自动控制及其仿真概述

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1、第6章　自动控制及其仿真概述6.1自动控制系统概述6.1.1自动控制的基本概念6.1.2自动控制系统的基本形式及特点61.3自动控制系统的分类6.1.4对自动控制系统的要求及性能评价主要内容6.2控制系统仿真概述6.2.1计算机仿真和辅助设计的基本概念6.2.2计算机仿真模型6.2.3计算机仿真的三要素及基本步骤6.2.4仿真的分类6.2.5仿真技术的应用及其意义6.2.6仿真技术的发展趋势6.2.7计算机仿真软件6.2.8相关网络资源主要内容6.1.1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

2、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。6.1.1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

3、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”；另一类是以化学反应或者热能转换为主要生产形式，以自动化仪表与装置为检测与执行机构的“工业生产过程控制系统”。6.1.2自动控制系统的基本形式及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的特点是输出量即被控量不返回到系统的输入端开环控制系统结构图：6.1.2自动控制系统的

4、基本形式及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。6.1.2自动控制系统的基本形式及特点闭环控制系统方框图6.1.2自动控制系统的基本形式及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

5、，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。（3）可减小被控对象的参数变化对输出量的影响。（4）带来了系统稳定性的问题6.1.3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。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

6、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。6.1.3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。（4）按微分方程系数的时变性划分定常系统：描

7、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。6.1.3自动控制系统的分类（5）按信号的连续性分连续系统：系统中所有元件的输入和输出信号都是随时间连续变化的，信号的大小可任意取值的模拟量，称为连续系统。离散系统：系统中有一处或多处信号是脉冲序列或数码。（6）按输入输出数量分单输入单输出系统（单变量系统）：系统的输入和输出均为一个。多输入多输出系统（多变量系统）：系统的输入和输出多于一个。6.1.3对自动控制系统的要求及性能评价对自动控制系

8、统的基本要求可以归结为三个字：稳，准，快。（即稳定性，准确性和快速性）稳：是对自动控制系统的最基本要求。它反映系统在受到扰动后恢复平衡状态的能力。准：指系统在平衡工作状态下其输出量与其希望值的距离，即被控量