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第一章控制系统的一般概念 1引言 一 控制系统的发展史前期控制 1400BC 1900 工业机器经典控制 1935 1950 空间技术现代控制 1950 Now 控制理论 前期控制 1400BC 1900 中国 埃及和巴比伦出现自动计时漏壶 1400BC 1100BC 希腊Philon发明了采用浮球调节器来保持燃油液面高度的油灯 BC250 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 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 中国明代宋应星所著 天工开物 记载有程序控制思想的提花织机结构图 1637 英国J Watt用离心式调速器控制蒸汽机的速度 1788年 经典控制 1935 1950 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 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 现代控制 1950 Now 美国MIT的ServomechanismLaboratory研制出第一台数控机床 1952 美国GeorgeDevol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JosephEngelberger创立了第一家机器人公司 Unimation 美国的M E Merchant提出计算机集成制造的概念 1969 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 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 日本安川公司娱乐机械狗 2001 日本SONY公司二足步行机械人SDR 4X 2002 二 自动控制要解决的基本问题 自动控制是使一个或一些被控制的物理量按照另一个物理量即控制量的变化而变化或保持恒定 一般地说如何使控制量按照给定量的变化规律变化 就是一个控制系统要解决的基本问题 控制的定义 控制的本意 为了达到某种目的对事物进行支配 管束 管制 管理 监督 镇压 自动控制 在没有人直接参与的情况下 利用外加的设备或装置 控制装置或控制器 使用机器 设备或生产过程 被控对象 的某个工作状态或参数 被控量 自动地按照预定的规律运行 三 自动控制技术的作用 1 自动控制技术的应用不仅使生产过程实现了自动化 极大地提高了劳动生产率 而且减轻了人的劳动强度 2 自动控制使工作具有高度的准确性 大大地提高了武器的命中率和战斗力 例如火炮自动跟踪系统必须采用计算机控制才能打下高速高空飞行的飞机 3 某些人们不能直接参与工作的场合就更离不开自动控制技术了 例如原子能的生产 火炮或导弹的制导等等 控制系统的工作原理1 人工控制恒温箱温度 控制过程 1观测恒温箱中的温度 被控量 2与要求的温度 给定值 进行比较得到温度偏差的大小和方向3根据偏差大小和方向调节调压器 控制加热电阻丝的电流以调节温度回复到要求的温度 控制的实质 检测偏差和纠正偏差 控制流程如图 2恒温箱自动控制系统 控制过程 1恒温箱的温度由热电偶转换为对应的电压u22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 3温度偏差信号经电压 功率放大后 用以驱动执行电动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 反之加大电流 直到温度达到给定值为止 此时 偏差达到给定值为止 此时 偏差 u 0 电机停止转动 检测偏差 纠正方差 系统原理方块图 控制系统的工作原理从恒温箱控制系统功能框图可见 给定量位于系统的输入端 称为给系统输入量 也称为参考输入量 信号 被控制量位于系统的输出端 称为系统输出量 输出量 全部或一部分 通过测量装置返回系统的输入端 使之与输入量进行比较 产生偏差 给定信号与返回的输出信号之差 信号 输出量的返回过程称为反馈 返回的全部或部分输出信号称为反馈信号 综上所述控制系统的工作原理 检测输出量 被控制量 的实际值 将输出量的实际值与给定值 输入量 进行比较得出偏差 用偏差值产生控制调节作用去消除偏差 使得输出量维持期望的输出 由于存在输出量反馈 上述系统能在存在无法预计扰动的情况下 自动减少系统的输出量与参考输入量 或者任意变化的希望的状态 之间的偏差 故称之为反馈控制 显然 反馈控制建立在偏差基础上 其控制方式是 检测偏差再纠正偏差 2开环控制和闭环控制 一 开环控制控制装置与被控对象之间只有顺向作用而没有反向联系的控制 开环控制系统 二 闭环控制 闭环控制将系统的被控变量反馈到输入端 并与参考输入相比较 产生一个误差信号加到控制器上使输出改变 从而减少系统误差 到达实现精确控制的目的 闭环控制系统 实际的控制系统按有无反馈作用来界定开环和闭环反馈 输出量送回至输入端并与输入信号比较的过程负反馈 反馈的信号是与输入信号相减而使偏差越来越小 三 开环控制与反馈控制的比较 开环优点 系统结构简单 调试容易 当输入信号和扰动能预先知道时 控制效果较好 缺点 不能自动修正被控制量的偏离 系统的元件参数变化以及外来的未知扰动对控制精度影响较大 抗干扰能力差 闭环优点 具有自动修正被控制量出现偏离的能力 可以修正元件参数变化以及外界扰动引起的误差 控制精度高 抗干扰能力强 缺点 被控量可能出现振荡 甚至发散 3控制系统的类型 一 按输入信号分类 定值控制系统伺服系统 随动系统 程序控制系统二 按系统是否满足叠加原理线性系统与非线性系统三 按系统控制器是否采用计算机计算机 数字 控制系统与模拟系统四 按控制对象的范畴运动控制系统与过程控制系统五 按系统参数是否随时间变化时变系统和定常系统注 本课程主要研究线性定常系统 1 按输入量的特征分类恒值控制系统 系统输入量为恒定值 控制任务是保证在任何扰动作用下系统的输出量为恒值 如 恒温箱控制 电网电压 频率控制等 程序控制系统 输入量的变化规律预先确知 输入装置根据输入的变化规律 发出控制指令 使被控对象指令程序的要求而运动 如 数控加工系统随动系统 伺服系统 输入量的变化规律不能预先确知 其控制要求是输出量迅速 平稳地跟随输入量的变化 并能排除各种干扰因素的影响 准确地复现输入信号的变化规律 如 仿形加工系统 火炮自动瞄准系统等 2线性系统和非线性系统线性控制系统 由线性元件组成 输入输出问由线性元件组成 输入输出间具有叠加性和均匀性性质 用线性微分方程表述 非线性控制系统 系统中有非线性元件 输入输出间不具有叠加性和均匀性性质 用非线性微分方程来表述 方程系数与时间的关系 定常 时变 4控制系统的组成与对控制系统的基本要求 一 组成与术语组成 1 执行元件2 放大元件3 测量元件4 补偿元件5 比较元件 术语 参考输入主反馈偏差控制量扰动输出 典型功能框图 二控制系统的基本要求 稳定性准确性 稳态精度 快速性与平稳性 动态性能 1稳定性一个处于静止或平衡工作状态的系统 当收到激励时 就可能偏离原平衡状态 当激励消失后 经过一段暂态过程 系统能恢复到原平衡状态时 则系统称为稳定的 对一个能正常工作的线性系统来说 在动态过程中 可以允许产生振荡现象 但其振幅度必须是逐渐衰减的 即系统的被控变量在围绕其平衡位置振荡若干次后 应能稳定到平衡位置 这种系统称为稳定系统 稳定性是控制系统正常工作的先决条件 控制系统稳定性由系统结构所决定 与外界因素无关 稳定性由控制系统内部储能元件的能量不可能突变所产生的惯性滞后作用所导致 2准确性系统的准确性又可称为系统的稳态精度 它可用系统的稳态误差来表征 系统的稳态误差可定义为控制系统响应的稳态值与其希望值之差 3快速性与平稳性输出量和输入量产生偏差时 系统消除这种偏差的快慢程度 表征系统的动态性能 4灵敏度系统中元件参数的改变对系统响应的影响 可以用灵敏度来表示 5抗干扰性系统的抗干扰性 直接与系统的稳态精度有关 是衡量控制系统品质的一个重要参数 稳健性 Robustness 鲁棒性 上述的4和5两个指标结合起来 称为系统的稳健性指标 一个控制系统 如果具有低的灵敏度和良好的抗干扰性 则我们称为系统是稳健的 Robust 鲁棒 注意 1不同性质的控制系统 对稳定性 精确性和快速性要求各有侧重 2系统的稳定性 精确性 快速性相互制约 应根据实际需求合理选择 超调量 调整时间 振荡次数 上升时间 峰值时间 5自动控制系统的研究方法自动控制研