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1、第1章 自动控制系统概述,1.1引言 1.2 开环控制和闭环控制 1.3 自动控制系统的组成 1.4 自动控制系统的分类 1.5 自动控制系统的性能指标 1.6 研究自动控制系统的方法 制作:贺力克 陈 义,1.1 自动控制理论的发展史及内容,在工业、 农业、 交通运输和国防各个方面都离不开自动控制。 所谓自动控制， 就是在没有人直接参与的情况下， 利用控制装置对生产过程、 工艺参数、 目标要求等进行自动的调节与控制， 使之按照预定的方案达到要求的指标。 自动控制系统性能的优劣， 将直接影响到产品的产量、 质量、 成本、 劳动条件和预期目标的完成。,自动控制技术的应用可以追溯到18世纪(178
2、8年)瓦特(Watt)利用小球离心调速器使蒸汽机转速保持恒定的开创性的突破， 以及19世纪(1868年)麦克斯威尔（Maxwell）对轮船摆动（稳定性）的研究。 但在初期， 自动控制技术的应用进展很缓慢。 自动控制技术的真正发展是在20世纪。,自动控制理论通常可分为经典控制理论、 现代控制理论和智能控制理论。 1) 经典控制理论 经典控制理论产生并发展于20世纪4060年代。 2) 现代控制理论 现代控制理论于20世纪60年代中期发展成熟。 3) 智能控制理论 智能控制理论是20世纪70年代后， 控制理论向广度和深度发展的结果。,智能控制系统是指具有某些仿人智能的工程控制与信息处理系统， 其中
3、最典型的就是智能机器人。 对自动控制理论的具体描述可表示为下图。 ,对自动控制理论的具体描述,1.2 开环控制和闭环控制,1. 开环控制系统(OpenLoop Control System) 若系统的输出量不被引回来对系统的控制部分产生影响， 则这样的系统称为开环控制系统。,图 1 - 1 数控加工机床示意图,图 1 - 2 为数控加工机床开环控制框图。 此系统的输入量为加工程序指令， 输出量为机床工作台的位移， 系统的控制对象为工作台， 执行机构为步进电动机和传动机构。 由图可见， 系统无反馈环节， 输出量并不返回来影响控制部分， 因此是开环控制。 ,图 1 - 2 数控加工机床开环控制框图
4、,2. 闭环控制系统(ClosedLoop Control System) 若系统输出量通过反馈环节返回来作用于控制部分， 形成闭合环路， 则这样的系统称为闭环控制系统， 又称为反馈控制系统(Feedback Control System)。 图 1 - 3 为电炉箱恒温自动控制系统。,图 1 - 3 电炉箱恒温自动控制系统,图 1 - 4 电炉箱自动控制系统的组成框图,图 1 5 炉温自动调节过程,1.3 自动控制系统的组成,现以图 1 - 3和图 1 - 4 所示的恒温控制系统来说明自动控制系统的组成和有关术语。 ,图 1 - 6 自动控制系统的组成框图,由图 1 - 6 可以看出， 一般
5、自动控制系统包括： (1) 给定元件（Command Element）： 由它调节给定信号（UsT）， 以调节输出量的大小。 (2) 检测元件（Detecting Element）： 由它检测输出量（如炉温T）的大小， 并反馈到输入端。 (3) 比较环节（Comparing Element）： 在此处， 反馈信号与给定信号进行叠加， 信号的极性以“+”或“-”表示。 (4) 放大元件（Amplifying Element）： 由于偏差信号一般很小， 因此要经过电压放大及功率放大， 以驱动执行元件。,(5) 执行元件（Executive Element）： 驱动被控制对象的环节。 (6) 控制对
6、象（Controlled Plant）： 亦称被调对象。 (7) 反馈环节（Feedback Element）： 由它将输出量引出， 再回送到控制部分。,由图 1 - 6 可见， 系统中的各种作用量和被控制量包括 (1) 输入量（Input Variable）： 又称控制量或调节量（Reference Input Variable）， 所以输入量的角标常用i(或 r)表示。它通常由给定信号电压构成,或通过检测元件将非电输入量转换成信号电压。 (2) 输出量（Output Variable）： 又称被控制量（Controlled Variable）, 所以输出量角标常用o(或 c)表示。它是被控
7、制对象的输出，是自动控制的目标。,(3) 反馈量（Feedback Variable）： 通过检测元件将输出量转变成与给定信号性质相同且数量级相同、数值相近的信号电压。 (4) 扰动量（Disturbance Variable）: 又称干扰或“噪声”（Noise）， 所以扰动量的角标常以d（或n）表示。 它通常指引起输出量发生变化的各种因素。 (5) 中间变量(Semifinisbed Variable)： 系统中各环节之间的作用量。,1.4 自动控制系统的分类,自动控制系统可以从不同的角度来进行分类， 常见的有以下几种。 1. 按输入量变化的规律分类 自动控制系统按输入量变化的规律可分为以下
8、三类。 1) 恒值控制系统(Fixed Set-Point Control System) 恒值控制系统的特点是： 系统的输入量是恒量， 并且要求系统的输出量相应地保持恒定。,2) 随动系统（Follow-Up Control System） 随动控制系统又称伺服系统（Serve-System）， 其特点是： 输入量是随机变化着的， 并且要求系统的输出量，能跟随输入量的变化而作出相应的变化。 3) 过程控制系统(Programme Control System) 过程控制系统的特点是： 输入量按照一定的时间函数变化， 并且要求输出量随之变化。 例如数控伺服系统以及一些自动化生产线等。,2. 按
9、系统传输信号对时间的关系分类 自动控制系统按系统传输信号对时间的关系可分为两类。 1) 连续控制系统（Continuous Control System） 连续控制系统的特点是：控制作用的信号都是连续量或模拟量， 因此它又称为模拟控制系统（Analogue Control System）。 图 1 - 3 所示的恒温控制系统就是连续控制系统。 连续控制系统的运动规律通常可用微分方程来描述。,2) 离散控制系统(Discrete Control System) 离散控制系统又称采样数据控制系统（Sampted-Date Control System）。 它的特点是： 系统中有的信号是断续量， 或
10、采样数据量、 数字量。,3. 按系统的输出量和输入量间的关系分类 自动控制系统按系统的输出量和输入量间的关系可分为两类。 1) 线性控制系统(Liner Control System) 线性控制系统的特点是： 系统由线性元件构成， 它的各个环节或系统都可以用关系用线性微分方程来描述。,2) 非线性控制系统(Non Liner Control System) 非线性控制系统的特点是： 系统中存在有非线性元件， 如具有死区、 出现饱和、 含有摩擦等非线性特性的元件， 它的输出量与输入量间的关系要用非线性微分方程来描述。,4. 按系统中的参数对时间的变化情况分类 自动控制系统按系统中的参数对时间的变
11、化情况可分为两类。 1) 定常系统（Time-Invariant System） 定常系统(又称时不变系统), 其特点是： 系统的全部参数不随时间变化， 它的输出量与输入量间的关系用定常微分方程来描述。,2) 时变系统(Time-Varying System) 时变系统的特点是： 系统中有的参数是时间t的函数， 它随时间变化而改变。,1.5 自动控制系统的性能指标,1. 系统的稳定性 稳定性是保证控制系统正常工作的先决条件。 一个稳定的控制系统， 其被控量偏离期望值的初始偏差应随时间的增长逐渐减小或趋于零。,图1-7 稳定系统和不稳定系统 a)稳定系统 b)不稳定系统,2、系统的稳态性能指标
12、(Steaty-State Performance Specification) 当系统从一个稳态过渡到新的稳态，或系统受扰动作用又重新平衡后，系统会出现偏差，这种偏差称为稳态误差ess(Steady-State Error)。系统稳态误差的大小反映了系统的稳态精度(或静态精度)(Static Accuracy)，它表明了系统的准确程度。稳态误差越小，则系统的稳态精度越高。 .有静差系统:ess0，如图1-8a所示。 .无静差系统:ess=0，如图1-8b所示。,图1-8 自动控制系统的稳态性能 a)有静差系统 b)无静差系统,3、系统的动态性能指标(Dynamic Performance S
13、pecification),系统从一个稳态过渡到新的稳态都需要经历一段时间，亦即需要经历一个过渡过程。表征这个过渡过程性能的指标叫做动态指标。 图1-9为系统对突加给定信号的动态响应曲线,（1）.最大超调量( )(Maximum Overshoot),最大超调量是输出量c(t)与稳态值 的最大偏差 与稳态值 之比。 即 = / 100% 最大超调量反映了系统的动态精度，最大超调量越小，则说明系统过渡过程进行得越平稳。,（2）.调整时间( )(Settling Time),调整时间( )是给定量作用于系统开始，到输出量进入并一直保持在离稳态值的允许误差带内所需要的时间。 （3）.振荡次数( )(
14、Order Number) 振荡次数是指在调整时间内，输出量在稳态值上下摆动的次数。,结论,在上述指标中，最大超调量和振荡次数反映了系统的稳定性能。调整时间反映了系统的快速性。稳态误差反映了系统的准确度。一般说来，我们总是希望最大超调量小一点，振荡次数少一点，调整时间短一些，稳态误差小一点。总之，希望系统能达到稳、快、准。 以后的分析将表明，这些指标要求，在同一个系统中往往是相互矛盾的。这就需要根据具体对象所提出的要求，对其中的某些指标有所侧重，同时又要注意统筹兼顾。 性能指标是衡量自动控制系统技术品质的客观标准，它是订货、验收的基本依据，也是技术合同的基本内容。,1.6 研究自动控制系统的方
15、法,对自动控制系统进行分析研究，首先是对系统进行定性分析。所谓定性分析，主要是搞清各个单元及各个元件在系统中的地位和作用，以及它们之间的相互联系，并在此基础上搞清系统的工作原理。然后，在定性分析的基础上，可以建立系统的数学模型；再应用自动控制理论对系统的稳定性、稳态性能和动态性能进行定量分析。在系统分析的基础上就可以找到改善系统性能，提高系统技术指标的有效途径，这也就是系统的校正和设计。,自动控制理论又分为经典控制理论(Classical Control Theory)和现代控制理论(Modern Control Theory)。 经典控制理论是建立在传递函数(Transfer Functio
16、n)概念基础之上的，它对单输入单输出系统是十分有效的。 现代控制理论是建立在状态变量(State Variable)概念基础之上的，它适用于复杂的多输入多输出控制系统及变参数非线性系统，实现自适应控制(Adaptive Control)、最佳控制(Optimal Control)等。 在经典控制理论中，又有时域分析法 (TimeDomain Analysis Method)、频率响应法(Freguency Response ethod)和根轨迹法(The Root Locus Method)等几种分析方法。,习 题,1 - 1 分析比较开环控制与闭环控制的特征、 优缺点和应用场合的不同。,1 - 2 指出下列系统中哪些属开环控制， 哪些属闭环控制: (1) 家用电冰箱 (2) 家用空调 (3) 家用洗衣机 (4) 抽水马桶 (5) 普通车床 (6) 电饭煲 (7) 多速电风扇 (8) 高楼水箱 (9) 调光台灯 (10) 自动报时
