自动控制系统的基本概念

1、经典控制理论第一章第一章自动控制系统的基本概念自动控制系统的基本概念第二章第二章 自动控制系统的数学模型自动控制系统的数学模型第三章第三章 控制系统的时域分析控制系统的时域分析第四章第四章 控制系统的频域分析控制系统的频域分析第五章第五章 控制系统的校正方法控制系统的校正方法第一章第一章 自动控制系统的基本概念自动控制系统的基本概念第一章第一章 自动控制系统的基本概念自动控制系统的基本概念本章描述自动控制的基本概念、任务、控制方式及控制过程的简单分析，建立对本学科的一个较为明确的认识。1.1 概述概述所谓自动控制，是指无需人经常直接参与，而是通过对某一对象施加合乎目的的作用，以使其产生所希望的

2、行为或变化的控制。上述控制随然不是由人力来直接完成的，但却是由人为了某种目的而预先造好的装置来完成的。这样的装置成为控制器。后者按照人的安排接受某种信息，并遵循一定的法则加工这个信息，使其变为控制作用，以施加在对象上。这样的对象称为被控对象。被控对象在控制作用影响下，在其功能的限度内改变自己的状态。第一章第一章 自动控制系统的基本概念自动控制系统的基本概念自动控制是一门理论性很强的科学技术，一般泛称为“自动控制技术”。把实现自动控制所需的各个部件按一定的规律组合起来，去控制被控对象，这个组合体叫做“控制系统”。分析与综合控制系统的理论称之为“控制理论”。典型的自动控制系统组成如下：典型自动控制

3、的原理图第一章第一章 自动控制系统的基本概念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，并具有预定性能的动力学系统。输出量：表现于被控对象或系统的输出端，是要求实现自动控制的物理量，也称被控量。输入量：作用于被控对象或系统的输入端，是可使系统具有预定功能或预定输出的物理量。从对输出量的影响看，可以分为给定输入量和扰动输入量两种。扰动：凡作用在控制系统中，可以引起输出变量变化的除去控制变量以外的其它因素，都称为扰动。扰动变量可以分为内扰和外扰。由控制系统内部产生的扰动，如元件参数的变化，称为内扰；而由于控制系统外部引入的扰动，如负载变

4、化，能源变化等，称为外扰。扰动对控制系统是一种不利因素。比较元件：其作用是把测量元件检测的被控量实际值与系统的输入量进行比较，求出它们之间的偏差。放大元件：其作用是将比较元件给出的偏差信号进行放大，用来推动执行机构去控制被控对象。执行元件：其作用是直接推动被控对象，使其被控量发生变化。测量元件：其作用是检测被控制的物理量，如果这个物理量是非电量，则一般要转换成电量。第一章第一章 自动控制系统的基本概念自动控制系统的基本概念1.2 开环控制系统与闭环控制系统开环控制系统与闭环控制系统 1.2.1 基本概念基本概念所有控制系统，均是由被控对象、控制量、被控制量、给定信号、扰动信号、 测量信号、偏差

5、信号、 控制信号、调节器（或控制器（内含算法，控制率）输出的信号以及执行机构组成。现通过生活中厕所给排水系统，如图所示，来介绍自动控制系统中的一些基本概念。第一章第一章 自动控制系统的基本概念自动控制系统的基本概念生活中单回路给排水系统该排水系统的工作原理如下：给定水池一个标准给定液位，即要求正常工作以后的水箱储水量，水池上方有一个作为连接阀门的调节器的浮球。随着水箱中的水被排出，浮球将随着下降的水位下降，从而开动入水阀门，浮球跟随水位的上升而上升，当给水量达到了给定液位时，浮球回到了原始位置，同时带动入水阀门关闭，系统重归平衡。第一章第一章 自动控制系统的基本概念自动控制系统的基本概念给排水

6、系统方块图首先，根据排水系统原理，画出给排水系统方块图，如图1.3所示：第一章第一章 自动控制系统的基本概念自动控制系统的基本概念根据例子中的排水系统，可分析控制系统组成如下：1 控制对象（被控对象，调节对象，对象）被控的设备或过程（上例中的水槽）。2 被控制量（被调参数输出量，控制量）把被控制的物理量称为被控制量，他常常是表征设备或过程的运行情况或状态，且需要加以控制的参数（上例中的水位）。3 给定信号（参考输入量）：设定的与被控参数期望值成比例的信号，起作用是为了保证输出量达到所要求的目标。（如上例中要求的液位）。4 扰动信号（扰动输入量）：是一种妨碍被控参数达到期望值的外部作用。对系统工

7、作不利。5 测量信号：监测仪表的输出经变送器变换后的与被控信号实际值成比例的信号（被量水位）。6 偏差信号： 给定信号与测量信号的差值信号。7 控制信号：调节器（或控制器（内含算法，控制率）输出的信号。8 执行机构：执行器+调节阀。第一章第一章 自动控制系统的基本概念自动控制系统的基本概念1.2.2 自动控制系统的传递方块图自动控制系统的传递方块图在研究自动控制系统时，为便于分析和描述，将系统安基本组成部分分解，并用传递方块图来表示。1 环节：是构成系统的基本组成部分。用一个方块表示。2 传递方块图：将构成系统的所有环节用有向线段连接起来所构成的系统结构图。其中，有向线段表示环节之间的信号传递

8、关系。指向环节的作用线；表示输入；背向环节的作用县表示输出；整个系统的输出为被控参数；整个系统的输入为给定信号和扰动信号；测量信号与给定信号通过相加叠加，符号代表信号的极性。第一章第一章 自动控制系统的基本概念自动控制系统的基本概念闭环控制系统结构图说明: (1)传地方块图中信号的传递具有单项性。 (2)作用线只代表信号的传递方向,不代表实际物流方向。 (3)方块图可简可繁,以能清晰描述信号传递关系以及突出研究环节性能的原则。第一章第一章 自动控制系统的基本概念自动控制系统的基本概念闭环控制系统结构简化图(4)分析复杂系统时,可以简化系统内部模块，用一个环节代表一个简化模块。(5)尽管实际控制

9、系统元器件各不相同,但概括起来一般都应包括以下几个基本环节第一章第一章 自动控制系统的基本概念自动控制系统的基本概念控制系统结构框图该图经常作为描述分析系统的工具应重点掌握。第一章第一章 自动控制系统的基本概念自动控制系统的基本概念下面根据控制系统方块图，具体详细介绍每一个控制系统的环节：1.给定环节:设定被控量的给定装置,其精度直接影响对控制量的控制精度。如电为期,自整角机等模拟信号,还有精度更高的数字给定装置。2.比较环节:将检测到的被控量与给定量比较得到偏差信号,该信号功率较小或物理性能比较时不同,不能直接作用执行机构,需要增加中间环节3,4。3校正环节:是为改善系统动态品质或稳态性能而

10、加入的装置,他可以对偏差信号按照某种规律进行运算。比例,积分,微分,等。4.放大环节:将偏差信号转换成适合于执行器工作的信号(功效,SCR)注意:2,3,4合为一体控制器(装置)5.执行机构:直接作用于控制对象调节机构,传动装置,电机6.控制对象:要控制的机器,设备,或生产过程7.检测装置:测量控制量并转换成与给定量同物理量信号。要求精度高,反映灵敏,性能稳定，传感器一般为测速发电机,热电偶,自整角机等。第一章第一章 自动控制系统的基本概念自动控制系统的基本概念1.2.3 开环控制系统与闭环控制系统开环控制系统与闭环控制系统为完成控制系统的分析和设计，首先必须对控制对象、控制系统结构有个明确的

11、了解。自动控制系统的性能和行为，在很大程度上取决于控制器所接受的信息。这些信息有两种可能的来源：一时来自系统内部，即由系统输入端输入的参考输入信号；另一种来自被控对象的输出端，即反映被控对象的行为或状态信息。把从被控对象输出端获取的信息，通过中间环节再送回到控制器的输入端，称为反馈。故系统的基本结构，也就按是否有无反馈而分成两大类：开环控制系统和闭环控制系统。第一章第一章 自动控制系统的基本概念自动控制系统的基本概念一、开环控制系统如果控制系统的输出量对系统没有控制作用,这种系统被称为开环控制系统，如图所示：开环控制系统结构框图开环控制系统是一种最简单的控制方式，在控制器和控制对象间只有正向控

12、制作用，系统的输出量不会对控制器产生任何影响。在该系统中，对于每一个输入量，就有一个与之对应的工作状态和输出量，系统的精度仅取决于元器件的精度和特性调整的精度。第一章第一章 自动控制系统的基本概念自动控制系统的基本概念开环控制系统的特点如下： (1)系统输出量不参与控制; (2)系统结构徒步形成闭合回路; (3)系统结构简单,不需监测被调量,输入输出一一对应; (4)控制精度取决于各组成环节的精度; (5)最实用与传递关系一直对数出精读无要求,且不含扰动的场合;如系统起制动过程。自动售货机,洗衣机,数控机床,红绿灯转换系统中。(6)系统有扰动时只能靠人工操作,时输出达到期望值.例:直流电动机速

13、度控制系统.第一章第一章 自动控制系统的基本概念自动控制系统的基本概念有一种特殊的开环控制，称为前馈控制，原理图如图所示，即当系统受到的扰动信号可以测量时,可根据扰动信号的大小对控制作用作相应补偿,以提高系统精度。前馈控制原理图前馈控制仍属于一种开环控制,一旦参数搭配关系破坏(或不匹配),输入就不能准确补偿扰动的干扰作用。因此,一般不单独使用。第一章第一章 自动控制系统的基本概念自动控制系统的基本概念二、闭环控制系统如果在控制器和被控对象之间，不仅存在正向作用，而且存在着反向的作用，即系统的输出量对控制量具有直接的影响，那么这类控制称为闭环控制。闭环控制系统结构框图第一章第一章 自动控制系统的

14、基本概念自动控制系统的基本概念闭环控制系统的特点如下:(1)系统输出参与控制(2)系统结构图构成闭合回路(3)是一种依偏差进行控制的系统,只需偏差存在,就有控制作用,其结果试图使偏差减小。 (4)对系统内部除反馈通道和给定通道外的一切扰动都有抑制作用。(5)引起振荡。 第一章第一章 自动控制系统的基本概念自动控制系统的基本概念1.3 对对(反馈反馈,闭环闭环)控制系统的基本要求控制系统的基本要求1.3.1 基本概念基本概念1. 系统的状态行为:是指输出量受输入量的影响所表现出来的不同状态。具体的讲是指当扰动量或给定量或给定量的变化规律发生变化时,输出量偏离输入量,其产生的偏差经反馈作用,使系统

15、经历一个短暂的过渡过程,又将趋于原来给定量或按照新的给定量稳定下来。即系统经历了由原来平衡状态过渡到新的平衡状态的过程,这里,我们把控制量(输出)处于相对稳定的状态称为静态或稳定,而把控制量处于变化状态的过程称为动态或暂态,瞬态。第一章第一章 自动控制系统的基本概念自动控制系统的基本概念2.数学解释:对于MIMO系统可以用微分方程描述,而微分方程(线性)的稳态解(特解)正是描述了系统的稳态;而其暂态解正式对应了系统的暂态过程。3.稳态性能:描述了系统稳态势的稳定程度,用稳态误差表示,踏实指系统达到稳态势输出量的实际值与期望值(给定值)之间的误差。奇值为零称为无差系统。他能够表示出系统稳态时的控

16、制精度。4.暂态性能:描述系统从一个稳态到达另一个稳态期间所表现的能力,主要指标有:上升时间,超调量,过渡过程时间,振荡次数等。第一章第一章 自动控制系统的基本概念自动控制系统的基本概念由于实际系统中,各元器件都存在着不同程度的滞后,是系统受干扰后呈现的过渡过程不可避免,情况各异，如图所示:各类系统状态图第一章第一章 自动控制系统的基本概念自动控制系统的基本概念1.3.2 对控制系统的基本要求对控制系统的基本要求为了实现自动控制，必须对控制系统提出一定的要求。对于一个闭环控制系统而言，当输入量和扰动量均不变时，系统输出量也恒定不变，这种状态称为平衡状态或静态、稳态。显然，系统在稳态时的输出量是

17、我们关心的，当输入量或扰动量发生变化，反馈量将与输入量之间产生新的偏差，通过控制器的作用，从而使输出量最终稳定，即达到一个新的平衡。但由于系统中各环节总存在惯性，系统从一个平衡点到另一个平衡点无法瞬间完成，即存在一个过渡过程，称为动态过程或暂态过程。第一章第一章 自动控制系统的基本概念自动控制系统的基本概念过渡过程的形式不仅与系统的结构和参数有关，也与参考输入和外加扰动有关。一般有单调过程、衰减震荡过程、等幅振荡过程等形式；此外，我们关心系统会否稳定，如果会稳定，系统到达新的平衡状态需要多少时间。 通过上面的分析可知, 对于一个自动控制系统, 需要从如下三方面进行分析:（1）稳定性稳定性是指当

18、系统受到干扰后,经过一段时间仍能恢复到原状或新的平衡状态。（2）准确性准确性是指系统输出量跟随给定量(输入量)的精度给定恒值系统:扰动误差；随动输入变化系统:给定误差。从动静两态品质衡量。有时在满足系统暂态品质与稳态精度之间存在矛盾,在实际应用中还需二者兼顾。第一章第一章 自动控制系统的基本概念自动控制系统的基本概念（3）快速性快速性是指当系统受到干扰后能迅速做出相应恢复原状或达到新的平衡态。控制系统不仅要稳定并且有较高的精度，而且还要求系统的响应具有一定的快速性，对于某些系统来说，这是一个十分重要的性能指标。有关系统响应速度定量的性能指标，一般可以用上升时间调整时间和峰值时间来表示。第一章第

19、一章 自动控制系统的基本概念自动控制系统的基本概念1.3.3 自动控制系统的类型自动控制系统的类型对各种各样控制系统进行分类，从不同的观点出发可以有不同的分类方法：通常按下列方法进行划分。（1）单变量与多变量控制系统从输入/输出变量的个数来看系统可分为这两种。在单变量控制系统如图,可以进行单回路或多回路控制,还可以进行串级控制。它是经典控制论研究的对象。单变量控制系统框图第一章第一章 自动控制系统的基本概念自动控制系统的基本概念在多变量控制系统如图,控制回路之间有耦合关系,当耦合关系较弱时,常常简化成单变量系统。多变量控制系统框图第一章第一章 自动控制系统的基本概念自动控制系统的基本概念（2）

20、线性控制系统和非线性控制系统若控制系统的所有环节或元件的状态(特性)都可用线性微分方程(差分方程)来描述，则称这种系统为线性控制系统。这种系统的输入与输出间的关系，一般用微分方程,传递函数来描述，也可以用状态空间表达式来表示。线性系统的主要特点是具有齐次性和适用叠加原理。如果线性系统中的参数不随时间而变化，则称为线性定常系统；反之，则称为线性时变系统。本书主要讨论线性定常系统。第一章第一章 自动控制系统的基本概念自动控制系统的基本概念现介绍线性系统的判断方法，对于公式：其中X（t） 为输入量, y（t） 为输出量。若方程中,输入/出量及各阶导数均为一次幂,且个系数均与输入量(自变量)无关。就可定义为线性系统,用拉氏变换可求出输入输出关系函数(传递函数,动态数模)。10111011( )( )(