反馈控制系统的特性

第三章反馈控制系统的特性自行车的速度控制脚踩的力脚蹬曲柄链轮中轴链条飞轮行使的速度（输入）（输出）一定范围内输入的力与输出的速度是成正比的。电风扇的风速控制电风扇风速的挡位电风扇的风速（输入）（输出）选择不同的挡位输入，输出的风速不同，一个挡位对应着一个风速。电机扇叶一、控制系统什么是控制系统任何一种控制的实现，都应通过若干个环节，这些环节就构成了一个系统---控制系统。为了分析的方便，我们一般用框图的形式描述一个控制系统，这种图称为控制系统方框图。控制系统方框图的输入和输出之间是有一定的关系的。控制系统通常又分为开环控制系统和闭环控制系统。输入输出电饭煲脱粒机红外线自动水龙头接通电源的电信号锅内的温度脱粒机脱粒的量红外装置检测到人手发出的信号出水量接通电源的电信号一、开环控制系统1、什么是开环控制系统定义：控制系统的输出量不对系统的控制产生任何影响。游泳池注水1一般情况下，一池水需要很长的时间才能灌满，如果由人工控制整个注水过程，很费时间。如果进水管的进水量是均匀的，游泳池中的水位高度与进水的时间是一一对应的。我们可以在注水口处装一个定时器，通过定时器来控制注水过程（时间）。设定注入时间定时器游泳池的水位（输入）（输出）进水阀游泳池流水量开环控制系统的例子红外自动门红外线自动门红外线控制人靠近门打开门电动机门旋转量2、开环控制系统的组成方框图输入被控对象输出控制器执行器控制量抓罪犯公安局法院罪犯依法判刑控制器：对输入信号进行处理并发出控制命令的装置或元件，如控制电路。执行器：直接对被控对象进行控制的装置或元件。《一千零一夜》里的一个故事：阿里巴巴和四十大盗的故事•请写出“芝麻开门”声控开门系统的控制方框图，有兴趣的同学课后可以制作模型，把神话变成现实。•谁不懂写，请举手。•当你明确“芝麻开门”声控开门系统是开环控制系统之后方框图•你可以把开环控制系统方框图拿出来，想一想，控制器、执行器、被控对象分别是什么？•2、公共汽车车门的开关控制。小试验:闭上眼睛写“控制系统”要求体验输出、输入、控制器、执行器、被控对象分别是什么。输入量：老师的指令输出量：所写的字分析：大脑——控制器，手——执行器，笔——被控对象输入量：老师的指令输出量：所写的字分析：大脑——控制器，手——执行器，笔——被控对象•请同学们课后去试验：睁开眼睛写“控制系统”四个字。•思考：闭上眼睛写字与睁开眼睛写字的区别在哪里？为什么？•以色列的“定点清除”，能够把炮弹打到几千公里以外的行驶的汽车，这是为什么？是不是炮弹长了“眼睛”？对了，正是炮弹长了“眼睛”，这不是普通炮弹，而是导弹。导弹打得准是因为它具备了自动修正的能力。•睁开眼睛写字是否具备自动修正的能力？•：在控制系统中如何才能具备自动修正的能力？这就是我们下节课程要学习的闭环控制系统•闭环控制系统控制过程中有反馈环节可以把控制结果反馈回来与期望值进行比较,并根据它们的误差及时调整控制作用，控制流向形成了闭合回路特点实时的连续的反馈环节必须对控制作用产生影响比如空调房间温度的控制，只要房间实际温度和设定的温度有误差，它就要实施控制，直到实际温度和设定的温度相等，控制过程就结束。•下列说法正确的是A、闭环控制都是自动的控制系统B、开环控制都是人工的控制系统C、闭环控制一定比开环的好D、按时间顺序进行的控制都是开环控制输入量：作用于控制系统的物理量，可分为使系统具有预定功能的控制输入量(简称控制量)和破坏系统控制输入量和输出量之间预定规律的干扰输入量(简称干扰或扰动量)。输出量：控制系统或被控对象的需要进行控制的物理量。开环控制与闭环控制的区别•“开环控制”与“闭环控制”的区别就在于控制系统中有无反馈环节，所谓闭环控制就是存在反馈环节的控制。这样的系统能够适时地检测控制的输出结果，并将检测到的信息通过反馈环节反映到输入端，调整输入量，达到修正控制误差、提高控制精确度的目的。反馈技术被广泛应用在各种需要精确控制的系统中，尤其是电子控制系统，比如：各种放大电路中的增益控制；环境的温度、湿度、水位、压力的控制；机械结构的位置控制、速度控制等等。因此常常使人觉得：闭环控制是复杂的、精确的、自动的控制方式，而开环控制相对的简单、粗糙和非自动。这种感觉常常造成初学者在分析系统时的误判，需要特别注意。•以普通家用压力锅的温度控制过程为例，在密闭状态下，锅内的温度与压力呈对应关系。加热锅体，锅内温度逐步升高，锅内压力也随之升高；当锅内的压力达到设定值时，高压将顶开压在排气阀上的重锤，排出蒸汽，使锅内压力降低，压力的降低又造成温度的降低。由于重锤的重量是恒定，因此当温度达到设定值之后，加热量和排气量将呈动态平衡，锅内压力保持在高于大气压力的一个恒定值上，锅内温度也保持在高于常压水的沸点温度的一个恒定值上（一般为110℃左右），不再继续升高。过程如下图所示：•分析这样一个控制问题，首先要界定所考察的系统范围。从整体效果上看，该控制过程的输入量是加热锅体，加热锅体导致的三个结果：锅体升温、锅内升压以及排气孔排气，都是输出量，而输出量并未反馈回来影响输入量，因此它是一个开环控制系统。而更细致的分析，应该把升温过程与恒压/恒温过程分别进行分析。分析时考察的系统范围不同，结论也不同。•①压力锅的加热、升温、升压过程•把加热炉具与压力锅看成一个系统，压力锅体因外部加热而升温，分析加热的过程。输入量——接通电源或点火，输出量——锅体升温、锅内升压以及排气孔排气。控制过程如下图所示，与用炉火加热普通锅体的过程相同，属于开环自动控制。②压力锅的恒压、恒温控制过程压力锅能够保持锅内压力与温度恒定，主要是依靠了压在排气阀上的重锤的作用，因此还可以分析重锤对锅内压力的控制过程。输入量——重锤的重量，输出量——锅内气体的压力（温度），在输入端重锤重力与锅内压力（反馈量）进行比较，力的差值通过重锤控制排气孔的排气量，该过程属于闭环自动控制过程。•类似的自动控制例子还很多，比如：山地梯田中的水位控制，从山头到山脚梯状层叠的平面稻田，水流自上而下逐层灌溉着每一块田地，稻田中水位的高低由田埂上的排水口的高度决定，每一块稻田的水位都可以单独的设定。只要山头入水口的水流供给量保持在一定的范围内，无论蒸发量多或少，都能够确保稻田中基本恒定的水位。几千年来，劳动人民就是依靠这样一种简单的梯田结构，解决了稻田的自动灌溉问题，从控制设计的角度来看，梯田灌溉的水位控制没有使用任何反馈调节的环节，因此也属于开环控制。•简单的开环控制，应用得当，通常能够达到理想的自动控制效果。反之，复杂的闭环控制也未必都属于自动控制。汽车的驾驶就是一个常见的实例：汽车沿着道路行驶，必须有人的操控，从控制的角度看，属于人工控制，这时我们是将人与车作为一个整体，看成一个系统。驾驶员通过操控方向盘、油门、刹车等机构，控制车辆行驶的状态；同时，驾驶员还通过视觉，查看车辆与前方道路或障碍物的位置关系信息，根据这一信息不断修正自己的操作，使车辆按照预定的路线轨迹行驶。在这一过程中，驾驶员通过视觉获取的信息就是反馈量，因此属于闭环控制。•试说明如题图1-6(a)所示液面自动控制系统的工作原理。若将系统的结构改为如题图•1-6(b)所示，将对系统工作有何影响？•答：（a）图所示系统，当出水阀门关闭时，浮子处于平衡状态，当出水阀门开启，有水流•出时，水槽中的水位下降，浮子也会下降，通过杠杆作用，进水阀门开启，水流进•水槽，浮子上升。•（b）图所示系统，假设当前出水阀门关闭时，浮子处于平衡状态，当出水阀门开启，•有水流出时，水槽中的水位下降，浮子也会下降，通过杠杆作用，进水阀门会随着•水的流出而逐渐关闭，直至水槽中的水全部流出。•某仓库大门自动控制系统的原理如题图示，试说明自动控制大门开启和关闭的•工作原理，并画出系统方框图。•答：开门/关门状•如果希望开门，则将门当前状态对应的电压取出，与开门状态参考电位比较（相减），•然后送放大器，驱动伺服电机，带动绞盘使门打开，直到门的状态所对应的电压与开门状态•参考电位相等时，放大器比较（相减）的结果为零，执行元件不工作，门保持打开状态不再•题图1-7仓库大门自动开闭控制系统•(a)(b)•题图1-6液面自动控制系统•开门/关门状•态参考电位•放大器绞盘门•门实际状态•电位器式电阻传感器•伺服电机•变化。•如果希望关门，则将门当前状态对应的电压取出，与关门状态参考电位比较（相减），然后•送放大器，驱动伺服电机，带动绞盘使门关闭，直到门的状态所对应的电压与关门状态参考•电位相等时，放大器比较（相减）的结果为零，执行元件不工作，门保持关闭状态不再变化。•3.1开环和闭环控制系统•我们可以通过所得到控制系统各部件的数学模型，来对控制系统的特性进行研究。控制系统是由相互连接的控制部件组成的，能产生预期的系统响应的系统结构。因为预期的系统响应是已知的，于是可以得到与响应的预期值和实际值之间的偏差成比例的信号。反馈系统就是利用这个信号以闭环方式来控制受控对象的。•对于无反馈的系统，通常称其为直接系统或开环系统，如图3-1所示。开环（直接）系统不带有反馈，输入信号直接产生输出响应。