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第一章 自动控制系统概述_图文

自动控制原理
主讲人:尉学军

教材:
?

《自动控制原理》(双语教材),摆玉龙主编,清华大学出版 社

参考教材:
?

《自动控制原理》(第2版),梅晓榕等编著,科学出版社

?
? ?

《自动控制原理》(第4版),胡寿松等编著,科学出版社
《自动控制原理及其应用》,黄坚主编,高等教育出版社 《自动控制原理教程》,胡春花等编著,电子工业出版社

考试:
?

考核方式为考查。

?

平时成绩占总成绩30-40%,包括考勤、作业、期中、
上机实验;

期末开卷笔试,分为上机和笔试两部分。 前期知识: 高等数学、工程数学 MATLAB、电路分析

自动控制原理
第1章 自动控制系统概述

第1章 自动控制系统概述
? ?

1.1 引言 1.2 自动控制系统的基本概念

?
? ? ? ? ?

1.3 自动控制理论的发展
1.4 自动控制系统的基本原理及组成

1.5 自动控制系统的分类
1.6 控制系统的基本要求 1.7 控制系统的设计概述 1.8 MATLAB在本章中的应用

1.1 引言
在现代科学技术的众多领域中,自动控制技术起着越
来越重要的作用。

自动控制——应用控制器自动地、有目的地操纵被控
对象使之具有预定的工作状态。在没有人直接参与的情况

下,利用外加的设备或装置(控制装置),使机器、设备
或生产过程(控制对象)的某个工作状态或参数(被控量)

自动地按照预定的规律运行。自动控制理论(Automatic
Control Theory)是研究自动控制共同规律的技术科学。

1.1 引言
自动控制的应用:
工业上,各种机器设备的速度控制、锅炉的温度和压力控 制,数控车床按预定程序自动切削 军事上,雷达和火炮自动跟踪目标的随动控制; 航空航天上,人造卫星及宇宙飞船准确进入预定轨道并回 收等 日常生活上,电冰箱的温度控制。我们的体温保持在37℃

的自动温控系统、心跳控制系统、眼球聚焦系统。从肾脏、
肺和肝脏的功能来看,也可以称为自动系统。

1.1 引言
自动控制技术除了在工业上广泛应用外,近几十年来,
随着计算机技术的发展和应用,在宇航、机器人控制、导

弹制导及核动力等高新技术领域中,自动控制技术更具特
别重要的作用。不仅如此,自动控制技术的应用范围现在 已扩展到生物、医学、环境、经济管理和其它许多社会生 活领域中,自动控制已成为现代社会生活中不可缺少的一 部分。 大多数工程技术人员和科学工作者都必须具备一定的 自动控制知识。

1.1 引言
『Reading Material』
Control systems are what make machines and processes function as intended. They are most often based on the principle of feedback where by the signal to be controlled is compared to a desired reference signal and the discrepancy

used to compute corrective control action.
These signal processing tasks are implemented through the use of appropriate hardware called the controller.

1.1 引言
『Reading Material』 Every engineering discipline has its own language – concepts, symbols, and words – that engineers in that field use to express ideas. This chapter introduces you to the fundamental language of control system technology, illustrates the key principle of feedback control, and describes the general approach to designing and building feedback control systems. This course emphasizes the centrality of information processing and control in automatic control systems, introduces the various facets of control system technology, and covers basic system analysis and design methodology as applied to feedback control systems.

1.2 自动控制系统的基本概念
概念:
自动化控制(Automatic Control)——在没有人为操作的前 提下,代替人类重复繁重的脑力劳动,对操作对象进行控 制。 系统(System)——按照某些规律结合在一起的物体(元

部件)的组合,它们相互作用,相互依存并能完成一定的
任务。 ?自动控制系统(Automatic Control System)——能够实 现自动化控制的系统。

1.2 自动控制系统的基本概念
自动控制系统的功能和组成是多种多样的,其结构有
简单也有复杂。它可以只控制一个物理量,也可以控制多 个物理量甚至一个企业机构的全部生产和管理过程;它可 以是一个具体的工程系统,也可以是比较抽象的社会系统、 生态系统或经济系统。

1.2 自动控制系统的基本概念
[Terms and Concepts]
?A system is a collection of interconnected components, working together towards some common objective; ?A control system is a system whose components have been deliberately configured to collectively achieve a

desired objective;
?An automatic control system is an interconnection of components forming a system configuration that will provide a desired system response automatically.

1.3 自动控制理论的发展
自动控制理论是研究自动控制共同规律的技术科学,
既是一门古老的、已臻成熟的学科,又是一门正在发展的、 具有强大生命力的新兴学科。从1868年马克斯威尔(J. C. Maxwell)提出低阶系统稳定性判据至今一百多年里,自 动控制理论的发展可分为四个主要阶段。

控制理论的主要内容
核心贡献者 核心概念 核心分析方法 核心分析曲线

维纳——“控制论” 反馈(本质); 的创始人; 稳定(目标); Routh ——“Routh” 开环,闭环(基本结构) 判据的提出者; 传递函数(基本的数学模 李亚普诺夫——李 型); 亚普诺夫稳定性定 特征多项式(核心特征体 义的提出者; 现式) Nyquist — — 线性定常系统(基本研究 Nyquist 判 据 的 提 对象); 出者; 状态空间模型(现代控制 …… 理论的数学基础)……

时域分析法; S平面; 频域分析法; Bode图; 根轨迹法; 极坐标图; Routh判据; 尼科尔斯图; Nyquist 判 据 ; 系统结构图; 串联校正; 信号流图; …… PID控制; ……

1.3 自动控制理论的发展
四个主要阶段:
第一阶段:经典控制理论(或古典控制理论)的产生、发

展和成熟;
第二阶段:现代控制理论的兴起和发展;

第三阶段:大系统控制的兴起和发展;
第四阶段:智能控制的发展阶段。 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。

1.3 自动控制理论的发展
1、经典控制理论( Classical Control Theory ) 产生并发展于20世纪40~60年代。发展初期,是以反馈理 论为基础的自动调节原理,主要用于工业控制。第二次世 界大战期间,设计和制造飞机及船用自动驾驶仪、火炮定 位系统、雷达跟踪系统等基于反馈原理的军用装备,进一 步促进和完善了自动控制理论的发展。 ?1868年,马克斯威尔提出低阶系统的稳定性代数判据 ?1895年,数学家劳斯和赫尔威茨分别独立地提出了高阶 系统的稳定性判据,即Routh和Hurwitz判据 ?二战期间奈奎斯特提出了频率响应理论 ?1948年,伊万斯提出了根轨迹法。 控制理论发展的第一阶段基本完成,形成了以频率法和根 轨迹法为主要方法的经典控制理论。

1.3 自动控制理论的发展
经典控制理论的基本特征
(1)主要用于线性定常系统的研究,即用于常系数线性 微分方程描述的系统的分析与综合; (2)只用于单输入,单输出的反馈控制系统; (3)只讨论系统输入与输出之间的关系,而忽视系统的 内部状态,是一种对系统的外部描述方法。

1.3 自动控制理论的发展
应该指出的是,反馈控制是一种最基本最重要的控制
方式,引入反馈信号后,系统对来自内部和外部干扰的响 应变得十分迟钝,从而提高了系统的抗干扰能力和控制精 度。同时,反馈作用又带来了系统稳定性问题。从某种意 义上讲,古典控制理论是伴随着反馈控制技术的产生和发 展而逐渐完善和成熟起来的。

1.3 自动控制理论的发展
2、现代控制理论(Modern Control Theory)
由于经典控制理论只适用于单输入、单输出的线性定常系 统,只注重系统的外部描述而忽视系统的内部状态。因而 在实际应用中有很大的局限性。

1.3 自动控制理论的发展

1.4 自动控制系统的基本原理及组成

?被控对象——要求实现自动控制的机器、设备或生产过程。
?控制器——对被控对象起控制作用装置的总体,称做控制

装置或控制器。
?输入量——作用于控制对象或系统输入端,并可使系统具

有预定功能或预定输出的物理量。
?输出量——表现于控制对象或系统输出端,并要求实现自

动控制的物理量。
?扰动——所有妨碍控制量对被控量按要求进行正常控制的

因素,称为干扰量或扰动量。

1.4 自动控制系统的基本原理及组成
『Terms and Concepts』
An automatic control system consists of the controlled object and its controller. Based on how the control action is generated, i.e., whether the generation of control action is depended on the actual output, the control systems may be classified as open-loop control systems and closed-loop control

systems.

1.4 自动控制系统的基本原理及组成
1、开环控制系统(Open-loop Control Systems)
是指系统输出量对系统的调节作用没有影响的系统,即控 制设备和控制对象在信号关系上没有形成闭合回路。即指 控制器与被控对象之间只有顺向作用而没有反向联系的控 制过程。
参考输入 r (t )
System inputs
Manipulated Variable
? ? ? ? ? ? ?

控制器

被控制量 被控对象 c(t )
? ? ? ? ? ? ?

? ?

System

? ?

System outputs
Controlled Variable

1.4 自动控制系统的基本原理及组成
控制方式:
①按给定值操纵。 ②信号由给定值至输出量单向传递。 ③一定的给定值对应一定的输出量。 ④系统的控制精度取决于系统事先的调整精度。

⑤对于工作过程中受到的扰动或特性参数的变化无法自动
补偿。 ⑥结构简单,成本低廉,多用于系统结构参数稳定和扰动 信号较弱的,如自动售货机,自动报警器,自动流水线等。

1.4 自动控制系统的基本原理及组成
主要特点:
①输出不影响输入,对输出不需要测量,通常容易实现 ②组成系统的元部件精度高,系统的精度才能高 ③系统的稳定性不是主要问题

1.4 自动控制系统的基本原理及组成
控制脉冲(程序编码)
步进电动机 加工程 序指令 运算 控制器 脉冲 发生器 精密传动 工作台

x

分配器 步进电动机

精密传动 精密传动

工作台

y

输入量 (控制脉冲)

输出量 控制器 执行元件 控制对象 (位移)

(脉冲分配器) (步进电动机及传动机构) (工作台)

1.4 自动控制系统的基本原理及组成
被控制对象:炉子

被控制量(输出量):炉温
控制装置:开关K和电热丝,

对被控制量起控制作用。
当炉温偏离希望值时,开关 K的接通或断开时间不会相 应改变,抗干扰能力差。

1.4 自动控制系统的基本原理及组成
主要优点:系统结构比较简单,调试方便
主要缺点:抗干扰能力差。当工作环境和系统本身的元部 件性能参数发生变化时,开环系统的被控变量会受到很大 的影响。

高精度的开环控制对环境和所有的元件有着比较严格的要 求——较高的精度和稳定的性能。

1.4 自动控制系统的基本原理及组成
『Terms and Concepts』
An open-loop system utilizes an actuating device to control the process directly without using feedback. Fig.14-1 shows a typical open-loop control system. It is clear that control is based on prior knowledge of the input output relationship. Current status of the controlled variable is not taken into consideration in making the

control decision.

1.4 自动控制系统的基本原理及组成
『Terms and Concepts』
Therefore, an open-loop control system is a simple and economical system. It is only possible if the controlled variable and the manipulated variable have a strong, oneto-one relationship. Precise control may not be possible as external factors (disturbances) and changes in system parameters affect the outcome.

1.4 自动控制系统的基本原理及组成
2、闭环控制系统(Closed-loop Control Systems)
又称为反馈控制或按偏差控制,是将控制的结果反馈回来 影响当前控制的系统。其中,控制系统的输出对输入有影 响,控制器既有控制作用又有调节作用。控制器与控制对 象之间既有顺向作用又有反向联系的控制过程。反馈原理 是闭环控制系统的核心机理。
参考输入

?
?

r (t )

控制器

控制器

被控制量

c(t )

反馈元件

1.4 自动控制系统的基本原理及组成
反馈——把输出量送回到系统的输入端并与输入信号比较

的过程。若反馈信号是与输入信号相减而使偏差值越来越
小,则称为负反馈;反之,则称为正反馈。显然,负反馈 控制是一个利用偏差进行控制并最后消除偏差,系统趋于 稳定的过程,又称偏差控制。同时,由于有反馈的存在, 整个控制过程是闭合的,故也称为闭环控制。

1.4 自动控制系统的基本原理及组成
主要特点:
①输出影响输入,所以能削弱或抑制干扰 ②低精度元件可组成高精度系统 ③因为可能发生超调、振荡,所以稳定性很重要

控制方式: 反馈控制。我们所讲述的反馈系统如果无特殊说明,一般

都指负反馈。

1.4 自动控制系统的基本原理及组成
输入量 书位置 眼睛 大脑 手 输出量 手位置 眼睛
P8 图1-4-5 人取书的反馈控制系统方框图

被控对象:手 被控量(输出量):手的位置 位置反馈信息:手相对书的位置信息 控制装置:产生控制作用的机构是眼睛、大脑和手臂

1.4 自动控制系统的基本原理及组成
给定电 位器 直流伺服电动机 电压放大器 功率放大器

温度计

U cc
?

? ?U

U0 M

?
T ? (C )

U CC
电炉箱

减速器 调压变压器

热电偶 工件

UR
加热电阻丝

~
电压 放大 功率 放大 电动机 减速器 调压器

220V
T

U iT +
-

?U

电炉

U fT

热电偶

1.4 自动控制系统的基本原理及组成

比较 元件

放大 元件

执行 元件

R( s)

电压电流 放大

电机 放大

执行 电机
反馈元件

减速器

?

被控 对象

C ( s)

Ui

1.4 自动控制系统的基本原理及组成
闭开环控制的主要优点:自动调节控制量,即任何原
因导致被控制量偏离给定值时,会有相应的控制作用产生,

达到减小或消除偏差,使被控量趋近于恢复到要求值。因
此系统有自动修正输出量的能力,采用反馈控制提高了系 统的精度。 闭环系统的缺点:(1) 使用元件多,结构复杂;(2)由 于反馈作用,如果系统参数配合不当时,调节过程可能变 得很差,甚至出现发散或等幅震荡等不稳定的情况。因此, 稳定性成为闭环控制系统的核心问题。 38

1.4 自动控制系统的基本原理及组成
『Terms and Concepts』 A closed-loop control system uses a measurement of

the output and feedback of this signal to compare it with
the desired output (reference or command). Control systems are most often based on the principle of feedback, whereby the signal to be controlled is compared with a desired reference signal and the discrepancy used to compute corrective control action.

1.4 自动控制系统的基本原理及组成
『Terms and Concepts』 These signal processing tasks are implemented

through the use of appropriate hardware called the
controller. For example, we can take a temperature control of home heating system as a typical example of closed-loop control systems

1.4 自动控制系统的基本原理及组成

1.4 自动控制系统的基本原理及组成
3、自动控制系统的基本组成
典型自动控制系统:除被控对象外,控制装置通常是由测 量元件、比较元件、放大元件、执行机构、校正元件以及 给定元件组成。这些功能元件分别承担相应的职能,共同 完成控制任务。
给定 输入 元件 给定量 ? 比较 元件 扰动 输入 偏差 串联校正 元件 放大 元件 执行 机构 被控 对象 输出

?
局部反馈 主反馈 反馈校正 元件

测量元件

42

1.4 自动控制系统的基本原理及组成
?

被控对象——指生产过程中需要进行控制的工作机械、
装置或生产过程。描述被控对象工作状态的、需要进行 控制的物理量就是被控量。

? ?

给定元件——主要用于产生给定信号或控制输入信号。 测量元件——用于检测被控量或输出量,产生反馈信号 。如果测出的物理量属于非电量,一般要转换成电量。 例如,电炉箱恒温自动控制系统中的热电偶。

?

比较元件——用来比较输入信号和反馈信号之间的偏差
。它可以是一个差动电路,也可以是一个物理元件(如 电桥电路、差动放大器、自整角机等)。
43

1.4 自动控制系统的基本原理及组成
?

放大元件——用来放大偏差信号的幅值和功率,使之能
够推动执行机构调节被控对象。例如功率放大器、电液 伺服阀等。

?

执行机构——用于直接对被控对象进行操作,调节被控 量。如阀门,伺服电动机等。

?

校正元件——用来改善或提高系统的性能。常用串联或 反馈的方式连接在系统中。例如RC网络、测速发电机等

44

1.4 自动控制系统的基本原理及组成
『Terms and Concepts』 Fig. 1-4-10 shows a block diagram representation of

dynamic systems. Inputs are physical variables external to
the system that have some effect (influence) on the state of the system. Outputs are some physical variables of the system; they are useful measures of the state of the system.
inputs

. .

Dynamic System

. .

outputs

1.4 自动控制系统的基本原理及组成
『Terms and Concepts』 From Fig. 1-4-11, we can see a closed-loop control system in action. Controller compares the reference with the measurement and generates the error signal. Then it computes and generates the correction signal as a function of the error signal.
Sensor(s)
The closed-loop .Measurement

System being controlled
Reference Signal(s)
.Comparison . Correction

Controller
.Computation

Actuator(s)

1.4 自动控制系统的基本原理及组成
A general structure of a closed-Loop control system is
given in Fig. 1-4-12. It is clear that the control systems can be divided into information domain and power domain. Each part of the control systems can be analogue or digital devices. In this book, we only concentrate on analogue

control systems.

1.4 自动控制系统的基本原理及组成
Disturbance Signal Reference Signal Comparator Analogue/Digital Signal Processing Error Signal Controller Analogue/Digital Signal Processing Controlled system Manipulated Controllled Machine,Plant,or Signal Signal Process

Feedback Signal

Feedback Transducer Appropriate Sensing Device for the particular Controlled signal + Signal Processing Electronics Power domain

Information domain

1.4 自动控制系统的基本原理及组成

1.4 自动控制系统的基本原理及组成

1.4 自动控制系统的基本原理及组成
4、自动控制系统的实例分析
D
Signal processing

computer

Dm Uc Ym

D/A

Sensor/signal conditioning energy

R

comparater

E

compensator

D/A

actuator

U

process

Y

Signal processing

D/A

Sensor/signal conditioning

control

instrumentation

a generic control system

51

1.4 自动控制系统的基本原理及组成
Based on disscusion, we will find Figure1-4-13 effectively reduces to Figure1-4-14 R
?

C

P

Y

This figure allows us to illustrate the distinction between two different, but related problems: (1)Control System Engineering: Given a process, determine all the other blocks in Figure1-4-13 so that the closed-loop system has desired properties. (2) Control System Design: Given , determine in Figure 14-14 to that the closed-loop system desired properties.

1.4 自动控制系统的基本原理及组成
电压调节系统 控制目标要求:系统在运行过程中,不论负载如何变化, 发电机能够提供由给定电位器设定的规定电压值。

?
ur
?u

?
放 大 器

原动机

?
u2

u1

u

?

?
电动机

?
发电机

负载扰动
电位器

ur
?

?u

放大器

u1

电动机

电位器

u2

u
发动机

53

1.4 自动控制系统的基本原理及组成
4、高射炮方位角控制系统
BD u ue 整流
器 相敏 校正 装置 功率 放大

RS

高射炮架

u2

减速

?1 ?0

?0

手柄 手柄

?i

?

?e

自整 角机

ue

整流器

校正 装置

ua
放大器

直流 电动机

减速器

高射炮

?

o

?0

54

1.5 自动控制系统的分类
1、恒值系统和随动系统
恒值控制系统(也称为镇定系统、调节系统或恒值系统) 的特点是,给定输入一经设定就维持不变,希望输出量维 持在某一特定值上。例如,冶金部门的恒温系统,石油部 门的恒压系统等。

在随动控制系统中,若给定信号的变化规律是事先不能确
定的、随时间变化的信号,例如,函数记录仪、自动火炮 系统和飞机自动驾驶仪系统等,则称该系统为自动跟踪系

统;若给定输入是预先设定的、按预定规律变化的信号
(如数控机床的输入信号),则称相应的系统为程序控制 56 系统。上述两种系统统称为随动控制系统。

1.5 自动控制系统的分类
2、连续系统和离散系统
若系统中所有信号都是连续信号,则称为连续系统。如果 系统中有一处或几处的信号是离散信号(脉冲序列或数字 编码),则称为离散系统(包括采样系统和数字系统)。 随着计算机应用技术的迅猛发展,大量自动控制系统都采

用数字计算机作为控制手段。在计算机引入控制系统之后,
控制系统就成为离散系统。

57

1.5 自动控制系统的分类
3、单输入输出系统和多输入输出系统(SISO 和MIMO)
单输入—单输出系统通常称为单变量系统SISO,这种系统 只有一个输入(不包括扰动输入)和一个输出。多输入—多 输出系统通常称为多变量系统MIMO,有多个输入和多个 输出。单变量系统可以视为多变量系统的特例。本书的研

究对象大部分属于SISO系统。

58

1.5 自动控制系统的分类
4、线性系统和非线性系统
元件的输入与输出的关系曲线为直线,则称该元件为线性

元件,否则称为非线性元件。
若一个系统中所有的元器件均为线性元器件,则该系统为 线性系统,满足比例性和叠加性。若系统中只要有一个非 线性元器件,则该系统称为非线性系统。这时,要用非线 性微分(或差分)方程描述其特性。非线性方程的特点是 系数与变量有关,或者方程中含有变量及其导数的高次幂 或乘积项。 59

随动系统实例1

60

随动系统实例2

61

随动系统实例3

62

随动系统实例4

63

随动系统实例5

64

定值控制系统实例1

65

定值控制系统实例2

66

定值控制系统实例3

67

陀螺仪装入运载火箭

68

1.5 自动控制系统的分类
As for linear systems, we consider components and
systems whose input and output are related by linear

differential equation. We can apply Laplace Transform
Methods for such systems. In the case of some non-linear systems, we may be able to obtain linear approximations that hold good within narrow ranges of the input and output signals.

69

1.5 自动控制系统的分类
5、定常系统和时变系统
如果控制系统的参数在系统运行过程中不随时间变化,则

称之为定常系统或者时不变系统,否则称为时变系统。实
际系统中的零漂、温度变化、元件老化等影响均属时变因

素。严格的定常系统是不存在的,在所考察的时间间隔内,
若系统参数的变化相对于系统的运动缓慢得多,则可将其

近似作为定常系统来处理。
70

1.5 自动控制系统的分类
6、确定性系统和随机系统
如果被控对象数学模型的结构和参数都是确定的,系统的

全部输入信号又均为时间的确定函数,那么系统的输出响
应也是确定的,这种系统就称为确定性系统。如果被控对

象是确定的,但是系统的信号中含有随机量,如负载的随
机变化,电源的随机变动,模型的测量噪声的影响等等,

就称这种系统为随机系统。除非特殊说明,本书的研究对
象以线性连续定常系统为主。 71

1.6 控制系统的基本要求
根据系统稳态输出和起始过程的特性,对闭环控制系
统的基本要求可归纳为:稳定性,准确性,快速性。

1、稳定性
稳定性是首要考虑的性能要求。从最长的时间区间上

讲,稳定性是指系统在 t ? (+?,-?) 不发生破坏或不可恢复
性运动状态的性质,是系统存在的条件之一。一个稳定的

控制系统,其被控制量偏离期望值的初始偏差应随时间的
增长而逐渐减小或趋于零。 72

1.6 控制系统的基本要求
从稳定系统的类型上讲,可以分为以下两类:
(1)稳定的恒值控制系统:经过系统的扰动,被控制量 偏离原来的期望值,经过一定的过渡时间,被控制量应恢 复到原来的期望值,此期望值一般为恒定值。 (2)稳定的随动系统:在自动控制系统的运行中,被控 制量应能始终跟踪参考量的变化,参考量的变化一般表现 出一定的随机性。 73

1.6 控制系统的基本要求
一般的线性控制系统而言,其稳定性是由系统结构所
决定的,与外界因素无关。控制系统中一般含有储能元件 或者惯性元件。如绕组的电感、电枢的转动惯量、电炉热 容量、物体质量,储能元件的能量不可能突变。因此,有 扰动或有输入量时,控制过程不会立即发生,而有一定的 延缓,使被控制量恢复期望值或者跟踪参考量有一个时间 过程(过渡时间)。图1-6-1、1-6-2。 74

1.6 控制系统的基本要求
r (t ) c(t )

c(t )

r (t )
0

t

r (t ) c(t )

c(t ) c(t ) r (t )
d (t )

0

t
(a)

0

t
(b)

75

1.6 控制系统的基本要求

收敛(稳定)

等幅振荡(临界稳定)

发散(不稳定)

76

1.6 控制系统的基本要求
2、准确性(稳态精度)
是要求被控变量与设定值之间的误差达到所要求的精度范 围。要求被控变量在任何时刻、任何情况下都不超出规定 的误差范围。控制的准确性总是用稳态精度来度量。对于 稳定的系统,时间足够长就达到了稳态,此时的精度就是 稳态精度。稳态精度属于系统的稳态性能。

77

1.6 控制系统的基本要求
The performance specifications of a control system are:
(1) disturbance rejection (negligible response to undesirable

input signals)
(2) good transient response (fast, damped) (3) minimum steady state error (4) low sensitivities (to plant parameter variations) (5) robustness (insensitivity to effects not considered in analysis and design phase)

1.6 控制系统的基本要求
鲁棒性——
是英文robustness的音译。就是系统的健壮性。它是在异 常和危险情况下系统生存的关键。比如说,计算机软件在 输入错误、磁盘故障、网络过载或有意攻击情况下,能否 不死机、不崩溃,就是该软件的鲁棒性。所谓“鲁棒性”,

是指控制系统在一定(结构,大小)的参数摄动下,维持
某些性能的特性。根据对性能的不同定义,可分为稳定鲁 棒性和性能鲁棒性。以闭环系统的鲁棒性作为目标设计得 到的固定控制器称为鲁棒控制器。其实是稳健性或稳定性 的意思,反映为稳定性更好。 79

1.6 控制系统的基本要求
鲁棒性一般用来描述某个东西的稳定性,就是说在遇到某
种干扰时,这个东西的性质能够比较稳定。 举个例子,比 如统计里面的均值和中位数,均值很容易受到极端值的影 响,如果数据里面有很大或很小的数值,均值会偏大或偏 小。而中位数就稳定的多,即使数据里面有很大或很小的 数值,中位数也不会发生很大变化。所以,中位数这个统 计量便具有鲁棒性。 80

快速性与准确性的描述
超调量

A

B

峰值时间tp

B

上 升 时间tr 调节时间ts

81

1.7 控制系统的设计概述
The closed-loop system:
(1)Modeling (mathematically) the system based on measurement of essential system characteristics.基于系统特 征建模 (2)Analysis of the model to determine the properties of

the system.模型分析,确定系统属性
(3)Design of the controller控制器的设计
R
?

C

P

Y

82

1.7 控制系统的设计概述
五个要素:
1、建模modeling 2、分析analysis 3、设计design 4、性能规范的开发,确定控制设计的目标。

Development of performance specification
5、通过软件和硬件完成控制器的实现。包括传感器、信号 处理、控制元素、最后组装、测试、验证、交付和操作。 Implementation of the controller 83

1.7 控制系统的设计概述
Original system -plant -sensors -actuators Develop Performance specifications Key activities of the “MAD” Control Engineer Implementation: -Modeling -Analysis -Design

Measurement modeling

Desired performance

Math Model Of Plant

analysis

simulation

design

Math Model Of controller

Implementation -physical controller -coupling controller With plant

control system design process

New System

84

1.8 Matlab在本章中的应用
『Reading Material』
1.

Overview of the MATLAB Environment The MATLAB is a high-performance language for technical computing integrates

computation, visualization, and programming in an easy-to-use environment where problems and solutions are expressed in familiar mathematical notation. Typical uses include
? ? ? ? ? ? ?

Math and computation Algorithm development Data acquisition Modeling, simulation, and prototyping Data analysis, exploration, and visualization Scientific and engineering graphics Application development, including graphical user interface building

85

1.8 Matlab在本章中的应用
『Reading Material』
2. Control System Toolbox
(1) Overview of the Control System Toolbox software MATLAB technical computing software has a rich collection of functions immediately useful to the control engineer or system theorist. Complex arithmetic, eigenvalues, root-finding, matrix inversion, and fast Fourier transforms are just a few examples of important numerical tools found in MATLAB. More generally, the MATLAB linear algebra, matrix computation, and numerical analysis capabilities provide a reliable foundation for control system engineering as well as many other disciplines.

86

1.8 Matlab在本章中的应用
『Reading Material』
2. Control System Toolbox
(1) Overview of the Control System Toolbox software MATLAB technical computing software has a rich collection of functions immediately useful to the control engineer or system theorist. Complex arithmetic, eigenvalues, root-finding, matrix inversion, and fast Fourier transforms are just a few examples of important numerical tools found in MATLAB. More generally, the MATLAB linear algebra, matrix computation, and numerical analysis capabilities provide a reliable foundation for control system engineering as well as many other disciplines.

87

Example

本章小结
(1)自动控制的基本概念是在没有人直接参与的情况下,
利用控制装置操纵受控对象,使被控量等于设定的目标值。

(2)自动控制的基本控制结构有开环控制和闭环控制两种。 开环控制结构简单,抗扰动能力较差,控制精度一般不高。 闭环控制方式的主要特点是抗干扰能力强,控制精度高,

但存在能否稳定工作的问题。自动控制原理中主要讨论的
是闭环控制方式。 (3)根据不同的需要,可以将自动控制系统按照不同的分 类方法进行归类。 93

本章小结
(4)一般地,可从稳定(能否正常工作)、准(控制精
度)、快(快速响应能力)等方面的性能来评价自动控制 系统。而这些性能要求之间往往是相互制约的,因而需要 根据不同的工作任务来分析和设计自控系统,使其在满足 主要性能要求的同时,兼顾其他性能。

(5)自动控制理论是分析和设计自动控制系统的基础,其
发展大致可分为经典控制理论和现代控制理论两大阶段, 本书主要介绍经典控制理论。

94

Summary and Outcome Checklist 总结和收获
Control systems are what make machines and processes
function as intended. They are most often based on the principle of feedback whereby the signal to be controlled is compared to a desired reference signal and the discrepancy used to compute corrective control action. These signal

processing tasks are implemented through the use of
appropriate hardware called the controller.(基于反馈原理, 将信号控制与参考信号间的差异值用于计算校正控制行动。 这些信号处理是通过控制器完成的。) 95

Summary and Outcome Checklist 总结和收获
Tick the box for each statement with which you agree:
? I am able to explain the meaning of control in the context of machines and processes. ? I can differentiate between open-loop control and closed-loop control and give an example of each.

? I am able to sketch the block diagram of a closed-loop
control system and name each component and each signal in the diagram. 96

Summary and Outcome Checklist 总结和收获
Tick the box for each statement with which you agree:
? I can identify the function of each component and signal in the above block diagram. ? I am able to discuss load and load changes in a control system.

? I am able to list three criteria of good control.
? I am able to list the benefits of feedback control. ? I can describe the general approach to designing feedback Control systems. 97

水位控制系统
在工农业生产以及日常生活应用中,常常会需要对容
器中的液位(水位)进行自动控制。比如自动控制水箱、 水池、水槽、锅炉等容器中的蓄水量,生活中抽水马桶的 自动补水控制、自动电热水器、电开水机的自动进水控制 等。虽然各种水位控制的技术要求不同,精度不同,但基

本的控制原理都可以归纳为一般的反馈控制方式,它们的
主要区别在于检测液位的方式、反馈形式,以及控制器上 的区别。

98

水位控制系统
最简单的自动水位控制装置
在工厂化的家禽饲养中,由于饲养的的空间很小,家 禽密度很高,饮水槽不可以做的很大,否则将被家禽践踏 而使引水受到污染。但又要保持有充足的水量,不断的自 动补充新鲜的饮水。解决这个矛盾的办法就是需要一套自

动水位控制系统,使得很小、很浅的饮水槽中始终有水而
且水位维持不变。

99

水位控制系统
双容水槽 水槽是常见的水位控制系统的被控对象。下图是两个串联 单容水槽构成的双容水槽。其输入量为调节阀1产生的阀 门开度变化△u,而输出量为第二个水槽的液位增量△h2。 在水流量增量(ΔQi)、水槽液位增量(Δhi)及液阻(R) 之间。经平衡点线性化后,可以导出如下关系式:

d ?h2 ? dt ? ? ?h1 ?h2 ? ?Q1 ? , ?Q2 ? ?H 2 ( s) K ? R1 R2 ? ? G ( s) ? ? 2 ?U ( s) T1T2 s ? (T1 ? T2 ) s ? 1 d ?h1 ? ? ?Qi ? ?Q1 ? C1 dt ? ? ?Qi ? Ku ?u ? ?Q1 ? ?Q2 ? C2

100

水位控制系统
双容水槽系统校正与仿真
T1=0.5; T2=0.04; K=1; num =[K];

den=[T1*T2 T1+T2 1];
Step(num,den) 因为系统为稳定系统不需要校正,仿真图。

101

1. 轧钢计算机控制系统 轧钢计算机控制系统的工作原理如图 1 - 8 所示。

被控对象: 轧辊。
被控量: 轧辊的输出量——厚度和张力。 干扰量: 主要是元件参数的变化而引起的干扰力矩。 测量元件: 厚度传感器和张力传感器。 给定量: 厚度给定、 张力给定, 是人们设计的希望值。

计算装置: 数字计算机。
执行元件: 电动机。
102

开卷机 厚度控制

轧辊 厚度传感器

电动机

张力控制

D/A 张力给定 厚度给定

张力传感器

A/D

数字计算机

图 1 - 8 轧钢计算机控制系统的原理图
103

数字计算机

D/A

轧辊

厚度张力

A/D

厚度或张 力传感器

图 1 - 9 轧钢计算机控制系统的原理方框图
104

2. 机床台控制系统 机床台控制系统的工作原理如图 1 - 10 所示。 被控对象: 工作台。 被控量: 工作台的输出量——位移xo。 干扰量: 主要是元件参数的变化而引起的干扰力矩 。

测量元件: 角位移测量装置和测速机。

105

xo xi 控制器 放大变换 u (t) 工作台

电动机

测速机

滚珠丝杆

角位移测量装置

图 1 - 10 机床台控制系统的原理图
106

xi

控制器

放大变换

电动机

工作台

xo

测速机

角位移测量装置

图 1 - 11 机床台控制系统的原理方框图
107

给定量: xi,是设计者要把零件的毛胚加工 成理想的那个模线。 计算装置:控制器,用来把三个输入信号 比较后得到的差值输出给放大变换器, 进而控制电动机的转动。 执行元件:电动机,用来拖动工作台按理 想的模线运动。 机床台控制系统的原理方框图如图 1 - 11 所 示。
108

3. 液位控制系统 工作原理如图 1 - 12 所示。 被控对象: 液体储罐。 被控量: 液体储罐的输出量——液位xo。 扰动量: 主要是Q2的变化。 给定量:液体储罐中液位的希望高度xi。 测量元件: 液位变送器。 计算装置: 调节器。 执行元件: 调节阀。 液位控制系统的原理方框图如图 1-13 所示 109 。

调节器 H 调节阀 Q1 变送器

液体储罐

阀门 Q2

图 1 - 12 液位控制系统的原理图
110

干扰 量 xi 调节 器 调节 阀 液体 储罐 xo

变送 器

图 1 - 13 液位控制系统的原理方框图

111

?

4. 转速、 电流双闭环直流调速系统 转速、 电流双闭环直流调速系统原理 图如图 1 - 14 所示。 系统的方框图如图 1 - 15 所示。

112

U TA C1 ∞ +U si ASR - R0 Ufi + - R0
? R0

+ Us n R0

R1

R2 R0 - +
? R0

C2 ∞ + U c

RP3 Ld Ud

RP1

M



ACR

- Ufn

RP2

TG

图 1 - 14 转速、 电流双闭环直流调速系统原理图
113

电流环 Ufi =?Id 给 定 电 位 器 RP1 速 度 调 节 器 Us i - + ?Ui 电 流 调 节 器 ACR

电 整 流 流 互 电 感 路 器 UT A Uc

给定

Us n + -

?Un

触 发 电 路

整 流 电 路

Ud

电 动 机 M

n (转速)

ASR Ufn =??n

速度环

测 速 发 电 机 TG

图 1 - 15 转速、 电流双闭环直流调速系统方框图
114

?

由图 1 - 14 可见, 该系统有两个反馈 回路, 构成两个闭环回路, 故称双闭环。 其 中, 一个是由电流调节器ACR和电流检测-反馈 环节构成的电流环; 另一个是由速度调节器 ASR和转速检测-反馈环节构成的速度环。 由 于速度环包围电流环, 因此称电流环为内环 (又称副环), 称速度环为外环(又称主环 )。 在电路中, ASR和ACR实行串级连接, 即由ASR去“驱动”ACR, 再由ACR去“控 制”触发电路。 图中速度调节器ASR和电流 调节器ACR均为比例加积分(PI)调节器。
115

课后题
1-4判定下列方程描述的系统是线性定常系统、线性时变
系统还是非线性系统。r(t)是输入信号,c(t)是输出信号。 注明:用线性微分方程或差分方程描述系统,成为线性系 统。其中系数全为常数,称为线性定常系统,否则为线性 时变系统。 非线性方程描述的系统为非线性系统。它的系数与变量有 关,或者方程中含有变量及其导数的高次幂或乘积项。 116

课后题
1-4判定下列方程描述的系统是线性定常系统、线性时变
系统还是非线性系统。r(t)是输入信号,c(t)是输出信号。
c(t ) ? 3r (t ) ? 6 (1)
t dr (t ) ? 5? r (? ) dt 0 dt

等式两边求导一次,方程式线性常微分方程,系统是线性 定常系统
d 2 r (t ) (2) c(t ) ? 2r (t ) ? t dt 2
2

有变量的二次项,最右边一项的系数是时间函数,系统是 非线性时变系统。

117

2 (3)c(t ) ? [r (t )]

等式右边有变量平方运算,系统是非线性定常系统 (4) c(t ) ? 5 ? r (t ) cos ?t 等式最右边一项的系数是时间函数cos?t,系统是线性时变 系统。
d 3c(t ) d 2c(t ) dc(t ) ? 3 ? 6 ? c(t ) ? r (t ) (5) dt 3 2 dt dt

方程是线性常微分方程,系统是线性定常系统。 (6)
t dc(t ) dr (t ) ? c(t ) ? r (t ) ? 3 dt dt

方程中最左边一项的系数是时间函数t,系统是线性时变系 统。 118


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