自動控制技術(shù)應(yīng)用

第一章自動控制系統(tǒng)概述2024/1/17第一節(jié)

引言——

自動控制的基本概念第二節(jié)開環(huán)控制和閉環(huán)控制第三節(jié)閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成和基本環(huán)節(jié)第四節(jié)自動控制系統(tǒng)的分類第五節(jié)自動控制系統(tǒng)的性能指標

在自動控制系統(tǒng)中，被控制的設(shè)備或過程稱為被控對象或?qū)ο螅槐豢刂频奈锢砹糠Q為被控量或輸出量；決定被控量的物理量稱為控制量或給定量；妨礙控制量對被控量進行正常控制的所有因素稱為擾動量。給定量和擾動量都是自動控制系統(tǒng)的輸入量。擾動量按其來源分內(nèi)部擾動和外部擾動。

自動控制就是在沒有人的直接參與的情況下，利用控制裝置(簡稱控制器）使被控對象（或生產(chǎn)過程等）的某一物理量（如溫度、壓力等）準確地按照預(yù)期的規(guī)律運行。第一節(jié)

自動控制的基本概念一、什么是自動控制二、自動控制系統(tǒng)的常用術(shù)語2、有害干擾信號（簡稱干擾信號）干擾信號是系統(tǒng)所不希望而又不可避免的外作用信號，它不但可以作用于系統(tǒng)的任何部位，而且可能不止一個。由于它會影響輸入信號對系統(tǒng)被控量的有效控制，嚴重時必須加以抑制或補償。三、系統(tǒng)的兩種外作用1、有效輸入信號（簡稱輸入信號）輸入信號決定系統(tǒng)被控量的變化規(guī)律或代表期望值，并作用于系統(tǒng)的輸入端。第一階段20世紀40~60年代經(jīng)典控制理論時期四、控制理論的發(fā)展第二階段20世紀60~70年代現(xiàn)代控制理論時期第三階段20世紀70年代末至今“大系統(tǒng)理論”和“智能控制”人工控制五、人工控制與自動控制1、記住要求水位（期望值）2、觀測實際水位（實際值）3、比較（期望值與實際值）從而得出偏差值4、按照偏差值進行調(diào)節(jié)在這個系統(tǒng)中沒有涉及到人的直接參與，所以叫做自動控制自動控制控制器氣動閥門流入Q1浮子水箱流出Q2H控制任務(wù)：維持水箱內(nèi)水位恒定；控制裝置：氣動閥門、控制器；受控對象：水箱、供水系統(tǒng)；被控量：水箱內(nèi)水位的高度；給定值：控制器刻度盤指針標定的預(yù)定水位高度；測量裝置：浮子；比較裝置：控制器刻度盤；干擾：水的流出量和流入量的變化都將破壞水位保持恒定；六自動控制的基本方式被控量比較執(zhí)行測量被控對象實測值干擾測量給定值H自動控制方框圖在上圖中，除被控對象外的其余部分統(tǒng)稱為控制裝置，它必須具備以下三種職能部件。測量元件：用以測量被控量或干擾量。比較元件：將被控量與給定值進行比較。執(zhí)行元件：根據(jù)比較后的偏差，產(chǎn)生執(zhí)行作用，去操縱被控對象

參與控制的信號來自三條通道，即給定值、干擾量、被控量。注意：無論是人工控制，還是自動控制，其過程都是測量→求誤差→控制→再測量→再求誤差→再控制這樣一種不斷循環(huán)的過程。其控制的目的是盡量減小誤差，使被控量盡可能地保持在期望值附近。第二節(jié)開環(huán)控制和閉環(huán)控制一、反饋若通過某種裝置能將反映輸出量的信號引回來去影響控制信號，這種作用稱為反饋反饋

開環(huán)控制系統(tǒng)是指系統(tǒng)的輸出端和輸入端不存在反饋關(guān)系，系統(tǒng)的輸出量對控制作用不發(fā)生影響的系統(tǒng)。這種系統(tǒng)既不需要對輸出量進行測量，也不需要將輸出量反饋到輸入端與輸入量進行比較，控制裝置與被控對象之間只有順向作用，沒有反向聯(lián)系。二、開環(huán)控制系統(tǒng)爐溫控制系統(tǒng)爐溫控制系統(tǒng)原理方框圖定時開關(guān)爐子電阻絲

用于控制性能要求不高，系統(tǒng)輸入與輸出關(guān)系明確、干擾較小且相對穩(wěn)定的場合。開環(huán)控制系統(tǒng)的特點:系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制過程簡單穩(wěn)定性好，成本低廉沒有自動調(diào)節(jié)能力，抗干擾能力差，控制精度不高。適用范圍：

系統(tǒng)的控制裝置和被控對象不僅有順向作用，而且輸出端和輸入端之間存在反饋關(guān)系，所以稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)，閉環(huán)控制系統(tǒng)就是反饋控制系統(tǒng)。三、閉環(huán)控制系統(tǒng)直流電動機調(diào)速系統(tǒng)恒溫箱閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖調(diào)節(jié)過程圖穩(wěn)定性要求較高控制精度高結(jié)構(gòu)復(fù)雜，元件較多，成本較高抗擾能力強適用范圍廣閉環(huán)控制系統(tǒng)的特點:總結(jié)開環(huán)系統(tǒng)和閉環(huán)系統(tǒng)的輸入量和輸出量都存在一一對應(yīng)關(guān)系開環(huán)系統(tǒng)中，只有輸入量對輸出量產(chǎn)生控制作用，輸出量不參與系統(tǒng)控制，因而開環(huán)系統(tǒng)沒有抗干擾能力從控制結(jié)構(gòu)上看，開環(huán)控制系統(tǒng)只有正向通道；而閉環(huán)控制系統(tǒng)是由正向通道和反向通道組成的閉環(huán)控制系統(tǒng)是利用偏差量作為控制信號來糾正偏差的，系統(tǒng)中具有執(zhí)行糾正偏差這一任務(wù)的執(zhí)行機構(gòu)并進一步對控制對象進行控制閉環(huán)控制系統(tǒng)必須有檢測反饋環(huán)節(jié)和比較環(huán)節(jié)閉環(huán)控制系統(tǒng)正是依靠放大的偏差信號作為推動第三節(jié)

閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成和基本環(huán)節(jié)一．系統(tǒng)的組成框圖給定二．各組成環(huán)節(jié)功能3．檢測反饋環(huán)節(jié):

該裝置用來檢測被控制量，并將其轉(zhuǎn)換為與給定量相同的物理量。1．被控對象:

是指要進行控制的設(shè)備或過程。2．執(zhí)行機構(gòu):一般由傳動裝置和調(diào)節(jié)機構(gòu)組成，執(zhí)行機構(gòu)直接作用于控制對象，使被控制量達到所要求的數(shù)值。6．中間環(huán)節(jié):中間環(huán)節(jié)一般是放大元件，將偏差信號變換成適于控制執(zhí)行機構(gòu)工作的信號。

4．給定環(huán)節(jié):是設(shè)定被控制量的給定值的裝置。5．比較環(huán)節(jié):比較環(huán)節(jié)將所檢測的被控制量與給定量進行比較，確定兩者之間的偏差量。

在結(jié)構(gòu)圖中，各環(huán)節(jié)的信號傳遞是有方向性的。如果在實際的環(huán)節(jié)中存在輸出對輸入的影響，那么這一影響可以用反饋的形式表示出來，這種反饋稱為局部反饋，而系統(tǒng)輸出量的反饋稱為主反饋。按偏差原則和按擾動補償原則結(jié)合起來構(gòu)成的系統(tǒng)，稱為復(fù)合控制系統(tǒng)。返回注意:第四節(jié)

自動控制系統(tǒng)的分類3、隨動系統(tǒng)：輸入信號的變化規(guī)律是預(yù)先不能確定的，并要求被控量精確的跟隨輸入量變化。一、按輸入信號的變化規(guī)律：1、恒值控制系統(tǒng)：輸入信號在某種工作狀態(tài)下一經(jīng)給定就不再變化，控制的任務(wù)就是抑制各種干擾因素的影響，使被控量也維持恒定。2、程序控制系統(tǒng)：輸入信號按預(yù)定的規(guī)律變化，并要求被控量也按照同樣的規(guī)律變化。2、離散控制系統(tǒng)：系統(tǒng)中至少有一處信號是脈沖序列或數(shù)字量，因此系統(tǒng)的運動規(guī)律必須用差分方程來描述。如果用計算機實現(xiàn)采樣和控制，則稱為數(shù)字控制系統(tǒng)。二、按系統(tǒng)傳輸信號對時間的關(guān)系來分：1、連續(xù)控制系統(tǒng)：系統(tǒng)中所有信號的變化均為時間的連續(xù)函數(shù)，因此系統(tǒng)的運動規(guī)律可用微分方程來描述。2、非線性控制系統(tǒng)：系統(tǒng)中至少有一個元件的輸入－輸出關(guān)系是非線性的。三、按系統(tǒng)各環(huán)節(jié)輸入－輸出關(guān)系的特征：1、線性控制系統(tǒng)：系統(tǒng)中所有環(huán)節(jié)或元件的輸入－輸出關(guān)系都是線性關(guān)系。四、按系統(tǒng)參數(shù)的變化特征：1、定常參數(shù)控制系統(tǒng)：系統(tǒng)中所有參數(shù)都不會隨著時間推移而發(fā)生改變描述它的微分方程是常系數(shù)微分方程，對它進行觀察和研究不受時間限制。只要實際系統(tǒng)的參數(shù)變化不太明顯，一般都視作該系統(tǒng)，絕對的定常系統(tǒng)是不存在的返回2、時變參數(shù)控制系統(tǒng)：系統(tǒng)中部分或全部參數(shù)將會隨著時間的推移而發(fā)生變化描述它的運動規(guī)律要用變系數(shù)微分方程，系統(tǒng)的性質(zhì)也會隨時間變化，不允許用此刻觀測的系統(tǒng)性能去代替另一時刻的系統(tǒng)性能第五節(jié)

自動控制系統(tǒng)的性能指標系統(tǒng)的穩(wěn)定性：系統(tǒng)在受到外部作用后，能否恢復(fù)平衡狀態(tài)的能力。穩(wěn)定不穩(wěn)定一、穩(wěn)定性不穩(wěn)定的系統(tǒng)是無法進行工作的；因此，對任何自動控制系統(tǒng)，首要的條件便是系統(tǒng)能穩(wěn)定正常運行。穩(wěn)定的重要性：二、快速性系統(tǒng)響應(yīng)的快速性：是指在系統(tǒng)穩(wěn)定性的前提下，通過系統(tǒng)的自動調(diào)節(jié)，最終消除因外作用改變而引起的輸出量與給定量之間偏差的快慢程度。一般用調(diào)節(jié)時間來衡量。如圖1-16所示，系統(tǒng)輸出即系統(tǒng)響應(yīng)經(jīng)過幾次振蕩后，達到新的穩(wěn)定狀態(tài)。對于系統(tǒng)動態(tài)過程性能的優(yōu)劣除了快速性之外，還有反映系統(tǒng)動態(tài)過程平穩(wěn)性指標，故將快速性和平穩(wěn)性作為表征系統(tǒng)動態(tài)性能的指標，統(tǒng)稱為動態(tài)性能指標。

三、準確性系統(tǒng)響應(yīng)的準確性：是指在系統(tǒng)的自動調(diào)節(jié)過程結(jié)束后，其輸出量與給定量之間仍然存在的偏差大小，也稱穩(wěn)態(tài)精度。準確性一般用穩(wěn)態(tài)誤差來衡量。控制系統(tǒng)的基本要求：穩(wěn)準快時間tr上升峰值時間tpAB超調(diào)量σ%=AB100%調(diào)節(jié)時間ts動態(tài)性能指標

自動控制理論是研究自動控制共同規(guī)律的技術(shù)學科，它分為古典控制理論和現(xiàn)代控制理論。古典控制理論是建立在傳遞函數(shù)基礎(chǔ)上的，研究單輸入單輸出系統(tǒng)；現(xiàn)代控制理論是建立在狀態(tài)變量基礎(chǔ)上的，研究多輸入多輸出系統(tǒng)及變參數(shù)非線性系統(tǒng)，適用自適應(yīng)控制和最優(yōu)控制等。本書所研究的控制系統(tǒng)，基本上都是單輸入單輸出系統(tǒng)，應(yīng)用的是工程實踐中應(yīng)用最多的古典控制理論。1.4.2控制系統(tǒng)的性能分析方法經(jīng)典控制理論分析與設(shè)計自動控制系統(tǒng)的具體步驟是：（1）對系統(tǒng)做定性分析，明確系統(tǒng)工作原理。（2）建立系統(tǒng)數(shù)學模型。將前面介紹的控制系統(tǒng)組成框圖中的框中文字部分用傳遞函數(shù)代替即為系統(tǒng)用圖形表示的復(fù)域數(shù)學模型。關(guān)于系統(tǒng)數(shù)學模型有不同的表示形式，將在第二單元詳細介紹。（3）根據(jù)不同的分析方法對自動控制系統(tǒng)做定量分析，即分析系統(tǒng)穩(wěn)、準、快三大性能。常用的分析方法有時域分析法、頻率響應(yīng)分析法、根軌跡法等。由于