对控制的基本认识

对控制的基本认识第一页，共二十页，2022年，8月28日3.1控制的主要目的自动控制作为技术改造和技术发展的重要手段,在工业、农业、国防、航天、制导、核能乃至日常生活和社会科学领域中都起着十分重要的作用。所谓自动控制，是指在无人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置，使设备或生产过程自动地按照预定的要求运行。第二页，共二十页，2022年，8月28日为了某种目的，把控制器、被控对象等部件有机联结成一个自动控制的整体，即成为一个完整的自动控制系统，如图3.1-1所示。图3.1-1一种自动控制系统的方框图如果用y(t)表示被控量，用f

(t)表示给定量，则自动控制的主要目的便是使：

y(t)≈f(t)（3.1-1）式（3.1-1）就是自动控制任务的数学表达式。第三页，共二十页，2022年，8月28日3.2控制的基本方式要完成自动控制的任务，使y(t)≈f(t)，在很大程度上取决于：使系统控制器产生控制作用的信息，系统的给定量、扰动量与被控量就是携带这种信息的三个基本信号。由这三个基本信号，可以产生三种基本的控制方式——按给定量控制、按干扰补偿与按偏差调节。第四页，共二十页，2022年，8月28日其中，被控量来源于被控对象的输出端，携带着被控对象的行为或状态信息。我们把从被控对象输出端获得的信息，通过中间环节（反馈环节）再送回到控制器输入端的过程，称为反馈；把传送反馈信息的载体，称为反馈信号。是否采用反馈，对控制系统的性能影响很大。因此，系统的基本控制方式可以按照有无反馈分为开环控制和闭环控制两大类。在前述三种基本控制方式中，按给定量控制与按干扰补偿属于开环控制，按偏差调节则属于闭环控制。第五页，共二十页，2022年，8月28日3.2.1

开环控制

如果系统的控制装置与被控对象之间只有正向控制作用而没有反向联系，则称这种控制方式为开环控制，按这种方式组成的系统称为开环控制系统1）按给定量控制的开环控制系统这种控制系统的结构比较简单，控制作用直接由系统的输入量产生，对应于每一个给定值，其被控量便有一个对应的固定工作状态；系统的控制精度完全取决于所用元件及校准的精度，当干扰存在时，系统无法自动补偿，因此控制精度难于保证。所以这种系统只适合于输入与输出关系确定，且不存在干扰（或干扰很弱）的场合。工业生产中的自动化流水作业线、装配线就是这类开环控制系统。第六页，共二十页，2022年，8月28日图3.2-1是一个开环直流调速系统：a.

原理图，b.

功能方框图。

a.系统原理图b.系统功能方框图图3.2-1

开环直流调速系统

图3.2-1中的Ug为给定参考输入，它通过触发器控制晶闸管的整流，产生直流电动机的供电电压Ud

，使电机产生期望的转速n。但是此系统中，只要电动机负载、电网电压或激磁电流稍有变化，电动机的转速n便会受到干扰、产生变化，不能维持Ug所对应的期望转速n，不能实现期望转速n的高精度控制。第七页，共二十页，2022年，8月28日2）按干扰补偿的开环控制系统可以考虑一种补偿措施：将干扰信息引入控制器的输入端，通过控制器的控制来抵消扰动对被控对象的影响。a.系统原理图

b.系统功能方框图图3.2-2按干扰补偿的开环直流调速系统

按干扰补偿的方式直接从系统的主要干扰取得扰动信息，由此改变系统的被控量，提高了系统的抗扰性与控制精度。这种按干扰补偿的开环控制方式只适用于扰动能测量的场合，而且一个补偿装置只能补偿一种干扰，一般不能对其余扰动均产生补偿作用。对于多种扰动、多种因素引起的输出量变化，采用逐一补偿的办法是不可能的，得不偿失的。按干扰补偿的开环控制方式虽然能够有效提高系统的抗扰性、提高系统的控制精度，但是仍然不能实现系统被控量的高精度控制。第八页，共二十页，2022年，8月28日3.2.2

闭环控制

如果系统的控制装置与被控对象之间不仅有正向控制作用，而且有输出量对控制装置的反向控制过程，则称这种控制方式为闭环控制，闭环控制系统如图3.2-3所示。图3.2-3闭环控制系统第九页，共二十页，2022年，8月28日1）负反馈控制与正反馈控制若闭环控制系统的反馈信号与输入信号相减，则称为负反馈；反之，若反馈信号与输入信号相加，则称为正反馈。由于正反馈容易产生自激、容易破坏系统的稳定性，这使得正反馈的应用受到一定的限制，一般只能用于系统的局部（内部）反馈。一个稳定系统的主要（外部）反馈，必须是负反馈。图3.2-4是一个实际的闭环负反馈控制系统，a.是系统的原理图，b.是系统的功能方框图。第十页，共二十页，2022年，8月28日若将图3.2-4中测得的输出反馈到输入端与参考输入相加，则成为具有正反馈的控制系统，正反馈将使电机负载增大产生的转速误差越来越大，使系统无法稳定工作。因此在自动控制系统的研究中，正反馈是不能作为主反馈使用的。a.系统的原理图

b.系统的功能方框图图3.2-4一个实际的闭环调速系统第十一页，共二十页，2022年，8月28日2）三种典型的负反馈控制系统（1）恒值控制系统(或称自动调节系统)

恒值控制系统的特点是输入量恒定，所谓恒值控制，就是在输入量恒定的情况下，系统自动实现对干扰的镇定控制，尽量使输出量保持在希望值上。（2）随动控制系统(或称伺服系统)

随动控制系统的特点是输入信号随机变化，是时间的未知函数，其变化规律不能事先确定，所谓随动控制，就是在输入随机变化的情况下，系统的输出量能够准确、快速地跟踪输入信号的变化，随时复现给定量。（3）温度控制系统温度控制系统的特点是输入量可按需要改变，所谓温度控制，就是在输入量可以改变的情况下，系统不仅能使输出量准确、快速地跟踪指令的变化，而且具有抗干扰性能，实现温度的高准确度控制。第十二页，共二十页，2022年，8月28日图3.2-5船舶驾驶舵角位置跟踪系统图3.2-5系统的被控对象是船舵，被控量(输出量)是船舵的角位置θo

，给定量(输入量)是操纵杆角位置θi

。系统的任务便是实现船舶舵的角位置θo对操纵杆的角位置θi的跟踪。理想跟踪情况下，θo=θi

，由两个环形电位计所组成的桥式电路处于平衡状态，输出电压Ue

=

0

，电动机M不转，系统相对静止。如果操纵杆的角位置θi改变了，而船舵仍处于原位，则电位计桥路的输出Ue

≠0,Ue经电压放大器放大后，使电动机转动，并通过减速器、船舵和反馈电位计的滑臂一起作跟随给定值θi的运动，当θo

=θi时，系统达到新的平衡状态，电动机停转，从而实现了船舶舵角位置对操纵杆角位置的跟踪。第十三页，共二十页，2022年，8月28日图3.2-6热处理炉是温度控制系统的实际例子。图3.2-6热处理炉温度控制系统图3.2-6中，被控对象是热处理炉，被控量(输出量)是热处理炉的炉温Ty，给定量(输入量)是炉温给定电位器的位置Tf

所对应的Uf

值，热处理工件的取换、环境温度的改变、煤气压力的变化等都是系统的干扰，热电偶是温度测量元件，运算放大器进行比较计算，电动机、阀门等是执行装置

。当给定量因系统任务的改变而调整时，炉温给定电位器的位置Tf所对应的Uf

值会改变，使⊿u≠0、电动机转动阀门改变煤气的供流量，使热处理炉的炉温Ty

变化，直到Ty

≈

Tf

时⊿u

≈0，系统将处于新的稳定状态，这是温度控制系统对指令的跟踪控制过程。当取换工件或环境温度改变或煤气压力发生变化时，炉温Ty

也会发生变化，由热电偶所产生的u值会使⊿u≠0，使电动机转动阀门，改变煤气的供给流量，使热处理炉的炉温Ty

变化，直到Ty

≈

Tf

时⊿u

≈0，系统也将处于新的稳定状态，这是温度控制系统对干扰的镇定控制过程。第十四页，共二十页，2022年，8月28日需要指出，温度控制系统一般具有较大的惯性，有时为了实现温度的高准确度控制，完全可以通过牺牲一部分快速性指标来达到高准确度控制的目的。还有一类系统，输入信号是一个随时间变化的已知函数，系统的控制过程始终按照预定的程序进行，我们称之为程序控制系统。这类系统要求被控量能够迅速、准确地复现给定量，例如数字程序控制机床、发电厂中蒸汽轮机的温度控制等都属于这种系统。第十五页，共二十页，2022年，8月28日3.3

控制的基本要求3.3.1

典型输入信号与典型初始状态1）典型输入信号在工程实践中，实际系统的控制信号是多种多样的，既有确定性的，又有随机性的。为了便于系统的分析与设计工作，通常选用几种有代表性的典型外作用作为输入信号。常用的典型外作用信号有：阶跃信号、斜坡信号、δ(t)信号与正弦信号。这些信号都能够在工程实践中近似模拟得到。其中，阶跃信号在0时刻具有从无到有的变化，难以复现；而且阶跃信号作用的时间长，便于人们观察，因此常常通过阶跃信号作用下的系统阶跃响应来评价系统控制性能的好坏，来定义系统的时域性能指标。第十六页，共二十页，2022年，8月28日2）典型初始状态考虑系统的响应不仅受输入信号的控制，而且与系统的初始状态有关，容易使系统的分析复杂化，为了便于系统的分析与设计工作，需要对系统的初始状态提出典型要求，故规定系统的典型初始状态为零初始状态，即：

3.3.2

控制的基本要求系统控制的主要问题是控制精度问题，控制的基本要求就是对控制精度的要求。稳定是系统工作的首要前提。一个不稳定的系统，不仅不能正常工作，而且可能使被控对象等设备遭到破坏，最终导致整个系统瘫痪。只有在系统稳定工作的首要前提下，讨论控制系统的控制精度才具有实际意义。控制系统的控制精度包括动态精度与稳态精度两个方面。控制系统的动态精度指的是系统动态响应的平稳性与快速性。控制系统的稳态精度指的是系统稳态响应的稳态精度或稳态误差，即系统控制的准确度。第十七页，共二十页，2022年，8月28日控制系统的控制精度可以概括为稳、快、准三个字。

1）线性系统的稳定性线性系统的稳定性是指扰动作用后，系统能否恢复受扰前平衡状态的特性。如果扰动消失后，系统能够回到原来的平衡状态，这样的系统就是稳定的系统，如图3.3-1a.与图2.2-1c.所示；如果扰动消失后，系统不能回到原来的平衡状态，这样的系统就是不稳定的系统，如图3.3-1b.与图2.2-1b.所示。a.稳定的线性系统

b.不稳定的线性系统图3.3-1线性系统的扰动过程第十八页，共二十页，2022年，8月28日线性系统的稳定性是由系统本身的结构与参数决定的，与初始状态和外界因素无关。

2）

控制系统的动态精度

实际工程中的控制系统总是存在惯性，如电动机的电磁惯性，机械惯性等等，而实际系统的能源功率总是有限的，当系统扰动量或给定量发生变化时，系统的被控量是不能跳变的，它需要一个过渡过程，即动态过程，动态过程包括系统对指令的跟踪与对干扰的镇定。

（1）平稳性平稳性是对系统动态过程中被控量围绕给定量摆动或振荡情况的一种评价。一个稳定系统的这种振荡应该是逐渐衰减的，振荡的幅度和频率也不能太大。系统平稳性的好坏不仅影响设备的使用寿命，而且影响系统响应的快速性。因此工程上对控制系统都有相应动态性能指标的要求，通常用超调量、调整时间、振荡次数等指标来表示。第十九页，共二十页，2022年，8月28日（2）快速性一般来说，为了提高生产效率，系统应有足够的快速性，但是如果过渡时间太短，系统的冲击会很大，容易损坏设备