自动化专业概论第二讲自动控制系统专题

1、第二讲第二讲 自动控制系统专题自动控制系统专题 黄从智黄从智自动化专业概论自动化专业概论自动控制系统专题 自动控制系统组成 自动控制系统分类 自动控制系统性能要求自动控制系统组成 自动控制自动控制(Automatic Control)：在没：在没有人直接参与的情况下，利用外加的设有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置，使机器、设备或生产过程的备或装置，使机器、设备或生产过程的某个工作状态或参数自动按照预定的规某个工作状态或参数自动按照预定的规律运行。律运行。 锅炉汽包液位控制系统中，控制任务锅炉汽包液位控制系统中，控制任务是以一定的精度保持汽包中液位为某一是以一定的精度保持汽包中液位为某一

2、期望的数值。期望的数值。锅炉汽包液位控制系统锅炉汽包液位控制系统人工控制人工控制： 眼观测液位的高低变化。眼观测液位的高低变化。 脑将汽包水位的实际值与期脑将汽包水位的实际值与期望值比较，判断是否偏离望值比较，判断是否偏离。 脑根据操作经验指挥手去调节脑根据操作经验指挥手去调节给水调节阀门开度以控制液位。给水调节阀门开度以控制液位。自动控制：自动控制： 测量变送器测量变送器 控制器控制器 执行机构执行机构自动控制系统组成 比较环节比较环节 系统所要控制的设备或过程，其输出就是被控量。被控量系统所要控制的设备或过程，其输出就是被控量。被控量就是表征设备或生产过程运行情况或状态并需要加以控制的物理

3、量。就是表征设备或生产过程运行情况或状态并需要加以控制的物理量。根据偏差，按控制规律根据偏差，按控制规律运算产生控制信号运算产生控制信号控制信号控制信号u u偏差偏差e给定值给定值SP被控量被控量PV扰动扰动n检测被控量的装置。检测被控量的装置。接收控制信号具体实现接收控制信号具体实现对被控对象的操作。对被控对象的操作。除输入信号外引起被控量偏除输入信号外引起被控量偏离给定值的所有因素。离给定值的所有因素。导弹与控制自动控制系统组成自动控制系统组成 （1）传感器传感器(Sensor) 实现对信号的检测并将被测的物理量变实现对信号的检测并将被测的物理量变换为另一个物理量换为另一个物理量 (通常是

4、电量通常是电量) ，如热电阻、热电偶。，如热电阻、热电偶。（2）变送器（）变送器（Transducer） 与传感器配套，使输出成为标准与传感器配套，使输出成为标准信号。如常见的标准信号为信号。如常见的标准信号为420mA。 （3）控制器（）控制器（Controller） 它接受来自被控对象的测量值和给它接受来自被控对象的测量值和给定值或它们的误差，并根据一定的控制（调节）规律产生输出定值或它们的误差，并根据一定的控制（调节）规律产生输出信号以推动执行器。信号以推动执行器。（4）执行器）执行器(Actuator) 接受控制器的控制指令并对被控对象施接受控制器的控制指令并对被控对象施加控制作用。加

5、控制作用。自动控制系统分类 按给定信号的形式：定值/程序/随动控制系统 按系统参数是否随时间变化：定常/时变控制系统 按信号传递的形式：连续/离散控制系统 按系统是否满足叠加原理：线性/非线性控制系统 按输入输出变量的数目：单变量/多变量控制系统 按是否形成闭合回路：开环/闭环控制系统一、按是否形成闭合回路一、按是否形成闭合回路1、开环控制系统（、开环控制系统（Open Loop） 当对被控系统的输出要求不高或其输出不容易测量时，控制器直接根据期望信号产生控制信号。执行器执行器被控被控对象对象期望输出实际输出控制器控制器开环控制：开环控制：信息单向流动，无反馈，控制信息单向流动，无反馈，控制信

6、号流程没有形成回路。信号流程没有形成回路。开环实例开环实例1 1：游泳池注水：游泳池注水 一般情况下，一池水需要很长的时间才能灌满，如果由人工控制整个注水过程，很费时间 。 如果进水管的进水量是均匀的，游泳池中的水位高度与进水的时间是一一对应的，可在注水口处装一个定时器，通过定时器来控制注水过程（时间）。设定注设定注入时间入时间定时器游泳池的水位（输入）（输入）（输出）（输出）进水阀游泳池 流水量流水量开环实例开环实例2：自行车的速度控制：自行车的速度控制脚踩的力脚蹬曲柄链轮中轴链条飞轮行驶的速度（输入）（输出）一定范围内输入的力与输出的速度是成正比的。一定范围内输入的力与输出的速度是成正比的

7、。开环实例开环实例3 3：电风扇的风速控制：电风扇的风速控制（执行器）（执行器）风扇叶片风扇叶片（被控对象）（被控对象）电扇档位电扇档位控制电压控制电压电电 机机开环控制特点：控制系统的输出量不对系开环控制特点：控制系统的输出量不对系统的控制产生任何影响。统的控制产生任何影响。一、按是否形成闭合回路一、按是否形成闭合回路2、闭环控制系统（、闭环控制系统（Closed Loop）闭环控制：闭环控制：信息双向流动，有反馈，控制信息双向流动，有反馈，控制信号流程形成回路。信号流程形成回路。控制器设定温度室内温度温度测量仪表空调压缩机闭环实例闭环实例1：空调控制系统：空调控制系统闭环例闭环例2：汽车方

8、向控制系统：汽车方向控制系统控制器驾车人汽车预期方向实际方向视觉测量偏差方向盘闭环例闭环例2：汽车方向控制系统：汽车方向控制系统控制器驾车人汽车预期速度实际速度实际速度视觉测量偏差油门刹车闭环例闭环例3：汽车速度控制系统：汽车速度控制系统闭环控制特点：控制系统的输出量影响系闭环控制特点：控制系统的输出量影响系统的控制。统的控制。反馈的多样性：正反馈、负反馈反馈的多样性：正反馈、负反馈例：已知铀例：已知铀235235原子核在一个中子的撞击下，原子核在一个中子的撞击下，可发生核裂变反应，放出大量的能量，同时可发生核裂变反应，放出大量的能量，同时释放大约释放大约2.52.5个中子，放出的中子有可能再

9、与个中子，放出的中子有可能再与铀铀235235原子核发生核反应，这就是所谓核裂变原子核发生核反应，这就是所谓核裂变的链式反应。的链式反应。235125Unn 核裂变废料+能量+ .核裂变核裂变反应式反应式初始中子实际中子数有效中子率有效中子率+有效中子数正反馈实例：核裂变正反馈实例：核裂变能量 反馈信息使系统实际输出与期望输出之间反馈信息使系统实际输出与期望输出之间的偏差逐渐增大。的偏差逐渐增大。控制器汽 包设定水位汽包水位汽包水位变送器偏差负反馈实例：汽包水位控制负反馈实例：汽包水位控制调节阀+反馈信息使系统实际输出与期望输出之间的反馈信息使系统实际输出与期望输出之间的偏差逐渐减少。偏差逐渐

10、减少。二、按输入信号形式二、按输入信号形式(1) 恒值控制系统（自动调节系统）恒值控制系统（自动调节系统） 给定信号是一个恒定的数值。给定信号是一个恒定的数值。任务是保持被控量恒定不变。生产过程中最常见的一种控制系统，如发电机电压控制、汽轮机转速控制、电网频率控制，恒温恒压恒液位等。(2) 程序控制系统程序控制系统 给定信号按事先预定的规律变化，是一个已知的给定信号按事先预定的规律变化，是一个已知的时间函数。时间函数。任务是要求被控量按确定的给定值的时间函数来改变。例如，在汽轮机自启动过程中，预先拟定转速的给定值随时间的变化规律，要求汽轮机的实际转速按这个规律变化。二、按输入信号形式二、按输入

11、信号形式(3)随动控制系统随动控制系统(伺服系统伺服系统Server-Mechanism) 给定信号随时间的变化规律事先不能确定。给定信号随时间的变化规律事先不能确定。任务是在各种情况下快速、准确地使被控量跟踪给定值的变化。如自动跟踪卫星的雷达天线控制系统、工业过程控制中的伺服控制系统等。战斧式巡航导弹三、按系统是否满足叠加原理三、按系统是否满足叠加原理 (1) 线性系统线性系统 Linear 系统中各组成部分或元件特性可用线性微分线性微分方程或线性差分方程方程或线性差分方程来描述时，则这类系统称为线性系统。线性系统的特点是满足叠加原理。 叠加原理叠加原理 Superposition Prin

12、ciple 当系统同时存在几个输入量时，系统的输出等于各输入量分别作用于系统所引起的输出量之和；当系统输入增加或减小时，系统的输出量也按相同的比例增加或减小。线性系统是满足叠加原理的系统系统 y=f(x)x1y1x2y2x=ax1+ bx2y=ay1+ by2系统 y=f(x)系统 y=f(x)思考：以下系统是线性系统吗？ykx2kxy 2120axaxay2201/d y dta dx dta x2012(/)/dy dta dx dta xa线性系统线性系统非线性系统非线性系统非线性系统非线性系统非线性系统非线性系统线性系统线性系统(2) 非线性系统非线性系统 Nonlinear 系统中有

13、一个或多个非线性环节时，则称此系统系统中有一个或多个非线性环节时，则称此系统为非线性系统。不满足叠加原理，用非线性微分方程为非线性系统。不满足叠加原理，用非线性微分方程来描述。典型的非线性特性有饱和特性、死区特性来描述。典型的非线性特性有饱和特性、死区特性、间隙特性、继电特性等。间隙特性、继电特性等。 输入输入 输出输出 输入输入 输出输出死区特性死区特性 Deadzone饱和特性饱和特性 Saturation四、按信号传递的形式四、按信号传递的形式 （1）连续控制系统）连续控制系统 Continuous 当系统中各处的信号都是以连续的模拟量传递时，称为连续系统。即系统中各元件的输入量和输出量

14、均为时间的连续函数。连续系统的运动规律可以用微分微分方程方程来描述。 （2）离散控制系统）离散控制系统 Discrete 离散控制系统中，某处或多处的信号是脉冲序列或数码形式时，称为离散系统。一般采用数字计算机控制的系统都是离散系统。离散系统的运动规律用差差分方程分方程来描述。 离散控制系统离散控制系统 连续控制系统连续控制系统 )() 1() 1()()() 1() 1()(110110krbkrbmkrbmkrbkcakcankcankcammnn )()()()()()()()(1111011110trbtrdtdbtrdtdbtrdtdbtcatcdtdatcdtdatcdtdammm

15、mmmnnnnnn （1）定常系统）定常系统 Constant/Time-invariant 如果系统中如果系统中参数不随时间变化参数不随时间变化，则这类系，则这类系统称为定常系统。在实践中遇到的系统，大多统称为定常系统。在实践中遇到的系统，大多数属于这一类。数属于这一类。 五、按系统参数是否随时间变化五、按系统参数是否随时间变化 （2）时变系统）时变系统 Time-variant 如果系统中的如果系统中的参数是时间参数是时间t的函数的函数，则这，则这类系统称为时变系统。类系统称为时变系统。 如果一个线性系统微分方程的如果一个线性系统微分方程的系数为常系数为常数数，那么系统称为，那么系统称为线

16、性定常系统线性定常系统。例如：。例如： )()()(2)(22tytxdttdxdttxd 如果一个线性系统微分方程的如果一个线性系统微分方程的系数为时间系数为时间的函数的函数，那么系统称为，那么系统称为线性时变系统线性时变系统。例如。例如:22( )( )2( )( )d x tdx ttx ty tdtdt思考：以下系统是定常系统吗？)()(taxty)()(2tkxty22/)()(dtxdtmty2201/d y dta dx dta x201(/)( )/( )dy dta t dx dta t x定常系统定常系统定常系统定常系统时变系统时变系统定常系统定常系统时变系统时变系统六、按

17、输入输出变量的数目六、按输入输出变量的数目 （1）单变量控制系统）单变量控制系统Single-Input Single-Output 只有一个输入量和一个输出量的控制系统称为只有一个输入量和一个输出量的控制系统称为单变量控制系统，也称单输入单变量控制系统，也称单输入-单输出控制系统单输出控制系统(SISO)。可用高阶微分方程或传递函数描述，也可。可用高阶微分方程或传递函数描述，也可用状态空间方法描述。用状态空间方法描述。 SISO( )r t( )y t六、按输入输出变量的数目六、按输入输出变量的数目 （2）多变量控制系统）多变量控制系统Multiple-Input Multiple-Outp

18、ut 有多个输入量或多个输出量的控制系统称为有多个输入量或多个输出量的控制系统称为多变量控制系统，也称多输入多变量控制系统，也称多输入-多输出控制系统多输出控制系统(MIMO)。一般采用状态空间方法描述。一般采用状态空间方法描述。MIMO1( )r t1( )y t2( )r t2( )y t静态系统与动态系统静态系统与动态系统 （1）静态系统）静态系统 Static System 系统当前时刻的输出仅由当前时刻的输入决定，系统当前时刻的输出仅由当前时刻的输入决定，而与过去时刻的输入无关。而与过去时刻的输入无关。 （2）动态系统）动态系统 Dynamic System 系统当前时刻的输出不仅取决于当前时刻的输系统当前时刻的输出不仅取决于当前时刻的输入，还受过去时刻的输入影响。入，还受过去时刻的输入影响。 ( ) ( )y kf x k( ) ( ), (1), ()y kg x kx kx kn思考：以下系统是静态系统还是动态系统呢？)()(taxty)()(2tkxty2012( )(