胡寿松自控Ch1

1、 自动控制：自动控制：是指没有人直接参与的情况下，利是指没有人直接参与的情况下，利用控制装置（称控制器），使整个生产过程或用控制装置（称控制器），使整个生产过程或工作机械（称被控对象）的某个工作状态或参工作机械（称被控对象）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。数（即被控量）自动地按照预定的规律运行。 自动控制系统：自动控制系统：能够实现自动控制任务的系统，能够实现自动控制任务的系统，由控制器与控制对象组成。由控制器与控制对象组成。控制对象控制对象控制器控制器输入量输入量输出量输出量扰动量扰动量? 控制对象：控制对象：要求实现自动控制的机器、设备要求实现自动控制的机器、设备

2、或生产过程。或生产过程。 控制器：控制器：对控制对象起控制作用的控制装置对控制对象起控制作用的控制装置总体。总体。 输入量：输入量：作用于控制系统输入端，并可使系作用于控制系统输入端，并可使系统具有预定功能或预定输出的物理量。统具有预定功能或预定输出的物理量。 输出量：输出量：位于控制系统输出端，并要求实现位于控制系统输出端，并要求实现自动控制的物理量。自动控制的物理量。 扰动量：扰动量：破坏系统输入量和输出量之间预定破坏系统输入量和输出量之间预定规律的信号。规律的信号。串 联 校 正放 大执 行受 控 对 象反 馈 校 正测 量输入量输入量输出量输出量自动控制系统的组成自动控制系统的组成 自

3、动控制的任务自动控制的任务利用控制器操纵控制对象，使其利用控制器操纵控制对象，使其被控量按技术要求变化。若被控量按技术要求变化。若r(t)给定量，给定量，c(t)被被控量，则自控的任务之数学表达式为：使被控量满控量，则自控的任务之数学表达式为：使被控量满足足c(t) r(t)。自控系统的组成如下图所示。自控系统的组成如下图所示。自动控制系统的基本组成自动控制系统的基本组成给定元件：其职能是给出与期望的被控量相对给定元件：其职能是给出与期望的被控量相对 应的系统输入量。一般为电位器。应的系统输入量。一般为电位器。比较元件：其职能是把测量到的被控量实际值比较元件：其职能是把测量到的被控量实际值 与

4、给定元件给出的输入量进行比较，求出他们与给定元件给出的输入量进行比较，求出他们 之间的偏差。常用的有差动放大器、机械差动之间的偏差。常用的有差动放大器、机械差动 装置、电桥电路、计算机等。装置、电桥电路、计算机等。测量元件：其职能是检测被控制量的物理量。测量元件：其职能是检测被控制量的物理量。 如测速机、热电偶、自整角机、电位器、旋转如测速机、热电偶、自整角机、电位器、旋转 变压器、浮子等。变压器、浮子等。基本组成（续）基本组成（续）放大元件：其职能是将比较元件给出的偏差放大元件：其职能是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受信号进行放大，用来推动执行元件去控制受 控对象

5、。如：晶体管、集成电路、晶闸管等控对象。如：晶体管、集成电路、晶闸管等 组成的电压、功率放大器。组成的电压、功率放大器。执行元件：其职能是直接推动受控对象，使执行元件：其职能是直接推动受控对象，使 其被控量发生变化。如：阀门、电机、液压其被控量发生变化。如：阀门、电机、液压 马达等。马达等。基本组成（续）基本组成（续）自控系统的特点：自控系统的特点：从信号传送看：从信号传送看：c(t)经测量后回到输入端，构成经测量后回到输入端，构成闭环，具有反馈形式，且为负反馈。闭环，具有反馈形式，且为负反馈。从控制作用的产生看：由偏差产生的控制作用使从控制作用的产生看：由偏差产生的控制作用使系统沿减小或消除

6、偏差的方向运动系统沿减小或消除偏差的方向运动偏差控制。偏差控制。校正元件：也叫补偿元件，它是结构或参数便于校正元件：也叫补偿元件，它是结构或参数便于 调整的元件。用串联或并联（反馈）的方式连接调整的元件。用串联或并联（反馈）的方式连接 于系统中，以改善系统的性能。如：电阻、电容于系统中，以改善系统的性能。如：电阻、电容 组成的无源或有源网络，还有计算机。组成的无源或有源网络，还有计算机。基本组成（续）基本组成（续）控制控制对象对象执行装置执行装置控制器控制器测量装置测量装置控制器控制器比较环节比较环节输入量输入量偏差偏差测量值测量值输出量输出量控制量控制量扰动量扰动量控制动作控制动作广义对象广

7、义对象自动控制装置自动控制装置元素：元素：（1 1） ：元件：元件（2 2） ：信号（物理量）及传递方向：信号（物理量）及传递方向（3 3） ：比较点（信号叠加）：比较点（信号叠加）（4 4） ：引出点（分支、信号强度）：引出点（分支、信号强度） （5 5）+/- +/- ：符号的意义（正、负反馈）：符号的意义（正、负反馈） 开环控制系统是指无被控量反馈的控制系统开环控制系统是指无被控量反馈的控制系统, ,即需即需要控制的是被控对象的某一量要控制的是被控对象的某一量( (被控量被控量), ),而测量的只而测量的只是给定信号是给定信号, ,被控量对于控制作用没有任何影响的系被控量对于控制作用没有

8、任何影响的系统。结构如图所示。统。结构如图所示。 闭环控制的定义是有被控制量反馈的控制闭环控制的定义是有被控制量反馈的控制,其其原理框如图所示。从系统中信号流向看原理框如图所示。从系统中信号流向看,系统的输系统的输出信号沿反馈通道又回到系统的输入端出信号沿反馈通道又回到系统的输入端,构成闭合构成闭合通道通道,故称闭环控制系统故称闭环控制系统,或反馈控制系统。或反馈控制系统。 前前/ /正向通道正向通道反反/ /负向通道负向通道 这种控制方式这种控制方式, ,无论是由于干扰造成无论是由于干扰造成, ,还是由于结还是由于结构参数的变化引起被控量出现偏差构参数的变化引起被控量出现偏差, ,系统就利用

9、偏系统就利用偏差去纠正偏差差去纠正偏差, ,故这种控制方式为故这种控制方式为按偏差调节按偏差调节。 闭环控制系统的突出优点是利用偏差来纠正偏闭环控制系统的突出优点是利用偏差来纠正偏差差, ,使系统达到使系统达到较高的控制精度较高的控制精度。但与开环控制系。但与开环控制系统比较统比较, ,闭环系统的结构比较复杂闭环系统的结构比较复杂, ,构造比较困难。构造比较困难。需要指出的是需要指出的是, ,由于闭环控制存在由于闭环控制存在反馈信号反馈信号, ,利用偏利用偏差进行控制差进行控制, ,如果设计得不好如果设计得不好, ,将会使将会使系统无法正常系统无法正常和稳定地工作和稳定地工作。另外。另外, ,

10、控制系统的精度与系统的稳控制系统的精度与系统的稳定性之间也常常存在矛盾。定性之间也常常存在矛盾。 开环控制和闭环控制方式各有优缺点开环控制和闭环控制方式各有优缺点, ,在实际工在实际工程中应根据工程要求及具体情况来决定。如果事程中应根据工程要求及具体情况来决定。如果事先预知输入量的变化规律先预知输入量的变化规律, ,又不存在外部和内部参又不存在外部和内部参数的变化数的变化, ,则采用开环控制较好。如果对系统外部则采用开环控制较好。如果对系统外部干扰无法预测干扰无法预测, ,系统内部参数又经常变化系统内部参数又经常变化, ,为保证控为保证控制精度制精度, ,采用闭环控制则更为合适。采用闭环控制则

11、更为合适。如果对系统的如果对系统的性能要求比较高性能要求比较高, ,为了解决闭环控制精度与稳定性为了解决闭环控制精度与稳定性之间的矛盾之间的矛盾, ,可以采用开环控制与闭环控制相结合可以采用开环控制与闭环控制相结合的复合控制系统。的复合控制系统。复合控制复合控制给定补偿或干扰补偿与反馈控制结合起来给定补偿或干扰补偿与反馈控制结合起来就组成复合控制。就组成复合控制。典型反馈控制系统的原理如图所示典型反馈控制系统的原理如图所示 (1)被控对象:它是控制系统所控制和操纵的对象,它接受控制量并输出被控制量。(2)控制器:接收变换和放大后的偏差信号,转换为对被控对象进行操作的控制信号。(3)放大变换环节

12、:将偏差信号变换为适合控制器执行的信号。它根据控制的形式、幅值及功率来放大变换。(4)校正装置:为改善系统动态和静态特性而附加的装置。如果校正装置串联在系统的前向通道中,称为串联校正装置;如果校正装置接成反馈形式,称为并联校正装置,又称局部反馈校正。(5)反馈环节:它用来测量被控量的实际值,并经过信号处理,转换为与被控制量有一定函数关系,且与输入信号同一物理量的信号。反馈环节一般也称为测量变送环节。(6)给定环节:产生输入控制信号的装置。 (1)输入信号:泛指对系统的输出量有直接影响的外界输入信号,既包括控制信号又包括扰动信号。其中控制信号又称控制量、参考输入、或给定值。(2)输出信号:是指反

13、馈控制系统中被控制的物理量,它与输入信号之间有一定的函数关系。(3)反馈信号:将系统(或环节)的输出信号经变换、处理送到系统(或环节)的输入端的信号,称为反馈信号。若此信号是从系统输出端取出送入系统输入端,这种反馈信号称主反馈信号。而其它称为局部反馈信号。 控制系统中常用的名词术语 (4)(4)偏差信号偏差信号: :控制输入信号与主反馈信号之差。控制输入信号与主反馈信号之差。(5)(5)误差信号误差信号: :它指系统输出量的实际值与希望值它指系统输出量的实际值与希望值之差。系统希望值是理想化系统的输出，实际上之差。系统希望值是理想化系统的输出，实际上并不存在并不存在, ,它只能用与控制输入信号

14、具有一定比例它只能用与控制输入信号具有一定比例关系的信号来表示。在单位反馈情况下关系的信号来表示。在单位反馈情况下, ,希望值就希望值就是系统的输入信号是系统的输入信号, ,误差信号等于偏差信号。误差信号等于偏差信号。(6)(6)扰动信号扰动信号: :除控制信号以外除控制信号以外, ,对系统的输出有影对系统的输出有影响的信号。响的信号。 （1）开环控制系统 信号流动由输入端到输出端单向流动。 （2）闭环控制系统 若控制系统中信号除从输入端到输出端外,还有输出到输入的反馈信号,则构成闭环控制系统,也称反馈控制系统,如图所示。 （1）恒值调节系统(自动调节系统) 这种系统的特征是输入量为一恒值,通

15、常称为系统的给定值。控制系统的任务是尽量排除各种干扰因素的影响,使输出量维持在给定值(期望值)。如工业过程中恒温、恒压、恒速等控制系统。 （2）随动系统(跟踪系统) 该系统的控制输入量是一个事先无法确定的任意变化的量,要求系统的输出量能迅速平稳地复现或跟踪输入信号的变化。如雷达天线的自动跟踪系统和高炮自动描准系统就是典型的随动系统。 （3）程序控制系统 系统的控制输入信号不是常值,而是事先确定的运动规律,编成程序装在输入装置中,即控制输入信号是事先确定的程序信号,控制的目的是使被控对象的被控量按照要求的程序动作。如数控车床就属此类系统。 组成系统元器件的特性均为线性的,可用一个或一组线性微分方

16、程来描述系统输入和输出之间关系。线性系统的主要特征是具有齐次性和叠加性。 (1)线性系统 (2)非线性系统 在系统中只要有一个元器件的特性不能用线性微分方程描述其输入和输出关系,则称为非线性系统。非线性系统还没有一种完整、成熟、统一的分析法。通常对于非线性程度不很严重,或做近似分析时,均可用线性系统理论和方法来处理。(1)定常系统 如果描述系统特性的微分方程中各项系数都是与时间无关的常数,则称为定常系统。该类系统只要输入信号的形式不变,在不同时间输入下的输出响应形式是相同的。 (2)时变系统 如果描述系统特性的微分方程中只要有一项系数是时间的函数,此系统称为时变系统。 (1)连续系统 系统中所

17、有元件的信号都是随时间连续变化的,信号的大小均是可任意取值的模拟量,称为连续系统。 (2)离散系统 离散系统是指系统中有一处或数处的信号是脉冲序列或数码。若系统中采用了采样开关,将连续信号转变为离散的脉冲形式的信号,此类系统称为采样控制系统或脉冲控制系统。若采用数字计算机或数字控制器,其离散信号是以数码形式传递的,此类系统称为数字控制系统。(1)单输入单输出系统(单变量系统) 系统的输入量和输出量各为一个,称为单输入单输出系统。 (2)多输入多输出系统(多变量系统) 若系统的输入量和输出量多于一个,称为多输入多输出系统。对于线性多输入多输出系统,系统的任何一个输出等于数个输入单独作用下输出的叠

18、加。 控制精度是衡量系统技术性能的重要尺度。一个高品质的系统,在整个运行过程中,被控量对给定值的偏差应该是最小的。考虑动态过程在不同阶段中的特点,工程上通常从稳、准、快三个方面来衡量自动控制系统。 稳定工作是所有自动控制系统的最基本要求,是系统能否工作的前题。不稳定的系统根本无法完成控制任务。考虑到实际系统工作环境或参数的变动,可能导致系统不稳定,因此,我们除要求系统稳定外,还要求其具有一定的稳定裕量。 稳态精度是指系统过渡到新的平衡工作状态以后,或系统对抗干扰重新恢复平衡后,最终保持的精度。稳态精度与控制系统的结构及参数,输入信号形式有关。 动态过程是指控制系统的被控量在输入信号作用下随时间

19、变化的全过程,衡量动态过程的品质好坏常采用单位阶跃信号作用下过渡过程中的超调量,过渡过程时间等性能指标。 对于一个实际系统其输入信号往往是比较复杂的,而系统的输出响应又与输入信号类型有关。因此,在研究自动控制系统的响应时,往往选择一些典型输入信号,并且以最不利的信号作为系统的输入信号,分析系统在此输入信号下所得到的输出响应是否满足要求，估计系统在比较复杂信号作用下的性能指标。常采用的典型输入信号有： 它的数学表达式为： 000)(tAttr 它表示一个在t=0时刻出现的，幅值为A的阶跃变化函数，如图所示。在实际系统中，如负荷突然增大或减小，流量阀突然开大或关小均可以近似看成阶跃函数的形式。 A

20、=1的函数称为单位阶跃函数，记作1(t)。因此，幅值为A的阶跃函数也可表示为： )( 1)(tAtr 出现在 时刻的阶跃函数，表示为： 0tt 0000)(ttAttttr它的数学表达式为: 000)(tAtttr 斜坡函数从t =0时刻开始，随时间以恒定速度增加。如图所示。A=1时斜坡函数称作单位斜坡函数。 斜坡函数等于阶跃函数对时间的积分，反之，阶跃函数等于斜坡函数对时间的导数。 它的数学表达式为: 02100)(2tAtttr 曲线如图所示。当A=1时，称为单位抛物线函数。抛物线函数是斜坡函数对时间的积分。它的曲线如图所示，数学表达式为: 00( )00tAr ttt 其面积为A。即:

21、Adttr )( 面积A表示脉冲函数的强度。 的脉冲函数称为单位脉冲函数，记作 ，即: )(t 0, 1 A1)(000)( dttttt 于是强度为A的脉冲函数可表示为 。 )(tA 表示在时刻 出现的单位脉冲函数，即: )(0tt 0tt 1)(0)(0000 dttttttttt 单位脉冲函数是单位阶跃函数的导数 它的数学表达式为: 0sin00)(ttAttr 式中A为振幅，为角频率，正弦函数为周期函数。 当正弦信号作用于线性系统时，系统的稳态分量是和输入信号同频率的正弦信号，仅仅是幅值和初相位不同。根据系统对不同频率正弦输入信号的稳态响应，可以得到系统性能的全部信息。 （1）自动控制

22、是在没有人直接参与的情况下，利用控制）自动控制是在没有人直接参与的情况下，利用控制装置使被控对象自动地按要求的运动规律变化。自动控制装置使被控对象自动地按要求的运动规律变化。自动控制系统是由被控对象和控制器按一定方式联接起来的、完成系统是由被控对象和控制器按一定方式联接起来的、完成一定自动控制任务的有机整体。一定自动控制任务的有机整体。（2）自动控制系统可以是开环控制、闭环控制或复合控）自动控制系统可以是开环控制、闭环控制或复合控制。最基本的控制方式是闭环控制，亦称反馈控制。制。最基本的控制方式是闭环控制，亦称反馈控制。（3）自动控制系统的分类方法很多，其中最常见的是按）自动控制系统的分类方法

23、很多，其中最常见的是按给定信号的特点进行分类，可分为恒值系统、随动系统和给定信号的特点进行分类，可分为恒值系统、随动系统和程控系统。程控系统。（4）在分析系统的工作原理时，应注意系统各组成部分）在分析系统的工作原理时，应注意系统各组成部分具有的职能，并能用原理方框图进行分析。原理方框图是具有的职能，并能用原理方框图进行分析。原理方框图是分析控制系统的基础。分析控制系统的基础。（5）对自动控制系统性能的基本要求可归结为稳、快、）对自动控制系统性能的基本要求可归结为稳、快、准三个字。准三个字。本章小结本章小结（6）常用的典型输入信号有阶跃函数、斜坡函数、抛物线）常用的典型输入信号有阶跃函数、斜坡函

24、数、抛物线 函数、脉冲函数和正弦函数。函数、脉冲函数和正弦函数。（7）自动控制理论是研究自动控制技术的基础理论，其研）自动控制理论是研究自动控制技术的基础理论，其研 究内容主要分为系统分析和系统设计两个方面。究内容主要分为系统分析和系统设计两个方面。本章小结（续）本章小结（续）Wednesday, March 23, 2022412015-01-08 10:00-12:00第一章 绪论Wednesday, March 23, 202242自动控制和自动控制系统的基本概念 自动控制系统： 由被控对象和自动控制装置按一定的方式连接起来，完成一定的自动控制任务的整体。的整体。 自动控制： 所谓自动控

25、制，是指在所谓自动控制，是指在无人直接参与无人直接参与的情况下，利用的情况下，利用控制装置控制装置操纵操纵受控对象受控对象，使，使被控量被控量等于等于给定值给定值或或按照给按照给定的规律去变化定的规律去变化。l控制对象：控制系统要进行控制的控制对象：控制系统要进行控制的受控客体受控客体。 Wednesday, March 23, 202243自动控制系统的组成 输入装置：产生给定的输入量； 比较器（放大器）：将给定输入量和反馈信号进行比较得到偏差信号； 调节器：根据偏差信号的大小产生控制信号； 执行器：按调节器产生的控制信号实现对被控对象的控制； 测量装置：对系统被控量进行测量和变换产生反馈信

26、号。自动控制系统主要包括以下几个部分：Wednesday, March 23, 202244Wednesday, March 23, 202245自动控制系统的控制方式1.开环控制（开环控制（Open-loop Control） （1）定义：控制装置（控制器）定义：控制装置（控制器+执行器）与受控执行器）与受控对象之间对象之间只有顺向作用而无反向联系只有顺向作用而无反向联系时的控制时的控制方式，称为开环控制。方式，称为开环控制。（2）结构：）结构：控制器控制器受控对象受控对象r(t)c(t)d(t)开环控制系统图开环控制系统图执行机构执行机构Wednesday, March 23, 20224

27、6自动控制系统的控制方式2. 闭环控制闭环控制（Closed-loop Control） （1）定义定义：控制装置与受控对象之间，不但有：控制装置与受控对象之间，不但有顺向作用，而且还有反向联系，即顺向作用，而且还有反向联系，即被控量对控被控量对控制过程有影响制过程有影响时的控制方式称为闭环控制。时的控制方式称为闭环控制。（2）组成组成：三大部分，七个环节。：三大部分，七个环节。Wednesday, March 23, 202247 闭环自动控制系统组成框图闭环自动控制系统组成框图校正校正器器执行执行机构机构检测检测环节环节e(t)给定给定环节环节c(t)b(t)d(t)放放大大器器受控受控对

28、象对象r(t)控制器控制器给定电给定电源部分源部分控制装置部分控制装置部分受控对受控对象部分象部分比较环节比较环节1234567Wednesday, March 23, 202248反馈控制系统的特点 从信号的流向看，输出量经测量后回送到输入端。回送的反馈信号使回路闭合，构成闭环系统。 从控制作用的产生看，它是由偏差引起的。偏差产生的控制作用使系统沿减小或消除偏差的方向运动。 由于形成了闭环系统，因而能有效地抑制被反馈通道包围的前向通道中各种扰动对系统输出量的影响。 由于闭环系统可能引起过调，因而带来了系统稳定性的问题。Wednesday, March 23, 2022491. 按照按照控制方

29、式（信号流向）控制方式（信号流向）分类：分类： 不同的控制方式，系统中信号流向也不同，据此可不同的控制方式，系统中信号流向也不同，据此可将系统分为：将系统分为：开环控制开环控制系统、系统、闭环控制闭环控制系统和系统和复合控制复合控制系统三种。系统三种。2. 按照按照数学模型数学模型分为类：分为类：（1）线性线性系统与系统与非线性非线性系统系统l线性系统：由线性元件组成，满足线性系统：由线性元件组成，满足齐次性齐次性和和叠加性叠加性，其数学模型为其数学模型为线性常系数微分方程线性常系数微分方程。而非线性系统不。而非线性系统不满足这两个特性，其数学模型为非线性微分方程或差满足这两个特性，其数学模型为非线性微分方程或差分方程。分方程。控制系统的分类Wednesday, March 23, 202250（2）定常定常系