1、模塊一模塊一 認識自動控制系統(tǒng)認識自動控制系統(tǒng)任務(wù)名稱任務(wù)名稱 : 自動控制系統(tǒng)的認識自動控制系統(tǒng)的認識 自動控制技術(shù)的基本知識自動控制技術(shù)的基本知識教學目標知識目標：熟練掌握開、閉環(huán)控制的特點 掌握自控系統(tǒng)的分類 了解自控系統(tǒng)性能指標和研究方法能力目標：能掌握開、閉環(huán)控制的特點 能了解自控系統(tǒng)的分類、性能指標和 研究方法素質(zhì)目標: 培養(yǎng)自學能力 培養(yǎng)文獻檢索、資料查找與閱讀能力教學內(nèi)容開、閉環(huán)控制的特點初識自動控制系統(tǒng)自控系統(tǒng)的分類自控系統(tǒng)性能指標自控系統(tǒng)的研究方法課題一課題一 初識自動控制系統(tǒng)初識自動控制系統(tǒng) 開環(huán)控制和閉環(huán)控制開環(huán)控制和閉環(huán)控制 1. 開環(huán)控制系統(tǒng)(openloop co

2、ntrol system) 若系統(tǒng)的輸出量不被引回來對系統(tǒng)的控制部分產(chǎn)生影響， 則這樣的系統(tǒng)稱為開環(huán)控制系統(tǒng)。 圖 1 - 1 數(shù)控加工機床示意圖 圖 1 - 2 為數(shù)控加工機床開環(huán)控制框圖。 此系統(tǒng)的輸入量為加工程序指令， 輸出量為機床工作臺的位移， 系統(tǒng)的控制對象為工作臺， 執(zhí)行機構(gòu)為步進電動機和傳動機構(gòu)。 由圖可見， 系統(tǒng)無反饋環(huán)節(jié)， 輸出量并不返回來影響控制部分， 因此是開環(huán)控制。 圖 1 - 2 數(shù)控加工機床開環(huán)控制框圖 控制器執(zhí)行元件控制對象輸入量(控制脈沖)(脈沖分配器)(步進電動機及傳動機構(gòu))(工作臺)輸出量(位 移) 2. 閉環(huán)控制系統(tǒng)(closedloop control

3、system) 若系統(tǒng)輸出量通過反饋環(huán)節(jié)返回來作用于控制部分， 形成閉合環(huán)路， 則這樣的系統(tǒng)稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)， 又稱為反饋控制系統(tǒng)(feedback control system)。 圖 1 - 3 為電爐箱恒溫自動控制系統(tǒng)。 圖 1 - 3 電爐箱恒溫自動控制系統(tǒng) 圖 1 - 4 電爐箱自動控制系統(tǒng)的組成框圖 圖 1 5 爐溫自動調(diào)節(jié)過程 自動控制系統(tǒng)的組成自動控制系統(tǒng)的組成 現(xiàn)以圖 1 - 3和圖 1 - 4 所示的恒溫控制系統(tǒng)來說明自動控制系統(tǒng)的組成和有關(guān)術(shù)語。 圖 1 - 6 自動控制系統(tǒng)的組成框圖 由圖 1 - 6 可以看出， 一般自動控制系統(tǒng)包括： (1) 給定元件（command

4、 element）： 由它調(diào)節(jié)給定信號（ust）， 以調(diào)節(jié)輸出量的大小。 (2) 檢測元件（detecting element）： 由它檢測輸出量（如爐溫t）的大小， 并反饋到輸入端。 (3) 比較環(huán)節(jié)（comparing element）： 在此處， 反饋信號與給定信號進行疊加， 信號的極性以“+”或“-”表示。 (4) 放大元件（amplifying element）： 由于偏差信號一般很小， 因此要經(jīng)過電壓放大及功率放大， 以驅(qū)動執(zhí)行元件。 (5) 執(zhí)行元件（executive element）： 驅(qū)動被控制對象的環(huán)節(jié)。 (6) 控制對象（controlled plant）： 亦稱被調(diào)對

5、象。 (7) 反饋環(huán)節(jié)（feedback element）： 由它將輸出量引出， 再回送到控制部分。 由圖 1 - 6 可見， 系統(tǒng)中的各種作用量和被控制量包括 (1) 輸入量（input variable）： 又稱控制量或調(diào)節(jié)量（reference input variable）， 所以輸入量的角標常用i(或 r)表示。它通常由給定信號電壓構(gòu)成,或通過檢測元件將非電輸入量轉(zhuǎn)換成信號電壓。 (2) 輸出量（output variable）： 又稱被控制量（controlled variable）, 所以輸出量角標常用o(或 c)表示。它是被控制對象的輸出，是自動控制的目標。 (3) 反饋量（f

6、eedback variable）： 通過檢測元件將輸出量轉(zhuǎn)變成與給定信號性質(zhì)相同且數(shù)量級相同、數(shù)值相近的信號電壓。 (4) 擾動量（disturbance variable）: 又稱干擾或“噪聲”（noise）， 所以擾動量的角標常以d（或n）表示。 它通常指引起輸出量發(fā)生變化的各種因素。 (5) 中間變量(semifinisbed variable)： 系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)之間的作用量。 課題二課題二 自動控制系統(tǒng)的分類自動控制系統(tǒng)的分類 自動控制系統(tǒng)可以從不同的角度來進行分類， 常見的有以下幾種。 1. 按輸入量變化的規(guī)律分類 自動控制系統(tǒng)按輸入量變化的規(guī)律可分為以下三類。 1) 恒值控制系統(tǒng)(

7、fixed set-point control system) 恒值控制系統(tǒng)的特點是： 系統(tǒng)的輸入量是恒量， 并且要求系統(tǒng)的輸出量相應地保持恒定。 2) 隨動系統(tǒng)（follow-up control system） 隨動控制系統(tǒng)又稱伺服系統(tǒng)（serve-system）， 其特點是： 輸入量是隨機變化著的， 并且要求系統(tǒng)的輸出量，能跟隨輸入量的變化而作出相應的變化。 3) 過程控制系統(tǒng)(programme control system) 過程控制系統(tǒng)的特點是： 輸入量按照一定的時間函數(shù)變化， 并且要求輸出量隨之變化。 例如數(shù)控伺服系統(tǒng)以及一些自動化生產(chǎn)線等。 2. 按系統(tǒng)傳輸信號對時間的關(guān)系分類

8、 自動控制系統(tǒng)按系統(tǒng)傳輸信號對時間的關(guān)系可分為兩類。 1) 連續(xù)控制系統(tǒng)（continuous control system） 連續(xù)控制系統(tǒng)的特點是：控制作用的信號都是連續(xù)量或模擬量， 因此它又稱為模擬控制系統(tǒng)（analogue control system）。 圖 1 - 3 所示的恒溫控制系統(tǒng)就是連續(xù)控制系統(tǒng)。 連續(xù)控制系統(tǒng)的運動規(guī)律通常可用微分方程來描述。 2) 離散控制系統(tǒng)(discrete control system) 離散控制系統(tǒng)又稱采樣數(shù)據(jù)控制系統(tǒng)（sampted-date control system）。 它的特點是： 系統(tǒng)中有的信號是斷續(xù)量， 或采樣數(shù)據(jù)量、 數(shù)字量。 3.

9、 按系統(tǒng)的輸出量和輸入量間的關(guān)系分類 自動控制系統(tǒng)按系統(tǒng)的輸出量和輸入量間的關(guān)系可分為兩類。 1) 線性控制系統(tǒng)(liner control system) 線性控制系統(tǒng)的特點是： 系統(tǒng)由線性元件構(gòu)成， 它的各個環(huán)節(jié)或系統(tǒng)都可以用關(guān)系用線性微分方程來描述。 2) 非線性控制系統(tǒng)(non liner control system) 非線性控制系統(tǒng)的特點是： 系統(tǒng)中存在有非線性元件， 如具有死區(qū)、 出現(xiàn)飽和、 含有摩擦等非線性特性的元件， 它的輸出量與輸入量間的關(guān)系要用非線性微分方程來描述。 4. 按系統(tǒng)中的參數(shù)對時間的變化情況分類 自動控制系統(tǒng)按系統(tǒng)中的參數(shù)對時間的變化情況可分為兩類。 1) 定

10、常系統(tǒng)（time-invariant system） 定常系統(tǒng)(又稱時不變系統(tǒng)), 其特點是： 系統(tǒng)的全部參數(shù)不隨時間變化， 它的輸出量與輸入量間的關(guān)系用定常微分方程來描述。 2) 時變系統(tǒng)(time-varying system) 時變系統(tǒng)的特點是： 系統(tǒng)中有的參數(shù)是時間t的函數(shù)， 它隨時間變化而改變。 課題三課題三 對自動控制系統(tǒng)性能的要求對自動控制系統(tǒng)性能的要求 1. 系統(tǒng)的穩(wěn)定性系統(tǒng)的穩(wěn)定性 穩(wěn)定性是保證控制系統(tǒng)正常工作的先決條件。 一個穩(wěn)定的控制系統(tǒng)， 其被控量偏離期望值的初始偏差應隨時間的增長逐漸減小或趨于零。 圖1-7 穩(wěn)定系統(tǒng)和不穩(wěn)定系統(tǒng) a)穩(wěn)定系統(tǒng) b)不穩(wěn)定系統(tǒng)2、系統(tǒng)的

11、穩(wěn)態(tài)性能指標、系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能指標 (steaty-state performance specification) 當系統(tǒng)從一個穩(wěn)態(tài)過渡到新的穩(wěn)態(tài)，或系統(tǒng)受擾動作用又重新平衡后，系統(tǒng)會出現(xiàn)偏差，這種偏差稱為穩(wěn)態(tài)誤差ess(steady-state error)。系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差的大小反映了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度(或靜態(tài)精度)(static accuracy)，它表明了系統(tǒng)的準確程度。穩(wěn)態(tài)誤差越小，則系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度越高。 .有靜差系統(tǒng):ess0，如圖1-8a所示。 .無靜差系統(tǒng):ess=0，如圖1-8b所示。 圖1-8 自動控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能a)有靜差系統(tǒng) b)無靜差系統(tǒng)3、系統(tǒng)的動態(tài)性能指標、系統(tǒng)的動態(tài)性

12、能指標(dynamic performance specification) 系統(tǒng)從一個穩(wěn)態(tài)過渡到新的穩(wěn)態(tài)都需要經(jīng)歷一段時間，亦即需要經(jīng)歷一個過渡過程。表征這個過渡過程性能的指標叫做動態(tài)指標。 圖1-9為系統(tǒng)對突加給定信號的動態(tài)響應曲線（1）.最大超調(diào)量最大超調(diào)量( )(maximum overshoot)最大超調(diào)量是輸出量c(t)與穩(wěn)態(tài)值 的最大偏差與穩(wěn)態(tài)值 之比。即 = / 100%最大超調(diào)量反映了系統(tǒng)的動態(tài)精度，最大超調(diào)量越小，則說明系統(tǒng)過渡過程進行得越平穩(wěn)。（2 2）. .調(diào)整時間調(diào)整時間( )(settling time)( )(settling time)調(diào)整時間( )是給定量作用

13、于系統(tǒng)開始，到輸出量進入并一直保持在離穩(wěn)態(tài)值的允許誤差帶內(nèi)所需要的時間。 （3 3）. .振蕩次數(shù)振蕩次數(shù)( )(order number)( )(order number) 振蕩次數(shù)是指在調(diào)整時間內(nèi)，輸出量在穩(wěn)態(tài)值上下擺動的次數(shù)。結(jié)論結(jié)論 在上述指標中，最大超調(diào)量和振蕩次數(shù)反映了系統(tǒng)的穩(wěn)定性能。調(diào)整時間反映了系統(tǒng)的快速性。穩(wěn)態(tài)誤差反映了系統(tǒng)的準確度。一般說來，我們總是希望最大超調(diào)量小一點，振蕩次數(shù)少一點，調(diào)整時間短一些，穩(wěn)態(tài)誤差小一點。總之，希望系統(tǒng)能達到穩(wěn)、快、準。以后的分析將表明，這些指標要求，在同一個系統(tǒng)中往往是相互矛盾的。這就需要根據(jù)具體對象所提出的要求，對其中的某些指標有所側(cè)重，同

14、時又要注意統(tǒng)籌兼顧。性能指標是衡量自動控制系統(tǒng)技術(shù)品質(zhì)的客觀標準，它是訂貨、驗收的基本依據(jù)，也是技術(shù)合同的基本內(nèi)容。 研究自動控制系統(tǒng)的方法研究自動控制系統(tǒng)的方法 對自動控制系統(tǒng)進行分析研究，首先是對系統(tǒng)進首先是對系統(tǒng)進行定性分析行定性分析。所謂定性分析，主要是搞清各個單元及各個元件在系統(tǒng)中的地位和作用，以及它們之間的相互聯(lián)系，并在此基礎(chǔ)上搞清系統(tǒng)的工作原理。然后，在定性分析的基礎(chǔ)上，可以建立系統(tǒng)的數(shù)學模型建立系統(tǒng)的數(shù)學模型；再應用自動控制理論對系統(tǒng)的穩(wěn)定性、穩(wěn)態(tài)性能和動態(tài)穩(wěn)定性、穩(wěn)態(tài)性能和動態(tài)性能進行定量分析性能進行定量分析。在系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)上就可以找到改善系統(tǒng)性能，提高系統(tǒng)技術(shù)指標的有效途

15、徑，這也就是系統(tǒng)的校正和設(shè)計。 自動控制理論又分為經(jīng)典控制理論(classical control theory)和現(xiàn)代控制理論(modern control theory)。 經(jīng)典控制理論是建立在傳遞函數(shù)(transfer function)概念基礎(chǔ)之上的，它對單輸入單輸出系統(tǒng)是十分有效的。 現(xiàn)代控制理論是建立在狀態(tài)變量(state variable)概念基礎(chǔ)之上的，它適用于復雜的多輸入多輸出控制系統(tǒng)及變參數(shù)非線性系統(tǒng)，實現(xiàn)自適應控制(adaptive control)、最佳控制(optimal control)等。在經(jīng)典控制理論中，又有時域分析法 (timedomain analysis

16、method)、頻率響應法(freguency response ethod)和根軌跡法(the root locus method)等幾種分析方法。 課題四課題四 自動控制技術(shù)的發(fā)展歷史自動控制技術(shù)的發(fā)展歷史 在工業(yè)、 農(nóng)業(yè)、 交通運輸和國防各個方面都離不開自動控制。 所謂自動控制， 就是在沒有人直接參與的情況下， 利用控制裝置對生產(chǎn)過程、 工藝參數(shù)、 目標要求等進行自動的調(diào)節(jié)與控制， 使之按照預定的方案達到要求的指標。 自動控制系統(tǒng)性能的優(yōu)劣， 將直接影響到產(chǎn)品的產(chǎn)量、 質(zhì)量、 成本、 勞動條件和預期目標的完成。 自動控制技術(shù)的應用可以追溯到18世紀(1788年)瓦特(watt)利用小球離

17、心調(diào)速器使蒸汽機轉(zhuǎn)速保持恒定的開創(chuàng)性的突破， 以及19世紀(1868年)麥克斯威爾（maxwell）對輪船擺動（穩(wěn)定性）的研究。 但在初期， 自動控制技術(shù)的應用進展很緩慢。 自動控制技術(shù)的真正發(fā)展是在20世紀。 自動控制理論通常可分為經(jīng)典控制理論、 現(xiàn)代控制理論和智能控制理論。 1) 經(jīng)典控制理論 經(jīng)典控制理論產(chǎn)生并發(fā)展于20世紀4060年代。 2) 現(xiàn)代控制理論 現(xiàn)代控制理論于20世紀60年代中期發(fā)展成熟。 3) 智能控制理論 智能控制理論是20世紀70年代后， 控制理論向廣度和深度發(fā)展的結(jié)果。 智能控制系統(tǒng)是指具有某些仿人智能的工程控制與信息處理系統(tǒng)， 其中最典型的就是智能機器人。 對自動

18、控制理論的具體描述可表示為下圖。 對自動控制理論的具體描述 習習 題題 1 - 1 分析比較開環(huán)控制與閉環(huán)控制的特征、 優(yōu)缺點和應用場合的不同。 1 - 2 指出下列系統(tǒng)中哪些屬開環(huán)控制， 哪些屬閉環(huán)控制: (1) 家用電冰箱 (2) 家用空調(diào) (3) 家用洗衣機 (4) 抽水馬桶 (5) 普通車床 (6) 電飯煲 (7) 多速電風扇 (8) 高樓水箱 (9) 調(diào)光臺燈 (10) 自動報時電子鐘 1 - 3 衡量一個自動控制系統(tǒng)的性能指標通常有哪些？ 下圖 為某自動控制系統(tǒng)啟動時的動態(tài)曲線， 其中x(t)為被控量， xo為期望穩(wěn)態(tài)值。 曲線、 對應不同的調(diào)節(jié)參數(shù)。 試分析比較、 兩種情況技術(shù)性能的優(yōu)劣。 某自動控制系統(tǒng)的啟動曲線t / (1 s /