分类1）线性系统：该类系统的特点在于组成系统的各环节的输入输出特性都是线性的，系统的性能可用线性微分方程（或差分方程）来描述。2）非线性系统：该类系统的特点在于系统中含有一个或多个非线性元件。系统的性能需用非线性微分方程（或差分方程）来描述。3.按信号的传递是否连续分类1）连续系统：该类系统各环节间的信号均为时间t的连续函数，其运动规律可用微分方程描述。2）离散系统：该类系统在信号传递过程中有一处或多处的信号是脉冲序列或数字编码，其运动规律可用差分方程描述。数字控制系统、采样系统为离散系统。4.按其参数是否随时间变化而分定常系统—系统中的参数不随时间变化而变化时变系统—系统中的参数是时间t的函数第一章反馈控制原理五、自动控制系统的性能指标1.典型外作用信号现场或实验室易得到系统在此信号作用下能反映实际工作性能数学表达是简单，易于理论计算1）阶跃函数如：阶跃信号下系统的响应常用来评价系统动态特性第一章反馈控制原理2）斜坡函数如：常用来评价系统跟踪特性3）冲激函数现实中不存在其响应具有特殊性第一章反馈控制原理4）正弦函数如：傅里叶级数第一章反馈控制原理2.自动控制系统指标1）稳定性稳定是系统正常工作的起码条件稳——指控制系统的稳定性和平稳性。稳定性——指系统重新恢复平衡状态的能力，它是自动控制系统正常工作的先决条件。一个稳定的控制系统，其被控量偏离期望值的初始偏差应随时间的增长逐渐减小或趋于零平稳性——指过渡过程振荡的振幅与频率。即被控量围绕给定值摆动的幅度和摆动的次数。好的过渡过程摆动的幅度要小，摆动的次数要少。第一章反馈控制原理2）过渡过程一般以阶跃信号的响应作为系统过渡过程的指标快——是指控制系统的快速性，即过渡过程持续的时间长短。过渡过程越短，说明系统快速性越好，过渡过程持续时间越长，说明系统响应迟钝，难以实现快速变化的指令信号。第一章反馈控制原理3）稳态误差系统希望输出量与实际输出量的差准——是指系统在过渡过程结束后，其被控量（或反馈量）对给定值的偏差而言，这一偏差称为稳态误差，它是衡量系统稳态精度的重要指标。稳态误差越小，表示系统的准确性越好。由于被控对象的具体情况不同，各系统对稳、快、准的要求各有侧重。而且对同一系统，稳、快、准的要求常常是相互制约的。过分提高过程的快速性，可能会引起系统强烈的振荡，而过分追求稳定性，又可能使系统反应迟缓，最终导致准确性变坏。如何分析和解决这些矛盾，将是本学科研究的主要内容。第一章反馈控制原理例1—直流电动机开环调速系统给定电压ug经放大后得到电枢电压ua，改变ug可得不同的转速n，该系统只有输入量ug对输出量n的单向控制作用。输出端和输入端之间不存在反馈回路。因而，输出量n对输入量ug没有任何影响和联系，输出量的改变不会产生控制作用。电压放大器功率放大器Mc负载n电动机+_+_+_+E电位器augu第三节自动控制系统举例第一章反馈控制原理电压放大器功率放大器Mc负载n电动机+_+_+_+E电位器测速发电机+_设上述系统原已在某个给定电压ug相对于的转速n状态下运行，若一旦受到某些干扰（如负载转矩突然增大）而引起转速下降时，系统就会自动地产生如下的调整过程：例2—直流电动机闭环调速系统第一章反馈控制原理例3—恒温箱自动控制系统恒温箱期望温度由电压u1给定，并与实际温度u2比较得到温度偏差信号u=u1-u2温度偏差信号经电压、功率放大后，用以驱动执行电动机，并通过传动机构拖动调压器动触头。当温度偏高时，动触头向减小电流的方向运动，反之加