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控制工程基础 第一章自动控制的一般概念 1 1自动控制的基本原理 自动控制 AutomaticControl 定义指在没有人直接参与的情况下 利用外加的设备和装置 称控制装置或控制器 controller 使机器 设备或生产过程 统称被控对象 plant 的某个工作状态或参数 即被控量 自动地按照预定的规律运行 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 问题解决途径 自动控制理论 研究自动控制共同规律的技术科学自动控制理论发展的几个阶段 第一阶段 经典控制理论 TraditionalControlTheory 以传递函数 TransferFunction 为基础 研究单输入单输出的线性定常系统的分析与设计问题 第二阶段 现代控制理论 ModernControlTheory 以状态空间法 StateSpace 为基础 研究多变量变参数系统的最优控制问题 现在 正向以控制论 信息论 仿生学为基础的智能控制理论 具有不确定性系统的鲁棒控制等方向发展 1 自动控制理论 AutomaticControlTheory 系统 为完成一定的任务 按照一定的方式连接起来的若干设备 装置的总体 自动控制系统 AutomaticControlSystems 能够对被控对象的工作状态进行自动控制的系统 下面举例说明自动控制系统的工作原理 2 反馈 Feedback 控制原理 例1 人如何控制自己的行为 手拿书本 用眼睛观察书的位置 用眼睛观察手的位置 大脑估算两者之间的差距 指挥手向书靠近 上述过程反复进行 拿到书 关键 利用手和书之间的差距 逐渐缩小差距 系统的元件 信息的流向 图例说明 被控对象 手 手臂 被控量 手的位置 测量元件 眼睛 被控对象 温箱 被控量 温箱的温度 测量元件 温度计 例2 人如何控制设备 温箱的温度控制 人工控制恒温箱的功能框图 关键 利用温度偏差 减小偏差 例3 电炉的自动控制系统 控制装置 自动控制系统 被控对象 控制装置被控对象 要求实现自动控制的机器 设备或者生产过程 如机床 飞机等 被控量 系统输出 要求严格加以控制的物理量 如飞机的高度 速度 姿态等 控制装置 对被控对象施加控制作用的机构或设备的总体 控制任务 被控量 给定量 系统输出的返回过程称为反馈 所谓反馈控制系统是指控制装置利用被控量的反馈信息 不断修正被控量与输入量之间的偏差 从而实现对被控对象进行控制的任务 反馈控制是一种最基本的控制方式 其实质是一个按偏差进行的控制过程 利用偏差消除偏差 注意 1 负反馈 输入信号与反馈信号相减 使系统输出的误差逐渐减小 则称为负反馈 利用偏差消除偏差 2 正反馈 反馈信息不是制约控制部分的活动 而是促进与加强控制部分的活动 正反馈的意义在于使过程不断加强 3 反馈控制系统组成 控制装置 测量元件 检测被控制的物理量 给定元件 给出被控量的期望值相对应的输入量 比较元件 把测量元件检测的被控量实际值与给定元件给出的输入量进行比较 求出它们之间的偏差 放大元件 将比较元件给出的偏差信号进行放大 用来推动执行元件去控制被控对象 执行元件 直接推动被控对象 使其被控量发生变化 校正元件 也叫补偿元件 它是结构或参数便于调整的元部件 用串联或反馈连接在系统中 以改善系统的性能 1 闭环控制 ClosedLoopControl 反馈控制方式 5自动控制系统基本控制方式 定义 将输出量的测量值与期望的输出值相比较 产生偏差信号并将偏差信号作用于执行机构的控制过程 干扰信号 不需要的输入信号 它影响系统输出 闭环控制的特点 系统输出对控制作用有影响 存在反馈环节 能够利用反馈作用消除系统误差 抑制干扰能力强 但控制机理复杂 且存在稳定问题 系统设计需一整套理论与方法 2 开环控制方式定义 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过程 特点 系统的输出量不会对系统的控制作用发生影响 按给定值控制的开环控制 开环控制示例 直流电动机调速系统 电风扇 开环控制方式特点 结构简单 系统输出对控制作用无影响 精度不高 抗干扰能力差 系统基本上不存在稳定性问题 按干扰补偿的开环控制 按扰动控制的速度控制系统 测量装置 3 复合控制方式按偏差控制和按扰动控制相结合的控制方式 按输入补偿的复合控制 按扰动 可测 补偿的复合控制 1 2自动控制系统示例 分析控制系统的基本步骤 应了解生产工艺过程的特点及其对控制提出的要求 根据控制的目的和任务 确定控制系统的受控对象和被控量 根据信号的传递 加工处理和控制的关系 逐步地确定出控制系统的其余部分 并绘制系统的方块图 函数记录仪飞机 自动驾驶仪系统电阻炉微型计算机温度控制系统锅炉液位控制系统 电阻炉微型计算机温度控制系统方块图 1 3自动控制系统的分类 按数学模型分线性系统与非线性系统线性系统由线性微分方程 线性差分方程或线性代数方程描述 满足叠加性和齐次性 系统中只要有一个元部件的输入 输出特性是非线性的 就为非线性系统 连续系统与离散 数字 系统连续系统中各部分传递的信号都是随时间连续变化的信号 连续系统通常采用微分方程描述 离散系统中某一处或多处的信号为脉冲序列或数字量传递的系统 离散系统通常采用差分方程描述 连续信号经过采样开关的采样就可转换为离散信号 按信号的性质分 常见的几种自动控制系统 1 线性连续控制系统线性系统由线性微分方程或线性差分方程描述 满足叠加原理 若输入量和输出量都是时间连续函数的系统 称为连续系统 用线性微分方程描述 按输入量的变化规律 线性连续系统可分为恒值控制系统系统的输入量是一个常值 要求被控量也等于一个常值 系统的基本任务是研究各种扰动对被控对象的影响 当出现扰动时 利用控制装置使系统的输出量保持为恒定的期望值 随动系统系统输入量随时间变化 且变化规律可能是未知 不可预知的 基本任务是使系统的输出量以要求的精度跟随输入量变化系统分析 设计的重点是研究被控量跟随的快速性和准确性 程序控制系统系统的输入量按预定规律随时间变化 基本任务是要求被控量迅速 准确地加以复现 2 线性定常离散控制系统若系统中信号有一处或一处以上为离散时间函数 称为离散系统 连续信号经过采样开关的采样就可转换为离散信号 用差分方程描述 其它分类方法 按时间概念分 定常系统 时变系统按输入输出信号的数量分 单输入单输出系统 多输入多输出系统按控制方式分 开环控制系统 闭环控制系统 复合控制系统按系统功用分类 温度控制系统 位置控制系统 按元件类型分类 机电系统 气动系统 液压系统 生物系统 1 4对自动控制系统的基本要求 基本要求 稳定性 快速性 准确性1 稳定性稳定性是保证控制系统正常工作的先决条件 稳定的控制系统 其被控量的过渡过程随着时间增长而衰减 最终能够达到稳定状态 线性自动控制系统的稳定性是由系统结构所决定的 与外界因素无关 2 快速性对控制系统过渡过程的时间的要求 3 准确性稳态误差是在系统过渡过程结束后 期望的稳态输出量与实际的稳态输出量之差 理想情况下稳态误差应该是0 稳态误差是衡量控制系统控制精度的重要标志 三种性能要求兼顾了系统的瞬态性能和稳态性能 具体见下表 不同类型的系统某些性能要求的具体体现不同 典型外作用 可选为典型外作用的函数应具备以下条件 这种函数在现场或实验室中容易得到 控制系统在这种函数作用下的性能代表在实际工作