自动控制原理的部分章节
上篇第1章自动控制的一般概念本章将简要介绍有关自动控制的一般概念、自动控制系统的组成和分类、控制系统的性能指标等内容。1.1自动控制的基本概念与方式1.1.1自动控制的基本概念在现代科学技术的许多领域，自动控制技术起着越来越重要的作用。所谓自动控制就是指在没有人直接参与的情况下，控制装置或者控制器能够按照预先设定的规律使机器、设备或者生产过程（统称为被控对象）的某个工作状态或者参数（即控制量）自动地运行。例如，家用的全自动洗衣机、电冰箱、电暖气等都是常见的小型自动控制系统； 电阻炉温度控制系统可以按照给定的温度值自动地保持炉内温度恒定； 人造卫星可以准确地进入预定轨道运行并能被收回等，这些都体现出自动控制的优越性及特点。自动控制技术具有节省人力，提高系统控制精度，完成人工控制系统无法完成的工作等特点，广泛应用于工业、农业、交通、国防、宇航、社会等领域，自动控制已经成为现代社会生活中不可缺少的重要组成部分。下面举例说明自动控制的基本概念。例1-1恒压人工控制系统如图1-1所示。图1-1恒压人工控制系统此系统的控制任务是保持发电机输出电压U不变。在发电机转速n不变的情况下，发电机输出电压的大小受负载大小变化的影响； 调节电位器R的触点位置，可以改变发电机输出电压的大小。采用人工操纵，靠人眼观察电压表显示的数据变化，用手不断调节电位器触点位置，以保持发电机输出电压大小不变，显然，这种人工控制方式的控制实时性和精度都难以满足要求。例1-2恒压自动控制系统如图1-2所示。图1-2恒压自动控制系统给定参考电压为U0,将电压表测量出来的电压U和U0作比较，则放大器输入端电压为ΔU=U-U0,经过放大器调整执行电机SD两端电压大小，带动了电位器R触点的位置发生相应变化，继而调节发电机输出电压的大小。只要ΔU≠0，系统就开始自动调节直到发电机输出电压U和给定电压U0相等为止，这就实现了保持输出电压恒定的自动控制目的。采用自动控制方式来控制电压大小能使系统具有较高精度和达到实时性等要求。由上述可知，一个自动控制系统包括以下几个部分： ①被控对象； ②被控量； ③控制器； ④执行机构； ⑤给定量； ⑥检测装置。恒压自动控制系统中的被控对象是发电机，发电机的输出电压U是被控量，给定量是U0。为方便分析自动控制系统，一般采用结构框图来表示各个部件之间的结构关系。恒压自动控制系统的结构框图如图1-3所示。图1-3恒压自动控制系统结构框图从图1-3可以看出，恒压自动控制系统是典型的负反馈控制系统。在自动控制系统中负反馈系统是将被控量以负反馈的形式与给定量进行比较,并利用偏差来不断地消除其系统运行的偏差。因此，为了使所设计的自动控制系统满足工程实际的需要，必须研究系统的结构和参数与系统性能之间的关系，这也是自动控制原理的主要任务。1.1.2自动控制系统的基本控制方式控制系统的类型很多，它们的结构类型和所完成的任务各不相同。控制系统中最常见的两种控制方式是开环控制和闭环控制，这两种控制方式的组合就是复合控制方式。1. 开环控制如图1-4所示,控制器与被控对象之间只有顺向作用而无反向联系时，称为开环控制，其显著的特点是给定一个输入量,就有一个输出量与之对应，输出量的改变不会对输入量发生影响。例1-3图1-5是直流电动机转速开环控制系统，对应的系统结构框图如图1-6所示。在此系统中，给定电压ug经放大后得到电枢电压ua，电枢电压ua对应电机转速n； 若改变ug可以得到不同的转速n，该系统只有输入量ug对输出量n的单向控制，输出量和输入量之间不存在反馈回路。图1-4开环控制系统图1-5直流电动机转速开环控制系统图1-6直流电动机转速开环控制系统结构框图开环控制方式的特点是结构简单、系统稳定性好、调试方便。但如果在控制过程中受到来自系统外部的各种扰动因素时，不能自动进行补偿，抗干扰性能差、控制精度较低，这就大大限制了它的应用范围。开环控制一般只能用于对控制性能要求不高的场合。2. 闭环控制图1-7闭环控制系统控制器与被控对象之间不但具有顺向作用，还有反向联系，即系统中存在着被控量对控制过程的影响，这种控制方式称为闭环控制。闭环控制常被称为反馈控制，相应的控制系统称为闭环（或反馈）控制系统，如图1-7所示。例1-4图1-8是直流电动机转速闭环控制系统，对应的系统结构框图如图1-9所示。其中测速发电机是速度检测元件，其作用是将直流电动机实际转速转换成与转速成比例的电压信号。图1-8直流电动机转速闭环控制系统图1-9直流电动机转速闭环控制系统结构框图假设系统现正在某一转速n状态下运行，若一旦受到某些干扰（如负载转矩突然增大）而引起转速下降时，系统就会自动地产生如下的调整过程： Mc↑→n↓→uf↓→ue（ue=ug-uf）↑→ua↑→n↑从上述例子可以看出，闭环控制系统的反馈原理就是将系统的被控量以负反馈的形式与给定量进行比较,并利用偏差来不断地消除其系统运行的偏差。因此，闭环控制系统具有如下的特点。（1） 抑制扰动能力强。能抑制内部或者外部扰动对系统的影响，可采用低成本元件构成高精度系统，与开环控制相比，对参数变化不敏感，并能获得满意的动态特性和控制精度，使得闭环控制系统在控制工程中得到了广泛的应用。（2） 系统结构复杂，增加了调试难度。引入反馈会增加系统的复杂性，如果闭环系统参数的选取不适当，系统可能会产生振荡，甚至失去稳定性而导致无法正常工作。这也是自动控制理论和系统设计必须解决的重要问题。1.2自动控制系统的分类自动控制系统的分类方法较多，常见的有以下几种。1. 按照描述系统性能的动态方程分按照描述系统性能的动态方程的不同，可分为线性系统和非线性系统。若一个元件的输入与输出特性是线性的，则称该元件为线性元件，否则称为非线性元件。若构成一个系统中的所有元件都是线性元件，则该系统称为线性系统； 若构成系统的元件中有一个或一个以上是非线性元件，则该系统称为非线性系统。1) 线性系统线性系统可用线性微分方程（或差分方程）描述，即其各项系数均与变量无关。(1) 线性定常连续系统微分方程式的一般形式为a0dndtnc(t)+a1dn-1dtn-1c(t)+…+an-1ddtc(t)+anc(t)=b0dmdtmr(t)+b1dm-1dtm-1r(t)+…+bm-1ddtr(t)+bmr(t)(1-1)式中，c(t)表示系统的被控量,r(t)表示系统的给定量。① 当系数a0,a1,…,an,b0,b1,…,bm是常数时,该系统称为线性定常系统，这类系统是本书主要讨论的对象。② 当系数a0,a1,…,an,b0,b1,…,bm随时间变化时,该系统称为线性时变系统。(2) 线性定常离散系统差分方程式的一般形式为a0c(k+n)+a1c(k+n-1)+…+an-1c(k+1)+anc(k)=b0r(k+m)+b1r(k+m-1)+…+bm-1r(k+1)+bmr(k)(1-2)式中,c(k)表示输出序列,r(k)表示输入序列，a0,a1,…,an,b0,b1,…,bm为常数。2) 非线性系统非线性系统可用非线性微分方程（或差分方程）描述。非线性微分方程（或差分方程）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。例如y¨(t)+y(t)y·(t)+y2(t)=r(t)y(t)=r(t)cos ωt(1-3)2. 按照系统中信号在传递过程中的特点分按照系统中信号在传递过程中的不同特点，可分为连续系统和离散系统。从系统中的信号来看，若系统各部分的信号都是时间t的连续函数，即整个过程中都是模拟信号，则称此系统为连续系统。若系统中有一处或者多处信号为时间t的离散函数，即此处信号变成脉冲信号或者数字信号，则称此系统为离散系统。计算机控制系统、采样系统均是离散系统，其表现形式如图1-10所示。图1-10计算机控制系统3. 按照系统输入信号的变化规律分按照系统输入信号的不同变化规律，可分为恒值系统、随动系统和程序控制系统。（1） 恒值系统该类系统的输入信号是一个常数。系统受到扰动后，被控量偏离理想值而出现偏差，利用偏差消除偏差可使被控量调整到给定值或接近给定值。上述的恒压控制系统、恒转速闭环控制系统均属于恒值系统。（2） 随动系统这类系统的输入信号是未知的时间函数，系统能使被控量准确、快速地跟踪输入信号的变化。随动系统又称伺服系统。火炮自动瞄准系统、船舶自动舵均属此类系统。（3） 程序控制系统这类系统的输入信号是已知的时间函数，并要求被控量随之变化。例如机械加工中的数控伺服系统及一些自动化生产线等都属于该类系统范畴。此外，根据系统控制元件的类型，还可分为机电控制系统、液压控制系统、气动系统以及生物系统等； 根据系统的功能作用，可分为温度控制系统、压力控制系统、位置控制系统等。1.3对控制系统性能的基本要求及评价1.3.1对控制系统的基本要求自动控制理论是研究自动控制共同规律的一门学科。尽管自动控制系统有不同的类型，对每种系统也有不同的特殊要求。但总的说来，当各类系统在已知系统结构和参数的情况下，都是希望所设计的控制过程尽量接近理想的控制过程。因此，在工程上，对每一类系统的被控量随时间变化的全过程提出的基本要求都是一样的，可以归结为稳定性、快速性和准确性这三个方面，即稳、快、准，并用这三个方面来评价自动控制系统的总体精度和设计水平。1. 稳定性稳定性是保证控制系统正常工作的先决条件,线性控制系统的稳定性是由系统的结构和参数决定的,与外界因素和初始条件无关。一个稳定的控制系统是指系统在受到外作用后，经过一段时间，其被控量可以达到某一个稳定状态，如图1-11所示； 如果被控量最终是发散的，则系统是不稳定的，如图1-12所示； 若被控量最终是等幅振荡的，即系统处于临界稳定状态，则系统也属于不稳定系统； 不稳定系统是无法正常工作的。图1-11稳定系统图1-12不稳定系统另外，在实际生产中使用的系统不但要求其运行稳定，还要求被控量围绕给定值摆动的幅度要尽量小以及摆动的次数尽量少，即系统平稳性好，这样才能使系统满足实际生产的要求。2. 快速性在实际控制系统中，由于受构成系统元件的特性（储能元件或惯性元件等）所限，当给定量变化时，被控量不可能立即跟随其变化，而是存在一定的时间延迟，这个过程被称为系统的动态过程（或称过渡过程），它反映了系统的被控量随时间变化的全过程。图1-13控制系统的快速性及稳态精度示意图快速性是用来表征过渡过程时间长短的指标，即从系统受到外作用r(t)开始到输出响应c(t)可以达到某种稳定状态之间的时间间隔ts，如图1-13所示，过渡过程越短，说明系统快速性越好。快速性表明了系统被控量c(t)对给定量r(t)响应快慢的程度，系统响应越快，说明系统的输出信号c(t)复现输入信号r(t)的能力越强。
