自动控制原理 王划一 第二版 1-1绪论.pdf

1 1 2 第一章绪论第一章绪论 主要内容 1 自动控制 自动控制系统的概念 2 自动控制的两种基本方式 3 自动控制系统的类型 4 自动控制系统的要求和分析设计 5 自动控制理论的发展概况 主要内容 1 自动控制 自动控制系统的概念 2 自动控制的两种基本方式 3 自动控制系统的类型 4 自动控制系统的要求和分析设计 5 自动控制理论的发展概况 3 第一章绪论第一章绪论 1 1 引言 1 2 自动控制的基本知识 1 3 自动控制系统的基本控制方式 1 4 自动控制系统的分类及基本组成 1 5 对控制系统的要求和分析设计 1 6 自动控制理论的发展概况 1 1 引言 1 2 自动控制的基本知识 1 3 自动控制系统的基本控制方式 1 4 自动控制系统的分类及基本组成 1 5 对控制系统的要求和分析设计 1 6 自动控制理论的发展概况 2 4 自动控制技术与人类进步 Automatic Control Human Civilization 自动控制是人类在认识世界和发明创新的过程中发展起来的一门 重要的科学技术 依靠它 人类可以从笨重 重复性的劳动中解 放出来 从事更富创造性的工作 自动化技术是当代发展迅速 应用广泛 最引人瞩目的高技术之一 是推动新的技术革命和新 的产业革命的关键技术 自动化也即现代化 55 I 前期控制 Early ControlEarly Control 1400B C 1900 0 中国 埃及和巴比伦出现自动计时漏壶 1400B C 1100B C 孙武著 孙子兵法 600B C 1 秦昭王时 李冰主持修筑都江堰体现的系 统观念和实践 300B C 西汉漏壶 66 3 中国张衡发明水运浑象 研制出自动测量地震的候风地动仪 132年 2 亚历山大的希罗发明开闭庙门和分发圣水等自动装置 100年 3 77 4 中国马钧研制出用齿轮传动的自动指示方向的指南车 235年 5 中国明代宋应星所著 天工开物 记载有程序控制思想 CNC 的提花织 机结构图 1637年 88 6 英国J Watt用离心式调速器控制蒸汽机的速度 1788年 7 英国J C Maxwell发表 论调速器 On Governors 论文 1868年 99 8 英国E J Routh建立Routh判据 Routh Hurwitz Stability Criteria 1875年 9 俄国A M Lyapunov博士论文 论运动稳定性的一般问题 1892年 10 英国J M Gray设计出第一艘全自动蒸汽轮船 东方 号 Great Eastern 1866年 4 1010 11 由徐寿设计的中国第一艘蒸 汽轮船 黄鹄 号 L20m 25T 10km hr 在安庆内军械所下水 1866 次年 中国第一艘木质 明轮蒸汽舰船 恬古 号在江南造 船厂下水 操江号 62mx10m 392匹马 力 600T排水 备炮9门 1111 II 经典控制前期 The Pre classical PeriodThe Pre classical Period 1900 1935 1 美国福特 Ford Motor 汽车公司建 成最早的汽车装配流水线 1913 2 美国N Minorsky研制出用于船 舶驾驶的伺服结构 提出PID控制 方法 1922 3 美国MIT的Vannevar Bush研制成第一台大型模拟计算机 Differential Analyzer 1928 V Bush 1212 4 美国H S Black提出放大器性能的负反馈方法 Negative Feedback Amplifier 1927 H S Black 5 1313 5 自动控制的基础为闭环控制 控制论的奠基人N Wiener 给出的定义为 Feedback is a method of controlling a system by inserting into it the result of its past performance 闭环控制系统的结构框图 1414 6 美国E Sperry以及C Mason研制出火炮控制器 1925 气压反 馈控制器 1929 1515 III 经典控制 Classical ControlClassical Control 1935 1950 1 美国贝尔实验室的H Bode 1938 以及 Nyquist 1940 提出频率响应法 2 美国Taylor仪器公司的J G Ziegler和N B Nichols提出PID参数的最佳调整法 1942 3 美国MIT的N Wiener研究随机过程的预测 1942 提出Wiener滤 波理论 1942 发表 控制论 Cybernetics 一书 1948 标志着控制 论学科的诞生 N B Nichols N Wiener N Wiener shown here in 1954 with Yuk Wing Lee left and Amar G Bose discussing an aspect of statistical communication theory 6 1616 4 美国的H Hazen发表 关于伺服结构理论 Theory of Servome chanism 1934 并在MIT建立伺服机构实验室 Servomechanism Laboratory 1939 H Hazen 1717 5 英国A M Turine提出图灵计算机的设想 1937 6 在贝尔实验室Bode领导的火炮控制系统研究小组工作的C Shannon提 出继电器逻辑自动化理论 1938 随后 发表专著 通信的数字理论 The Mathematical Theory of Communication 奠定了信息论的基础 1948 C E Shannon 1818 7 MIT Radiation Laboratory在研究SCR 584雷达控制系统的过程 中 创立了Nichols Chart Design Method R S Philips的工作On Noise in Servomechanisms 以及Hurwicz 1947 的数字控制系统 Sampled Data System 8 美国W Evans提出根轨迹法 Root Locus Method 1948 以单 输入线性系统为对象的经典控制研究工作完成 9 多本有关经典控制的经典名著相继出版 包括Ed S Smith的 Automatic Control Engineering 1942 H Bode的Network Analysis and Feedback Amplifier 1945 L A MacColl的Fundamental Theory of Servomechanisms 1945 以及钱学森的 工程控制论 Engineering Cybernetics 1954 Lan J Chu 7 1919 现代控制 Modern Control Modern Control 1950 二次世界大战中火炮 雷达 飞机以及通讯系统的控制研究直接推动了 经典控制的发展 五十年代后兴起的现代控制起源于冷战时期的军备竞 赛 如导弹 发射 操纵 指导及跟踪 卫星 航天器和星球大战 以 及计算机技术的出现 英国科学家A J G MacFarlane 2020 2 美国R Bellman在 RAND Coporation数 学部的支持下 发表 著名的Dynamic Programming 建立 最优控制的基础 1957 3 国际自动控制联合会 IFAC 成立 1957 中国为发起国之一 第一 届学术会议于莫斯科召开 1960 1 苏联L S Pontryagin发 表 最优过程数学理论 提出极大值原理 Maximum Principle 1956 L S Pontryagin 2121 4 美国MIT的Servomechanism Laboratory研制出第一台数控机床 1952 8 2222 5 世界第一颗人造地球卫星 Sputnik 由苏联发射成功 1957 Sputnik 1 was the first artificial satellite launched into space 1957 Laika Sputnik 2 2323 Oct 4 1957 Launch of the rocket carrying Sputnik the first man made satellite Photos of the launch were not initially released This photo is a still from a 1967 Soviet documentary film K S Pavlovitch 1906 1966 Russian spacecraft designer and header of the Vostok and Voskhod projects 2424 6 美国George Devol研制出第一台工业机器人样机 1954 两 年后 被称为机器人之父的Joseph Engelberger创立了第一家机 器人公司 Unimation 7 美籍匈牙利人R E Kalman发表 On the General Theory of Control Systems 等论文 引 入状态空间法分析系统 提出能控性 能观测 性 最佳调节器和kalman 滤波等概念 奠定了 现代控制理论的基础 1960 R E Kalman 9 2525 8 苏联东方 号飞船载着加加林进入人造地球卫星轨道 人类宇航 时代开始了 1961 1961 at the age of 27 Gagarin left the earth It was April the 12th 9 07 Moscow time launch site Baikonur 108 minutes later he was back The period of orbital revolution was 89 34 minutes this figure was calculated by electronic computers The missions maximum flight altitude was 327 000 meters The maximum speed reached was 28 260 kilometers per hour 宇宙哥伦布 加加林 A stamp issued by Russia to memorize Y Gagarin Capsule used in first manned orbit of earth In 1961 the first human to pilot a spacecraft Yuri Gagarin was launched by the Soviet Union aboard Vostok I 2626 9 1963年 美国的Lofti Zadeh与C Desoer发表Linear Systems A State Space Approach 1965年 Zadeh提出模糊集合和模糊控制概念 10 美国的E I Jury 发表 数字控制系统 Sampled Data Control System 建立了数字控制及数字信号处理的基础 1958 C Desoer 2727 11 苏联发射 月球 9号探测器 首次在月面软着陆成功 1966 三年后 1969 美国 阿波罗 11号把宇航员N A Armstrong送上月球 N A Armstrong 10 2828 12 瑞典Karl J Astrom提出最小二乘辩识 解决了线性定常系统参 数估计问题和定阶方法 1967 六年后 提出了自启调节器 建立 自适应控制的基础 Astrom于1993年获得IEEE Medal of Honor K J Astrom 13 英国H H Rosenbrock 发表State Space and Multivariable Theory 1970 加拿大W M Wonham 发表Linear Multivariable Control A Geometric Approach 1974 W M Wonham 2929 14 美国的M E Merchant提出计算机集成制造的概念 1969 3030 15 美国ARPA计算机网络初步建成 1971 16 日本Fanuc公司研制出由加工 中心和工业机器人组成的柔性制 造单元 1976 11 3131 17 美国R Brockett提出用微分几何研究非线性控制系统 1976 意大利A Isidori出版 Nonlinear Control Systems 1985 A Isidori R Brockett 3232 18 加拿大G Zames提出H 鲁棒控制 设计方法 1981年 19 美国 哥伦比亚 号航天飞机首次发 射成功 1981年 Gorge Zames 3333 20 美国A Bryson 和Y C Ho 发表Applied Optimal Control 1969 Y C Ho 和X R Cao等提出离散事件系统理论 1983 21 中国批准863高 技术计划 包括自动 化领域的计算机集成 制造系统和智能机器 人两个主题 1986 A Bryson Yu C Ho P Kokotovic 12 3434 22 IEEE Control Systems Award 获得者 3535 23 第一台火星探测器Sojourner在火星表面软着陆 1996 24 旅行者Voyager 一号 二号开始走出太阳系 对茫茫太空进行探索 36 13 37 1 1 引言1 1 引言 1 控制理论的基础观念 控制理论是建立在有可能发展一种一般方法来研 究各式各样系统中控制过程这一基础上的理论 2 控制理论的研究对象 控制理论研究的对象可狭义地定义为这样一种信 息系统 即根据期望的输出来改变输入 使系统的输 出能有某种预期的效果 3 控制论与数学及自动化技术的关系 1 控制理论的基础观念 控制理论是建立在有可能发展一种一般方法来研 究各式各样系统中控制过程这一基础上的理论 2 控制理论的研究对象 控制理论研究的对象可狭义地定义为这样一种信 息系统 即根据期望的输出来改变输入 使系统的输 出能有某种预期的效果 3 控制论与数学及自动化技术的关系 38 1 2 1 自动控制问题的提出 一个简单的水箱液面 因生产和生活需要 希望 液面高度 1 2 1 自动控制问题的提出 一个简单的水箱液面 因生产和生活需要 希望 液面高度h 维持恒定 当水的流入量与流出量平衡 时 水箱的液面高度维持在预定的高度上 维持恒定 当水的流入量与流出量平衡 时 水箱的液面高度维持在预定的高度上 1 2 自动控制的基本知识自动控制的基本知识 水箱 流出 流入 水箱 流出 流入 h 当水的流出 量增大或流入量 减小 平衡则被 破坏 液面的高 度不能自然地维 持恒定 当水的流出 量增大或流入量 减小 平衡则被 破坏 液面的高 度不能自然地维 持恒定 39 这种出水量与进水量的不平衡现象必然要经常发 生的 这使得这种 这种出水量与进水量的不平衡现象必然要经常发 生的 这使得这种 水位恒定的要求水位恒定的要求 变得难以实现 了 所谓控制就是强制性地改变某些物理量 如上例 中的进水量 而使另外某些特定的物理量 如液面 高度 变得难以实现 了 所谓控制就是强制性地改变某些物理量 如上例 中的进水量 而使另外某些特定的物理量 如液面 高度h 维持在某种特定的标准上 人工控制的例子 维持在某种特定的标准上 人工控制的例子 水箱 流出 流入 水箱 流出 流入 h 这 种人为 地强制性地改 变进水量 而 使液面高度维 持 恒 定 的 过 程 即是人工 控制过程 这 种人为 地强制性地改 变进水量 而 使液面高度维 持 恒 定 的 过 程 即是人工 控制过程 14 40 1 2 2 自动控制的定义及基本职能元件 1 自动控制的定义 自动控制就是在没有人直接参与的情况下 利用 控制器使被控对象 或过程 的某些物理量 或状 态 自动地按预先给定的规律去运行 1 2 2 自动控制的定义及基本职能元件 1 自动控制的定义 自动控制就是在没有人直接参与的情况下 利用 控制器使被控对象 或过程 的某些物理量 或状 态 自动地按预先给定的规律去运行 水 箱 流出 流入 水 箱 流出 流入 h 控制 器 浮子 控制 器 浮子 当出水与进水的 平衡被破坏时 水箱 水位下降 或上升 出现偏差 这偏差由 浮子检测出来 自动 控制器在偏差的作用 下 控制阀门开大 当出水与进水的 平衡被破坏时 水箱 水位下降 或上升 出现偏差 这偏差由 浮子检测出来 自动 控制器在偏差的作用 下 控制阀门开大 或 关小 或 关小 对偏差进行修 正 从而保持液面高 度不变 对偏差进行修 正 从而保持液面高 度不变 41 2 自动控制的基本职能元件 自动控制的实现 实际上是由自动控制装置来代替人 的基本功能 从而实现自动控制的 画出以上人工控制 与自动控制的功能方框图进行对照 2 自动控制的基本职能元件 自动控制的实现 实际上是由自动控制装置来代替人 的基本功能 从而实现自动控制的 画出以上人工控制 与自动控制的功能方框图进行对照 水箱 流出 流入 水箱 流出 流入 h 水箱 流出 流入 水箱 流出 流入 h 控制器 浮子 控制器 浮子 眼睛眼睛 浮子 大脑 浮子 大脑 自动控制器 肌肉 手 自动控制器 肌肉 手 执行元件执行元件 42 比较两图可以看出 自动控制实现人工控制的功能 存在必不可少的三种代替人的职能的基本元件 比较两图可以看出 自动控制实现人工控制的功能 存在必不可少的三种代替人的职能的基本元件 气 动 阀 门 气 动 阀 门 希望液位实际液位希望液位实际液位 浮 子浮 子 控制器控制器水 箱水 箱 肌肉和 阀门 肌肉和 阀门 希望液位 实际液位 希望液位 实际液位 大 脑大 脑水 箱水 箱 眼 睛眼 睛 15 43 执 行 元 件 执 行 元 件 参考输入 输出 参考输入 输出 测量变 送元件 测量变 送元件 控制器控制器对 象对 象 扰动输入扰动输入 测量元件与变送器 代替眼睛 自动控制器 代替大脑 执行元件 代替肌肉 手 这些基本元件与被控对象相连接 一起构成一个自 动控制系统 下图是典型控制系统方框图 测量元件与变送器 代替眼睛 自动控制器 代替大脑 执行元件 代替肌肉 手 这些基本元件与被控对象相连接 一起构成一个自 动控制系统 下图是典型控制系统方框图 44 1 2 3 自动控制中的一些术语及方框图 1 常用术语 控制对象控制器系统系统输出操作量 参考输入扰动特性 2 系统方框图 将系统中各个部分都用一个方框来表示 并注上 文字或代号 根据各方框之间的信息传递关系 用有 向线段把它们依次连接起来 并标明相应的信息 突出了系统中各环节输入与输出的关系及各环节 之间的相互影响 便于定性和定量分析 1 2 3 自动控制中的一些术语及方框图 1 常用术语 控制对象控制器系统系统输出操作量 参考输入扰动特性 2 系统方框图 将系统中各个部分都用一个方框来表示 并注上 文字或代号 根据各方框之间的信息传递关系 用有 向线段把它们依次连接起来 并标明相应的信息 突出了系统中各环节输入与输出的关系及各环节 之间的相互影响 便于定性和定量分析 45 1 3 1 开环控制 开环控制是最简单的一种控制方式 我们可以给 出开环控制的一般定义 定义 控制量与被控量之间只有顺向作用而没有 反向联系 开环控制系统的典型方框图如图所示 1 3 1 开环控制 开环控制是最简单的一种控制方式 我们可以给 出开环控制的一般定义 定义 控制量与被控量之间只有顺向作用而没有 反向联系 开环控制系统的典型方框图如图所示 1 2 自动控制系统的基本控制方式自动控制系统的基本控制方式 控制器控制器被控对象被控对象 控制量 被控量 控制量 被控量 交通指挥红绿灯 自动洗衣机 自动售货机 产品 自动生产线 数控车床等等 交通指挥红绿灯 自动洗衣机 自动售货机 产品 自动生产线 数控车床等等 16 46 M 功率 放大器 功率 放大器 电动机 负载 电 位 器 电动机 负载 电 位 器 电动机电动机 转速滑臂位置转速滑臂位置 功率 放大器 功率 放大器 电位器电位器 1 按给定控制 下图是一个直流电动机转速控制系统 1 按给定控制 下图是一个直流电动机转速控制系统 当调节电位器滑臂位置时 改变功率放大器的输入电压 从而改变电动机的电枢电压 最终改变电动机的转速 以上的 控制过程 用方框图简单直观地表示出来 当调节电位器滑臂位置时 改变功率放大器的输入电压 从而改变电动机的电枢电压 最终改变电动机的转速 以上的 控制过程 用方框图简单直观地表示出来 47 2 按扰动控制 图示是一个按扰动控制的直流电动机转速控制系 统 2 按扰动控制 图示是一个按扰动控制的直流电动机转速控制系 统 电压 放大器 电压 放大器 M 功率 放大器 功率 放大器 负载负载 R i 控制过程可用方框图表示成如图示的形式 控制过程可用方框图表示成如图示的形式 48 电动机电动机 转速 给定 不变 转速 给定 不变 功率 放大器 功率 放大器 电位器电位器 负载 变化 负载 变化 电压 放大器 电压 放大器 检 测 电 阻 检 测 电 阻 把负载变化视为外部扰动输入 对输出转速产生 的影响及控制补偿作用 分别沿箭头的方向从输入端 传送到输出端 作用的路径也是单向的 不闭合的 有时我们称按扰动控制为顺馈控制 把负载变化视为外部扰动输入 对输出转速产生 的影响及控制补偿作用 分别沿箭头的方向从输入端 传送到输出端 作用的路径也是单向的 不闭合的 有时我们称按扰动控制为顺馈控制 17 49 开环控制的特点 1 结构简单 调整方便 成本低 2 给定一个输入 有相应的一个输出 3 在系统方框图中 作用信号是单方向传递的 形成开环 4 输出不影响输入 5 若系统有外界扰动时 系统输出量不可能有准 确的数值 即开环控制精度不高 或抗干扰能力差 1 3 2 闭环控制 定义 凡是系统输出信号对控制作用有直接影响的 系统 都叫做闭环控制系统 开环控制的特点 1 结构简单 调整方便 成本低 2 给定一个输入 有相应的一个输出 3 在系统方框图中 作用信号是单方向传递的 形成开环 4 输出不影响输入 5 若系统有外界扰动时 系统输出量不可能有准 确的数值 即开环控制精度不高 或抗干扰能力差 1 3 2 闭环控制 定义 凡是系统输出信号对控制作用有直接影响的 系统 都叫做闭环控制系统 50 在控制系统中 控制装置对被控对象所施加的控 制作用 若能取自被控量的反馈信息 即根据实际输 出来修正控制作用 实现对被控对象进行控制的任 务 这种控制原理称为反馈控制原理 正是由于引入 了反馈信息 使整个控制过程成为闭合的 因此 按 反馈原理建立起来的控制系统 叫做闭环控制系统 在闭环控制系统中 其控制作用的基础是被控量与给 定值之间的偏差 人本身就是一个具有高度复杂控制能力的闭环系 统 比如 人可以用手拿到放在桌上的书等物 体现 了闭环控制的原理 直流电动机转速闭环控制的例子 在控制系统中 控制装置对被控对象所施加的控 制作用 若能取自被控量的反馈信息 即根据实际输 出来修正控制作用 实现对被控对象进行控制的任 务 这种控制原理称为反馈控制原理 正是由于引入 了反馈信息 使整个控制过程成为闭合的 因此 按 反馈原理建立起来的控制系统 叫做闭环控制系统 在闭环控制系统中 其控制作用的基础是被控量与给 定值之间的偏差 人本身就是一个具有高度复杂控制能力的闭环系 统 比如 人可以用手拿到放在桌上的书等物 体现 了闭环控制的原理 直流电动机转速闭环控制的例子 51 电动机电动机 转速 给定 位置 转速 给定 位置 功率 放大器 功率 放大器 电位器电位器 负载 扰动 负载 扰动 测速发动机测速发动机 uf ureua M 功率 放大器 功率 放大器 电动机 负载 电 位 器 电动机 负载 电 位 器 F 测速发动机测速发动机 18 52 闭环控制的特点 控制作用不是直接来自给定输入 而是系统的偏 差信号 由偏差产生对系统被控量的控制 系统被控量的反馈信息又反过来影响系统的偏差 信号 即影响控制作用的大小 这种自成循环的控制作 用 使信息的传递路径形成了一个闭合的环路 称为闭 环 提高了控制精度 闭环控制系统的典型方框图如图所示 闭环控制的特点 控制作用不是直接来自给定输入 而是系统的偏 差信号 由偏差产生对系统被控量的控制 系统被控量的反馈信息又反过来影响系统的偏差 信号 即影响控制作用的大小 这种自成循环的控制作 用 使信息的传递路径形成了一个闭合的环路 称为闭 环 提高了控制精度 闭环控制系统的典型方框图如图所示 控制器控制器被控对象被控对象 反馈元件反馈元件 输入输出输入输出 偏差偏差 53 三 开环与闭环控制系统的比较 闭环系统的优点是采用了反馈 因而使系统的响 应对外部干扰和内部系统的参数变化均相当不敏感 这样 对于给定的控制对象 有可能采用不太精密且 成本较低的元件构成精密的控制系统 在开环情况 下 就不可能做到这一点 从稳定性的观点出发 开环控制系统比较容易建 造 因为对开环系统来说 不存在稳定性的问题 但 是在闭环系统中 稳定性则始终是一个重要问题 因 为闭环系统可能引起过调误差 从而导致系统做等幅 振荡或变幅振荡 工程上常采用的复合控制方法 就是把两者结合 起来使用 复合控制实质上是在闭环控制回路的基础 三 开环与闭环控制系统的比较 闭环系统的优点是采用了反馈 因而使系统的响 应对外部干扰和内部系统的参数变化均相当不敏感 这样 对于给定的控制对象 有可能采用不太精密且 成本较低的元件构成精密的控制系统 在开环情况 下 就不可能做到这一点 从稳定性的观点出发 开环控制系统比较容易建 造 因为对开环系统来说 不存在稳定性的问题 但 是在闭环系统中 稳定性则始终是一个重要问题 因 为闭环系统可能引起过调误差 从而导致系统做等幅 振荡或变幅振荡 工程上常采用的复合控制方法 就是把两者结合 起来使用 复合控制实质上是在闭环控制回路的基础 54 上 附加一个输入信号 给定或扰动 的顺馈通路 对该信号实行加强或补偿 以达到精确的控制效果 常见的方式有以下两种 上 附加一个输入信号 给定或扰动 的顺馈通路 对该信号实行加强或补偿 以达到精确的控制效果 常见的方式有以下两种 1 附加给定输入补偿附加给定输入补偿 控制器控制器被控对象被控对象 补偿装置补偿装置 输入 输出 输入 输出 通常 附加的补偿装置可提供一个顺馈控制信 号 与原输入信号一起对被控对象进行控制 以提高 系统的跟踪能力 通常 附加的补偿装置可提供一个顺馈控制信 号 与原输入信号一起对被控对象进行控制 以提高 系统的跟踪能力 19 55 2 附加扰动输入补偿 该种复合控制方框图 附加的补偿装置所提供的 控制作用 主要起到对扰动影响 附加扰动输入补偿 该种复合控制方框图 附加的补偿装置所提供的 控制作用 主要起到对扰动影响 防患未然防患未然 的效果 的效果 控制器控制器被控对象被控对象 补偿装置补偿装置 输入输出输入输出 扰动扰动 56 1 4 自动控制系统的分类基本组成自动控制系统的分类基本组成 1 4 1 按给定信号的特征划分 给定信号是系统的指令信息 它代表了系统希望 的输出值 反映了控制系统要完成的基本任务和职 能 1 恒值控制系统 给定输入维持不变 希望输出维 持在某一特定值上 液位控制系统 直流电动机调速系统等等 2 随动控制系统 给定信号上预先不知道的随时 间任意变化的函数 控制系统能够使被控量以尽可能 小的误差跟随给定值的变化 跟踪卫星的雷达天线系统 3 程序控制系统 给定值按预先给定的规律变化 1 4 1 按给定信号的特征划分 给定信号是系统的指令信息 它代表了系统希望 的输出值 反映了控制系统要完成的基本任务和职 能 1 恒值控制系统 给定输入维持不变 希望输出维 持在某一特定值上 液位控制系统 直流电动机调速系统等等 2 随动控制系统 给定信号上预先不知道的随时 间任意变化的函数 控制系统能够使被控量以尽可能 小的误差跟随给定值的变化 跟踪卫星的雷达天线系统 3 程序控制系统 给定值按预先给定的规律变化 57 1 4 2 按系统的数学描述划分 1 线性系统 当系统各元件输入输出特性是线性特性 系统的 状态和性能可以用线性微分 或差分 方程来描述 时 则称这种系统为线性系统 所谓线性特性是指元件的静特性是一条过原点的 直线 也称其为线性元件 因此 由线性元件组成的 系统则必是线性系统 线性系统的一个突出特点就是 满足叠加原理 可运用叠加原理的两个性质 作为鉴 别系统是否为线性系统的依据 2 非线性系统 系统中只要存在一个非线性特性的元件 系统就 由非线性方程来描述 这种系统称为非线性系统 1 4 2 按系统的数学描述划分 1 线性系统 当系统各元件输入输出特性是线性特性 系统的 状态和性能可以用线性微分 或差分 方程来描述 时 则称这种系统为线性系统 所谓线性特性是指元件的静特性是一条过原点的 直线 也称其为线性元件 因此 由线性元件组成的 系统则必是线性系统 线性系统的一个突出特点就是 满足叠加原理 可运用叠加原理的两个性质 作为鉴 别系统是否为线性系统的依据 2 非线性系统 系统中只要存在一个非线性特性的元件 系统就 由非线性方程来描述 这种系统称为非线性系统 20 58 1 4 3 按信号传递的连续性划分1 4 3 按信号传递的连续性划分 1 连续系统 连续系统的特点是系统中各元件的输入信号和输 出信号都是时间的连续函数 这类系统的运动状态是 用微分方程来描述的 连续系统中各元件传输的信息在工程上称为模拟 量 多数实际物理系统都属于这一类 其输入输出一 般用 连续系统 连续系统的特点是系统中各元件的输入信号和输 出信号都是时间的连续函数 这类系统的运动状态是 用微分方程来描述的 连续系统中各元件传输的信息在工程上称为模拟 量 多数实际物理系统都属于这一类 其输入输出一 般用r t 和和c t 表示 表示 r t t 0 c t t 0 59 2 离散系统 控制系统中只要有一处的信号是脉冲序列或数码 时 该系统即为离散系统 这种系统的状态和性能一 般用差分方程来描述 实际物理系统中 信息的表现 形式为离散信号的并不多见 往往是控制上的需要 人为地将连续信号离散化 我们称其为采样 离散系统 控制系统中只要有一处的信号是脉冲序列或数码 时 该系统即为离散系统 这种系统的状态和性能一 般用差分方程来描述 实际物理系统中 信息的表现 形式为离散信号的并不多见 往往是控制上的需要 人为地将连续信号离散化 我们称其为采样 c t t 0 c t c t c t t 0 60 1 4 4 按系统的输入与输出信号的数量划分 1 单变量系统 1 4 4 按系统的输入与输出信号的数量划分 1 单变量系统 SISO 2 多变量系统 2 多变量系统 MIMO 1 4 5 自动控制系统的基本组成 在形形色色的自动控制系统中 反馈控制是最基 本的控制方式之一 一个典型的反馈控制系统总是由 控制对象和各种结构不同的职能元件组成的 除控制 对象外 其他各部分可统称为控制装置 每一部分各 司其职 共同完成控制任务 下面给出这些职能元件 的种类和各自的职能 1 4 5 自动控制系统的基本组成 在形形色色的自动控制系统中 反馈控制是最基 本的控制方式之一 一个典型的反馈控制系统总是由 控制对象和各种结构不同的职能元件组成的 除控制 对象外 其他各部分可统称为控制装置 每一部分各 司其职 共同完成控制任务 下面给出这些职能元件 的种类和各自的职能 21 61 输 出 输 入 输 出 输 入 放大 元件 放大 元件 测量变送 元件 测量变送 元件 给定 元件 给定 元件 执行 元件 执行 元件 串联 校正 元件 串联 校正 元件 对 象 对 象 反馈校正 元件 反馈校正 元件 给定元件 其职能是给出与期望的输出相对应的 系统输入量 是一类产生系统控制指令的装置 给定元件 其职能是给出与期望的输出相对应的 系统输入量 是一类产生系统控制指令的装置 62 测量元件 其职能是检测被控量 如果测出的物 理量属于非电量 大多情况下要把它转换成电量 以 便利用电的手段加以处理 比较元件 其职能是把测量元件检测到的实际输 出值与给定元件给出的输入值进行比较 求出它们之 间的偏差 放大元件 其职能是将过于微弱的偏差信号加以 放大 以足够的功率来推动执行机构或被控对象 执行元件 其职能是直接推动被控对象 使其被 控量发生变化 校正元件 为改善或提高系统的性能 在系统基 本结构基础上附加参数可灵活调整的元件 工程上称 为调节器 常用串联或反馈的方式连接在系统中 测量元件 其职能是检测被控量 如果测出的物 理量属于非电量 大多情况下要把它转换成电量 以 便利用电的手段加以处理 比较元件 其职能是把测量元件检测到的实际输 出值与给定元件给出的输入值进行比较 求出它们之 间的偏差 放大元件 其职能是将过于微弱的偏差信号加以 放大 以足够的功率来推动执行机构或被控对象 执行元件 其职能是直接推动被控对象 使其被 控量发生变化 校正元件 为改善或提高系统的性能 在系统基 本结构基础上附加参数可灵活调整的元件 工程上称 为调节器 常用串联或反馈的方式连接在系统中 63 1 5 对控制系统的要求和分析设计对控制系统的要求和分析设计 1 5 1 对系统的要求 各类控制系统为达到理想的控制目的 必须具备以 下两个方面的性能 基本要求 a 使系统的输出快速准确地按输入信号要求的期 望输出值变化 b 使系统的输出尽量不受任何扰动的影响 对自控系统性能的要求一般可归纳为三大性能指 标 1 稳定性 要求系统绝对稳定且有一定的稳定裕 量 2 瞬态质量 要求系统瞬态响应过程具有一定的 1 5 1 对系统的要求 各类控制系统为达到理想的控制目的 必须具备以 下两个方面的性能 基本要求 a 使系统的输出快速准确地按输入信号要求的期 望输出值变化 b 使系统的输出尽量不受任何扰动的影响 对自控系统性能的要求一般可归纳为三大性能指 标 1 稳定性 要求系统绝对稳定且有一定的稳定裕 量 2 瞬态质量 要求系统瞬态响应过程具有一定的 快速性和变化的平稳性快速性和变化的平稳性 22 64 在实际系统中 由于总是存在着不同性质的储能 元件 并且也由于能源功率的限制 使得系统放大能 力必然有限 因而使相应的运动加速度不会太大 速 度和位移不会瞬间变化 而要经历一段时间 即系统 运动必然有一个渐变的过程 在实际系统中 由于总是存在着不同性质的储能 元件 并且也由于能源功率的限制 使得系统放大能 力必然有限 因而使相应的运动加速度不会太大 速 度和位移不会瞬间变化 而要经历一段时间 即系统 运动必然有一个渐变的过程 r t t 0 c t t 0 3 稳态误差 要求系统最终的响应准确度 限制 在工程允许的范围之内 是系统控制精度的恒量 3 稳态误差 要求系统最终的响应准确度 限制 在工程允许的范围之内 是系统控制精度的恒量 65 1 5 2 控制系统的分析和设计1 5 2 控制系统的分析和设计 1 系统分析 系统给定 在规定的工作条件下 对它进行分析研 究 其中包括稳态性能和动态性能分析 看是否满足要 求 以及分析某个参数变化时对上述性能指标的影响 决定如何合理地选取等 2 系统的设计 系统设计的目的 是要寻找一个能够实现所要求性 能的自动控制系统 因此 在系统应完成的任务和应具 备的性能已知的条件下 根据被控对象的特点 构造出 适合的控制器是设计的主要任务 应进行的步骤如下 1 熟悉对系统性能的要求 2 根据要求的性能指标综合确定系统的数学模型 系统分析 系统给定 在规定的工作条件下 对它进行分析研 究 其中包括稳态性能和动态性能分析 看是否满足要 求 以及分析某个参数变化时对上述性能指标的影响 决定如何合理地选取等 2 系统的设计 系统设计的目的 是要寻找一个能够实现所要求性 能的自动控制系统 因此 在系统应完成的任务和应具 备的性能已知的条件下 根据被控对象的特点 构造出 适合的控制器是设计的主要任务 应进行的步骤如下 1 熟悉对系统性能的要求 2 根据要求的性能指标综合确定系统的数学模型 66 3 若控制对象是已知的 根据确定的系统数学模 型和已知部分的数学模型 求得控制器的数模和控制 规律 4 按综合确定的数模进行系统分析 验证它在各 种信号作用下是否满足要求 若不满足 及时修正 3 若控制对象是已知的 根据确定的系统数学模 型和已知部分的数学模型 求得控制器的数模和控制 规律 4 按综合确定的数模进行系统分析 验证它在各 种信号作用下是否满足要求 若不满足 及时修正 5 样机设计制造和试验 验证设计结果 样机设计制造和试