对自动控制系统的基本要求

2016-01-09 11:22 作者:管理员11 来源:未知 浏览: 字号:
对自动控制系统的基本要求
1.基本要求的提法
    自动控制理论是研究自动控制共同规律的一门学科。尽管自动控制系统有不同的类型,对每个系统也都有不同的特殊要求,但对于各类系统来说,在已知系统的结构和参数时,我们感兴趣的都是系统在某种典型输入信号下,其被控量变化的全过程。例如,对恒值控制系统是研究扰动
作用引起被控量变化的全过程;对随动系统是研究被控量如何克服扰动影响并跟随输入量的变化全过程。但是,对每一类系统被控量变化全过程提出的共同基本要求都是一样的,且可以归结为稳定性、快速性和准确性,即稳、准、快的要求。
    (1)稳定性
    稳定性是保证控制系统正常工作的先决条件。一个稳定的控制系统,其被控量偏离期望值的初始偏差应随时间的增长逐渐减小并趋于零。具体来说,对于稳定的恒值控制系统,被控量因扰动而偏离期望值后,经过一个过渡过程时间,被控量应恢复到原来的期望值状态;对于稳定的随
动系统,被控量应能始终跟踪输入量的变化.反之,不稳定的控制系统,其被控量偏离期望值的初始偏差将随时间的增长而发散,因此,不稳定的控制系统无法实现预定的控制任务。
    线性自动控制系统的稳定性是由系统结构所决定的,与外界因素无关.这是因为控制系统中一般含有储能元件或惯性元件,如绕组的电感、电枢转动惯量、电炉热容量、物体质量等,储能元件的能量不可能突变,因此,当系统受到扰动或有输入量时,控制过程不会立即完成,而是有一定
的延缓,这就使得被控量恢复期望值或跟踪输入量有一个时间过程,称为过渡过程;例如,在反馈控制系统中,由于被控对象的惯性,会使控制动作不能瞬时纠正被控量的偏差;控制装置的惯性则会使偏差信号不能及时完全转化为控制动作。这样,在控制过程中,当被控量已经回到期望值
而使偏差为零时,执行机构本应立即停止工作,但由于控制装置的惯性,控制动作仍继续向原来方向进行,致使被控量超过期望值又产生符号相反的偏差,导致执行机构向相反方向动作,以减小这个新的偏差;另一方面,当控制动作已经到位时,又由于被控对象的惯性,偏差并未减小为
零,因而执行机构继续向原来方向运动,使被控量又产生符号相反的偏差;如此反复进行,致使被控量在期望值附近来回摆动,过渡过程呈现振荡形式.如果这个振荡过程是逐渐减弱的,系统最后可以达到平衡状态,控制目的得以实现,我们称为稳定系统;反之,如果振荡过程逐步增强,系
统被控量将失控,则称为不稳定系统。
    (2)快速性
    为了很好完成控制任务,控制系统仅仅满足稳定性要求是不够的,还必须对其过渡过程的形  式和快慢提出要求。一般称为动态性能。例如,对于稳定的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,而炮身跟踪目标所需过渡过程时间过长,就不可能击中目标;
对用于稳定的自动驾驶仪系统,当飞机受阵风扰动而偏离预定航线时,具有自动使飞机恢复预定航线的能力,但在恢复过程中,如果机身摇晃幅度过大,或恢复速度过快,就会使乘员感到不适;函数记录仪记录输入电压时,如果记录笔移动很慢或摆动幅度过大,不仅使记录曲线失真,而且
还会损坏记录笔,或使电器元件承受过电压。因此,对控制系统过渡过程的时间(即快速性)和最大振荡幅度(即超调置)一般都有具体要求.
    (3)准确性
    理想情况下,当过渡过程结束后,被控量达到的稳态值(即平衡状态)应与期望值一致。但实际上,由于系统结构,外作用形式以及摩擦、间隙等非线性因素的影响,被控量的稳态值与期望值之间会有误差存在,称为稳态误差。稳态误差是衡量控制系统控制精度的重要标志,在技术指标
中一般都有具体要求.
2.典型外作用
    在工程实践中,自动控制系统承受的外作用形式多种多样,既有确定性外作用,又有随机性外作用。对不同形式的外作用,系统被控量的变化情况(即响应)各不相同,为了便于用统一的方法研究和比较控制系统的性能,通常选用几种确定性函数作为典型外作用。可选作典型外作用的
函数应具备以下条件:
    1)这种函数在现场或实验室中容易得到。
    2)控制系统在这种函数作用下的性能应代表在实际工作条件下的性能。
    3)这种函数的数学表达式简单,便于理论计算。
    目前,在控制工程设计中常用的典型外作用函数有阶跃函数、斜坡函数、脉冲函数以及正弦函数等确定性函数,此外,还有伪随机函数。
    (1)阶跃函数
    阶跃函数的数学表达式为
式(1-1)表示一个在t-0时出现的幅值为R的阶跃变化函数,如图1-19所示.在实际系统中,这意味着t-o时突然加到系统上的一个幅值不变的外作用,幅值R=l的阶跃函数,称单位阶跃函数,用l(t)表示,幅值为尺的阶跃函数便可表示为,(£)=R.1(£).在任意时刻t。出现的阶跃函数可表示为f(t-岛) =R.l(t-to)。
    阶跃函数是自动控制系统在实际工作条件下经常遇到的一种外作用形式。例如,电源电压突然跳动I负载突然增大或减小;飞机飞行中遇到的常值阵风扰动等,都可视为阶跃函数形式的外作用。在控制系统的分析设计工作中,一般将阶跃函数作用下系统的响应特性作为评价系统动态性能指标的依据。
    (2)斜坡函数
    斜坡函数的数学表达式为

  式(1-2)表示在f—o时刻开始,以恒定速率R随时间而变化的函数,如图1-20所示。在工程实践  中,某些随动系统就常常工作于这种外作用下,如雷达一高射炮防空系统,当雷达跟踪的目标以恒定速率飞行时,便可视为该系统工作于斜坡函数作用之下,
阶跃函数
  (3)脉冲函数
  脉冲函数定义为

式中,(A/to)[l(t) -l(t-to)]是由两个阶跃函数合成的脉动函数,其面积A= (A/to)t。,如图l-21(a)所示。当宽度to趋于零时,脉动函数的极限便是脉冲函数,它是一个宽度为零、幅值为无穷大、面积为A的极限脉冲,如图1-21 (b)所示。脉冲函数的强度通常用其面积表示。面积A=1的脉冲函数称为单位脉冲函数或δ函数;强度为以的脉冲函数可表示为f(t) -Aδ(t)。在z。时刻出现的单位脉冲函数则表示为δ(t-to)。
脉动函数和脉冲函数
 
 
 
 
 
 
(责任编辑:laugh521521)
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