第一章-反饋控制原理

1、自 動 控 制 原 理,天津理工大學電子信息與通信工程學院,課 程 特 點,,本課程主要介紹自動控制系統(tǒng)的基本概念，線性系統(tǒng)數(shù)學的模型，控制系統(tǒng)的時域分析法，控制系統(tǒng)的根軌跡分析法，控制系統(tǒng)的頻率特性分析法等。 通過本課程的學習，使學生較好的掌握分析和設(shè)計控制系統(tǒng)的基本思想和基本方法，提高學生分析問題和解決問題的能力，為以后的課程的學習奠定一定的理論基礎(chǔ)。,課 程 特 點,先修課程：《高等數(shù)學》《工程數(shù)學》

2、 《電路分析基礎(chǔ)》《數(shù)字電子技術(shù)》 《模擬電子技術(shù)》《信號與線性系統(tǒng)》,學 時：48,考核方式：考試,適用專業(yè)：電子信息工程、電子信息科學與技術(shù),主要參考書,參考書：1、《自動控制原理》 張旺等 北京理工大學出版社2、《自動控制原理》 胡壽松 科學出版社 (第四版),教材：《自動控制原理》 張旺等 北京理工大學出版社,一、自動控制系統(tǒng)的發(fā)展,1.萌

3、芽18世紀第一次技術(shù)革命（機械化）①俄國人波爾佐諾夫發(fā)明鍋爐水位調(diào)節(jié)器②英國人瓦特發(fā)明蒸汽機離心飛錘式調(diào)速器，萌生了自動控制的基本原理③1877年，勞斯，1895年，赫維茨分別提出了系統(tǒng)穩(wěn)定的代數(shù)判據(jù)（19世紀末）,2.奠定基礎(chǔ)（20世紀）——經(jīng)典控制論①30~40年代，奈奎斯特提出系統(tǒng)穩(wěn)定性的頻率判據(jù) 奈氏圖、奈氏判據(jù)、從時域分析轉(zhuǎn)到頻域分析②1940年，伯德在頻率法中引入對數(shù)坐標系，伯德圖③1942年，哈里斯

4、引入傳遞函數(shù)概念④1948年，伊萬恩提出根軌跡分析方法⑤1949年，英國人維納在火炮控制中發(fā)現(xiàn)了反饋的概念，出版了《控制——關(guān)于在動物和機器中控制和通訊的科學》，發(fā)現(xiàn)了控制論是信息、反饋與控制三個基本要素，奠定了控制論的基礎(chǔ)50年代中期，添加了非線性系統(tǒng)理論和離散控制理論，形成了完整的理論體系。,3.發(fā)展 迅速滲透到許多學科，應用于火炮、導彈控制系統(tǒng)，數(shù)控、電力、 冶金，自動化技術(shù)錢學森，1954年首創(chuàng)“工程控制論”，推

5、廣到其它領(lǐng)域生物控制論：生命系統(tǒng)經(jīng)濟控制論：經(jīng)濟運行與發(fā)展問題社會控制論：社會管理與社會服務(wù)問題 隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，控制論無論在三要素內(nèi)涵上，還是在深度上和廣度上都發(fā)展變化著，對促進生產(chǎn)的發(fā)展和社會進步產(chǎn)生深遠的影響。,二、自動控制系統(tǒng)的分類,1.經(jīng)典控制理論 40~50年代，高階常微分方程 以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)，研究單輸入、單輸出系統(tǒng)的分析和設(shè)計，針對線性定常系統(tǒng)，主要研究方法有時域分析法、根軌跡法和頻率特性法

6、。2.現(xiàn)代控制理論 60~70年代 以矩陣理論等近代數(shù)學方法作為工具，主要研究方法是狀態(tài)空間法，把高階常微分方程轉(zhuǎn)化為一階常微分方程組來描述系統(tǒng)，解決多輸入多輸出的問題，可處理多變量、非線性、時變系統(tǒng)。3.70年代至今 巨大發(fā)展 最優(yōu)控制、系統(tǒng)辨識、多變量控制、自適應控制、專家系統(tǒng)、人工智能、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、模糊控制、大系統(tǒng)理論等,第二節(jié) 自動控制的基本概念,一、自動控制的基本術(shù)語,1、控制：根據(jù)某種原理或方法

7、，使特定對象（被控對象）的某些物理量（被控量）按照預期規(guī)律變化的操縱過程,2、人工控制 ：由人直接或間接操作執(zhí)行裝置的控制方式 自動控制：是指在沒有人直接或間接參與的情況下，利用外加的設(shè)備和裝置使被控對象自動按照預定規(guī)律運行,4、自動控制系統(tǒng)：由控制器和被控對象組成的，能夠?qū)崿F(xiàn)自動控制任務(wù)的系統(tǒng),3、系統(tǒng)：為達到某一目的，由相互制約的各個部分，按照一定規(guī)律組成的具有一定功能的整體,5、被控制量：在控制系統(tǒng)中，按規(guī)定的任務(wù)需要加以

8、控制的物理量,6、反饋：通過測量變換裝置，將系統(tǒng)或元件的輸出量返回到輸入端，與輸入信號相比較產(chǎn)生偏差的過程,7、負反饋原理：把被控制量反饋到系統(tǒng)的輸入端與參考輸入進行比較，利用偏差產(chǎn)生控制作用，通過控制輸出控制量以減少或消除誤差,二、控制系統(tǒng)的基本形式,,控制系統(tǒng)的類型很多，它們的結(jié)構(gòu)類型和所完成的任務(wù)也各不相同?？刂葡到y(tǒng)從信息傳送的特點或系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點來看可分為開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)，以及同時具有開環(huán)結(jié)構(gòu)和閉環(huán)結(jié)構(gòu)的復合控制系統(tǒng)。

9、,1、開環(huán)控制系統(tǒng) 只有輸入量的前向控制作用，輸出量并不反饋回來影響輸入量的控制作用，因而，我們將它稱為開環(huán)控制系統(tǒng)（Open-Loop Control System）。開環(huán)控制系統(tǒng)可用下圖表示。,開環(huán)系統(tǒng)的優(yōu)點——結(jié)構(gòu)簡單，系統(tǒng)穩(wěn)定性好，調(diào)試方便，成本低。因此，在輸入量和輸出量之間的關(guān)系固定，且內(nèi)部參數(shù)或外部負載等擾動因素不大，或這些擾動因素可以預測并進行補償?shù)那疤嵯?，應盡量采用開環(huán)控制系統(tǒng)。 開環(huán)

10、控制的缺點——當控制過程中受到來自系統(tǒng)外部的各種擾動因素，如負載變化、電源電壓波動等，以及來自系統(tǒng)內(nèi)部的擾動因素，如元件參數(shù)變化等，都將會直接影響到輸出量，而控制系統(tǒng)不能自動進行補償。因此，開環(huán)系統(tǒng)對元器件的精度要求較高。,示例——直流電動機開環(huán)調(diào)速系統(tǒng),給定電壓ug經(jīng)放大后得到電樞電壓ua，改變ug可得不同的轉(zhuǎn)速n，該系統(tǒng)只有輸入量ug對輸出量n的單向控制作用。輸出端和輸入端之間不存在反饋回路。,因而，輸出量n對輸入量ug沒有任何影響

11、和聯(lián)系，輸出量的改變不會產(chǎn)生控制作用。,2、閉環(huán)控制系統(tǒng) 閉環(huán)控制系統(tǒng)（Close-Loop Control System）又稱反饋控制系統(tǒng)（Feedback Control System） ，是在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，把輸出量檢測出來，經(jīng)過物理量的轉(zhuǎn)換，再反饋到輸入端去與給定值（參考輸入）進行比較（相減），并利用比較后的偏差信號，以一定的控制規(guī)律產(chǎn)生控制作用，抑制內(nèi)部或外部擾動對輸出量的影響，逐步減小以至消除這

12、一偏差，從而實現(xiàn)要求的控制性能。,設(shè)上述系統(tǒng)原已在某個給定電壓ug相對于的轉(zhuǎn)速n狀態(tài)下運行，若一旦受到某些干擾（如負載轉(zhuǎn)矩突然增大）而引起轉(zhuǎn)速下降時，系統(tǒng)就會自動地產(chǎn)生調(diào)整過程,,閉環(huán)控制的優(yōu)點——抑制擾動能力強，與開環(huán)控制相比，對參數(shù)變化不敏感，并能獲得滿意的動態(tài)特性和控制精度。 閉環(huán)控制的缺點——但是引入反饋增加了系統(tǒng)的復雜性，如果閉環(huán)系統(tǒng)參數(shù)的選取不適當，系統(tǒng)可能會產(chǎn)生振蕩，甚至系統(tǒng)失穩(wěn)而無法正常工作，這是自動控制理論和

13、系統(tǒng)設(shè)計必須解決的重要問題。,自動控制理論主要研究閉環(huán)控制系統(tǒng),三、自動控制系統(tǒng)的基本組成,1、組成,給定元件——是給出與期望的輸出相對應的系統(tǒng)輸入量，是產(chǎn)生控制指令的裝置。反饋元件——如傳感器和測量儀表，測量被控變量的值并把它變換為與輸入 量同一物理量后，再反饋到輸入端以作比較。比較元件——比較輸入信號與反饋信號，以產(chǎn)生反映兩者差值的偏差信號。放大元件——將微弱的信號作線性放大。校正元件——按某種函數(shù)規(guī)

14、律變換控制信號，改善系統(tǒng)的動態(tài)品質(zhì)或靜態(tài)性能。執(zhí)行元件——由偏差信號的性質(zhì)執(zhí)行相應的控制作用，使被控制量按期望值變化,2、常見名詞,輸入信號：系統(tǒng)的輸入信號是指參考輸入，又稱給定量或給定值，它是控制著輸出量變化規(guī)律的指令信號。輸出信號：系統(tǒng)的輸出信號是指被控對象中要求按一定規(guī)律變化的物理量，又稱被控量，它與輸入量之間保持一定的函數(shù)關(guān)系。反饋信號：由系統(tǒng)（或元件）輸出端取出并反向送回系統(tǒng)（或元件）輸入端的信號稱為反饋信號。反饋分為主

15、反饋和局部反饋。偏差信號：它是指參考輸入與主反饋信號之差。偏差信號簡稱偏差。誤差信號：它是指系統(tǒng)輸出量的實際值與期望值之差，簡稱誤差。擾動信號：簡稱擾動或干擾，它與控制作用相反，是一種不希望的、影響系統(tǒng)輸出的不利因素。擾動信號既可來自系統(tǒng)內(nèi)部，又可來自系統(tǒng)外部，分別為內(nèi)部擾動和外部擾動。,四、自動控制系統(tǒng)的分類,,1.按輸入信號的特征分類1）恒值調(diào)節(jié)系統(tǒng)：該類系統(tǒng)的輸入信號為一常數(shù)，擾動使被控量偏離理想值而出現(xiàn)偏差，利用偏差該

16、系統(tǒng)可使被控量回復到理想值或接近理想值。轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)、恒溫控制系統(tǒng)均屬于此類系統(tǒng)。2）程序控制系統(tǒng)：該類系統(tǒng)的輸入信號是已知時間函數(shù)。如：熱處理的溫度升溫、保溫、降溫過程。3）隨動系統(tǒng)：這類系統(tǒng)的給定量是時間的未知函數(shù)，系統(tǒng)能使被控量準確、快速地跟隨給定量變化。隨動系統(tǒng)又稱伺服系統(tǒng)。火炮自動瞄準系統(tǒng)、船舶自動舵均屬此類系統(tǒng)。,2.按描述系統(tǒng)使用的數(shù)學方法分類1）線性系統(tǒng)：該類系統(tǒng)的特點在于組成系統(tǒng)的各環(huán)節(jié)的輸入輸出特性都是

17、線性的，系統(tǒng)的性能可用線性微分方程（或差分方程）來描述。2）非線性系統(tǒng)：該類系統(tǒng)的特點在于系統(tǒng)中含有一個或多個非線性元件。系統(tǒng)的性能需用非線性微分方程（或差分方程）來描述。,3.按信號的傳遞是否連續(xù)分類1）連續(xù)系統(tǒng)：該類系統(tǒng)各環(huán)節(jié)間的信號均為時間t的連續(xù)函數(shù)，其運動規(guī)律可用微分方程描述。2）離散系統(tǒng)：該類系統(tǒng)在信號傳遞過程中有一處或多處的信號是脈沖序列或數(shù)字編碼，其運動規(guī)律可用差分方程描述。數(shù)字控制系統(tǒng)、采樣系統(tǒng)為離散系統(tǒng)。,4.

18、按其參數(shù)是否隨時間變化而分 定常系統(tǒng)—系統(tǒng)中的參數(shù)不隨時間變化而變化 時變系統(tǒng)—系統(tǒng)中的參數(shù)是時間t的函數(shù),五、自動控制系統(tǒng)的性能指標,1.典型外作用信號,現(xiàn)場或?qū)嶒炇乙椎玫较到y(tǒng)在此信號作用下能反映實際工作性能數(shù)學表達是簡單，易于理論計算,1）階躍函數(shù),如：,階躍信號下系統(tǒng)的響應常用來評價系統(tǒng)動態(tài)特性,2）斜坡函數(shù),如：,常用來評價系統(tǒng)跟蹤特性,3）沖激函數(shù),現(xiàn)實中不存在,其響應具有特殊性,4）正弦函數(shù),如：,傅里葉級數(shù),2

19、.自動控制系統(tǒng)指標,1）穩(wěn)定性 穩(wěn)定是系統(tǒng)正常工作的起碼條件,穩(wěn)——指控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和平穩(wěn)性。穩(wěn)定性——指系統(tǒng)重新恢復平衡狀態(tài)的能力，它是自動控制系統(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平穩(wěn)性——指過渡過程振蕩的振幅與頻率。即被控量圍繞給定值擺動的幅度和擺動的次數(shù)。好的過渡過程擺動的幅度要小，擺動的次數(shù)要少。,2）過渡過程 一般以階躍信號的響

20、應作為系統(tǒng)過渡過程的指標,快——是指控制系統(tǒng)的快速性，即過渡過程持續(xù)的時間長短。過渡過程越短，說明系統(tǒng)快速性越好，過渡過程持續(xù)時間越長，說明系統(tǒng)響應遲鈍，難以實現(xiàn)快速變化的指令信號。,3）穩(wěn)態(tài)誤差 系統(tǒng)希望輸出量與實際輸出量的差,準——是指系統(tǒng)在過渡過程結(jié)束后，其被控量（或反饋量）對給定值的偏差而言，這一偏差稱為穩(wěn)態(tài)誤差，它是衡量系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度的重要指標。穩(wěn)態(tài)誤差越小，表示系統(tǒng)的準確性越好。,由于被控對象的具體情況不同，各系統(tǒng)

21、對穩(wěn)、快、準的要求各有側(cè)重。而且對同一系統(tǒng)，穩(wěn)、快、準的要求常常是相互制約的。過分提高過程的快速性，可能會引起系統(tǒng)強烈的振蕩，而過分追求穩(wěn)定性，又可能使系統(tǒng)反應遲緩，最終導致準確性變壞。如何分析和解決這些矛盾，將是本學科研究的主要內(nèi)容。,例1—直流電動機開環(huán)調(diào)速系統(tǒng),給定電壓ug經(jīng)放大后得到電樞電壓ua，改變ug可得不同的轉(zhuǎn)速n，該系統(tǒng)只有輸入量ug對輸出量n的單向控制作用。輸出端和輸入端之間不存在反饋回路。,因而，輸出量n對輸入量ug

22、沒有任何影響和聯(lián)系，輸出量的改變不會產(chǎn)生控制作用。,第三節(jié) 自動控制系統(tǒng)舉例,設(shè)上述系統(tǒng)原已在某個給定電壓ug相對于的轉(zhuǎn)速n狀態(tài)下運行，若一旦受到某些干擾（如負載轉(zhuǎn)矩突然增大）而引起轉(zhuǎn)速下降時，系統(tǒng)就會自動地產(chǎn)生如下的調(diào)整過程：,,例2—直流電動機閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng),例3—恒溫箱自動控制系統(tǒng),溫度偏差信號經(jīng)電壓、功率放大后，用以驅(qū)動執(zhí)行電動機，并通過傳動機構(gòu)拖動調(diào)壓器動觸頭。當溫度偏高時，動觸頭向減小電流的方向運動，反之加大電流，直到溫度達