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第8章 自动控制系统概述引言控制系统的重要性控制系统的组成及应用例子为什么绝大多数控制系统均具有反馈自动控制系统的分类自动控制原理的发展历史 综上所述：所谓的控制系统就是为完成某种“目标”而采用的一整套的完成方法和步骤。而这些方法和步骤通常又包含能够更好实现这些“目标”的最佳策略。在工业领域，自动控制系统常常是指那些在没有人直接参与的情况下，利用控制装置，对生产过程、工艺参数、目标要求等进行自动的调节与控制，使之按照预定的方案达到要求的指标的设备。 自动控制系统的重要性近年来控制系统在现代文明和技术发展与进步上扮演了越来越重要的角色。我们日常活动的每一个方面几乎都受到了某种控制系统的影响。控制系统已经大量地应用到了工业的所有部门。如产品质量、自动装配线、机床控制、空间技术与武器系统、计算机控制、交通运输、动力系统、机器人、微机系统、纳米技术等。 控制系统的应用实例 1.2开环控制与闭环控制 1、应用：太阳能高效抽水机系统上面例子中存在的问题抽水过程只与太阳能转换来的电流大小有关，它不能反应水池的蓄水情况。因此，这个控制系统存在着水资源的浪费问题。如何解决这个问题？ 2、 开环控制和闭环控制比较这两个例子，我们给出概念：开环控制系统(Open－loop Control System)? 　若系统的输出量不被引回来对系统的控制部分产生影响，则这样的系统称为开环控制系统。闭环控制系统(Closed－loop Control System)? 　若系统输出量通过反馈环节返回来作用于控制部分，形成闭合环路，则这样的系统称为闭环控制系统，又称为反馈控制系统(Feedback Control System)。 开环控制举例 开环系统的特点闭环控制举例 上例中我们还可以看到：为了表明自动控制系统的组成以及信号的传递情况，通常把系统各个环节的作用，用方框+环节特征说明的方式来表示， 并用箭头标明各环节之间信号（能量或作用量）之间的传递情况。系统的这种表示方法称为原理框图表，而这样作的好处就在于：避免去画复杂的系统图形（因为我们不可能各个都是画家）。用原理方框表示系统的另一好处是可以把系统主要环节之间的相互作用关系简单而明了地表达出来。经过简单抽象，我们就可以把一个实际系统变换成为一个满足某种控制规律便于理论分析的原理系统。 3、为什么大多数控制系统均有反馈提高系统的相对稳定性增加系统带宽和总增益提高系统的输入阻抗、降低系统的输出阻抗提高系统的敏感度 设有一台放大器，在未加反馈时，由于各种原因它的电压增益由原来的A=400下降到了A‘=300，比原来下降了25%，现在加入负反馈，并使F=0.0475，则当A=400时闭环电压增益为： 而当开环电压增益降到A’=300时，其闭环增益为： 1.3 自动控制系统的组成 例1-1 水位控制系统自动调节过程： 1.4 自动控制系统的分类 恒值控制系统（Fixed Set-Point Control System）恒值系统的特点是：控制系统的输入量是恒量，并且要求系统的输出量相应地保持恒定。恒值控制系统是最常见的一类控制系统。 过程控制系统（Process Control System）生产过程通常是指把原料放在一定的外界条件下，经过物理或化学变化而制成产品的过程。在这些过程中，往往要求自动提供一定的外界条件，例如温度、压力、流量、液位、粘度、浓度等参量在一定的时间内保持恒值或按一定的程序变化。在化工、轻工、食品等生产过程中对温度、流量、压力、湿度等的控制——过程控制系统。 非线性控制系统（Nonlinear Control System）非线性系统的特点是系统中存在有非线性元件(如具有死区、出现饱和、含有库伦摩擦等非线性特性的元件)，要用非线性微分方程来描述。非线性系统不能应用叠加原理。 时变系统（Time-Varying System）时变系统的特点是系统中有的参数是时间t的函数，它随时间变化而改变。例如宇宙飞船控制系统。 1.5 自动控制系统的性能指标系统的稳定性 (Stability) 稳定系统:当扰动作用(或给定值发生变化)时，输出量将会偏离原来的稳定值，这时，由于反馈环节的作用，通过系统内部的自动调节，系统可能回到(或接近)原来的稳定(或跟随给定值)稳定下来，如图1-13a所示。不稳定系统:由于内部的相互作用，使系统出现发散而处于不稳定状态，如图1-13b所示。 系统的稳态性能指标 (Steady-State Performance Specification) 当系统从一个稳态过渡到新的稳态，或系统受扰动作用又重新平衡后，系统会出现偏差，这种偏差称为稳态误差，用 表示(Steady-State Error)。系统稳态误差的大小反映了系统的稳态精度(或静态精度)(Static Accuracy)，它表明了系统的准确程度。稳态误差 越小，则系统的稳态精度越高。 １.有静差系统: ≠0，如图1-14a所示。 ２.无静差系统: =0，如图1-14b所示。 系统的动态性能指标 (Dynamic Performance Specification) 控制系统从一个稳态过渡到新的稳态都需要经历一段时间，亦即需要经历一个过渡过程。表征这个过渡过程性能的指标叫做控制系统的动态性能指标。现在以系统对突加给定信号(阶跃信号)的动态响应来介绍动态指标。图1-15为系统对突加给定信号的动态响应曲线。动态指标通常用最大超调量( )、调整时间( )和振荡次数( )来衡量。 在上述指标中，最大超调量和振荡次数反映了系统的稳定性能。调整时间反映了系统的快速性。稳态误差反映了系统的准确度。一般说来，我们总是希望最大超调量小一点，振荡次数少一点，调整时间短一些，稳态误差小一点。总之，希望系统能达到稳、快、准。? 　　以后的分析将表明，这些指标要求，在同一个系统中往往是相互矛盾的。这就需要根据具体对象所提出的要求，对其中的某些指标有所侧重，同时又要注意统筹兼顾。 自动控制原理的发展历史经典控制理论：40－50年代形成的SISO系统 基于：二战军工技术 目标：反馈控制系统的镇定 基本方法：传递函数，频率法，PID调节器(频域) 现代控制理论： 60－70年代形成 MIMO系统 基于： 冷战时期空间技术，计算机技术 目标：最优控制 基本方法：状态方程（时域） 智能控制技术： 90年代开始发展 专家系统 模糊控制 神经网络正在发展的各个领域 自适应控制 大系统理论 鲁棒控制 非线性控制（微分几何，混沌，变结构）o7O红软基地

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