控制系统分类

1、第一章绪论，1自动控制理论的发展，在40-50年代形成SISO系统的18世纪，蒸汽锅炉水位调节器和蒸汽机离心锤式调节器的发明。 (2)1932年，奈奎斯特提出了频率标准。 (3)1948年，伊万提出了根轨迹法。 二战军需技术目标：反馈控制系统的稳定基本方法：传递函数、根轨迹法、频率法、PID调节器(频域)、1.1经典控制理论、 1.2现代控制理论60-70年代形成MIMO系统是基于：冷战时代的空间技术的计算机技术目标：最佳控制基本方法：状态方程式(时域)，1.3智能控制技术从90年代开始发展，主要是专家系统， 基于模糊控制和神经网络等智能领域的控制技术，1.4发展的各领域近年来，现代控制理论的

2、进展主要集中在自适应控制、大系统理论、H稳健控制、非线性控制(微分几何、混沌、结构变化)和相关课题上。 储水槽的液位控制要求在静态情况下，流出量与流入量相等，储水槽的液位稳定在一定的高度。 流入管的压力影响流入量，负荷的变化影响流出量。 为了克服干扰，维持液位高度，需要实时调整阀的开度。 调整的方法：液位高于规定高度，增大出口阀的开度。 液位低于规定高度，减小出口阀的开度。 2自动控制和自动控制系统、液位手动控制的信息转换和传递过程、液位自动控制系统的构成、偏差、自动控制是什么？ 自动控制：在没有人直接参加的情况下，利用控制装置自动地按规定的规则改变被控制对象和进程的控制过程。 自动控制系统：

3、由控制装置和被控制对象构成，它们以某种相互依存的方式组合成一个有机的整体，自动地控制被控制对象。-偏差、2.2自动控制系统和构成、控制系统的任务： c(t)=r(t )其中，c(t )是被控制量，r(t )是规定值。 3自动控制系统的框图通常以框图形式显示，以便在研究自动控制系统时分析系统的各组成部分(环节)之间的相互影响和信号传递关系，并直观地显示。 液位自动控制系统的框图，模块称为链路，系统的基本链路是控制器、执行器、传感器和被控制对象。 这是信号的转换单元(功能单元)。 带箭头的线指示链路之间的信息传输的方向，流入链路是输入信号，而流出链路是输出信号。 另外，图中带箭头的作用线表示信号的

4、传递方向，不表示实际的材料的流动方向。 4自动控制系统的分类以系统的结构形式进行分类，以系统的特性(数学模型)进行分类，以系统变量的数量进行分类，以4.1系统的结构形式进行分类(1)开环控制系统，输出不影响输入，对输出不需要测量， 通常可以容易地实现系统的组成部件精度高，系统精度高的系统稳定性不是主要问题，主要特征：控制方式：以给定的值进行操作。 信号从预定值向一个方向传送到输出量。 一定的规定值与一定的输出量对应。 系统的控制精度取决于系统的预调整精度。 开环控制系统：在控制量和输出量之间只有前方通道，没有反馈通道(即，输出量不影响控制量)。 直流电机转速系统、开环控制系统的优点：部件高、抗

5、干扰能力差，不能自动补偿系统噪声对被控制量的影响。 系统信息传递没有形成闭合电路，被控制量不影响控制作用，因此结构比较简单，维护容易，成本低，没有稳定性问题。 原则上，控制量的控制精度取决于系统各环节的精度，当系统构成参数稳定干扰信号弱时，多用于例如自动售货机、自动报警器、自动管线等。开环控制系统的缺点：用扰动补偿的控制方法的原理是：对扰动信号的测量有控制作用，补偿扰动对功率量的影响。 由于干扰信号经由测定装置，从控制器向被控制对象的输出量向一个方向传输，所以属于开环控制方式。 系统本身无法控制不可测量的干扰和被控制对象及各功能部件的内部参数的变化对输出量的影响。 因此，控制精度有限，常用于机

6、床的定速控制(例如工具转速的稳定化)和电源系统的稳定化、稳定化控制。 (2)闭环控制系统的输出影响输入，所以能够减弱或抑制噪声的低精度元件有可能构成高精度系统，发生过冲或振动，所以稳定性很重要。 闭环控制：系统的信息传递形成闭环。 也称为反馈控制系统。 主要特征：反馈控制、反馈根据反馈极性的不同可分为两种形式：正反馈、负反馈。 我们叙述的反馈系统，除非特别说明，否则一般意味着负反馈。 控制方式：带速度反馈的直流电动机转速系统、闭环控制系统的优点：系统的输出(控制量)经由反馈路径形成反馈信号，与输入侧返回给定的信号生成偏差信号，影响控制作用。 因此，控制精度对环节的转换精度很小。 因为存在反馈信

7、道，系统打算始终将系统输出(被控制量)保持在恒定值，所以对噪声有非常强的补偿和校正作用。 由于扰动对系统输出的影响随着时间的推移而缓慢反应，控制作用对扰动作用有时间延迟。 控制过程可能会振动。 结构复杂，维护困难，可能存在稳定性问题。 闭环控制系统的缺点：要求温度调节系统人工控制，控制目标：炉子的温度恒定为所需的数值。 控制过程：温度调节系统自动控制，控制目标：要求炉子的温度保持恒定为所需数值。 控制过程：(3)复合控制系统，复合控制：组合了基于偏差的控制和基于干扰的控制的控制系统。 能抑制强干扰的结构复杂，主要特征：采用反馈控制(偏差控制)和开环控制(干扰控制)两种控制形式。 控制方式：控制

8、对象：加热炉，控制任务：保持炉温t恒定。 被控制量：炉温t，干扰：燃料压力变动：控制部件：燃料管阀，测量元件：温度检测仪，流量检测器，环境温度变化：物流量变化，反馈控制的作用补偿环节的转换误差和非主要干扰的影响。 前馈控制是开环控制，在发生主要干扰的同时，立即产生相应的控制作用。 对控制质量的改善有显着的效果。 前馈控制的效果与前馈补偿设备的精度有关，前馈补偿设备的精度取决于信道数学模型的精度。(1)r(t )给出值，c(t )控制光量的数值控制系统。 数值控制系统：也称为定值控制系统。 输出量等于一定精度给定的值，但是给定的值一般不变化，或者变化缓慢，扰动随时变化的系统被称为定值系统，在生产

9、过程中，这种系统非常多。 例如冶金部门的恒温系统、石油部门的定压系统等。 c(t)=r(t)=const，4.2以给定值的变化形式被分类，其中，(2)跟踪控制，r(t )是未知的时间函数。 追踪系统：输出量以一定的精度能追踪一定值的变化的系统被称为追踪系统，也称为追踪系统。 此类系统的特征在于系统的给定值的改变规则完全依赖于不预定的时间函数。 例如，火炮系统、卫星控制系统等。 另外，c(t)=r(t )、(3)程序控制系统，r(t )是已知的时间函数。 程序控制系统：将自动控制系统的被控制量由预先生成的程序控制的系统称为程序控制系统。 例如炼钢炉的微机控制系统、洲际弹道导弹的程序控制系统、电梯

10、升降控制、退火炉的炉温控制等。另外，c(t)=r(t )、(1)线性控制系统，在系统特性可以用线性微分(或差分)方程式来记述时，即系统的各要素的特性处于线性关系时，将该系统称为线性控制系统。 按4.3系统的特性(数学模型)进行分类，线性系统的主要特征是系统利用输入信号r1(t )生成系统的输出c1(t )，系统利用输入信号r2(t )生成系统的输出c2(t )。 如果系统的输入信号为ar1(t) br2(t )，系统的输出满足ac1(t) bc2(t )系数a、b也可以是常数或时变参数。 这种系统称为线性系统。 如果描述线性系统的运动状态的微分方程(或差分方程)的系数是恒定的，且不随时间变化，

11、那么该线性系统被称为线性稳态(或时变)系统。 如果描述线性系统的运动状态的微分方程(或差分方程)的系数是时间函数，那么该线性系统被称为线性时变系统。 (2)非线性控制系统是非线性系统，当系统中存在非线性特性的元件或元件时，系统的特性用非线性方程式描述。 非线性系统没有重叠性。 (1)连续控制系统、系统的一部分信号都是时间变量的连续函数。 连续系统的运动状态和特性用微分方程式来描述。 用模拟式仪表实现自动化的过程控制系统就是这样的系统。 (2)如果系统的一个或多个位置处的信号是时间上离散的脉冲序列或数字形式，则以信号流的形式分类该系统为离散控制系统； 离散控制系统用差分方程式描述。 (1)单变量

12、系统、单变量系统也称为单输入单输出系统，其输入量和输出量都是一个，系统结构比较简单。 4.5按系统变量的数量进行分类，(2)多变量系统、单变量系统也称为多输入多输出系统，其输入量和输出量多于一个，系统结构复杂。 分类总结，5为了实现自动控制系统的性能指标、5.1基本性能要求、自动控制的基本任务，必须对系统在控制过程中表现的行为提出要求。 对控制系统的基本请求通常是通过系统对特定输入信号的响应来满足。 例如，用单位步进信号的过渡过程和稳定的特征值表示。 在确保稳定性的前提下，系统的动态性能和稳定性能良好，即动态过程稳定的要求响应动作快(迅速性)跟踪值必须准确，(1)控制系统的“稳定”和“动态”，

13、稳定：被控制量不随时间变化的平衡状态， 动态：由于受控制量随时间变化的不平衡状态、干扰，控制系统的正常运转状态总是在“稳态”和“动态”之间交叉运转。 稳定性(稳定)、迅速性(快)、正确性(准) (1)“稳定”和“快”说明系统的动态(过渡过程)质量。 系统迁移过程的原因：系统中存储要素的能量不能突变。 (2)“准”说明系统的稳定(静态)质量。 (3)稳定性是保证控制系统正常工作的前提条件。 线性控制系统的稳定性与外部条件和初始状态无关，由系统自身的结构和参数决定。 (2)自动控制系统的性能指标，延迟时间响应曲线首次达到正常值的一半所需的时间。 上升时间从正常值的10%上升到90%所需的时间。 (

14、下阻尼系统总是采用0-100%峰值时间响应曲线达到超冲的第一个蜂窝值的时间。 过冲量(最大偏差)、输出最大值和输出稳态值的相对误差。 反映了系统的稳定性。 过冲量越小，表示系统的迁移越顺利。 调节时间(过渡过程时间)，系统输出量进入稳定输出值附近的允许误差带，持续保持所需的时间。 允许误差带宽通常采稳态输出值的2%或5%。 调整时间的长度反映了系统的迅速性。 调整时间越小，系统的高速性越好。衰减率，从系统输出最初的变动峰值B1到第3变动峰值B3的衰减率。 这表示系统输出响应过程的振动衰减的程度。 振荡次数在调节时间内，输出量在稳态值附近上下变动的次数。 也反映了系统的稳定性。 振荡次数越少，表

15、示系统的稳定性越好。 如果系统从稳定状态转移到新的稳定状态，或者系统紊乱，失去平衡，系统可能会产生偏差。 这个偏差称为稳定误差。 系统的稳态误差的大小反映了系统的稳态精度，显示了系统控制的准确性和抗干扰能力。 稳态误差越小，系统的稳态精度越高。 有稳态误差，有差异的系统(图a )稳态误差非零的情况下，系统称为有差异的系统。 没有差异的系统(图b )如果稳态误差为零，则系统被称为没有差异的系统。小结、1 .开环控制系统结构简单稳定性好，但不能自动补偿干扰对输出量的影响。 在系统的扰动量引起的偏差不能事先补偿的情况和影响小的情况下，采用开环控制是有利的。 在扰动量不可预测或控制系统的精度达不到预期的要求的情况下，应采用闭环控制。 2 .闭环控制系统具有反馈环路，并且可以由反馈环路自动调节，以克服干扰对系统的影响。 闭环控制大幅度提高了系统的精度。 但是，闭环恶化了系统的稳定性，需要重视解决。 3、自动控制系统通常由规定的环节、检测环节、比较环节、放大元件、