第1章

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1 第 1 章 自 动 控 制 系 统 的 基 本 概 念 1.1 引 言 你 现 在 可 能 并 不 理 解 自 动 控 制 复 杂 的 细 节, 却 已 从 现 代 生 活 中 的 洗 衣 机 电 冰 箱 电 饭 煲 等 生 活 用 品 感 受 到 自 动 控 制 给 我 们 带 来 的 便 利 在 这 个 星 球 上, 我 们 的 生 活 在 很 大 程 度 上 都 依 赖 于 自 动 运 行 的 系 统 这 些 系 统 在 不 需 要 人 们 干 预 的 情 况 下, 自 动 执 行 某 些 功 能 的 能 力 对 我 们 的 生 活 产 生 了 巨 大 的 影 响, 自 动 控 制 的 成 就 令 人 类 着 迷 和 兴 奋 自 动 控 制 的 自 然 和 人 造 系 统 我 们 先 来 认 识 一 些 我 们 周 围 存 在 的 能 实 现 自 动 控 制 的 自 然 和 人 造 系 统 以 人 体 自 然 系 统 为 例, 这 个 系 统 持 续 的 自 动 控 制 是 我 们 保 持 健 康 的 基 本 条 件 人 体 可 以 通 过 体 温 控 制 系 统 心 跳 控 制 系 统 眼 球 聚 焦 系 统 新 陈 代 谢 系 统 呼 吸 系 统 以 及 肾 脏 肺 和 肝 脏 及 其 他 许 多 人 体 内 的 系 统 完 成 许 多 功 能, 从 而 维 持 我 们 的 生 命 这 些 系 统 是 在 我 们 非 有 意 识 干 预 的 情 况 下 自 动 运 行 的 在 日 常 生 活 中, 我 们 接 触 到 或 使 用 着 许 多 自 动 运 行 的 人 造 系 统, 如 在 高 层 建 筑 中 的 电 梯 控 制 系 统, 炎 热 夏 季 和 寒 冷 冬 季 的 室 内 温 度 空 调 系 统, 水 箱 中 热 水 的 温 度 控 制 系 统, 水 位 控 制 装 置, 刹 车 防 抱 死 系 统 这 些 只 是 众 多 的 自 动 运 行 系 统 的 几 个 例 子, 除 此 之 外, 你 也 能 试 举 出 类 似 的 例 子 自 动 控 制 的 作 用 就 是 在 人 不 直 接 参 与 的 情 况 下, 能 够 使 某 些 被 控 制 量 ( 如 工 业 加 热 炉 的 炉 温 飞 机 的 飞 行 速 度 与 仰 角 ) 按 指 定 的 规 律 变 化 因 此 自 动 控 制 是 一 个 非 常 有 吸 引 力 的 研 究 领 域, 在 过 去 的 几 十 年 中 发 展 起 来 的 理 论 和 实 践 解 决 了 大 量 的 自 动 化 问 题, 使 这 个 领 域 具 有 了 通 用 的 特 点 在 现 代 生 活 的 所 有 方 面, 从 宇 宙 飞 船 导 弹 制 导 和 飞 机 驾 驶 到 机 器 制 造 工 业 生 产 过 程 和 日 常 生 活 中, 自 动 控 制 系 统 都 是 极 其 重 要 且 不 可 缺 少 的 部 分 例 如, 在 工 业 过 程 中, 对 压 力 温 度 流 量 液 位 和 成 分 的 控 制 ; 在 机 器 制 造 工 业 中, 机 器 零 件 的 加 工 处 理 和 装 配 的 控 制 ; 此 外, 在 机 器 人 城 市 交 通 网 络 堵 塞 等 问 题 中, 自 动 控 制 也 发 挥 着 重 要 作 用 将 自 动 控 制 技 术 用 于 生 产, 可 以 提 高 劳 动 生 产 率, 改 善 劳 动 条 件 和 加 强 企 业 管 理 将 自 动 控 制 技 术 用 于 国 防 领 域, 可 以 提 高 部 队 的 战 斗 力, 促 进 国 防 现 代 化 自 动 控 制 技 术 在 探 索 新 能 源 发 展 空 间 技 术 改 善 人 民 生 活 以 及 处 理 经 济 社 会 问 题 等 方 面 都 起 着 日 益 重 要 的 作 用 自 动 控 制 系 统 有 电 子 的 机 械 的 化 学 的 水 力 的 金 融 的 和 经 济 的 自 动 控 制 理 论 是 一 门 使 用 很 多 数 学 方 法 的 边 缘 学 科 它 不 仅 吸 取 众 多 领 域 的 研 究 成 果 和 知 识, 它 的 不 断 发 展 和 深 入 研 究 还 有 利 于 把 很 多 分 离 研 究 的 学 科 融 合 到 一 起, 并 应 用 于 同 一 问 题 之 中 自 动 控 制 理 论 的 概 念 正 在 不 断 地 扩 充 和 渗 透 到 诸 多 其 它 研 究 领 域

2 1.1.2 自 动 控 制 理 论 发 展 简 史 在 学 习 自 动 控 制 之 前, 我 们 满 怀 敬 重 简 要 的 了 解 自 动 控 制 理 论 及 发 展 史 上 的 重 要 理 论 与 贡 献 人 物 自 动 控 制 理 论 是 关 于 自 动 控 制 系 统 及 分 析 与 设 计 的 理 论 其 任 务 是 研 究 自 动 控 制 系 统 中 变 量 的 运 动 规 律 和 改 变 这 种 运 动 规 律 的 可 能 性 和 途 径, 为 建 立 高 性 能 的 自 动 控 制 系 统 提 供 必 要 的 理 论 依 据 自 动 控 制 的 某 些 思 想 可 以 追 溯 到 久 远 的 古 代 古 代 罗 马 人 的 具 有 反 馈 原 理 的 简 单 水 位 控 制 装 置 ; 我 国 和 希 腊 古 代 的 具 有 反 馈 原 理 控 制 水 流 速 度 的 铜 壶 滴 漏 钟 ; 两 千 年 前 我 们 祖 先 发 明 的 指 南 车 ; 公 元 年 我 国 的 苏 颂 和 韩 公 廉 发 明 的 水 运 仪 象 台 ; 大 约 在 1620 年 Derbbel 设 计 的 鸡 蛋 孵 化 器 等 但 是 直 到 1787 年 James Watt 设 计 的 离 心 式 调 速 器 在 蒸 汽 机 速 度 控 制 上 得 到 普 遍 应 用 并 易 于 出 现 振 荡 现 象 时, 才 开 始 出 现 研 究 控 制 理 论 的 需 要 控 制 理 论 的 形 成 远 比 控 制 技 术 的 应 用 晚 1868 年, 英 国 物 理 学 家 J.C.Maxwell 在 论 文 论 调 节 器 中 首 先 解 释 了 Watt 速 度 控 制 系 统 中 出 现 的 不 稳 定 问 题, 通 过 线 性 常 微 分 方 程 的 建 立 和 分 析, 指 出 了 振 荡 现 象 的 出 现 与 从 系 统 导 出 的 一 个 代 数 方 程 根 的 分 布 有 密 切 的 关 系, 开 辟 了 用 数 学 方 法 研 究 控 制 系 统 运 动 特 性 的 途 径 此 后, 英 国 数 学 家 E.J.Routh 和 德 国 数 学 家 A.Hurwitz 分 别 在 1877 年 和 1895 年 独 立 地 建 立 了 直 接 根 据 代 数 方 程 的 系 数 判 别 系 统 稳 定 性 的 准 则 1892 年 俄 国 数 学 家 李 雅 普 诺 夫 (A.M.Lyapunov) 用 严 格 的 数 学 分 析 方 法 全 面 地 论 述 了 稳 定 性 问 题,Lyapunov 稳 定 性 理 论 至 今 仍 然 是 分 析 系 统 稳 定 性 的 重 要 方 法 1927 年 美 国 贝 尔 实 验 室 的 电 气 工 程 师 H.S.Blsck 在 解 决 电 子 管 放 大 器 失 真 问 题 时 首 先 引 入 反 馈 的 概 念 1925 年 英 国 电 气 工 程 师 O. 亥 维 赛 把 拉 普 拉 斯 变 换 应 用 到 求 解 电 路 网 络 的 问 题 上, 创 立 了 运 算 微 积 分, 随 后 被 应 用 到 分 析 自 动 控 制 系 统 的 问 题 上, 并 取 得 了 显 著 的 成 就 传 递 函 数 是 在 拉 普 拉 斯 变 换 的 基 础 上 引 入 的 描 述 线 性 定 常 系 统 或 线 性 元 件 的 输 入 输 出 关 系 的 方 法, 是 分 析 自 动 控 制 系 统 的 重 要 工 具 1932 年, 美 国 物 理 学 家 H. Nyquist 运 用 复 变 函 数 理 论 的 方 法 建 立 了 以 频 率 特 性 为 基 础 的 稳 定 性 判 据 这 种 方 法 比 当 时 流 行 的 基 于 微 分 方 程 的 分 析 方 法 有 更 大 的 实 用 性, 也 更 便 于 设 计 反 馈 控 制 系 统 Nyquist 的 工 作 奠 定 了 频 率 响 应 法 的 基 础 随 后, H.W.Bode 和 N.B.Nichols 等 在 20 世 纪 30 年 代 末 和 40 年 代 初 进 一 步 发 展 了 频 率 响 应 法 在 研 究 反 馈 放 大 器 的 同 时, 反 馈 控 制 在 工 业 过 程 中 也 得 到 普 遍 应 用 在 这 个 领 域 中, 受 控 过 程 的 特 性 相 当 复 杂, 常 常 是 非 线 性 的, 而 且 在 执 行 器 和 传 感 器 之 间 的 信 号 传 递 有 很 大 的 时 间 滞 后 由 此 在 实 践 中 提 出 了 比 例 - 积 分 - 微 分 控 制, 即 所 谓 的 PID 控 制 器, 这 种 根 据 大 量 的 实 际 经 验 和 对 系 统 动 态 的 线 性 近 似 提 出 的 方 法, 经 过 调 试 可 获 得 满 意 的 控 制 效 果 在 同 一 时 期, 随 着 测 量 飞 机 高 度 和 速 度 的 传 感 器 的 研 制, 飞 机 的 导 航 和 控 制 装 置 也 有 很 大 发 展 第 二 次 世 界 大 战 期 间, 军 事 科 学 的 需 要, 如 飞 机 驾 驶 火 炮 控 制 系 统 雷 达 天 线 控 制 系 统 等 都 大 大 促 进 了 反 馈 控 制 理 论 的 发 展 美 国 麻 省 理 工 学 院 雷 达 实 验 室 的 工 程 师 和 数 学 家 把 反 馈 放 大 器 理 论,PID 控 制 以 及 N.Wiener 的 随 机 过 程 理 论 等 结 合 在 一 起, 形 成 了 一 整 套 称 为 随 动 系 统 的 设 计 方 法

3 1948 年, 美 国 科 学 家 W.R.Evans 提 出 了 有 名 的 根 轨 迹 的 分 析 方 法, 并 于 1950 年 进 一 步 应 用 于 反 馈 控 制 系 统 的 设 计, 形 成 了 与 频 率 响 应 方 法 相 对 应 的 另 一 核 心 方 法 根 轨 迹 法 20 世 纪 40 年 代 末 和 50 年 代 初, 频 率 响 应 法 和 根 轨 迹 法 被 推 广 应 用 于 研 究 采 样 控 制 系 统 和 简 单 的 非 线 性 控 制 系 统 在 这 一 时 期, 理 论 上 和 应 用 上 所 获 得 的 成 就, 促 使 人 们 试 图 把 这 些 原 理 推 广 到 像 生 物 控 制 机 理 神 经 系 统 经 济 及 社 会 过 程 等 非 常 复 杂 的 系 统, 美 国 数 学 家 N.Wiener 在 1948 年 出 版 的 控 制 论 具 有 重 要 的 影 响 20 世 纪 50 年 代 中 期, 空 间 技 术 的 发 展 迫 切 要 求 建 立 新 的 控 制 理 论 以 解 决 一 类 更 复 杂 的 控 制 问 题 1956 年, 前 苏 联 科 学 家 L.S.Pontryagin 提 出 极 大 值 原 理 同 年 美 国 数 学 家 R.Bellman 创 立 动 态 规 划 极 大 值 原 理 和 动 态 规 划 为 最 优 控 制 提 供 了 理 论 工 具 1959 年 美 国 数 学 家 R.E.Kalman 提 出 了 著 名 的 卡 尔 曼 滤 波 器,1960 年 又 提 出 能 控 性 和 能 观 测 性 的 概 念 到 20 世 纪 60 年 代 初, 一 套 以 状 态 空 间 法 极 大 值 原 理 动 态 规 划 卡 尔 曼 滤 波 为 基 础 的 分 析 和 设 计 控 制 系 统 的 新 理 论 和 方 法 已 经 基 本 确 定 经 典 控 制 理 论 和 现 代 控 制 理 论 这 两 个 名 词 是 1960 年 在 第 一 届 全 美 联 合 自 动 控 制 会 议 上 提 出 的 在 这 次 会 议 上 把 系 统 和 控 制 领 域 中 研 究 单 变 量 控 制 问 题 的 理 论 称 为 经 典 控 制 理 论, 研 究 多 变 量 控 制 问 题 的 理 论 称 为 现 代 控 制 理 论 现 在, 一 些 学 者 对 经 典 和 现 代 的 提 法 是 否 恰 当 提 出 了 意 见 按 经 典 控 制 理 论 和 现 代 控 制 理 论 的 提 法, 经 典 控 制 理 论 是 自 动 控 制 理 论 中 建 立 在 频 率 响 应 法 和 根 轨 迹 法 基 础 上 的 一 个 分 支 它 的 研 究 对 象 是 单 输 入 单 输 出 的 自 动 控 制 系 统 ( 单 变 量 控 制 系 统 ), 特 别 是 线 性 非 时 变 系 统 经 典 控 制 理 论 是 以 输 入 输 出 特 性 ( 主 要 是 传 递 函 数 ) 为 系 统 的 数 学 模 型, 采 用 频 率 响 应 法 和 根 轨 迹 法 这 些 图 解 的 方 法, 分 析 系 统 的 性 能 和 设 计 控 制 装 置 现 代 控 制 理 论 则 是 建 立 在 状 态 空 间 法 基 础 上 的 一 种 研 究 多 变 量 控 制 系 统 的 控 制 理 论, 对 控 制 系 统 的 分 析 和 设 计 主 要 是 通 过 对 系 统 的 状 态 变 量 描 述 进 行 的, 基 本 方 法 是 时 域 方 法, 是 自 动 控 制 理 论 的 一 个 主 要 组 成 部 分 20 世 纪 60 年 代, 时 域 法 在 空 间 技 术 上 获 得 了 很 好 的 效 果, 但 是 在 工 业 控 制 系 统 中 却 遇 到 一 些 困 难, 其 主 要 原 因 是 难 以 得 到 控 制 对 象 的 精 确 数 学 模 型, 性 能 指 标 不 能 以 确 切 的 形 式 表 达 出 来, 而 直 接 采 用 最 优 控 制 和 最 优 滤 波 的 综 合 方 法 所 得 到 的 控 制 器 往 往 结 构 过 于 复 杂, 甚 至 无 法 实 现, 于 是 不 少 学 者 恢 复 了 对 频 域 法 的 兴 趣 1969 年 英 国 的 H.H. 罗 森 布 洛 克 发 表 著 名 论 文 用 逆 奈 奎 斯 特 阵 列 法 设 计 多 变 量 控 制 系 统 随 后, 不 少 学 者 也 取 得 了 许 多 成 果 多 变 量 频 域 法 的 共 同 特 性 是, 把 一 个 多 变 量 系 统 的 问 题, 转 化 为 一 组 单 变 量 系 统 的 设 计 问 题 现 代 频 域 法 已 成 功 地 应 用 于 石 油 化 工 造 纸 原 子 反 应 堆 飞 机 发 动 机 和 自 动 驾 驶 设 备 中 多 变 量 系 统 的 分 析 和 设 计 上, 取 得 了 满 意 的 成 果 在 控 制 系 统 计 算 机 辅 助 设 计 中, 现 代 频 域 法 也 占 有 重 要 地 位 20 世 纪 70 年 代 中 期 以 来, 自 动 控 制 理 论 不 仅 用 于 解 决 工 程 技 术 领 域 的 各 种 控 制 问 题, 其 概 念 和 方 法 已 应 用 于 交 通 管 理 生 态 控 制 生 物 和 生 命 现 象 的 研 究 经 济 科 学 社 会 系 统 等 领 域 自 动 控 制 理 论 的 建 立 和 发 展, 不 仅 推 动 了 自 动 控 制 技 术 的 发 展, 也 推 动 了 其 它 领 域 的 学 科 和 技 术 的 发 展 自 动 控 制 理 论 不 仅 是 20 世 纪 在 科 学 上 所 取 得 的 重 大 成 就 之 一, 而 且 在 现 在 和 未 来, 自 动 控 制 理 论 及 其 应 用 还 将 十 分 活 跃, 它 的 影 响 将 扩 大 到 人 类 活 动 的 各 个 领 域

4 1.1.3 自 动 控 制 中 的 常 用 术 语 在 接 触 自 动 控 制 系 统 之 前, 我 们 来 认 识 一 些 自 动 控 制 中 的 常 用 术 语 控 制 对 于 人 - 机 系 统, 为 使 某 一 机 器 设 备 或 过 程 处 于 希 望 的 状 态 而 对 其 进 行 的 操 作, 称 为 控 制 人 工 控 制 在 人 直 接 参 与 下 完 成 的 控 制, 称 为 人 工 控 制 自 动 控 制 如 果 使 用 某 种 物 理 装 置 代 替 人 的 作 用, 在 没 有 人 的 直 接 参 与 下, 利 用 物 理 装 置 对 生 产 设 备 和 工 艺 过 程 进 行 合 理 的 控 制, 使 被 控 制 的 物 理 量 保 持 恒 定, 或 者 按 照 一 定 的 规 律 运 行 并 达 到 预 期 的 状 态 或 性 能 要 求, 称 为 自 动 控 制 例 如 矿 井 提 升 机 速 度 的 控 制 水 泥 回 转 窑 湿 度 的 控 制 造 纸 厂 纸 浆 浓 度 的 控 制 轧 钢 厂 加 热 炉 温 度 的 控 制 物 料 传 输 机 速 度 的 控 制, 等 等 这 种 能 代 替 人 对 生 产 设 备 和 工 艺 过 程 施 加 控 制 作 用 的 装 置, 称 为 自 动 控 制 装 置 受 控 对 象 被 控 制 的 机 器 设 备 或 过 程 称 为 受 控 对 象 或 对 象 如 提 升 机 回 转 窑 加 热 炉 等 被 控 量 被 控 制 的 物 理 量 称 为 被 控 量 或 输 出 量 被 控 量 是 表 征 受 控 对 象 工 作 状 态 的 物 理 量, 即 速 度 湿 度 浓 度 炉 温 电 压 等 给 定 量 决 定 被 控 量 的 物 理 量 称 为 给 定 量 或 参 考 输 入 给 定 量 表 征 了 被 控 量 的 期 望 值 或 受 控 对 象 的 期 望 状 态 扰 动 量 妨 碍 给 定 量 对 被 控 量 进 行 正 常 控 制 的 所 有 因 素 称 为 扰 动 量 如 果 扰 动 量 产 生 在 系 统 内 部 称 为 内 扰 ; 扰 动 量 产 生 在 系 统 外 部 称 为 外 扰 给 定 量 和 扰 动 量 都 是 自 动 控 制 系 统 的 输 入 量 系 统 由 一 些 相 互 联 系 和 相 互 制 约 的 环 节 组 成 并 具 有 特 定 功 能 的 整 体 称 为 系 统 在 工 业 生 产 中, 一 台 机 器 一 套 设 备 或 任 意 工 艺 过 程, 如 加 热 炉 扎 钢 机 化 学 反 应 釜 核 反 应 堆 等 都 称 为 系 统 自 动 控 制 系 统 为 实 现 某 一 控 制 目 标 所 需 要 的 所 有 物 理 部 件 的 有 效 组 合 体 自 动 控 制 系 统 由 自 动 控 制 装 置 与 受 控 对 象 组 成 控 制 系 统 一 般 按 被 控 量 命 名, 如 速 度 控 制 系 统 压 力 控 制 系 统 温 度 控 制 系 统 等 1.2 开 环 控 制 系 统 和 闭 环 控 制 系 统 自 动 控 制 系 统 种 类 繁 多 按 其 结 构 分 为 开 环 控 制 系 统 闭 环 控 制 系 统 和 复 合 控 制 系 统 开 环 控 制 系 统 我 们 首 先 来 认 识 开 环 控 制 系 统 的 工 作 原 理 和 结 构 特 点 图 1.1 给 出 了 一 个 加 热 炉 炉 温 开 环 控 制 系 统 原 理 图 控 制 任 务 要 求 炉 温 保 持 恒 定 根 据 控 制 要 求, 确 定 图 1.1 中 给 定 炉 温 所 要 求 的 希 望 值 ( 给 定 值 或 参 考 输 入 ), 对 应 于 调 压 器 滑 动 端 置 于 某 一 固 定 位 置 接 通 电 源, 通 过 电 阻 丝 给 电 炉 加 热, 实 现 加 热 炉 炉 温 保 持 恒 定 实 际 上, 由 于 存 在 电 压 的 波 动 ( 内 部 扰 动 ), 炉 门 的 开 闭 ( 外 部 扰 动 ), 炉 内 实 际 温 度 与 期 望 温 度 ( 给 定 值 ) 会 出 现 偏 差, 有 时 偏 差 可 能 较 大 但 因 图 1.1 系 统 调 压 器

5 滑 动 端 的 位 置 固 定, 不 能 改 变 电 阻 丝 的 电 流 来 消 除 温 度 偏 差 系 统 实 际 温 度 的 高 低 不 能 影 响 系 统 的 控 制 作 用 图 1.1 炉 温 控 制 系 统 中, 受 控 对 象 是 加 热 炉, 被 控 量 是 炉 内 温 度, 调 压 器 电 阻 丝 构 成 控 制 装 置 炉 温 的 希 望 值 ( 给 定 值 ) 由 调 压 器 滑 动 端 位 置 给 出 ( 电 压 值 ) 控 制 系 统 通 常 根 据 受 控 对 象 和 被 控 量 界 定, 所 以 称 为 加 热 炉 炉 温 控 制 系 统 以 给 定 值 为 输 入, 被 控 量 为 输 出, 系 统 结 构 可 用 图 1.2 的 方 框 图 表 示, 图 中 方 框 表 示 系 统 各 组 成 环 节, 箭 头 表 示 信 号 的 作 用 方 向 如 果 控 制 系 统 的 输 出 量 对 系 统 本 身 没 有 控 制 作 用, 这 种 系 统 称 为 开 环 控 制 系 统 在 开 环 控 制 系 统 结 构 中, 只 有 从 输 入 端 到 输 出 端 的 信 号 前 向 通 道, 不 存 在 由 输 出 端 到 输 入 端 的 信 号 反 馈 通 路 因 此, 开 环 控 制 系 统 是 按 给 定 控 制 方 式, 又 称 为 无 反 馈 控 制 系 统, 由 控 制 器 或 控 制 装 置 与 受 控 对 象 组 成 扰 动 给 定 值 输 入 调 压 器 电 阻 丝 电 炉 炉 温 输 出 控 制 装 置 受 控 对 象 图 1.1 开 环 控 制 的 电 加 热 炉 原 理 图 图 1.2 开 环 控 制 的 电 加 热 炉 方 框 图 开 环 控 制 有 两 种 形 式 : 按 给 定 值 控 制 的 开 环 控 制, 图 1.3(a) 就 是 这 种 形 式 的 开 环 控 制 ; 另 一 种 形 式 是 按 扰 动 补 偿 的 开 环 控 制, 如 图 1.3(b) 所 示, 该 系 统 对 扰 动 进 行 测 量, 利 用 测 量 得 到 的 扰 动 值 修 正 控 制 作 用, 补 偿 扰 动 对 被 控 量 的 影 响, 从 扰 动 作 用 端 至 输 出 端, 也 仅 有 顺 向 作 用 而 无 反 向 联 系, 因 此, 也 是 开 环 控 制 按 扰 动 补 偿 的 开 环 控 制 方 式 的 前 提 条 件 是 扰 动 能 够 被 测 量 图 1.3 两 种 开 环 控 制 形 式 方 框 图 (a) 按 给 定 控 制 的 开 环 控 制 (b) 按 扰 动 补 偿 的 开 环 控 制 目 前 国 民 经 济 各 部 门 都 广 泛 应 用 开 环 控 制 系 统, 如 自 动 售 货 机 自 动 洗 衣 机 产 品 自 动 生 产 流 水 线 及 交 通 指 挥 的 红 绿 灯 转 换 等 闭 环 控 制 系 统 你 可 能 已 经 意 识 到, 图 1.1 所 示 开 环 控 制 系 统 难 以 保 持 炉 温 恒 定 如 果 无 论 是 否 出 现 扰 动 都 要 使 炉 温 保 持 恒 定, 就 需 人 工 干 预 闭 环 控 制 是 在 开 环 控 制 基 础 上 引 入 人 工 干 预 过 程 演 变 而 来 的 那 么 操 作 人 员 怎 么 保 证 炉 温 恒 定, 即 人 工 干 预 过 程 是 怎 么 进 行 的 呢? 图 1.4 是 一 个 手 动 控 制 的 电 加 热 炉 示 意 图 从 图 1.4 看 出, 控 制 的 过 程 主 要 有 三 个 部 分 : 一 是 测 量 炉 温, 并 用 眼 观 察 温 度 计, 将 读 数 送 至 大 脑 ; 二 是 在 大 脑 中 将 观 察 的 读 数 与 给 定 温 度 ( 如 600 度 ) 比 较, 并 根 据 比 较 的 结 果 指 挥 手 臂 的 动 作 ; 三 是 适 当

6 地 调 整 ( 增 加 或 减 小 ) 调 压 器 滑 动 端 位 置, 改 变 加 热 电 阻 丝 电 流 来 减 小 乃 至 完 全 消 除 偏 差, 以 使 炉 温 尽 可 能 接 近 给 定 值, 实 现 炉 温 基 本 恒 定 ( 在 一 定 偏 差 范 围 内 ) ο 600 C T c 图 1.4 手 动 控 制 电 加 热 炉 这 里, 操 作 人 员 的 工 作 顺 序 是 测 量 输 出 量 ( 测 量 功 能 ) 将 其 转 换 成 与 给 定 量 相 同 物 理 量 纲 ( 电 压 ) 的 反 馈 量, 并 与 给 定 量 进 行 比 较 ( 比 较 功 能 ), 根 据 给 定 量 与 反 馈 量 的 偏 差 值 调 整 变 压 器 滑 动 端 的 位 置 ( 执 行 功 能 ) 操 作 人 员 的 关 键 性 作 用 是 使 得 系 统 的 输 出 量 参 与 了 系 统 的 控 制, 形 成 了 信 号 传 递 的 闭 环 回 路 系 统 一 旦 出 现 偏 差, 就 调 整 控 制 量, 从 而 保 证 了 输 出 量 的 恒 定 因 此, 可 以 叫 做 人 工 反 馈 系 统, 或 叫 人 工 闭 环 控 制 系 统 自 动 控 制 的 目 的 就 是 要 在 人 不 直 接 参 与 的 情 况 下 实 现 同 样 的 控 制 目 的 你 将 如 何 设 计 必 要 的 功 能 元 件 组 成 自 动 控 制 系 统 来 完 成 此 任 务 呢? 如 果 用 自 动 控 制 装 置 来 取 代 人 工 操 作 功 能, 就 变 成 自 动 控 制 系 统, 或 叫 闭 环 控 制 系 统 图 1.5 是 为 此 任 务 建 立 的 一 个 自 动 控 制 系 统 在 图 1.5 电 加 热 炉 系 统 中, 要 求 炉 内 温 度 稳 定 在 某 一 个 给 定 的 温 度 Tr 附 近, Tr 由 给 定 的 电 压 信 号 ur 反 映 实 际 炉 温 Tc 通 过 热 电 偶 测 量, 并 输 出 比 例 于 炉 温 Tc 的 电 压 uc, 偏 差 信 号 反 映 炉 内 期 望 温 度 与 实 际 温 度 之 差, 即 e = u r uc 该 偏 差 信 号 经 放 大 后 控 制 电 机 旋 转 以 带 动 调 压 器 滑 头 移 动, 通 过 改 变 流 过 加 热 电 阻 丝 的 电 流, 消 除 温 度 偏 差, 使 炉 内 实 际 温 度 等 于 或 接 近 期 望 炉 温 具 体 调 节 过 程 或 工 作 原 理 详 细 分 析 如 下 : 某 一 时 刻, 若 e > 0, 表 明 T r > Tc, 电 机 旋 转 带 动 调 压 器 滑 头 向 右 移 动, 通 过 电 阻 丝 的 电 流 增 大, 炉 温 升 高, 直 到 偏 差 e 等 于 或 接 近 零 若 e < 0, 电 机 旋 转 带 动 调 压 器 滑 头 向 左 移 动, 通 过 电 阻 丝 的 电 流 减 小, 炉 温 继 续 下 降 直 到 偏 差 e 等 于 或 接 近 零 图 1.6 描 述 了 该 系 统 的 输 入 量 输 出 量 和 反 馈 量 之 间 的 作 用 关 系 这 种 系 统 是 把 输 出 量 直 接 或 间 接 地 反 馈 到 输 入 端 形 成 闭 环, 使 得 输 出 量 也 参 与 系 统 的 控 制, 所 以 称 为 闭 环 控 制 系 统, 又 称 反 馈 控 制 系 统 在 闭 环 控 制 系 统 中, 既 存 在 由 输 入 端 到 输 出 端 的 信 号 前 向 通 路, 也 存 在 从 输 出 端 到 输 入 端 的 信 号 反 馈 通 道, 两 者 组 成 一 个 闭 合 的 回 路 控 制 系 统 要 达 到 预 定 的 目 的 或 规 定 的 性 能, 必 须 把 输 出 量 的 信 息 反 馈 到 输 入 端, 根 据 二 者 的 偏 差 进 行 控 制 换 言 之, 闭 环 控 制 系 统 是 把 输 出 量 检 测 出 来, 经 过 物 理 量 的 转 换, 再 反 馈 到 输 入 端 去 与 给 定 值 ( 参 考 输 入 ) 进 行 比 较 ( 相 减 ), 并 利 用 比 较 后 的 偏 差 信 号, 以 一 定 的 控 制 规 律 产 生 控 制 作 用, 抑 制 内 部 或 外 部 扰 动 对 输 出 量 的 影 响, 逐 步 减 小 以 至 消 除 这 一 偏 差, 从 而 实 现 要 求 的 控 制 性 能 因 此, 闭 环 控 制 系 统 是 按 偏 差 控 制 方 式

7 u r u c e ua 图 1.5 闭 环 控 制 的 电 加 热 炉 原 理 图 在 反 馈 控 制 系 统 中, 偏 差 为 输 入 信 号 与 反 馈 信 号 之 差, 称 为 负 反 馈 ; 若 偏 差 为 输 入 信 号 与 反 馈 信 号 之 和, 则 称 为 正 反 馈 实 现 反 馈, 首 先 要 测 量 输 出 量, 然 后 再 与 输 入 量 相 比 较 而 构 成 反 馈 回 路 因 此, 存 在 比 较 测 量 装 置 是 闭 环 控 制 系 统 的 基 本 构 成 特 征 炉 温 闭 环 控 制 系 统 方 框 图 1.6 中, 反 馈 信 号 的 符 号 - 表 示 负 反 馈, 若 为 + 表 示 正 反 馈 在 认 识 了 开 环 与 闭 环 控 制 系 统 的 结 构 与 原 理 后, 你 一 定 有 兴 趣 对 你 所 接 触 或 了 解 到 的 系 统 或 领 域 进 行 如 此 一 般 的 分 析 你 将 发 现, 闭 环 控 制 是 最 常 用 的 一 种 控 制 方 式 显 然, 有 简 单 的 闭 环 控 制, 也 有 复 杂 的 闭 环 控 制 闭 环 控 制 在 工 程 系 统 和 社 会 经 济 系 统 中 正 得 到 广 泛 的 应 用, 在 生 命 有 机 体 的 生 长 和 进 化 过 程 中 也 普 遍 存 在 着 这 种 反 馈 控 制 生 命 有 机 体 为 适 应 环 境 的 变 化 而 做 出 有 效 的 动 作 反 应, 主 要 是 依 靠 这 种 反 馈 作 用 人 具 有 学 习 能 力, 能 通 过 学 习 积 累 经 验, 用 过 去 的 经 验 来 调 节 未 来 行 为 的 策 略, 并 具 有 通 过 学 习 来 适 应 环 境 和 改 造 世 界 的 能 力, 本 质 上 也 是 一 种 反 馈 控 制 Tr u r e u a Tc u c 图 1.6 闭 环 控 制 的 电 加 热 炉 方 框 图 现 在, 你 不 仅 认 识 了 开 环 控 制 系 统 与 闭 环 控 制 系 统, 而 且 还 能 对 这 两 种 系 统 进 行 一 番 比 较 了 一 般 地, 在 开 环 系 统 中, 从 控 制 结 构 上 来 看, 只 有 从 输 入 端 到 输 出 端 的 信 号 传 递 通 道 ( 称 为 正 向 通 道 或 前 向 通 道 ); 从 控 制 原 理 来 看, 只 有 输 入 量 对 输 出 量 产 生 控 制 作 用, 是 按 给 定 控 制 方 式 ; 开 环 控 制 系 统 结 构 比 较 简 单, 成 本 较 低 ; 对 系 统 参 数 变 化 敏 感, 抑 制 扰 动 能 力 差, 控 制 精 度 较 低 一 般 用 于 可 以 不 考 虑 外 界 影 响 或 精 度 要 求 不 高 的 场 合, 如 洗 衣 机 步 进 电 机 控 制 及 水 位 调 节 等 与 开 环 控 制 相 比, 闭 环 控 制 具 有 很 大 优 点 尽 管 闭 环 控 制 系 统 种 类 繁 多, 具 体 结 构 不 一 样, 而 且 它 们 完 成 的 控 制 任 务 也 不 相 同, 但 从 检 出 偏 差 利 用 偏 差 信 号 对 受 控 对 象 进 行 控 制, 以 减 小 或 纠 正 输 出 量 的 偏 差 的 控 制 过 程 却 是 相 同 的 归 纳 起 来, 这 种 系 统 的 特 点 如 下 : (1) 从 控 制 结 构 上 来 看, 闭 环 控 制 系 统 中 除 正 向 通 道 外, 还 必 须 有 从 输 出 端 到 输 入 端 的 信 号 反 馈 通 道, 使 输 出 信 号 也 参 与 控 制 作 用 闭 环 控 制 系 统 就 是 由 正 向 通 道 和 反 馈 通 道 组 成 的

8 (2) 从 控 制 原 理 来 看, 输 入 量 与 输 出 量 共 同 ( 二 者 偏 差 ) 产 生 控 制 作 用, 是 按 偏 差 控 制 方 式 闭 环 控 制 系 统 是 利 用 偏 差 量 作 为 控 制 信 号 来 纠 正 偏 差 的, 只 要 输 出 量 与 给 定 值 之 间 存 在 偏 差, 就 有 控 制 作 用 存 在, 并 力 图 纠 正 这 一 偏 差 因 而, 对 于 闭 环 控 制 系 统, 不 论 是 给 定 信 号 的 变 化, 或 者 外 部 扰 动 的 影 响, 或 者 系 统 内 部 的 变 化, 只 要 是 被 控 量 偏 离 了 给 定 值, 都 会 产 生 相 应 的 作 用 去 消 除 偏 差 (3) 对 系 统 参 数 变 化 不 敏 感, 抑 制 扰 动 能 力 强, 控 制 精 度 较 高 (4) 闭 环 控 制 系 统 结 构 比 较 复 杂, 成 本 较 高 为 了 检 测 偏 差, 必 须 直 接 或 间 接 地 检 测 出 输 出 量, 并 变 换 为 与 输 入 量 相 同 的 物 理 量, 以 便 与 给 定 值 相 比 较, 得 出 偏 差 信 号 所 以 闭 环 系 统 必 须 有 检 测 环 节 和 比 较 环 节, 系 统 设 备 投 资 大 因 此, 与 开 环 控 制 相 比, 闭 环 控 制 抑 制 扰 动 能 力 强, 对 参 数 变 化 不 敏 感, 并 能 获 得 满 意 的 动 态 特 性 和 控 制 精 度 但 是 引 入 反 馈 增 加 了 系 统 的 复 杂 性, 如 果 闭 环 控 制 系 统 参 数 的 选 取 不 适 合, 系 统 可 能 会 产 生 震 荡, 甚 至 系 统 失 稳 而 无 法 正 常 工 作, 这 是 自 动 控 制 理 论 和 系 统 设 计 必 须 解 决 的 重 要 问 题 好! 掌 握 了 开 环 与 闭 环 控 制 系 统 的 结 构 与 原 理, 你 已 充 满 热 情, 要 实 践 一 番 习 题 中 有 几 个 可 供 你 练 习 的 系 统 复 合 控 制 系 统 在 应 用 你 已 掌 握 的 开 环 与 闭 环 控 制 系 统 结 构 与 原 理 分 析 你 所 接 触 或 了 解 到 的 系 统 时, 你 还 将 发 现, 有 一 种 集 开 环 控 制 结 构 与 闭 环 控 制 结 构 于 一 体 的 复 合 控 制 系 统 反 馈 控 制 是 在 外 部 作 用 ( 参 考 输 入 或 扰 动 ) 对 受 控 对 象 产 生 影 响 后 才 能 做 出 相 应 的 控 制, 尤 其 是 受 控 对 象 具 有 较 大 延 迟 时, 反 馈 控 制 不 能 及 时 地 调 节 输 出 的 变 化 前 馈 控 制 能 预 测 输 出 随 外 部 作 用 的 变 化 规 律, 在 受 控 对 象 还 没 有 受 到 影 响 之 前 就 做 出 相 应 的 控 制, 使 系 统 在 偏 差 即 将 产 生 之 前 就 注 意 纠 正 偏 差 前 馈 控 制 和 反 馈 控 制 相 结 合 构 成 了 复 合 控 制, 即 复 合 控 制 是 开 环 控 制 和 闭 环 控 制 相 结 合 的 一 种 控 制 形 式, 也 是 构 成 高 精 度 控 制 的 一 种 有 效 控 制 方 式, 能 使 自 动 控 制 系 统 具 有 更 好 的 控 制 性 能 复 合 控 制 基 本 上 具 有 两 种 形 式 : 按 参 考 输 入 前 馈 补 偿 的 复 合 控 制 和 按 扰 动 前 馈 补 偿 的 复 合 控 制, 如 图 1.7 所 示 图 1.7 复 合 控 制 系 统 (a) 按 参 考 输 入 补 偿 的 复 合 控 制 系 统 (b) 按 扰 动 补 偿 的 复 合 控 制 系 统 1.3 自 动 控 制 系 统 的 基 本 构 成 通 过 上 一 节 讲 述 的 炉 温 闭 环 控 制 系 统 这 一 典 型 例 子, 你 已 经 可 以 归 纳 出 一 个 闭 环 控 制 系 统 的 基 本 构 成 了 建 立 一 个 闭 环 控 制 系 统, 首 先 存 在 需 要 控 制 的 设 备 或 过 程, 即 受 控 对 象 ; 对 受 控 对 象 提 出 的 期 望 状 态 或 变 化 规 律 即 给 定 量 或 参 考 输 入, 需 要 通 过 一 个 参 考 输 入 变 换 装 置 给 出 ; 表 征 系 统 实 际 状 态 的 被 控 量 或 系 统 输 出 量 需 要 通 过 一 个

9 检 测 装 置 测 量 并 转 换 成 与 输 入 量 相 同 量 纲 的 反 馈 量, 实 际 被 控 量 的 反 馈 量 与 参 考 输 入 的 偏 差 需 要 通 过 一 个 比 较 装 置 给 出 ; 偏 差 信 号 可 能 需 要 经 过 运 算 和 放 大 处 理, 再 送 给 执 行 机 构 进 行 相 应 的 操 作, 控 制 受 控 对 象 的 工 作 状 态 或 变 化 规 律 因 此, 闭 环 控 制 系 统 的 一 般 构 成 可 以 用 方 框 图 1.8 表 示 (1) 受 控 对 象 ( 或 过 程 ), 指 需 要 对 它 的 某 个 特 定 的 量 进 行 控 制 的 设 备 或 过 程 受 控 对 象 的 输 出 变 量 是 受 控 变 量, 记 作 c(t) 受 控 对 象 除 了 受 到 控 制 作 用 外, 还 受 到 外 部 扰 动 作 用, 图 1.8 中 用 d (t) 表 示 受 控 对 象 是 控 制 系 统 的 核 心 部 分, 它 的 特 征, 对 控 制 系 统 的 性 能 具 有 重 要 影 响 r(t) e(t) u(t) m(t) d(t) c(t) b(t) 图 1.8 控 制 系 统 的 一 般 构 成 (2) 测 量 装 置, 如 传 感 器 和 测 量 仪 表, 它 感 受 或 测 量 受 控 变 量 的 值 并 把 它 变 换 为 可 以 进 行 比 较 的 信 号 测 量 装 置 的 输 出 信 号 是 反 馈 信 号 b(t) (3) 参 考 输 入 变 换 装 置, 或 称 给 定 装 置 它 的 输 入 信 号 是 受 控 变 量 的 希 望 值, 通 常 称 为 参 考 输 入 或 设 定 值, 记 作 r (t) 它 的 作 用 是 把 参 考 输 入 变 换 为 能 和 反 馈 信 号 b(t) 相 比 较 ( 同 量 纲 ) 的 信 号 (4) 比 较 装 置, 它 比 较 参 考 输 入 变 换 装 置 的 输 出 信 号 和 反 馈 信 号 b(t) 其 输 出 为 偏 差 信 号 e(t), 作 为 控 制 器 的 输 入, 以 产 生 校 正 误 差 的 控 制 作 用 方 框 图 中 用 符 号 表 示 综 合 或 比 较 功 能 (5) 控 制 器, 对 偏 差 信 号 e (t) 按 一 定 规 律 进 行 处 理, 产 生 控 制 信 号 u(t) 作 为 其 输 出 信 号 结 构 图 中 控 制 器 一 般 指 校 正 或 运 算 装 置 放 大 装 置, 实 际 的 控 制 器 常 常 兼 有 参 考 输 入 传 感 器 比 较 器 与 控 制 器 三 者 的 功 能 (6) 执 行 机 构, 是 能 够 影 响 受 控 过 程 的 装 置 或 设 备, 例 如 电 动 机 气 动 控 制 阀 等 通 常, 为 了 能 够 影 响 受 控 过 程, 必 须 把 控 制 信 号 变 换 为 具 有 一 定 功 率 的 信 号, 执 行 机 构 正 是 起 这 一 作 用 的 它 的 输 入 信 号 为 控 制 器 的 输 出 u(t), 其 输 出 信 号 为 受 控 过 程 的 输 入 信 号 m(t), 常 称 为 操 纵 变 量 应 当 指 出, 系 统 中 某 一 部 分 本 身 可 能 就 是 一 个 具 有 反 馈 的 环 节 或 系 统, 例 如, 一 个 复 杂 系 统 的 执 行 机 构 本 身, 可 能 是 用 带 反 馈 的 控 制 来 实 现 的 在 这 个 意 义 上, 这 里 讲 的 是 基 本 的 反 馈 控 制 系 统 的 构 成, 忽 略 了 系 统 中 的 某 些 细 节 1.4 自 动 控 制 系 统 的 分 类 和 应 用 自 动 控 制 系 统 的 功 能 和 组 成 多 种 多 样, 因 而 自 动 控 制 系 统 有 多 种 分 类 方 法 按 其 工 作 原 理 可 分 为 开 环 控 制 系 统 闭 环 控 制 系 统 和 复 合 控 制 系 统 ; 按 其 数 学 模 型 可 以 分 为 线 性 系 统 和 非 线 性 系 统, 非 时 变 系 统 和 时 变 系 统 ; 按 系 统 内 部 的 信 号 特 征 可 分 为 连 续 系 统 和 离 散 系 统 ; 按 系 统 的 功 能 分 类, 如 温 度 控 制 系 统 位 置 控 制 系 统 等 ;

10 按 系 统 装 置 类 型 可 分 为 机 电 系 统 液 压 系 统 和 电 机 系 统 等 ; 按 系 统 参 考 输 入 变 化 规 律 可 分 为 恒 值 控 制 系 统 随 动 控 制 系 统 和 程 序 控 制 系 统 等 控 制 系 统 的 基 本 要 求 是 使 被 控 变 量 和 参 考 输 入 保 持 一 致, 参 考 输 入 反 映 了 对 被 控 变 量 的 要 求 因 此, 常 按 参 考 输 入 的 特 征 对 系 统 进 行 分 类 (1) 恒 值 控 制 系 统 : 系 统 的 参 考 输 入 为 零 或 为 某 一 常 值, 当 系 统 受 到 各 种 干 扰 作 用 时, 该 系 统 能 使 输 出 量 与 恒 定 的 参 考 输 入 保 持 一 致, 称 恒 值 控 制 系 统 或 恒 值 调 节 系 统 常 见 的 有 恒 速 恒 温 恒 压 等 自 动 控 制 系 统, 水 位 调 节 系 统, 稳 压 电 源, 导 航 稳 定 平 台, 船 舶 稳 定 系 统 都 属 于 这 一 类 系 统, 恒 值 控 制 系 统 在 工 业 农 业 国 防 等 部 门 有 广 泛 的 应 用 (2) 程 序 控 制 系 统 : 系 统 的 参 考 输 入 是 按 预 定 规 律 随 时 间 变 化 的 函 数, 要 求 被 控 量 迅 速 准 确 地 复 现 输 入 如 机 械 加 工 使 用 的 数 字 程 序 控 制 机 床, 热 处 理 加 热 炉 的 炉 温 控 制 等 (3) 随 动 控 制 系 统 : 系 统 的 参 考 输 入 是 预 先 未 知 的 随 时 间 任 意 变 化 的 函 数, 要 求 系 统 的 输 出 以 一 定 的 精 度 和 快 速 性 跟 踪 参 考 输 入 变 化 函 数 记 录 仪 高 炮 自 动 跟 踪 系 统 便 是 典 型 的 随 动 系 统 例 子 在 随 动 系 统 中, 如 果 被 控 制 量 是 机 械 位 置 ( 角 位 置 ) 或 其 导 数 时, 这 类 系 统 称 之 为 伺 服 系 统 伺 服 系 统 要 求 高 精 度 的 测 量 元 件, 按 所 采 用 的 执 行 机 构 的 类 型 可 分 为 机 电 伺 服 系 统 液 压 伺 服 系 统 和 气 动 伺 服 系 统 伺 服 系 统 最 初 用 于 船 舶 的 自 动 驾 驶 火 炮 控 制 和 指 挥 仪 中, 后 来 逐 步 推 广 到 很 多 领 域, 如 带 钢 飞 剪 机 控 制 系 统, 天 线 位 置 伺 服 系 统, 导 弹 和 飞 船 的 制 导 系 统 等 程 序 控 制 系 统 和 随 动 系 统 的 参 考 输 入 都 是 时 间 的 函 数, 不 同 之 处 在 于 程 序 控 制 系 统 是 已 知 的 时 间 函 数, 随 动 系 统 是 未 知 的 任 意 的 时 间 函 数, 而 恒 值 控 制 系 统 可 视 为 程 序 控 制 系 统 的 特 例 各 种 类 型 的 控 制 系 统 有 着 广 泛 的 应 用 图 1.5 炉 温 控 制 系 统 是 一 个 恒 值 控 制 系 统 该 控 制 系 统 的 控 制 功 能 是 在 各 种 干 扰 作 用 下, 维 持 炉 温 不 变 图 1.9 是 一 个 调 速 系 统 工 作 原 理 图 控 制 任 务 是 保 持 电 机 转 速 恒 定 当 电 机 负 载 加 大 或 减 小 时, 电 机 转 速 下 降 或 上 升, 测 速 发 电 机 输 出 电 压 uc 变 化, 与 给 定 值 ur 比 较 后, 偏 差 信 号 e 也 变 化, 使 电 机 电 枢 电 压 ua 也 跟 着 增 大 或 减 小, 从 而 使 电 机 转 速 得 到 补 偿, 而 维 持 电 机 转 速 恒 定 调 速 系 统 的 方 框 图 如 图 1.10 所 示 u r e u a n i f u c u r e u c u a n 图 1.9 调 速 系 统 原 理 图 图 1.10 调 速 系 统 方 框 图 图 1.11 给 出 了 一 个 位 置 伺 服 系 统 的 工 作 原 理 图, 控 制 任 务 要 求 工 作 机 械 和 输 入 指 令 机 构 同 步 转 动, 即 要 求 工 作 机 械 输 出 角 位 置 θ c 以 一 定 的 精 度 和 快 速 性 跟 踪 输 入 指 令 转 角 位 置 θ r 在 这 个 系 统 中, 控 制 对 象 是 工 作 机 械, 被 控 量 是 工 作 机 械 输 出 角 位 置 θ c, 输 入 量 是 θ r, 测 量 装 置 是 两 个 相 同 的 电 位 计, 分 别 把 转 角 θ c θ r 转 换 成 电 压 uc 和 ur, 其 偏 差 信 号 e 经 放 大 元 件 放 大 后 送 至 执 行 机 构, 驱 动 工 作 机 械 转 动 双 电 位 计 结 构 实 现 转 角 测 量 和 比 较 作 用 位 置 伺 服 系 统 方 框 图 如 图 1.12 所 示

11 θ r e u a θ c 图 1.11 位 置 伺 服 系 统 工 作 原 理 图 以 表 征 生 产 过 程 的 参 数 为 被 控 量 的 自 动 控 制 系 统 称 为 过 程 控 制 系 统 生 产 过 程 是 指 在 生 产 装 置 或 设 备 中 进 行 的 物 质 和 能 量 的 相 互 作 用 和 转 换 过 程, 表 征 过 程 的 主 要 参 数 有 温 度 压 力 流 量 液 位 成 分 浓 度 等 相 应 的 控 制 系 统 又 称 为 温 度 控 制 系 统 压 力 控 制 系 统 等 通 过 对 过 程 参 数 的 控 制, 可 使 生 产 过 程 中 产 品 的 产 量 增 加 质 量 提 高 和 能 耗 减 少 θ r 输 入 (t) e(t) 电 位 计 放 大 元 件 执 行 电 机 减 速 器 工 作 机 械 θ c (t) 输 出 电 位 计 图 1.12 位 置 伺 服 系 统 方 框 图 在 实 际 产 生 过 程 中, 往 往 有 多 个 参 数 ( 被 控 量 ) 需 要 控 制, 又 有 多 个 变 量 可 以 作 为 控 制 量 在 很 多 情 况 下, 被 控 量 与 控 制 量 之 间 呈 现 出 交 互 影 响 的 关 系, 每 个 控 制 量 的 变 化 会 同 时 引 起 几 个 被 控 量 变 化, 这 种 变 化 间 的 交 互 影 响 称 为 偶 合 偶 合 的 存 在 会 使 过 程 控 制 系 统 变 得 复 杂 化 过 程 控 制 在 生 产 过 程 中 有 广 泛 的 应 用, 当 前 出 现 了 过 程 控 制 最 优 化 与 管 理 调 度 自 动 化 相 结 合 的 多 级 计 算 机 控 制 系 统 1.5 对 自 动 控 制 系 统 的 基 本 要 求 负 反 馈 是 实 现 控 制 的 基 本 方 式 但 是, 仅 仅 有 了 负 反 馈, 并 不 一 定 能 够 实 现 满 意 的 控 制 你 曾 经 荡 过 的 秋 千 就 是 一 个 例 证 试 观 察 秋 千, 我 们 以 秋 千 的 垂 直 悬 挂 位 置 作 为 基 准 在 荡 秋 千 时, 如 果 秋 千 摆 到 左 边, 就 把 它 向 右 推 ; 如 果 秋 千 摆 到 右 边, 就 把 它 向 左 推 显 然, 这 也 是 一 种 负 反 馈 然 而, 这 样 控 制 的 结 果, 并 不 一 定 能 使 秋 千 回 到 其 垂 直 位 置, 相 反 却 可 能 使 秋 千 越 摆 越 高, 最 后 在 基 准 位 置 的 两 边 形 成 大 幅 度 的 等 幅 振 荡 设 计 得 不 好 的 负 反 馈 控 制 系 统 的 被 控 量 也 会 出 现 类 似 的 振 荡, 从 而 达 不 到 控 制 的 目 的 这 种 振 荡 现 象 在 技 术 上 称 为 不 稳 定 显 然, 不 稳 定 的 控 制 系 统 是 没 有 工 程 价 值 的 对 于 一 个 控 制 系 统, 稳 定 性 是 其 正 常 工 作 的 首 要 条 件 除 了 这 个 绝 对 稳 定 性 的 要 求 之 外, 控 制 系 统 还 必 须 具 有 合 理 的 相 对 稳 定 性, 即 其 响 应 还 必 须 表 现 出 合 理 的 阻 尼 性 和 快 速 性 控 制 系 统 还 必 须 能 够 减 少 误 差 到 零 或 者 到 一 个 能 容 许 的 范 围 内 线 性 系 统 的 动 态 过 程 可 分 为 瞬 态 过 程 和 稳 态 过 程 控 制 系 统 的 基 本 要 求 是 系 统 具

12 有 稳 定 的 动 态 过 程, 同 时 还 必 须 满 足 一 定 的 瞬 态 特 性 和 稳 态 特 性 1 稳 定 性 当 系 统 输 入 量 变 化 或 受 到 扰 动 作 用, 系 统 的 被 控 量 将 发 生 变 化 而 偏 离 原 平 衡 状 态 随 着 时 间 的 推 移, 偏 差 会 逐 渐 衰 减, 具 有 达 到 新 的 平 衡 状 态 或 恢 复 到 原 平 衡 状 态 的 性 能, 则 称 系 统 具 有 稳 定 性 或 系 统 是 稳 定 的 ; 否 则, 称 系 统 是 不 稳 定 的 如 图 1.13 和 图 1.14 所 示 对 恒 值 系 统 要 求 当 系 统 受 到 扰 动 后, 经 过 一 定 时 间 的 调 整 能 够 回 到 原 来 的 期 望 值 对 随 动 系 统, 被 控 量 始 终 跟 踪 参 考 输 入 量 的 变 化 c(t) r 1 c(t) r 1 c(t) r 0 c(t) r 0 r 0 r (a) t (b) t 图 1.13 系 统 给 定 量 突 变 图 1.14 系 统 受 到 扰 动 稳 定 性 是 控 制 系 统 自 身 的 固 有 特 性, 由 系 统 的 结 构 与 参 数 决 定, 与 外 界 因 素 无 关 2 快 速 性 对 瞬 态 过 程 的 形 式 和 快 慢 提 出 要 求, 一 般 称 为 瞬 态 性 能 例 如 高 射 炮 射 角 随 动 系 统, 要 求 炮 身 能 迅 速 跟 踪 目 标 变 动, 如 果 炮 身 行 动 迟 缓, 仍 然 抓 不 住 目 标 3 准 确 性 对 稳 态 过 程 的 精 度 提 出 要 求, 用 稳 态 误 差 来 表 示 如 果 在 参 考 输 入 信 号 作 用 下, 当 系 统 达 到 稳 态 后, 其 稳 态 输 出 与 期 望 输 出 之 差 叫 做 给 定 稳 态 误 差 显 然, 这 种 误 差 越 小, 表 示 系 统 的 输 出 跟 随 参 考 输 入 的 精 度 越 高 由 于 被 控 对 象 具 体 情 况 的 不 同, 各 种 系 统 对 上 述 三 方 面 性 能 要 求 ( 稳 准 快 ) 的 侧 重 点 也 有 所 不 同, 例 如 随 动 系 统 对 快 速 性 和 稳 态 精 度 的 要 求 较 高, 而 恒 值 系 统 一 般 侧 重 于 稳 定 性 能 和 抗 扰 动 的 能 力 在 同 一 个 系 统 中, 上 述 三 方 面 的 性 能 要 求 通 常 是 相 互 制 约 的 提 高 过 程 的 快 速 性, 会 引 起 系 统 强 烈 振 荡 ; 改 善 平 稳 性, 过 程 又 可 能 变 得 迟 缓, 甚 至 使 最 终 的 精 度 变 的 很 差 1.6 本 书 的 主 要 内 容 自 动 控 制 理 论 研 究 对 控 制 系 统 进 行 分 析 和 设 计 的 方 法 系 统 分 析 对 于 一 个 给 定 的 具 体 的 控 制 系 统, 如 何 从 理 论 上 对 它 的 动 态 性 能 和 稳 态 精 度 进 行 定 性 的 分 析 和 定 量 的 估 算 系 统 设 计 对 于 已 给 定 的 系 统 性 能 要 求, 如 何 根 据 已 知 的 受 控 对 象, 合 理 地 确 定 控 制 装 置 的 部 分 结 构 和 参 数 ( 校 正 装 置 ), 使 系 统 的 性 能 全 面 地 满 足 技 术 上 的 要 求 本 书 讲 述 单 变 量 系 统 的 自 动 控 制 理 论 部 分 第 1~2 章 讲 述 自 动 控 制 系 统 的 基 本 概 念 物 理 系 统 的 数 学 模 型, 属 于 控 制 系 统 分 析 的 基 础 部 分 第 3~5 章 讲 述 自 动 控 制 系 统 的 动 态 响 应 根 轨 迹 频 率 域 分 析 方 法 第 6 章 讲 述 自 动 控 制 系 统 的 根 轨 迹 频 率 域 设 计 方 法 在 学 习 了 连 续 时 间 控 制 系 统 的 分 析 与 设 计 方 法 之 后, 在 第 7 章 讲 述 离 散 t t

13 系 统 的 理 论 基 础 第 8 章 讲 述 非 线 性 控 制 系 统 自 动 控 制 既 复 杂 又 有 趣, 深 入 学 习 研 究 单 变 量 系 统 的 自 动 控 制 理 论, 你 准 备 好 了 吗? 思 考 与 习 题 1 列 举 几 个 开 环 控 制 与 闭 环 控 制 系 统 的 例 子, 并 分 析 说 明 其 工 作 原 理 2 比 较 开 环 控 制 与 闭 环 控 制 系 统 的 优 缺 点 3 什 么 是 反 馈? 什 么 是 正 反 馈 和 负 反 馈? 负 反 馈 在 自 动 控 制 系 统 中 有 什 么 意 义? 4 复 合 控 制 与 开 环 控 制 闭 环 控 制 是 什 么 关 系? 什 么 情 况 下 可 采 用 复 合 控 制 方 式? 5 判 断 下 列 概 念 正 确 与 否 (1) 闭 环 控 制 系 统 通 常 精 度 比 开 环 系 统 精 度 高 (2) 负 反 馈 有 时 用 于 提 高 控 制 系 统 的 精 度 (3) 开 环 控 制 系 统 不 存 在 稳 定 性 的 问 题 (4) 闭 环 控 制 系 统 总 是 稳 定 的 (5) 反 馈 可 能 引 起 系 统 振 荡 (6) 控 制 系 统 的 稳 定 性 是 其 固 有 特 性, 由 系 统 结 构 与 外 界 因 素 决 定 6 炉 温 闭 环 控 制 系 统 如 图 1.15 所 示, 电 阻 丝 电 源 的 通 断 由 接 触 式 水 银 温 度 计 控 制, 水 银 温 度 计 的 两 个 触 点 a 和 b 接 在 常 闭 继 电 器 的 线 圈 电 路 中, 它 随 着 水 银 柱 的 升 降 而 接 通 或 断 开, 通 过 控 制 继 电 器 触 点 K 的 开 闭 而 接 通 或 断 开 电 阻 线 的 电 源, 以 达 到 自 动 调 温 的 目 的 试 说 明 该 系 统 的 控 制 过 程, 并 画 出 系 统 的 方 框 图 7 图 1.16 是 供 电 闭 环 控 制 系 统 原 理 图 分 析 该 系 统 的 控 制 过 程, 并 画 出 系 统 的 方 框 图 U U E U 0 E 图 1.15 炉 温 闭 环 控 制 系 统 原 理 图 图 1.16 供 电 闭 环 控 制 系 统 原 理 图 判 断 题 5 答 案 : (1) (T);(2) (T);(3) (T);(4) (F);(5) (T);(6) (F)