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生物控制论 首都医科大学生物医学工程学院 计算机教研室 周萍 第二讲:控制论基本知识 第二讲:控制论基本知识 第一节: 常用术语 第二节: 闭环控制与开环控制 第三节: 控制系统的分类 第四节: 对自动控制系统的基本要求 扰动是一种对系统的输出产生不利影响的信号。如果扰动产生在系统内部称为内扰;扰动产生在系统外部,则称为外扰。外扰是系统的输入量。 反馈控制是这样一种控制过程,它能够在存在扰动的情况下,力图减小系统的输出量与参考输入量(也称参据量)(或者任意变化的希望的状态)之间的偏差,而且其工作正是基于这一偏差基础之上的。 常用术语: 反馈控制系统是一种能对输出量与参考输入量进行比较,并力图保持两者之间的既定关系的系统,它利用输出量与输入量的偏差来进行控制。 反馈控制系统不限于工程范畴,在各种非工程范畴内,诸如经济学和生物学中,也存在着反馈控制系统。 常用术语: 随动系统是一种反馈控制系统,在这种系统中,输出量是机械位移、速度或者加速度。因此,随动系统这个术语,与位置(或速度或加速度)控制系统是同义语。在现代工业中,广泛采用着随动系统。 在工业生产过程中,诸如对压力、温度、湿度、流量、频率以及原料、燃料成分比例等方面的控制,称为过程控制。 常用术语: 例: 例: 闭环控制与开环控制 反馈控制系统 开环控制系统 闭环与开环控制系统的比较 反馈控制系统 1 反馈 把取出的输出量送回输入端,并与输入信号相比较产生偏差信号的过程,称为反馈。若反馈的信号与输入信号相减,使产生的偏差越来越小,则称为负反馈;反之,则称为正反馈。 能对输入量与输出量进行比较,并且将它们的偏差作为控制手段,以保持两者之间预定关系的系统,称为反馈控制系统。由于引入了被反馈量的反馈信息,整个控制过程成为闭合的,因此反馈控制也称为闭环控制。 2 反馈控制系统 3 闭环控制 凡是系统输出信号对控制作用有直接影响的系统,都称为闭环系统。输入信号和反馈信号(反馈信号可以是输出信号本身,也可以是输出信号的函数或导数)之差,称为误差信号,误差信号加到控制器上,以减小系统的误差,并使系统的输出量趋于所希望的值,换句话说,“闭环”这个术语的涵义,就是应用反馈作用来减小系统的误差。 反馈控制系统的基本组成 被控对象 控制装置(由具有一定职能的各种基本元件组成 ) 测量元件:其职能是测量被控制的物理量; 给定元件:其职能是给出与期望的被控量相对应的系统输入量(即参据量)。 比较元件:把测量元件检测的被控量实际值与给定元件给出的参据量进行比较,求出它们之间的偏差。 放大元件:将比较元件给出的偏差进行放大,用来推动执行元件去控制被控对象。 执行元件:直接推动被控对象,使其被控量发生变化。 校正元件:亦称补偿元件,它是结构或参数便于调整的元件,用串联或反馈的方式连接在系统中,以改善系统性能。 用“○”号代表比较元件,“-”号代表两者符号相反,“+”号代表两者符号相同。信号沿箭头方向从输入端到达输出端的传输通路称前向通路;系统输出量经测量元件反馈到输入端的传输通路称主反馈通路。前向通路与主反馈通路共同构成主回路。此外,还有局部反馈通路以及由它构成的内回路。 开环控制 闭环与开环控制系统的比较 闭环控制系统的特点 偏差控制,可以抑制内、外扰动对被控制量产生的影响。精度高、结构复杂,设计、分析麻烦。 开环控制系统的特点 顺向作用,没有反向的联系,没有修正偏差能力,抗扰动性较差。结构简单、调整方便、成本低。 控制系统的分类 开环控制 闭环控制(反馈控制) 复合控制 按控制方式分 线性系统 非线性系统 连续系统 定常系统 时变系统 确定性系统 不确定性系统 按系统性能分 离散系统 恒值控制系统 随动系统 程序控制系统 按参据量变化规律分 对自动控制系统的基本要求 对自动控制系统性能的基本要求 可以归结为稳定性(长期稳定性)、准确性(精度)和快速性(相对稳定性)。 稳 准 快 稳定性: 1 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。 2 对随动系统,被控制量始终跟踪参据量的变化。 稳定性是对系统的基本要求,不稳定的系统不能实现预定任务。稳定性,通常由系统的结构决定与外界因素无关。 对过渡过程的形式和快慢提出要求,一般称为动态性能。 稳定高射炮射角随动系统,虽然炮身最终能跟踪目标,但如果目标变动迅速,而炮身行动迟缓,仍然抓不住目标。 快速性: 准确性: 准确性:用稳态误差来表示。 在参考输入信号作用下,当系统达到稳态后,其稳态输出与参考输入所要求的期望输出之差叫做给定稳态误差。 这种误差越小,
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