第1章绪论成都纺织高等专科学校

第1章绪论1.1引言习题1.1引言1.1.1自动控制实际概述自动控制实际是研讨各种自动控制过程共同规律的技术学科。它的开展初期是以反响实际为根底的自动调理实际。随着科学技术的提高，自动控制原理已开展成为一门独立的学科，它包括工程控制论、生物控制论、经济控制论和社会控制论。经典控制实际是指20世纪50年代末期所开展构成的实际体系。经典控制实际主要是研讨单输入—单输出线性定常系统的分析和设计问题，其实际根底是描画系统输入—输出关系的传送函数，主要采用时域分析方法和频域分析方法。现代控制实际是在20世纪60年代初期，为顺应更复杂系统的设计，研讨具有高性能、高精度的多输入-多输出系统而出现的新的控制实际。自动控制原理是一门自动控制专业的根底实际课程，它属于技术根底课程，该课程讲述的是自动控制系统分析设计的一些根本方法，譬如根轨迹法、频域呼应法、形状空间法等。1.1.2自动控制的开展历史及现状自动控制技术在工业、农业、国防和科学技术现代化中起着非常重要的作用。自动控制技术程度的高低也是衡量科学技术先进与否的重要标志之一。随着国民经济和国防建立的开展，自动控制技术的运用日益广泛，其重要作用也越来越显著。自动控制的开展已有很长的历史，自动机和自动钟很早就发明了。1.1.3自动控制的根本方法自动控制系统有两种最根本的方式，即开环控制和闭环控制。复合控制是将开环控制和闭环控制适当结合的控制方式，可用来实现复杂且控制精度较高的控制义务。1.开环控制开环控制是指控制安装与被控对象之间只需顺向作用而没有反向联络的控制过程。即被控量〔系统输出〕不影响系统控制的控制方式称为开环控制。所以，在开环控制中，不对被控量进展任何检测，在输出端和输入端之间不存在反响联络。开环控制又有两种方式，即用给定值支配的控制方式和干扰补偿的控制方式。1〕用给定值支配的控制方式用给定值支配的开环控制系统的方框图如图1-1所示。图1-1用给定值支配的开环控制这种控制方式的特点是：在给定输入端到输出端之间的信号传送是单向进展的。这种控制方式的缺陷是：当受控对象或控制安装遭到干扰，或者在任务过程中元件特性发生变化而影响被控量时，系统不能进展自动补偿，所以控制精度难以保证。但是由于它的构造比较简单，因此在控制精度要求不高或元器件任务特征比较稳定而干扰又很小的场所中运用比较广泛。2〕用干扰补偿的控制方式用干扰补偿的开环控制方式的方框图如图1-2所示。图1-2用干扰补偿的开环控制这种控制方式的特点是：干扰信号经丈量、计算、放大、执行等元件到输出端的传送也是单向进展的。用干扰补偿的控制方式只能用在干扰可以丈量的场所。另外这种控制方式在任务过程中不能补偿由于元件及受控对象任务特性变化而对被控量所产生的影响。2.闭环控制被控量对系统参与系统控制的控制方式称为闭环控制。闭环控制的方框图如图1-3所示。图1-3闭环控制闭环控制的特点是在控制器和被控对象之间，不仅存在着正向作用，而且还存在着反响作用，即系统的输出信号对被控制量有直接影响。在闭环控制中，被控量时时辰刻被检测，或者再经过信号变换，并经过反响通道送回到比较元件和给定值进展比较。闭环控制从原理上提供了实现高精度控制的能够性，它对控制元件的要求比开环控制低。3.开环控制与闭环控制的比较普通来说，开环控制构造简单、本钱低、任务稳定，因此，当系统的输入信号及扰动作用能预先知道并且系统要求精度不高时，可以采用开环控制。由于开环控制不能自动修正被控制量的偏离，因此系统的元件参数变化以及外来未知扰动对控制精度的影响较大。闭环控制具有自动修正被控制量出现偏离的才干，因此可以修正元件参数变化及外界扰动引起的误差，其控制精度较高。但是正由于存在反响，闭环控制也有其缺乏之处，就是被控制量能够出现振荡，严重时会使系统无法任务。4.复合控制复合控制就是将开环控制和闭环控制相结合的一种控制方式。本质上，它是在闭环控制回路的根底上，附加一个对输入信号或对扰动作用的前馈通路，来提高系统的控制精度。前馈通路通常由对输入信号的补偿安装或对扰动作用的补偿安装组成，分别称为按输入信号补偿和按扰动作用补偿的复合控制系统，如图1-4所示。图1-4复合控制系统方框图(a)按输入作用补偿；(b)按扰动作用补偿1.1.4控制系统的分类由于控制技术的广泛运用以及控制实际本身的开展，使得控制系统具有各种各样的方式，从不同的角度出发，分类的方式也不一样。本节仅引见两种常见的分类方法。1.按输入信号特征分类1〕定值控制系统给定信号〔给定值〕为一常值的控制系统称为定值控制系统。这类控制系统的义务是保证在扰动作用下使被控变量一直坚持在给定值上。在消费过程中的温度、压力、流量、液位高度等大量的控制系统都属于这一类系统。2〕随动控制系统给定信号是一个未知变化量的闭环控制系统称为随动控制系统。这类控制系统的义务是保证在各种条件下系统的输出〔被控变量〕以一定精度跟随给定信号的变化而变化，所以这类控制系统又称为跟踪控制系统。如雷达无线跟踪系统，当被跟踪目的位置未知时属于这类系统。

3〕程序控制系统给定信号是一个按一定时间程序变化的时间函数的闭环控制系统就称为程序控制系统。如热处置炉温度控制系统的升温、保温、降温过程都是按照预先设定的规律进展控制的，所以该系统属于程序控制系统。2.按所运用的数学方法分类1〕线性控制系统和非线性控制系统〔1〕线性控制系统。当系统中各组成环节的特性可以用线性微分方程〔或差分方程〕来描画时，这类系统称为线性控制系统。线性控制系统的特点是可以运用叠加原理。〔2〕非线性控制系统。当系统中存在非线性的组成环节时，系统的特征就由非线性微分方程来描画，这样的控制系统称为非线性控制系统。对于非线性系统叠加原理是不适用的。2〕延续控制系统与离散控制系统〔1〕延续控制系统。当控制系统中各组成环节的输入和输出信号都是时间的延续函数时，称此类系统为延续控制系统。延续控制系统的特征普通是用微分方程来描画的。信号的时间函数允许有延续点〔不延续点〕。假设系统是线性的而且又是延续的，那么称为线性延续系统。图1-5离散信号〔2〕离散控制系统。控制系统中只需有一个组成环节的输入信号或输出信号在时间上是离散的，就称为离散控制系统。离散系统与延续系统的区别仅在于信号只在特定离散的瞬时〔如图1-5所示〕是时间的函数，而在两离散的瞬时点之间信号是不确定的。离散控制系统的特性可用差分方程来描画。假设差分方程是线性的，那么系统为线性离散控制系统。图1-6所示为几种不同类离散系统的特性。图1-6常见的非线性特性(a)饱和；(b)死区；(c)间隙；(d)干摩擦和粘性摩擦3〕单变量控制系统与多变量控制系统〔1〕单变量控制系统。在一个控制系统中，假设只需一个被控变量和一个控制造用来控制被控对象，那么称该系统为单变量控制系统，又称为单输入—单输出系统。如图1-7所示。目前大量的过程控制系统都属于这类系统。图1-7单变量控制系统〔2〕多变量控制系统。假设一个控制系统中的被控变量多于一个，控制造用也多于一个，而且各控制回路相互之间有耦合关系，那么称这类控制系统为多变量控制系统，也称为多输入—多输出控制系统，如图1-8所示。图1-8多变量控制系统

1.1.5控制系统的研讨内容和方法1.控制系统的研讨内容控制系统的类型很多，但研讨的内容和方法是类似的。在研讨控制系统时不是从详细控制系统的物理性质入手，而是从表征这些控制系统的数学模型出发，用数学〔包括实验〕的方法去构造一个人们所需求的数学模型，或是去研讨这种系统的数学模型。2.控制系统的研讨方法对于单变量线性控制系统，常采用经典的时域法、频率法和根轨迹法来进展研讨。1〕时域法时域法是一种以微分方程为根底而构成的数学模型，通常采用求解微分方程的途径，直接在时间域中对控制系统进展研讨的一种方法。2〕频域法对于一些不容易从实际推导得出系统微分方程的场所，可以经过频率呼应求得系统的特性。由于这种方法简便，物理概念明了，因此在实际中得到了广泛的运用。3〕根轨迹法根轨迹法是一种以作图法为根底研讨控制系统的方法。由于它是从系统的开环特性出发去研讨系统的闭环特性的，因此方法简单，特别是在系统设计时较为方便。1.1.6对控制系统的根本要求对任务在不同场所下的控制系统有不同的性能要求。本节主要从控制的角度来讨论控制系统应满足的根本要求。控制系统的义务是使被控量按参考输入坚持常值或跟随参考输入变化。但是要在任何时间做到这一点并不容易。如图1-9所示的随动系统的指令电位器，在瞬间转动一个单位角度时，由于系统中惯性的存在以及能源功率的限制，因此任务机械不能够立刻跟随转动相等的角度。图1-9随动系统当偏向产生的控制造用使任务机械转过与给定值相等的角度时，由于惯性的关系，任务机械将仍以一定速度继续旋转，因此出现反向偏向。控制系统又产生反向控制造用，使任务机械反向转动。如此周而复始，出现了振荡的跟踪过程。控制系统的这一运动过程称为系统的动态过程。当系统构造及其参数匹配合理时，经过一定时间后，被控量将趋于希望值。图1-10表示了在阶跃输入信号作用下几种系统被控量的变化过程，图中x〔t〕表示输入，y〔t〕表示输出。图1-10控制系统的阶跃输入和输出(1)稳定性。稳定性是指系统被控量偏离给定值而振荡时，系统抑制振荡的才干。对于稳定的系统，随着时间的增长，被控量将趋近于希望值。可见稳定性是保证系统正常任务的先决条件。图1-10〔b〕和图1-10〔c〕所示的系统是不稳定的，这种系统不能正常任务。图1-10〔d〕所示的系统是稳定的。(2)快速性。快速性是指被控量趋近希望值的快慢程度。快速性好的系统，它的过渡过程时间就短，就能复现快速变化的控制信号，因此具有较高的动态精度。图1-10〔d〕所示的系统1，其快速性要比系统2好。稳定性和快速性是反映系统动态过程好坏的尺度。(3)准确性。准确性是指过渡过程终了后被控量与希望值接近的程度。也就是当系统过渡到新的平衡任务形状后，被控量与希望值偏向的大小。系统的这一性能目的称为系统的稳态精度。思索到控制系统的动态过程在不同阶段中的特点，工程上经常从稳、快、准三个方面来评价系统的总体精度。习题1.1什么是系统