自动控制理论 第一章 自动控制的基本概念 1.3 控制系统的分类

发布日期:[15-01-31 22:01:07] 浏览人次:[]

1.3 控制系统的分类

1.3控制系统的分类

自动控制系统可以按多种方法进行分类。以下是几种常见的分类方法。

1.3.1 线性系统与非线性系统

这是按照控制系统特性进行分类的方法。 线性控制系统是由线性元件构成的系统。线性元件是指输入和输出静特性的关系为线性的元件。也可以说,线性系统是可以用线性微分方程描述的系统。当线性微分方程的系数为常数时,称为线性定常系统,当线性微分方程的系数是时间的函数时,称为线性时变系统。线性系统的主要特点是满足叠加原理和齐次原理。叠加原理是指当系统有多个输入时,系统的输出等于每个输入单独作用下系统的输出之和。齐次原理是指当输入增大或缩小若干倍时,系统的输出也相应增大或缩小若干倍。所以,还可以这样说:凡是既满足叠加原理又满足齐次原理的系统就是线性系统。 若控制系统中至少含有一个非线性元件,系统就是非线性系统。或者说用非线性微分方程描述的系统就是非线性系统。非线性微分方程的特点是系数与方程变量有关。例如,非线性方程

         (1.1)

可以改写成

           (1.2)

式中项的系数就与方程的变量有关。 实际上理想的线性系统是不存在的,但在一定条件下,如变量在工作点附近做小范围的变化,或忽略系统中的一些次要的因素等,许多非线性系统可以近似为线性系统。线性系统在数学上处理较为容易,线性系统理论也相当成熟,而非线性系统目前还缺少统一的数学处理方法。本书所讨论的系统都是线性定常系统。

1.3.2  开环控制系统与闭环控制系统

这是按照控制系统结构进行分类的方法。 开环控制系统的原理如图1.5所示。图中,由于不存在从输出端到输入端的反馈回路,所以称为开环控制系统。

图1.5 开环控制系统的原理图

图1.5 开环控制系统的原理图

在开环控制系统中,控制变量u(t)只根据输入变量产生,输出变量y(t)在控制过程中对控制变量不产生影响。 开环控制系统比较简单,反应速度快。当控制系统受到各种扰动作用时,输出变量会产生一定的误差。开环控制在原理上没有修正误差的能力,这就影响了开环控制的精度。若要达到较高的控制精度,必须选用精度高、抗干扰能力强的元器件,这就增加了控制系统的投资。 开环控制系统的应用相当广泛,轻工、食品、机械加工、纺织等许多行业的自动生产线都是按开环控制设计的。家用洗衣机以及某些家用电器也是按开环系统设计的。 闭环控制是按偏差控制的,以检测偏差、消除偏差为特征。各种搅动对被控量产生的影响,都可以通过偏差检测出来,控制系统都能自动纠正。所以,闭环控制系统具有较强的抗干扰能力,因而组成系统的元件不必要求太高仍可得到较高的控制精度。但闭环控制由于反馈的存在,可能引起控制过程的振荡,使控制系统不能稳定地工作。闭环控制的应用非常广泛。我们所说的自动控制系统,一般都是指闭环控制系统。

1.3.3恒值控制系统与随动控制系统

恒值控制系统与随动控制系统是根据控制系统的控制输入变量进行分类的方法。 当控制系统的控制输入变量r(t)(即给定值)为常量时,称控制系统为恒值控制系统,又可称为恒值调节系统。这类控制系统的任务就是克服各种扰动对系统的影响,使输出变量与给定值保持一致。 在有些情况下,控制系统的输入变量不可能事先确定,即r(t)是时间的随机函数。如拦截飞行器的导弹的控制,电力生产中负荷的控制等。这类控制系统的任务就是要保证输出变量以一定的精度快速跟随输入变量r(t)的变化。这种系统称为随动控制系统。 实际应用中的控制系统,有时为了满足较高的控制要求,往往采用既有调节功能,又有随动功能或其他控制功能的综合控制方式。

1.3.4单变量系统和多变量系统

单变量系统又叫单输入单输出控制系统(SISO),是只有一个输入变量和一个输出变量的控制系统。 随着生产和科学技术的发展,被控对象越来越复杂,控制要求也越来越高,因而出现了多变量控制系统,即多输入多输出控制系统(MIMO),这类控制系统中,变量之间相互耦合,控制难度较大,控制系统的结构也比较复杂。

1.3.5连续系统和离散系统

若控制系统中各部分的信号都是连续的(即是时间的连续函数),称这类控制系统为连续系统。 在控制系统中,只要有一处信号是不连续信号,则称其为离散系统。离散系统中的信号是脉冲信号。离散系统中应用最广泛的是采样控制系统。通过采样开关,可以把连续信号变为脉冲序列信号(采样信号),这样的控制系统称为采样控制系统。如果对采样信号进一步量化为数码信号,这类控制系统则称为数字控制系统。应用计算机构成的数字控制系统已经获得了广泛的应用。

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