第一章-反饋控制原理

1、自 動 控 制 原 理,天津理工大學(xué)電子信息與通信工程學(xué)院,課 程 特 點(diǎn),,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(xué)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(xué)習(xí)，使學(xué)生較好的掌握分析和設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的基本思想和基本方法，提高學(xué)生分析問題和解決問題的能力，為以后的課程的學(xué)習(xí)奠定一定的理論基礎(chǔ)。,課 程 特 點(diǎn),先修課程：《高等數(shù)學(xué)》《工程數(shù)學(xué)》

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(xué) 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(xué)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(xué)出版社2、《自動控制原理》 胡壽松 科學(xué)出版社 (第四版),教材：《自動控制原理》 張旺等 北京理工大學(xué)出版社,一、自動控制系統(tǒng)的發(fā)展,1.萌

3、芽18世紀(jì)第一次技術(shù)革命（機(jī)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(jī)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(jì)末）,2.奠定基礎(chǔ)（20世紀(jì)）——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(biāo)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(jī)器中控制和通訊的科學(xué)》，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(xué)科，應(yīng)用于火炮、導(dǎo)彈控制系統(tǒng)，數(shù)控、電力、 冶金，自動化技術(shù)錢學(xué)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(jì)控制論：經(jīng)濟(jì)運(yùn)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(jì)算機(jī)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(jìn)生產(chǎn)的發(fā)展和社會進(jìn)步產(chǎn)生深遠(yuǎn)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(jì)，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?yán)碚摰冉鷶?shù)學(xué)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(yīng)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(yù)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(yù)定規(guī)律運(yùn)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(dá)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(fù)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(jìn)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(diǎn)或系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)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(fù)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(diǎn)——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(fù)載等擾動因素不大，或這些擾動因素可以預(yù)測并進(jìn)行補(bǔ)償?shù)那疤嵯?，?yīng)盡量采用開環(huán)控制系統(tǒng)。 開環(huán)

10、控制的缺點(diǎn)——當(dāng)控制過程中受到來自系統(tǒng)外部的各種擾動因素，如負(fù)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(jìn)行補(bǔ)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(jī)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(jìn)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(shí)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(yùn)行，若一旦受到某些干擾（如負(fù)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(diǎn)——抑制擾動能力強(qiáng)，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(diǎn)——但是引入反饋增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，如果閉環(huán)系統(tǒng)參數(shù)的選取不適當(dāng)，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(jì)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(yīng)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(yīng)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(shí)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(fù)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(zhǔn)確、快速地跟隨給定量變化。隨動系統(tǒng)又稱伺服系統(tǒng)?；鹋谧詣用闇?zhǔn)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(xué)方法分類1）線性系統(tǒng)：該類系統(tǒng)的特點(diǎn)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(diǎn)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(yùn)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(yùn)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(biāo),1.典型外作用信號,現(xiàn)場或?qū)嶒?yàn)室易得到系統(tǒng)在此信號作用下能反映實(shí)際工作性能數(shù)學(xué)表達(dá)是簡單，易于理論計(jì)算,1）階躍函數(shù),如：,階躍信號下系統(tǒng)的響應(yīng)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(shí)中不存在,其響應(yīng)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(biāo),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(fù)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(yīng)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(yīng)作為系統(tǒng)過渡過程的指標(biāo),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(yīng)遲鈍，難以實(shí)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(shí)際輸出量的差,準(zhǔn)——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(biāo)。穩(wěn)態(tài)誤差越小，表示系統(tǒng)的準(zhǔn)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(zhǔn)的要求各有側(cè)重。而且對同一系統(tǒng)，穩(wěn)、快、準(zhǔn)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(qiáng)烈的振蕩，而過分追求穩(wěn)定性，又可能使系統(tǒng)反應(yīng)遲緩，最終導(dǎo)致準(zhǔn)確性變壞。如何分析和解決這些矛盾，將是本學(xué)科研究的主要內(nèi)容。,例1—直流電動機(jī)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(yùn)行，若一旦受到某些干擾（如負(fù)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(jī)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(jī)，并通過傳動機(jī)構(gòu)拖動調(diào)壓器動觸頭。當(dāng)溫度偏高時，動觸頭向減小電流的方向運(yùn)動，反之加大電流，直到溫度達(dá)