自動控制理論 第一章自動控制理論的一般概念第二章控制系統的數學模型第三章控制系統的時域分析法第四章根軌跡法第五章頻率法第六章控制系統的校正第七章非線性系統的分析第八章采樣控制系統的分析與設計 第一章自動控制理論的一般概念 1 1自動控制發展簡史1 2自動控制的基本方式1 3典型控制系統1 4對于自動控制系統的要求 1765年 瓦特發明蒸汽機 用離心式調速器控制蒸氣機1948年 維納 控制論 或關于在動物和機器中控制和通信的科學 產生40 60年代經典控制理論 頻域法為主 60 70年代現代控制理論 時域法為主 70年代以后大系統控制理論 自動控制 在沒有人直接參與的情況下 采用控制裝置或機械使被控制對象達到預期的目標 1 1自動控制發展簡史 發展簡史 自動控制研究的內容 經典控制理論現代控制理論經典控制理論主要研究對象 對單輸入單輸出線性定常系統的分析和設計問題 現代控制理論主要研究對象 多輸入 多輸出 時變參數 高精度復雜系統的分析和設計問題 閉環控制 復合控制 開環控制 1 2自動控制的基本方式 一 開環控制 控制裝置與被控對象之間只有順向作用而沒有反向聯系的控制 或者說系統的輸出量對系統的控制作用無影響的控制系統 給定值 控制方式 按給定值操縱 信號由給定值至輸出量單向傳遞 一定的給定值對應一定的輸出量 系統的控制精度取決于系統事先的調整精度 對于工作過程中受到的擾動或特性參數的變化無法自動補償 結構簡單 成本低廉 多用于系統結構參數穩定和擾動信號較弱的場合 開環控制系統特點 信號從輸入到輸出無反饋 單向傳遞 結構簡單 控制精度不高 無法抑制擾動 例 直流電動機轉速開環控制系統 輸出量對輸入量沒有影響的系統稱為開環系統 二 閉環控制 圖示 人工電動機轉速閉環控制系統 反饋 控制任務 保持工作機械恒速運行 控制過程 反饋 輸出量送回至輸入端并與輸入信號比較的過程負反饋 反饋的信號與輸入信號相減而使偏差越來越小 典型閉環系統方框圖 閉環控制 是指控制器與控制對象之間既有順向作用有反向聯系的控制過程 系統的輸出量對系統的控制作用有影響的控制過程 特點 輸出影響輸入 所以能削弱或抑制干擾 低精度元件可組成高精度系統 因為可能發生超調 振蕩 所以穩定性很重要 開環優點 結構簡單 成本低廉 工作穩定 當輸入信號和擾動能預先知道時 控制效果較好 缺點 不能自動修正被控制量的偏離 系統的元件參數變化以及外來的未知擾動對控制精度影響較大 閉環優點 具有自動修正被控制量出現偏離的能力 可以修正元件參數變化及外界擾動引起的誤差 控制精度高 缺點 被控量可能出現振蕩 甚至發散 三 開環控制與反饋控制的比較 主反饋 與輸出成正比或某種函數關系 但量綱與給定信號相同 偏差 給定信號與主反饋信號之差的信號 控制單元 接受偏差信號 通過轉換與運算 產生期望的控制量 擾動 對系統輸出產生不利影響的信號 反饋環節 檢測輸出信號并轉換與給定輸入信號相同量綱的信號 四 閉環控制系統的術語和定義 閉環控制系統的方框圖 方框圖的組成 主要有三部分組成 五 復合控制 它是把按偏差控制與按擾動控制結合起來 對于主要擾動采用適當的補償裝置實現按擾動控制 同時再組成反饋控制系統實現按偏差控制 以消除其余擾動產生的偏差 按擾動補償 也稱鎮定系統 輸出量以一定的精度等于給定值 而給定值一般不變化或變化很緩慢 擾動可隨時變化的系統稱為恒值系統 在生產過程中 這類系統非常多 例如 冶金部門的恒溫系統 石油部門的恒壓系統等 1 3典型控制系統 恒值系統 例電站鍋爐空氣預熱器密封間隙控制系統 系統通過間隙傳感器實時測量出密封間隙值并送入計算機 與設定值比較后 發出控制指令至電動機提升機構 調整密封板的位置 達到維持密封間隙值恒定的目的 輸出量能以一定精度跟隨給定值變化的系統稱隨動系統 又稱為跟蹤系統 這類系統的特點是系統的給定值變化規律完全取決于事先不能確定的時間函數 而輸出量是與輸入量同樣的物理量并且能以一定的精度跟隨輸入量變化的系統 例如 火炮系統 衛星控制系統等 隨動系統 例 一位置隨動系統的工作原理圖 控制任務 要求工作機械能夠跟隨指令機構同步轉動 即要使工作機械的角位置跟隨給定指令轉角 亦即使 首先確定以下基本問題 1 受控對象 工作機械 2 被控量 角位置 3 指令轉角 給定值 4 測量元件 通過兩個相同的電位計測量轉角值 并轉換為相應的電壓值 5 計算比較 兩個測量電位計的橋式連接 即完成了減法運算 兩電刷之間的電壓代表了被控量對給定量的誤差 6 執行機械 電機減速裝置 系統的工作原理 如果工作機械轉角等于指令轉角 則經事先整定 即電機不動 系統處于平衡狀態 當指令轉角改變 隨之改變 而工作機械仍處于原位 則從而使電動機拖動工作機械朝所要求的方向快速偏轉 直至電機停轉 此時系統在新的位置上處于與指令同步的平衡工作狀態 即完成了跟隨的任務 自動控制系統的被控制量如果是根據預先編好的程序進行控制的系統稱程序控制系統 例如 煉鋼爐中的微機控制系統 洲際彈道導彈的程序控制系統等 程序控制系統 穩定性被控制信號能跟蹤已變化的輸入信號 從一種狀態到另一種狀態 如果能做到 我們就認為該系統是穩定的 這是對反饋控制系統提出的最基本要求 穩定有絕對穩定和相對穩定 快速性對過渡過程的形式和快慢提出要求 一般稱為動態性能 穩定高射炮射角隨動系統 雖然炮身最終能跟蹤目標 但如果目標變動迅速 而炮身行動遲緩 仍然抓不住目標 準確性用穩態誤差來表示 在參考輸入信號作用下 當系統達到穩態后 其穩態輸出與參考輸入所要求的期望輸出之差叫做給定穩態誤差 顯然 這種誤差越小 表示系統的輸出跟隨參考輸入的精度越高 1 4對自動控制系統系統的要求 穩定性 是保證控制系統正常工作的先決條件 快速性 動態性能 有指標 準確性 穩態 過渡過程結束后的 值應盡量與期望值一致 t n n1 a 0 b n t 0 n0 n1 t 0 n c n 0 t e n1 n 0 t d n0 n1 n 0 t f a b 非周期振蕩 c 發散振蕩 d e 收斂振