自动控制原理(11J-2)

1、11.3 1.3 自动控制系统的类型自动控制系统的类型 * 可以从不同的角度分类一.一.按系统的元件、部件类型划分按系统的元件、部件类型划分 电气控制系统、机械控制系统、液压控制系统、生物 控制系统、经济控制系统等。二.二.按系统的输入输出关系划分按系统的输入输出关系划分 SISO控制系统 MIMO控制系统2三三. . 按参考输入信号类型划分（按参考输入信号类型划分（重要分类重要分类）1. 1. 恒值控制系统恒值控制系统 ( (恒值调节系统、过程控制系统恒值调节系统、过程控制系统) ) 特征：特征：输入量为恒值（不同幅度的阶跃信号）。 任务：任务：使系统输出保持在给定值(期望值)上。 如工业过

2、程中恒温控制、恒压控制、恒速控制等。 2. 2. 随动控制系统随动控制系统 ( (跟踪系统跟踪系统) ) 特征：特征：输入量是一个事先无法确定的任意变化量（随 机信号）。 任务：任务：使系统输出能迅速平稳地跟踪输入信号的变化。 如雷达天线的自动跟踪系统、高炮自动描准系统 就是典型的随动系统。 四四. 按系统的数学模型性质及分析方法划分按系统的数学模型性质及分析方法划分 （1）线性系统和非线性系统 （2）时变系统和时不变（定常）系统 （3）连续连续时间系统和离散离散时间系统 本课程主要讨论线性、时不变、本课程主要讨论线性、时不变、SISO控制系统，以控制系统，以 连续时间系统为主。连续时间系统为

3、主。3.3.程序（顺序）控制系统程序（顺序）控制系统 特征：特征：输入信号是事先确定的程序信号（时序开关信号）。 根据事先确定的运动程序（顺序）要求，编制程序。 任务：任务：使系统输出按照固定程序（顺序）变化。 如数控机床、自动封装线等属于此类系统。 4五五. . 按控制系统的实现方式上划分按控制系统的实现方式上划分 (1) 常规控制系统 控制器用各种电路实现 (2) 计算机控制系统 控制器用计算机（或微处理器）实现 5 5 1.4 1.4 对控制系统性能的基本要求对控制系统性能的基本要求控制器执行机构被控对象传感器给定环节r(t)e(t)b(t)_c(t)u1(t)u2(t)理想控制系统理想

4、控制系统: c(t) = r(t): c(t) = r(t) 输出变化（被控量）是对输入变化（给定量）的理想跟踪.实际系统实际系统: （惯性系统）作不到理想跟踪。有响应过程，有控制偏差调节过程, 表现出不同的动态性能。而且还可能存在扰动作用。 因此，需要通过研究控制系统的完全响应过程，才能建立控制系统的性能指标。 系统未加入激励（输入信号）时，系统处于系统未加入激励（输入信号）时，系统处于静态。静态。当系统当系统加入激励（输入信号）后，系统就开始了响应过程加入激励（输入信号）后，系统就开始了响应过程 动态动态过程过程。 动态过程可以分为动态过程可以分为暂态过程暂态过程和和稳态过程。稳态过程。

5、稳态过程稳态过程 暂态过程之后，系统进入稳态过程。稳暂态过程之后，系统进入稳态过程。稳态下，系统的响应波形与输入波形相同。（但可能存在不同态下，系统的响应波形与输入波形相同。（但可能存在不同程度的幅度误差）程度的幅度误差） 暂态过程暂态过程 系统输出从一个平衡状态变化到另一个平衡系统输出从一个平衡状态变化到另一个平衡状态要经历一个过渡过程，称其为暂态过程。状态要经历一个过渡过程，称其为暂态过程。 当系统输入变化时当系统输入变化时, ,首先产生偏差首先产生偏差, , 经过控制器及反馈经过控制器及反馈调节作用（暂态过程）调节作用（暂态过程）, ,最终系统输出进入新的平衡状态。最终系统输出进入新的平

6、衡状态。 控制系统的响应过程控制系统的响应过程7 对控制系统性能的要求可归结为三个方面：对控制系统性能的要求可归结为三个方面：1 1、稳定性好、稳定性好 两层含义：两层含义：不会发生自激振荡、有足够的稳定裕量。不会发生自激振荡、有足够的稳定裕量。 稳定性是系统的固有特性（取决于系统本身的结构及参数，稳定性是系统的固有特性（取决于系统本身的结构及参数，与系统输入无关）。与系统输入无关）。 控制系统必须是稳定的，否则系统不能正常运行，甚至造控制系统必须是稳定的，否则系统不能正常运行，甚至造成系统损坏和事故。成系统损坏和事故。 稳定性是自动控制系统的最基本要求。稳定性是自动控制系统的最基本要求。8

7、系统受外作用力后系统受外作用力后,其动态过程的振其动态过程的振荡倾向和系统恢复平衡的能力。荡倾向和系统恢复平衡的能力。稳定性：稳定性： 如果系统受外作用力经过一段时间如果系统受外作用力经过一段时间，其被控量达到某一稳定状态，则系统，其被控量达到某一稳定状态，则系统是稳定的。是稳定的。否则为不稳定的。否则为不稳定的。稳定系统的动态过程稳定系统的动态过程r(t)t0c(t)1r(t)c(t)不稳定系统的动态过程不稳定系统的动态过程(a) 给定信号作用给定信号作用c(t)(b) 扰动信号作用扰动信号作用d(t)t0c(t)r(t)t0c(t)r(t)c(t)d(t) 不稳定的系统是无法正常工作的不稳

8、定的系统是无法正常工作的 92、 快速性好（暂态特性）快速性好（暂态特性） 快速性是指暂态响应（过渡过程）的时间长短。快速性是指暂态响应（过渡过程）的时间长短。 r(t)t0c(t)r(t)c1(t)c2(t) 快速性反映系统输出对输入响应的快慢程度。快速性反映系统输出对输入响应的快慢程度。103 3 准确性高准确性高（稳态特性）（稳态特性） 准确性是系统在稳态下被控量和给定量之间的偏差程度。准确性是系统在稳态下被控量和给定量之间的偏差程度。稳态误差越小，准确性越高。理想系统的稳态误差为零。稳态误差越小，准确性越高。理想系统的稳态误差为零。由输入给定值与输出响应的终值之间的差值由输入给定值与输

9、出响应的终值之间的差值e essss大小表征。大小表征。r(t)t0c(t)r(t)c(t)ess11 有差系统（图有差系统（图a） 若稳态误差不为零，则系统称为有差系统若稳态误差不为零，则系统称为有差系统 无差系统（图无差系统（图b） 若稳态误差为零，则系统称为无差系统。若稳态误差为零，则系统称为无差系统。12 稳定性稳定性、快速性快速性和和准确性准确性往往是互相制约往往是互相制约的。在设计与调试的过程中的。在设计与调试的过程中, ,若过分强调某方面若过分强调某方面的性能的性能, ,则可能会使其他方面的性能受到影响。则可能会使其他方面的性能受到影响。 根据工作任务的不同根据工作任务的不同,

10、,分析和设计自动控制系分析和设计自动控制系统，使其对三方面的性能有所侧重统，使其对三方面的性能有所侧重 ，并兼顾其它。，并兼顾其它。 关于控制系统性能指标的具体定义和计算方关于控制系统性能指标的具体定义和计算方法将在后面相关章节专门讨论。法将在后面相关章节专门讨论。131.5 1.5 自动控制理论发展简介自动控制理论发展简介 自动控制理论源于早期人们对负反馈的应用和研究. 1788年瓦特运用反馈原理设计了蒸汽机用的离心式飞锤调 节器. 1868年Maxwell发表了”论调速器”论文. 1948年N.winer出版著作, 奠定了控制论基础. Cybernetics or Control and

11、Communication in the Animal and Machine 1954年钱学森出版工程控制论奠定了工程控制论基础, 发展了控制科学与工程。14控制理论发展的三个阶段控制理论发展的三个阶段: : 一一. . 经典控制论发展阶段经典控制论发展阶段 针对针对SISOSISO系统的分析和设计问题系统的分析和设计问题. . 三大分析方法三大分析方法: : 时域分析法、根轨迹分析法、频域分析法时域分析法、根轨迹分析法、频域分析法. . 15二二. . 现代控制理论发展阶段（现代控制理论发展阶段（6060年代以来）年代以来） 主要针对多变量（多输入多输出）问题产生了以状态空间法状态空间法为

12、核心的现代控制理论。 随着自动化理论及技术的发展，提出了最优控制、鲁棒控制、自适应控制等。16三三. 智能控制理论发展阶段智能控制理论发展阶段 针对大系统、复杂系统的柔性和更高的自主性要求,模拟人脑的思维, 产生了专家控制、模糊控制、神经网络控制等智能控制。17自动控制系统举例自动控制系统举例: 例例1 1 火炮跟踪系统火炮跟踪系统 输入量: r 输出量: o 平衡状态: o = r 放放大大ffffffU UO O U UI IE E+ +_ _ _+ +同同位位仪仪18同位仪(比较)放大电机角度反馈炮架 r o bu1u2n火炮跟踪系统方块图(ur)(ub)19 ug kudnub按偏差调

13、节的负反馈过程：按偏差调节的负反馈过程：nub( ug-ub)ud n 例例2：直流电动机恒速（稳速）控制：直流电动机恒速（稳速）控制控制量：控制量：ud = K (ug-ub)被控量：电机转速被控量：电机转速 n n偏差信号：偏差信号：e = ug-ub要求：负载变化时，电机转速保持恒定（设定值）。要求：负载变化时，电机转速保持恒定（设定值）。分析：开环工作状态、分析：开环工作状态、 闭环工作状态闭环工作状态20控制器比例放大器执行机构直流电机被控对象机械负载传感器测速电机给定环节电位器r(t)e(t)b(t)_c(t)u1(t)u2(t)方框图方框图 （Block diagram）21例例

14、3 造纸机压榨辊同步传动控制系统造纸机压榨辊同步传动控制系统工作原理工作原理? 系统方框图系统方框图? (Block diagram)（示意图，（示意图，Pictorial diagram）22 如图所示。含有大量水分的纸张经过第一压榨棍后，去掉了一部分含水量，然后再进入第二压榨棍，再榨去一部分水分。第一和第二压榨棍分别由各自的电动机拖动，两个压榨棍的转速必须协调两个压榨棍的转速必须协调，否则将会拉断纸页或出现叠堆。 测速发电机TG检测系统中压榨棍电动机M2的转速，并转换为速度反馈电压Uf 。反馈电压Uf与参考电压Ur相比较得偏差电压e=Ur-Uf ，经过放大去控制拖动电机M2的转速，达到两个压榨棍的转速协调。 该系统为随动控制系统。23控制器（放大器)执行机构M2