[工学]第一章自动化

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1、自动控制原理胡 寿 松科学出版社第一章自动控制的一般概念本章提纲1.1自动控制的基本原理1.2 自动控制系统示例1.3自动控制系统的分类1.4 对控制系统的基本要求 本章小结 v基本概念控制使设备或生产过程的物理量保持恒定或一定规律变 化的动作。自动控制在脱离人的直接干预，利用外加的设备或装置（简 称控制器）使机器，设备，生产过程（统称被控制 对象）的工作状态或参数（即被控量）按照预定的 规律运行。自动控制系统将被控对象和控制装置按照一定的方式连接起来， 组成一个有机总体，这就是自动控制系统。1.1.1 自动控制技术及其应用1.1自动控制的基本原理v自动控制作为一种技术手段已经广泛地 应用于工

2、业、农业、国防乃至日常生活 和社会科学许多领域。锅炉设备的压力和温度自动保持恒定数控机床按照预定的程序自动地切削工件导弹发射与制导系统，自动地使导弹攻击敌 方目标无人驾驶飞机按照预定航迹自动升降和飞行人造卫星准确地进入预定轨道运行并回收等v随着科学技术的进步，自动控制的概念 也在扩大，政治、经济、社会等各个领 域也越来越多地被认为与自动控制有关 。现在已发展成为一门独立的学科 控制论。其中包括：工程控制论、生物 控制论和经济控制论。1.1.2 自动控制理论的发展v自动控制理论是研究自动控制共同规律的技术 科学。控制论、量子论 与相对论被人们誉为20 世纪上半叶的3项科学革命。控制论通常包含“

3、经典控制理论”与“现代控制理论”两大部分 。v经典控制理论以传递函数为基础，研究单输入- 单输出，线形定常系统的分析和设计问题。v现代控制理论以状态空间法为基础，研究多输 入-多输出，时变，非线性，高精度，高效能等 控制系统的分析与设计问题，其中最优控制， 系统辨识，自适应控制，智能控制等理论都是 这一领域研究的问题。直流电动机速度自动控制系统图中，电位器电压为输入信 号。测速发电机是电动机转 速的测量元件，又称为变送 元件（变送器）。图1-1中， 代表电动机转速变化的测速 发电机电压送到输入端与电 位器电压进行比较，用两者 之间的差值（又称偏差信号 ）来控制功率放大器（控制 器）的输出，从而

4、控制电动 机的转速，这就形成了电动 机转速自动控制系统。1.1.3 自动控制系统基本概念图1-1 直流电动机速度自动控制原理结构图v当电源变化、负载变化等引起转速变化，称 为扰动。电动机被称为被控对象，转速称为 被控量，当电动机受到扰动后，转速（被控 量）发生变化，经测量元件（测速发电机） 将转速信号（又称为反馈信号）反馈到控制 器（功率放大器），使控制器的输出（称为 控制量）发生相应的变化，从而可以自动地 保持转速不变或使偏差保持在允许的范围内 。控制对象：需要控制的设备或生产过程控制装置：对被控制对象起控制作用的设备总体n自动控制系统的组成控制对象控制装置n自动控制系统基本组成框图图1-2

5、 自动控制系统基本组成框图n自动控制系统的基本控制方式1开环控制系统指系统的输出端与输入端不存在反馈回路， 输出量对系统的控制作用不发生影响的系统。 如工业上使用的数字程序控制机床，参见图1-3 。图纸位移程序指令放大器执行机构微型 计算机切削刀 具工作机 床图1-3 微型计算机控制机床（开环系统）v 系统每一个输入信号，必有一个固定的工作 状态和一个系统的输出量与之相对应，但是 不具有修正由于扰动而出现的被控制量希望 值与实际值之间误差的能力。例如，执行机 构步进电机出现失步，机床某部分未能准确 地执行程序指令的要求，切削刀具偏离了希 望值，控制指令并不会相应地改变。v开环系统结构简单，成本

6、低廉，工作稳定。 但开环控制不能自动修正被控制量的误差、 系统元件参数的变化以及外来未知干扰都会 影响系统精度的。2闭环控制系统系统输出信号与输入端之间存在反馈回路的系统， 叫闭环控制系统。闭环控制系统也叫反馈控制系统 。“闭环”这个术语的含义，就是应用反馈作用来 减小系统误差如图1-4所示。反馈测量元件图纸位移手放大器执行机构微型 计算机切削刀 具工作机 床图1-4 微型计算机控制机床（闭环系统）v在图1-4中，引入了反馈测量元件，闭环控制 系统由于有“反馈”作用的存在，具有自动 修正被控制量出现偏差的能力，可以修正元 件参数变化及外界扰动引起的误差，所以其 控制效果好，精度高。闭环控制系统

7、不足之 处，除了结构复杂，成本较高外，一个主要 的问题是由于反馈的存在，控制系统可能出 现“振荡”。3复合控制系统复合控制是闭环控制和开环控制相结合的一种 方式，它兼有两者的优点，精度很高。 反馈控制的原理：控制装置对被控对象施加的控制作用， 是取自控制量的反馈信息，用来不断修正被控量与输入量 之间的偏差，从而实现对被控对象进行控制的任务。反馈 控制又称偏差控制。反馈控制系统在身边随处可见，人的一切活动都体现出反 馈控制的原理。正反馈与负反馈负反馈：反馈信号与输入信号相减，起减弱输入信号作用 。正反馈：反馈信号与输入信号相加，起增强输入信号作用 。正反馈不能进行控制，会使系统的偏差越来越大。只

8、有负反馈控制系统才能完成自动控制的任务。负反馈控制系统最大的特点：检测偏差，纠正偏差，所以 叫做按偏差控制。n反馈控制原理主反馈：直接取自系统输出端，经过测量和变 换，又引入到系统输入端的信号叫主反馈信号 ，相应的反馈叫主反馈。前向通道：从系统输入端到输出量之间的通道 称为前向通道。主反馈通道：从输出量到主反馈信号之间的通 道称为主反馈通道。单位反馈系统：主反馈信号等于输出量的系统 叫单位反馈系统。非单位反馈系统：主反馈信号不等于输出量的 系统叫非单位反馈系统。局部反馈：对应内回路。n 几个重要概念给定元件：给出与系统输出量希望值相对应的 系统输入量。测量元件：测量系统输出量的实际值，并把输

9、出量的量纲转化成与输入量相同。比较元件：比较系统的输入量和主反馈信号， 并给出两者之间的偏差。放大元件：对微弱的偏差信号进行放大和变换 ，使之具有足够的幅值和功率，以适应执行元 件动作的要求。执行元件：根据放大后的偏差信号产生控制、 动作，操作系统的输出量，使之按照输入量的 变化规律而变化。 反馈控制系统方框图一个典型的反馈控制系统基本组成可用图1-5的方框图 表示。图中，用 表示比较元件，表示负反馈。信 号从输入端沿箭头方向到达输出端的传输通道称前向 通路，系统输出量经测量元件反馈到输入端的传输通 道称主反馈通路。前向通路与主反馈通路共同组成主 回路。 图1-5 反馈控制系统的组成框图补偿元

10、件放大元件执行元件被控对象反馈 补偿元件测量元件输入量输出量主反馈局部反馈实例1：函数记录仪1.2 自动控制示例飞机示意图给定电位器反馈电位器实例2给 定 装 置放 大 器舵机飞机反馈电 位器垂直 陀螺仪0c扰动俯仰角控制系统方块图飞机方块图实例3实例4 液位控制系统控制器减速器电动机电位器浮子用水开关Q2Q1cifSM1.3 自动控制系统的分类下面介绍几种常用的自动控制系统分类方法 。v1.3.1 按控制方式来分v1.3.2 按系统输入信号的变化规律不同来分v1.3.3 按系统传输信号的性质来分v1.3.4 按描述系统的数学模型不同来分v1.3.5 其它分类方法1.3.1 按控制方式来分n开

11、环控制系统n反馈控制系统n复合控制系统1.3.2 按系统输入信号的变化规律不同来分 1、恒值控制系统（或称自动调节系统）这类系统的特点是输入信号是一个恒定的 数值。恒值控制系统主要研究各种干扰对系 统输出的影响以及如何克服这些干扰，把输 入、输出量尽量保持在希望数值上。2、过程控制系统（或称程序控制系统）这类系统的特点是输入信号是一个已知的 时间函数，系统的控制过程按预定的程序进 行，要求被控量能迅速准确地复现。恒值控制系统也认为是过程控制系统的特 例。3、随动控制系统（或称伺服系统）这类系统的特点是输入信号是一个未知函 数，要求输出量跟随给定量变化。如火炮自 动跟踪系统。工业自动化仪表中的显

12、示记录仪，跟踪卫 星的雷达天线控制系统等均属于随动控制系 统。1.3.3 按系统传输信号的性质来分1、连续系统系统各部分的信号都是模拟的连续函数。目前工业 中普遍采用的常规控制仪表PID调节器控制的系统及 图1-1所示的电动机速度自动控制系统就属于这一类 型。2、离散系统系统的某一处或几处，信号以脉冲序列或数码的形 式传递的控制系统。其主要特点是：系统中用脉冲 开关或采样开关，将连续信号转变为离散信号。可 分为脉冲控制系统和数字控制系统。图1-8和图1-9分别给出了脉冲控制系统和数字控制系 统的结构图。输出输入 + e(t)e*(t)采样开关-保持器被控对象图1-8 脉冲控制系统结构图输出输入

13、 + -A/D计算机D/A放大器执行器被控对象反馈装置图1-9采样数字控制系统结构图1.3.4 按描述系统的数学模型不同来分1、线性系统由线性元件构成的系统叫线性系统。其运动方程为 线性微分方程。若各项系数为常数，则称为线性定 常系统。其运动方程一般形式为:式中：u(t) 系统的输入量；y(t) 系统的输出量。线性系统的主要特点是具有叠加性和齐次性，即当系 统的输入分别为r1(t)和r2(t)时，对应的输出分别为c1(t) 和c2(t)，则当输入为r(t)=a1r1(t)+a2r2(t)时，输出量为 c(t)=a1c1(t)+a2c2(t), 其中为a1、a2为常系数。2、非线性系统图1-10

14、 非线性元件静特性举例在构成系统的环节中有一个或一个以上的非 线性环节时，则称此系统为非线性系统。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、磁滞特性等。如图1-10 所示。非线性的理论研究远不如线性系统那么完整 ，一般只能近似的定性描述和数值计算。严格来说，任何物理系统的特性都是非线 性的。但为了研究问题的方便，许多系统在 一定的条件下，一定的范围内，可以近似地 看成为线性系统来加以分析研究，其误差往 往在工业生产允许的范围之内。1.3.5 其它分类方法 自动控制系统还有其他的分类方法:v(1)按系统的输入/输出信号的数量来分:有单输入/单输 出系统和多输入/多输出系统。v

15、(2)按控制系统的功能来分：有温度控制系统、速度控 制系统、位置控制系统等。v(3)按系统元件组成来分：有机电系统、液压系统、生 物系统。v(4)按不同的控制理论分支设计的新型控制系统来分， 有最优控制系统，自适应控制系统，预测控制系统， 模糊控制系统，神经网络控制系统等等。一个系统性能将用特定的品质指标来衡量其优劣,如系 统的稳定特性、动态响应和稳态特性。1.4 对控制系统的基本要求当自动控制系统受到干扰或者人为要求给定值改变， 被控量就会发生变化，偏离给定值。通过系统的自动 控制作用，经过一定的过渡过程，被控量又恢复到原 来的稳定值或者稳定到一个新的给定值。被控量在变 化过程中的过渡过程称

16、为动态过程(dynamic process)（ 即随时间而变的过程），被控量处于平衡状态称为静 态或稳态(stationarity)。 自动控制系统最基本的要求是被控量的稳态误差（偏 差stationarity error）为零或在允许的范围内。对于一个 好的自动控制系统来说，一般要求稳态误差在被控量 额定值的25之内。1.4.1 基本要求的提法 图1-11 自动控制系统被控量变化的动态特性自动控制系统还应满足动态过程的性能要 求，自动控制系统被控量变化的动态特性有以 下几种。(a)单调过程 被控量y(t)单调变化（即没有“ 正，”，“负”的变化），缓慢地到达新的 平衡状态（新的稳态值）。如图1-11(a)所示 ，一般这种动态过程具有较长的动态过程时 间（即到达新的平衡状态所需的时间）。(b)衰减振荡过程: 被控量y(t)的动态过程是一 个振荡过程，振荡的幅度不断地衰减，到过 渡过程结束时，被控量会达到新的稳态值。 这种过程的最大幅度