自动控制及其仿真概述

MATLAB 与控制系统仿真实践
第8章自动控制及其仿真概述

MATLAB与控制系统仿真实践，北京航空航天大学出版社，2009.8. 在线交流，有问必答

第0章自动控制及其仿真概述
本章主要内容 8.1 自动控制系统概述
–8.1.1 自动控制的基本概念 –8.1.2 自动控制系统的基本形式及各自特点 –8.1.3 自动控制系统的分类 –8.1.4 对自动控制系统的要求及性能评价
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? 8.2 控制系统仿真概述
– 8.2.1 计算机仿真和辅助设计的基本概念 – 8.2.2 计算机仿真模型 – 8.2.3 计算机仿真的三要素及基本步骤 – 8.2.4 仿真的分类 – 8.2.5 仿真技术的应用及其意义简介 – 8.2.6 仿真技术的发展趋势 – 8.2.7 计算机仿真软件 – 8.2.8 相关网络资源
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8.1 自动控制系统概述

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本节主要内容
? 8.1.1 自动控制的基本概念 ? 8.1.2 自动控制系统的基本形式及各自的特点 ? 8.1.3 自动控制系统的分类

? 8.1.4 对自动控制系统的要求及性能评价

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8.1.1 自动控制的基本概念
? 控制：在自动控制原理中，“控制”是指为了克服各种扰动的影响，达到预期的目标，对生产机械或过程中的某一个或某一些物理量进行的操作。 ? 如我们在制作智能车的过程中，对智能车电机的方向和速度的控制；或对机器人的控制等。再如神舟飞船的发射、飞船在轨运行时姿态的控制、飞船返回地面时测控雷达的控制等。这里涉及到被控变量的概念。如智能车电机的方向和速度即是被控变量，也称为被控量。
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8.1.1 自动控制的基本概念
? 自动控制系统：由被控对象和控制器按一定方式连接起来，完成某种自动控制任务的有机整体。其中起控制功能的装置称为控制器。 ? 控制系统分类：在对被控量进行控制时，按系统中是否有人参与，可分为人工控制和自动控制。若由人来完成对被控量的控制，称为人工控制；若由自动控制装置代替人来完成这种操作，称为自动控制。也有从控制对象生产工艺过程的性质、特点出发，将控制系统分为两大门类：一类是以机械运动为主要生产形式，以电动机为执行机构的“电力拖动自动控制系统”；另—类是以化学反应或者热能转换为主要生产形式，以自动

化仪 MATLAB与控制系统仿真实践，北京航空航天大学出版社， 2009.8. 表与装置为检测与执行机构的“工业生产过程控在线交流，有问必答制系统”。

8.1.2 自动控制系统的基本形式及各自特点
? 自动控制系统按其基本结构形式而言，可分为2种类型：开环控制系统和闭环控制系统
? 开环控制系统及其特点：开环控制系统的特点是输出量即被控量不返回到系统的输入端
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8.1.2 自动控制系统的基本形式及各自特点
? 开环控制系统结构如图8.1：
输入控制器被控对象输出量

图8.1 开环控制系统结构图
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8.1.2 自动控制系统的基本形式及各自特点
? 由于在开环控制系统中，控制器与被控对象之间只有顺向作用而无反向联系，系统的被控变量对控制作用没有影响，系统的控制精度完全取决于所用元器件的精度和特性调整的准确度。因此，开环系统只有在输出量难于测量且要求控制精度不高及扰动的影响较小或扰动的作用可以预先加以补偿的场合，才得以广泛应用。
? 对于开环控制系统，只要被控对象稳定，系统就能稳定地工作。
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8.1.2 自动控制系统的基本形式及各自特点
? 闭环控制系统及其特点 ? 闭环控制系统结构如图实际的闭环控制系统可以简化如图8.2的方框图：

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8.1.2 自动控制系统的基本形式及各自特点
输入 r e G -b 输出量 y

H

图8.2 闭环控制系统结构图
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8.1.2 自动控制系统的基本形式及各自特点
? 其中，r和y分别是系统的输入和输出信号， e为系统的偏差信号，b为系统的主反馈信号，假设参量G和H分别是前向通道和反馈通道的增益，亦即放大系数。可得如下关系式： ?e ? r ? b

? ?b ? H ? y ?y ? G ?e ?

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8.1.2 自动控制系统的基本形式及各自特点
? 通过整理，得到如下输入和输出的关系式：

y G M? ? r 1 ? GH

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8.1.2 自动控制系统的基本形式及各自特点
闭环控制系统的特点是： ? （1）利用负反馈的作用来减小系统误差。由图可以看

出，系统输出量偏离期望值时，这个偏差将被检测出来，对控制作用产生影响，从而使系统具有自动修正被控量偏离的能力，减小了系统误差，较好地实现了自动控制的功能。 ? （2）能有效抑制被反馈通道包围的前向通道中各种扰动对系统输出量的影响。
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8.1.2 自动控制系统的基本形式及各自特点

n 输入 r e G1 -b G2 输出量 y

H

图8.3 扰动对系统影响
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8.1.2 自动控制系统的基本形式及各自特点
以图8.3为例，分别分析当系统为开环和闭环时，扰动对系统的影响： ? 系统开环时，输入为0时，系统输出为：y=k2*n； ? 系统为闭环时，输入为0时，有y=k2*n/1+k1k2H 当1+k1k2H>1时，闭环系统由扰动引起的输出减小了1+k1k2H倍，所以闭环系统具有抑制扰动的能力。（3）可减小被控对象的参数变化对输出量的影响。
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8.1.2 自动控制系统的基本形式及各自特点
首先给出系统灵敏度的定义：系统增益M对于被控对象G变化的灵敏度定义为：

对实际控制系统，在人们关心的频率范围内，常有。可以说闭环控制系统对被控对象的灵敏度低于开环控制系统。正是由于闭环控制系统的这一特点，使得闭环控制系统对被控对象参数的要求不像开环控制系统那样苛刻。
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8.1.2 自动控制系统的基本形式及各自特点
系统增益M对于反馈装置增益H变化的灵敏度：

当GH很大时，上式约为1，这表明反馈装置增益H的变化将直接影响系统输出。因此，保持反馈装置参数不因环境的变化而变化是非常重要的。
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8.1.2 自动控制系统的基本形式及各自特点
（4）带来了系统稳定性的问题在开环控制系统中，只要被控对象稳定，系统就能稳定工作。而在闭环控制系统中，输出信号被反馈到系统输入端，与参考输入比较后形成偏差信号，控制器再按照偏差信号的大小对被控对象进行控制。在此过程中，由于控制系统的惯性，可能引起超调，造成系统的等幅或增幅振荡，使系统变成不稳定。从而产生了系统稳定性的问题。
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8.1.3 自动控制系统的分类
（1）按信号流向分，可分为开环控制系统

和闭环控制系统。（2）按系统的输入信号划分可分为恒值控制系统（自动调节系统）、随动控制系统（伺服系统）和程序控制系统。

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8.1.3 自动控制系统的分类
? 恒值控制系统的特点是输入信号为某个恒定不变的常数，要求系统的被控量尽可能保持在期望值附近。主要任务是抑制扰动。

? 随动控制系统的特点是输入信号随时间任意变化的函数，要求系统的输出信号紧紧跟随输入信号的变化。主要任务是提高跟踪能力。
? 程序控制系统的特点是输入信号是事先确定的按一定规律变化的信号，编成程序存储在输入装置中，目的是使被控量按照设定的程序运动。
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8.1.3 自动控制系统的分类
（3）按元器件特性分，可分为线性系统和非线性系统。 ? 线性系统的元器件其输入输出特性均为线性的，系统输入和输出之间的关系可以用一个或一组线性微分方程来描述。
? 非线性系统：系统中只要有一个非线性元件即称为非线性系统。
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8.1.3 自动控制系统的分类
（4）按微分方程系数的时变性划分 ? 定常系统：描述系统特性的微分方程中各项系数都是与时间无关的常数，则称为定常系统。 ? 时变系统：描述系统特性的微分方程中只要有一项系数是时间的函数，就称为时变系统。