第1章緒論成都紡織高等?？茖W(xué)校

第1章緒論1.1引言習(xí)題1.1引言1.1.1自動控制實(shí)際概述自動控制實(shí)際是研討各種自動控制過程共同規(guī)律的技術(shù)學(xué)科。它的開展初期是以反響實(shí)際為根底的自動調(diào)理實(shí)際。隨著科學(xué)技術(shù)的提高，自動控制原理已開展成為一門獨(dú)立的學(xué)科，它包括工程控制論、生物控制論、經(jīng)濟(jì)控制論和社會控制論。經(jīng)典控制實(shí)際是指20世紀(jì)50年代末期所開展構(gòu)成的實(shí)際體系。經(jīng)典控制實(shí)際主要是研討單輸入—單輸出線性定常系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)問題，其實(shí)際根底是描畫系統(tǒng)輸入—輸出關(guān)系的傳送函數(shù)，主要采用時域分析方法和頻域分析方法?，F(xiàn)代控制實(shí)際是在20世紀(jì)60年代初期，為順應(yīng)更復(fù)雜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，研討具有高性能、高精度的多輸入-多輸出系統(tǒng)而出現(xiàn)的新的控制實(shí)際。自動控制原理是一門自動控制專業(yè)的根底實(shí)際課程，它屬于技術(shù)根底課程，該課程講述的是自動控制系統(tǒng)分析設(shè)計(jì)的一些根本方法，譬如根軌跡法、頻域呼應(yīng)法、形狀空間法等。1.1.2自動控制的開展歷史及現(xiàn)狀自動控制技術(shù)在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防和科學(xué)技術(shù)現(xiàn)代化中起著非常重要的作用。自動控制技術(shù)程度的高低也是衡量科學(xué)技術(shù)先進(jìn)與否的重要標(biāo)志之一。隨著國民經(jīng)濟(jì)和國防建立的開展，自動控制技術(shù)的運(yùn)用日益廣泛，其重要作用也越來越顯著。自動控制的開展已有很長的歷史，自動機(jī)和自動鐘很早就發(fā)明了。1.1.3自動控制的根本方法自動控制系統(tǒng)有兩種最根本的方式，即開環(huán)控制和閉環(huán)控制。復(fù)合控制是將開環(huán)控制和閉環(huán)控制適當(dāng)結(jié)合的控制方式，可用來實(shí)現(xiàn)復(fù)雜且控制精度較高的控制義務(wù)。1.開環(huán)控制開環(huán)控制是指控制安裝與被控對象之間只需順向作用而沒有反向聯(lián)絡(luò)的控制過程。即被控量〔系統(tǒng)輸出〕不影響系統(tǒng)控制的控制方式稱為開環(huán)控制。所以，在開環(huán)控制中，不對被控量進(jìn)展任何檢測，在輸出端和輸入端之間不存在反響聯(lián)絡(luò)。開環(huán)控制又有兩種方式，即用給定值支配的控制方式和干擾補(bǔ)償?shù)目刂品绞健?〕用給定值支配的控制方式用給定值支配的開環(huán)控制系統(tǒng)的方框圖如圖1-1所示。圖1-1用給定值支配的開環(huán)控制這種控制方式的特點(diǎn)是：在給定輸入端到輸出端之間的信號傳送是單向進(jìn)展的。這種控制方式的缺陷是：當(dāng)受控對象或控制安裝遭到干擾，或者在任務(wù)過程中元件特性發(fā)生變化而影響被控量時，系統(tǒng)不能進(jìn)展自動補(bǔ)償，所以控制精度難以保證。但是由于它的構(gòu)造比較簡單，因此在控制精度要求不高或元器件任務(wù)特征比較穩(wěn)定而干擾又很小的場所中運(yùn)用比較廣泛。2〕用干擾補(bǔ)償?shù)目刂品绞接酶蓴_補(bǔ)償?shù)拈_環(huán)控制方式的方框圖如圖1-2所示。圖1-2用干擾補(bǔ)償?shù)拈_環(huán)控制這種控制方式的特點(diǎn)是：干擾信號經(jīng)丈量、計(jì)算、放大、執(zhí)行等元件到輸出端的傳送也是單向進(jìn)展的。用干擾補(bǔ)償?shù)目刂品绞街荒苡迷诟蓴_可以丈量的場所。另外這種控制方式在任務(wù)過程中不能補(bǔ)償由于元件及受控對象任務(wù)特性變化而對被控量所產(chǎn)生的影響。2.閉環(huán)控制被控量對系統(tǒng)參與系統(tǒng)控制的控制方式稱為閉環(huán)控制。閉環(huán)控制的方框圖如圖1-3所示。圖1-3閉環(huán)控制閉環(huán)控制的特點(diǎn)是在控制器和被控對象之間，不僅存在著正向作用，而且還存在著反響作用，即系統(tǒng)的輸出信號對被控制量有直接影響。在閉環(huán)控制中，被控量時時辰刻被檢測，或者再經(jīng)過信號變換，并經(jīng)過反響通道送回到比較元件和給定值進(jìn)展比較。閉環(huán)控制從原理上提供了實(shí)現(xiàn)高精度控制的能夠性，它對控制元件的要求比開環(huán)控制低。3.開環(huán)控制與閉環(huán)控制的比較普通來說，開環(huán)控制構(gòu)造簡單、本錢低、任務(wù)穩(wěn)定，因此，當(dāng)系統(tǒng)的輸入信號及擾動作用能預(yù)先知道并且系統(tǒng)要求精度不高時，可以采用開環(huán)控制。由于開環(huán)控制不能自動修正被控制量的偏離，因此系統(tǒng)的元件參數(shù)變化以及外來未知擾動對控制精度的影響較大。閉環(huán)控制具有自動修正被控制量出現(xiàn)偏離的才干，因此可以修正元件參數(shù)變化及外界擾動引起的誤差，其控制精度較高。但是正由于存在反響，閉環(huán)控制也有其缺乏之處，就是被控制量能夠出現(xiàn)振蕩，嚴(yán)重時會使系統(tǒng)無法任務(wù)。4.復(fù)合控制復(fù)合控制就是將開環(huán)控制和閉環(huán)控制相結(jié)合的一種控制方式。本質(zhì)上，它是在閉環(huán)控制回路的根底上，附加一個對輸入信號或?qū)_動作用的前饋通路，來提高系統(tǒng)的控制精度。前饋通路通常由對輸入信號的補(bǔ)償安裝或?qū)_動作用的補(bǔ)償安裝組成，分別稱為按輸入信號補(bǔ)償和按擾動作用補(bǔ)償?shù)膹?fù)合控制系統(tǒng)，如圖1-4所示。圖1-4復(fù)合控制系統(tǒng)方框圖(a)按輸入作用補(bǔ)償；(b)按擾動作用補(bǔ)償1.1.4控制系統(tǒng)的分類由于控制技術(shù)的廣泛運(yùn)用以及控制實(shí)際本身的開展，使得控制系統(tǒng)具有各種各樣的方式，從不同的角度出發(fā)，分類的方式也不一樣。本節(jié)僅引見兩種常見的分類方法。1.按輸入信號特征分類1〕定值控制系統(tǒng)給定信號〔給定值〕為一常值的控制系統(tǒng)稱為定值控制系統(tǒng)。這類控制系統(tǒng)的義務(wù)是保證在擾動作用下使被控變量一直堅(jiān)持在給定值上。在消費(fèi)過程中的溫度、壓力、流量、液位高度等大量的控制系統(tǒng)都屬于這一類系統(tǒng)。2〕隨動控制系統(tǒng)給定信號是一個未知變化量的閉環(huán)控制系統(tǒng)稱為隨動控制系統(tǒng)。這類控制系統(tǒng)的義務(wù)是保證在各種條件下系統(tǒng)的輸出〔被控變量〕以一定精度跟隨給定信號的變化而變化，所以這類控制系統(tǒng)又稱為跟蹤控制系統(tǒng)。如雷達(dá)無線跟蹤系統(tǒng)，當(dāng)被跟蹤目的位置未知時屬于這類系統(tǒng)。

3〕程序控制系統(tǒng)給定信號是一個按一定時間程序變化的時間函數(shù)的閉環(huán)控制系統(tǒng)就稱為程序控制系統(tǒng)。如熱處置爐溫度控制系統(tǒng)的升溫、保溫、降溫過程都是按照預(yù)先設(shè)定的規(guī)律進(jìn)展控制的，所以該系統(tǒng)屬于程序控制系統(tǒng)。2.按所運(yùn)用的數(shù)學(xué)方法分類1〕線性控制系統(tǒng)和非線性控制系統(tǒng)〔1〕線性控制系統(tǒng)。當(dāng)系統(tǒng)中各組成環(huán)節(jié)的特性可以用線性微分方程〔或差分方程〕來描畫時，這類系統(tǒng)稱為線性控制系統(tǒng)。線性控制系統(tǒng)的特點(diǎn)是可以運(yùn)用疊加原理?！?〕非線性控制系統(tǒng)。當(dāng)系統(tǒng)中存在非線性的組成環(huán)節(jié)時，系統(tǒng)的特征就由非線性微分方程來描畫，這樣的控制系統(tǒng)稱為非線性控制系統(tǒng)。對于非線性系統(tǒng)疊加原理是不適用的。2〕延續(xù)控制系統(tǒng)與離散控制系統(tǒng)〔1〕延續(xù)控制系統(tǒng)。當(dāng)控制系統(tǒng)中各組成環(huán)節(jié)的輸入和輸出信號都是時間的延續(xù)函數(shù)時，稱此類系統(tǒng)為延續(xù)控制系統(tǒng)。延續(xù)控制系統(tǒng)的特征普通是用微分方程來描畫的。信號的時間函數(shù)允許有延續(xù)點(diǎn)〔不延續(xù)點(diǎn)〕。假設(shè)系統(tǒng)是線性的而且又是延續(xù)的，那么稱為線性延續(xù)系統(tǒng)。圖1-5離散信號〔2〕離散控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)中只需有一個組成環(huán)節(jié)的輸入信號或輸出信號在時間上是離散的，就稱為離散控制系統(tǒng)。離散系統(tǒng)與延續(xù)系統(tǒng)的區(qū)別僅在于信號只在特定離散的瞬時〔如圖1-5所示〕是時間的函數(shù)，而在兩離散的瞬時點(diǎn)之間信號是不確定的。離散控制系統(tǒng)的特性可用差分方程來描畫。假設(shè)差分方程是線性的，那么系統(tǒng)為線性離散控制系統(tǒng)。圖1-6所示為幾種不同類離散系統(tǒng)的特性。圖1-6常見的非線性特性(a)飽和；(b)死區(qū)；(c)間隙；(d)干摩擦和粘性摩擦3〕單變量控制系統(tǒng)與多變量控制系統(tǒng)〔1〕單變量控制系統(tǒng)。在一個控制系統(tǒng)中，假設(shè)只需一個被控變量和一個控制造用來控制被控對象，那么稱該系統(tǒng)為單變量控制系統(tǒng)，又稱為單輸入—單輸出系統(tǒng)。如圖1-7所示。目前大量的過程控制系統(tǒng)都屬于這類系統(tǒng)。圖1-7單變量控制系統(tǒng)〔2〕多變量控制系統(tǒng)。假設(shè)一個控制系統(tǒng)中的被控變量多于一個，控制造用也多于一個，而且各控制回路相互之間有耦合關(guān)系，那么稱這類控制系統(tǒng)為多變量控制系統(tǒng)，也稱為多輸入—多輸出控制系統(tǒng)，如圖1-8所示。圖1-8多變量控制系統(tǒng)

1.1.5控制系統(tǒng)的研討內(nèi)容和方法1.控制系統(tǒng)的研討內(nèi)容控制系統(tǒng)的類型很多，但研討的內(nèi)容和方法是類似的。在研討控制系統(tǒng)時不是從詳細(xì)控制系統(tǒng)的物理性質(zhì)入手，而是從表征這些控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型出發(fā)，用數(shù)學(xué)〔包括實(shí)驗(yàn)〕的方法去構(gòu)造一個人們所需求的數(shù)學(xué)模型，或是去研討這種系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。2.控制系統(tǒng)的研討方法對于單變量線性控制系統(tǒng)，常采用經(jīng)典的時域法、頻率法和根軌跡法來進(jìn)展研討。1〕時域法時域法是一種以微分方程為根底而構(gòu)成的數(shù)學(xué)模型，通常采用求解微分方程的途徑，直接在時間域中對控制系統(tǒng)進(jìn)展研討的一種方法。2〕頻域法對于一些不容易從實(shí)際推導(dǎo)得出系統(tǒng)微分方程的場所，可以經(jīng)過頻率呼應(yīng)求得系統(tǒng)的特性。由于這種方法簡便，物理概念明了，因此在實(shí)際中得到了廣泛的運(yùn)用。3〕根軌跡法根軌跡法是一種以作圖法為根底研討控制系統(tǒng)的方法。由于它是從系統(tǒng)的開環(huán)特性出發(fā)去研討系統(tǒng)的閉環(huán)特性的，因此方法簡單，特別是在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時較為方便。1.1.6對控制系統(tǒng)的根本要求對任務(wù)在不同場所下的控制系統(tǒng)有不同的性能要求。本節(jié)主要從控制的角度來討論控制系統(tǒng)應(yīng)滿足的根本要求?？刂葡到y(tǒng)的義務(wù)是使被控量按參考輸入堅(jiān)持常值或跟隨參考輸入變化。但是要在任何時間做到這一點(diǎn)并不容易。如圖1-9所示的隨動系統(tǒng)的指令電位器，在瞬間轉(zhuǎn)動一個單位角度時，由于系統(tǒng)中慣性的存在以及能源功率的限制，因此任務(wù)機(jī)械不能夠立刻跟隨轉(zhuǎn)動相等的角度。圖1-9隨動系統(tǒng)當(dāng)偏向產(chǎn)生的控制造用使任務(wù)機(jī)械轉(zhuǎn)過與給定值相等的角度時，由于慣性的關(guān)系，任務(wù)機(jī)械將仍以一定速度繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，因此出現(xiàn)反向偏向?？刂葡到y(tǒng)又產(chǎn)生反向控制造用，使任務(wù)機(jī)械反向轉(zhuǎn)動。如此周而復(fù)始，出現(xiàn)了振蕩的跟蹤過程。控制系統(tǒng)的這一運(yùn)動過程稱為系統(tǒng)的動態(tài)過程。當(dāng)系統(tǒng)構(gòu)造及其參數(shù)匹配合理時，經(jīng)過一定時間后，被控量將趨于希望值。圖1-10表示了在階躍輸入信號作用下幾種系統(tǒng)被控量的變化過程，圖中x〔t〕表示輸入，y〔t〕表示輸出。圖1-10控制系統(tǒng)的階躍輸入和輸出(1)穩(wěn)定性。穩(wěn)定性是指系統(tǒng)被控量偏離給定值而振蕩時，系統(tǒng)抑制振蕩的才干。對于穩(wěn)定的系統(tǒng)，隨著時間的增長，被控量將趨近于希望值?？梢姺€(wěn)定性是保證系統(tǒng)正常任務(wù)的先決條件。圖1-10〔b〕和圖1-10〔c〕所示的系統(tǒng)是不穩(wěn)定的，這種系統(tǒng)不能正常任務(wù)。圖1-10〔d〕所示的系統(tǒng)是穩(wěn)定的。(2)快速性?？焖傩允侵副豢亓口吔Ｍ档目炻潭?。快速性好的系統(tǒng)，它的過渡過程時間就短，就能復(fù)現(xiàn)快速變化的控制信號，因此具有較高的動態(tài)精度。圖1-10〔d〕所示的系統(tǒng)1，其快速性要比系統(tǒng)2好。穩(wěn)定性和快速性是反映系統(tǒng)動態(tài)過程好壞的尺度。(3)準(zhǔn)確性。準(zhǔn)確性是指過渡過程終了后被控量與希望值接近的程度。也就是當(dāng)系統(tǒng)過渡到新的平衡任務(wù)形狀后，被控量與希望值偏向的大小。系統(tǒng)的這一性能目的稱為系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度。思索到控制系統(tǒng)的動態(tài)過程在不同階段中的特點(diǎn)，工程上經(jīng)常從穩(wěn)、快、準(zhǔn)三個方面來評價(jià)系統(tǒng)的總體精度。習(xí)題1.1什么是系統(tǒng)