实际工程中,尽管控制系统的控制有其基本规律,然而控制系统因其工作环境、被控对象、变化规律不同,它的种类也不同,因此,介绍控制系统的类型,从而分门别类地掌握不同类型的控制系统的具体规律,对于控制系统的分析和设计也是很必要的。
(1)按照信息传递路径的不同来分类,控制系统可以分为开环系统、闭环系统和复合系统三种类型。
1)开环系统(又称开环控制系统、无反馈系统)。
含义:就是对控制系统的被控量(受控量、输出量、响应)不进行检测和反馈,而是根据被控对象的计算功能来实现控制作用的系统。
工作原理:给定一个输入量,通过控制器对被控对象的控制作用,就可得到一个输出量;工作过程中,对于外界的干扰无法完全克服,即输入→输出。原理图如图1-3所示。
图1-3 开环控制系统原理图
特点:结构简单、成本低、调整方便,适应性差;系统中无反馈环节,输出对控制作用无影响;抗干扰能力差,控制精度不高。
2)闭环系统(又称闭环控制系统,反馈控制系统)。
含义:就是先测量被控量,然后反馈到输入端,与输入量进行比较求得偏差,利用这个偏差作用于控制器控制被控对象,使输出量按特定规律而变化的系统。
工作原理:反馈环节把检测到的被控量的值反馈到输入端,与输入量进行比较求出偏差,通过偏差作用在控制器上控制被控对象使其输出量按照特定规律而变化。原理图如图1-2所示。
特点:结构复杂、成本高、适应性强;系统中含有反馈环节,信号的传递形成一个闭环(即不仅有输入对输出的正向作用,而且有输出对输入的反馈作用);抗干扰能力强,控制精度高。
3)复合系统(又称复合控制系统)。由开环和闭环传递路径组成的混合系统,它兼有开环系统和闭环系统的特点。
(2)按照输出量给定值的变化规律不同来分类,闭环系统可以分为自动调节系统、伺服系统和程序控制系统三类。
1)自动调节系统(又称恒值、定值、镇定调节系统)。
含义:就是首先调定一个输出量的给定值,工作过程中不再改变此整定值,当系统受到干扰作用时,控制器控制被控对象使其输出量趋于整定值的系统。例如:电压、温度、转速、液位控制系统等。
特点:整定值不变,输出量在整定值附近波动。
2)伺服系统(又称随动系统、跟踪系统)。
含义:就是输出量的给定值不是预先给定的,而是随机变化的;输入量在大范围内随时间而变化,输出量在各种情况下以一定精度跟随输入量而变化的系统。
例如:雷达高射炮炮身位置随动系统,火炮群跟踪雷达天线方位角位置控制系统,轧钢机压下装置位置控制系统,液压仿形刀架系统,轮舵位置控制系统等。
特点:给定值随时间而变化,输出量随输入量而变化;控制器的作用是使输出量跟踪输入量的变化而变化;输出量多为机械的位移、速度、加速度(或角位移、角速度、角加速度)等。
3)程序控制系统。
含义:就是输出量的给定值是预定的时间函数,输出量能够准确而自动地按事先给定的规律变化的系统。
例如:数控机床、数控加工中心、自动化生产线等。
特点:输出量按预先规律变化,输入量按预先程序变化;控制过程按预定顺序进行。
(3)按照系统的特性不同来分类,控制系统可以分为线性控制系统和非线性控制系统(或线性系统和非线性系统)两类。
1)线性控制系统。
含义:
①数学观点:由线性函数(线性微分、差分、代数方程)描述的系统称为线性控制系统。
②物理观点:同时满足叠加性和齐次性(均匀性),即满足叠加原理的系统称为线性控制系统。
特点:输入信号的线性组合所引起的系统响应,为各个输入信号单独作用时所产生响应的同一线性组合,即具有齐次性(均匀性)、叠加性。(www.xing528.com)
齐次性(均匀性):当输入信号倍乘一常数时,则响应也倍乘同一常数。
叠加性:若干个输入信号同时作用于系统所产生的响应等于各个输入信号单独作用于系统所产生响应的代数和。
线性微分方程满足叠加原理。现举例说明:设有线性微分方程如下:
当ƒ(t)=ƒ1(t)时,上述方程的解为c1(t);当ƒ(t)=ƒ2(t)时,其解为c2(t)。如果ƒ(t)=ƒ1(t)+ƒ2(t),容易验证,方程的解必为c(t)=c1(t)+c2(t),这就是可叠加性。而当ƒ(t)=Aƒ1(t)时,式中A 为常数,则方程的解必为c(t)=Ac1(t),这就是均匀性。
线性系统的叠加原理表明,两个外作用同时加于系统所产生的总输出,等于各个外作用单独作用时分别产生的输出之和,且外作用的数值增大若干倍时,其输出亦相应增大同样的倍数。因此,对线性系统进行分析和设计时,如果有几个外作用同时加于系统,则可以将它们分别处理,依次求出各个外作用单独加入时系统的输出,然后将它们叠加。此外,每个外作用在数值上可只取单位值,从而大大简化了线性系统的研究工作。
2)非线性控制系统。
含义:
①数学观点:由非线性函数描述的系统称为非线性控制系统。
②物理观点:不同时满足叠加性和齐次性的系统称为非线性控制系统。
特点:不同时具有叠加性和齐次性。
(4)按照系统中参数随时间变化情况不同来分类,控制系统可以分为定常系统和时变系统两类。
1)定常系统(又称时不变系统)。
含义:
①数学观点:由定常系数函数描述的系统称为定常系统。
②物理观点:结构和参数都不随时间而变化的系统称为定常系统。
③系统特性观点:响应特性只取决于其输入信号的形式和特性,而与输入信号的作用时刻无关的系统称为定常系统。
特点:具有频率保持性。
2)时变系统。
含义:
①数学观点:由时变系数函数描述的系统称为时变系统。
②物理观点:结构和参数随时间而变化的系统称为时变系统。
③系统特性观点:响应特性取决于输入信号的形式及其作用时刻的系统称为时变系统。
特点:含有时变参数。
(5)按照系统传输信号对时间的关系不同来分类,控制系统可以分为连续控制系统和离散控制系统。
1)连续控制系统(又称连续系统、模拟控制系统)。
特点:各变量均连续,可以用微分方程描述。
2)离散控制系统(又称离散系统)。
含义:某处或多处变量是离散量的系统称为离散控制系统。它包括采样控制系统和数字控制系统。
特点:变量不都连续,可以用差分方程描述。
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