反馈控制系统的特性

第一章习题1-1日常生活中有许多开环和闭环控制系统，试举几个具体例子，并说明它们的工作原理。

1-2说明负反馈的工作原理及其在自动控制系统中的应用。

自动驾驶器用控制系统将汽车的速度限制在允许范围内。

画出方块图说明此反馈系统。

1-3双输入控制系统的一个常见例子是由冷热两个阀门的家用沐浴器。

目标是同时控制水温和流量，画出此闭环系统的方块图，你愿意让别人给你开环控制的沐浴器吗？1-4开环控制系统和闭环控制系统各有什么优缺点？1-5反馈控制系统的动态特性有哪几种类型？生产过程希望的动态过程特性是什么？1-6对自动控制系统基本的性能要求是什么？最主要的要求是什么？1-7下图表示一个水位自动控制系统,试说明其作用原理.1-8下图是恒温箱的温度自动控制系统.要求:(1) 画出系统的原理方框图;(2) 当恒温箱的温度发生变化时,试述系统的调解过程;(3) 指出系统属于哪一类型?1-9 下图为位置随动系统,输入量为转角r θ,输出量为转角c θ,p R 为圆盘式滑动电位器,s K 为功率放大器SM 为伺服电动机.要求: (1)说明系统由哪几部分组成,各起什么作用？ (2)画出系统原理方框图;(3)说明当r θ 变化时, c θ的跟随过程.1-10 位置随动系统如下图所示,回答以下问题 1.说明该系统的以下(1)-(10)各是什么:(1)被控制对象 (2)被控制量 (3)给定元件 (4)给定量 (5)主反馈元件 (6)主反馈量 (7)误差量 (8)负载 (9)积分元件 (10)执行元件. 2.画出系统作用方框图,表出个环节的输入输出量。

3.判断(在括号内对的上面打"对号")(1)该系统是(按偏差;按扰动)原则的控制系统; (2)该系统是(有差;无差)系统; (3)该系统是(0型,1型,2型)系统; (4)该系统的输入量是(rr U Q 、);(5)该系统的输出量是(c c U Q 、)。

1－11下图为温度自动控制系统,改变a 点位置可以改变恒温温度.试说明该系统的工作原理和性能,并指出它属何种类型?1-12如题图（a ）、（b ）所示两水位控制系统，要求∙ 画出方块图（包括给定输入量和扰动输入量）； ∙ 分析工作原理，讨论误差和扰动的关系。

《现代控制系统》[美] R . C . 多尔夫，R . H . 毕晓普著第四章：反馈控制系统的特性4.1 开环和闭环控制系统既然我们已经能够设计出控制系统组成部分的数学模型，所以这节我们将研究控制系统的特性。

在1.1节，控制系统被定义为组成系统的各部分的互联关系，该系统是能够实现预定响应的。

因为理想系统响应是已知的，所以就会产生和偏差成比例的信号，这个偏差是理想响应和实际响应之间的差值。

在闭环过程中，利用这个偏差信号来控制信号输出的系统就叫做反馈系统。

这个闭环系统的操作过程如图4.1所示。

为了改善控制系统，引入反馈是非常必要的。

有趣的是，在自然环境中也存在这种反馈系统，例如生物和生理系统，在这些系统中反馈是与生俱来的。

例如，心脏控制系统就是一个反馈控制系统。

为了解释引入反馈以后系统的特性和好处，我们将举一个单一回路的反馈例子。

虽然很多控制系统都不是单一反馈的，但是单个回路反馈比较容易解释。

研究单个回路反馈能够最好地说明反馈回路的所有优点，然后我们再把它延伸到多个回路反馈系统。

没有反馈的系统通常被称为直接系统或开环系统，如图4.2所示。

与之相反的是闭环系统，如图4.3所示的负反馈控制系统。

没有反馈的开环{直接}系统就是对应与输入直接产生一个输出。

闭环控制系统就是对输出信号进行测量，然后与理想值进行比较，产生一个偏差信号，最后再把偏差信号送入调节器。

两种形式的控制系统都由相同的的方框图和信号流线图组成，但是，信号流线图对信号输出的结果起了主要作用。

一般情况下，H （s ）等于1或者不是1的其他常数。

这个常数包括单位转换，例如，弧度转化为电压。

首先，我们先讨论H （s ）=1时的单位反馈。

那么这时Ea(s)=E(s)，并且Y(s)=G(s)E(s)=G(s)[R(s)-Y(s)]解出Y(s)，得到()()()1()G s Y s R s G s =+ (4.1) 偏差信号是1()()1()E s R s G s =+ 因此，为了减小偏差，在S 的取值范围内，必须使[1+G （s ）]的值远大于1。

第一章1．开环控制和闭环控制的主要区别是什么？主要区别是有无输出量的反馈，将输出量和定值比较后形成差值反馈给对象的输入端，就是闭环控制，无此过程就是开环控制。

2. 电加热炉炉温控制中，热电阻丝端电压U及炉内物体质量M的变化，哪个是控制量？哪个是扰动？为什么？U是控制量，改变U可以控制温度的高低；M是扰动，它的增减对温度产生不希望的影响，即影响炉温的高低。

3. 简述自动控制所起的作用是什么？作用是在人不直接参与的情况下，使某些被控量按指定规律变化。

4．恒值调节和随动调节的区别是什么？恒值调节的给定量为一常值，随动调节的给定量是个随时间变化的不能预知的量。

5. 简述自动控制电加热炉炉温控制的原理。

1）由热电偶测得炉温2）和给定温度值比较3）温度差大于0，则减小电炉电压使炉温降低，反之则增大电压。

6．比较被控量输出和给定值的大小，根据其偏差实现对被控量的控制，这种控制方式称为闭环控制。

7．简述控制系统由哪三大部分组成？测量，比较，控制1．反馈控制系统是指：a.负反馈 b.正反馈答案a.负反馈2．反馈控制系统的特点是：答案控制精度高、结构复杂3．开环控制的特点是：答案控制精度低、结构简单4．闭环控制系统的基本环节有：给定、比较、控制、对象、反馈5．自控系统各环节的输出量分别为：给定量、反馈量、偏差、控制量输出量。

6．自控系统的数学模型主要有以下三种：微分方程、传递函数、频率特性7．实际的物理系统都是：a.非线性的 b.线性的 a.非线性的8．线性化是指在工作点附近用代替曲线。

切线9．传递函数等于输出像函数比输入像函数。

10．传递函数只与系统结构参数有关，与输出量、输入量无关。

11．惯性环节的惯性时间常数越大，系统快速性越差。

12．二阶系统阻尼系数＞1，系统就不会出现过调。

13．最佳阻尼系数ξ＝0.707。

14．小时间迟后环节可近似为惯性环节。

15．分析某一时间的误差可用：a.终值定理 b.误差级数 c.拉氏反变换。

反馈控制系统稳定性问题及改进方法研究1. 研究背景反馈控制系统是一种常用的控制系统，广泛应用于工业自动化、机器人控制、飞行器等领域。

然而，反馈控制系统在实际应用中常常面临稳定性问题，如系统振荡、不稳定等。

这些问题对系统的性能、可靠性和安全性都会产生负面影响，因此需要进行研究和改进。

2. 稳定性问题的原因分析反馈控制系统稳定性问题的产生原因有多种，主要包括以下几个方面：a. 参数不确定性：如果系统参数存在不确定性，如变化范围较大或存在随机性，会导致系统的稳定性下降。

b. 时滞问题：反馈控制系统中的时滞（包括传感器延迟、信号传输延迟等）会导致系统的稳定性退化。

c. 非线性特性：系统的非线性特性会导致系统稳定性问题的产生和加剧。

d. 信号干扰：如果系统受到外部信号干扰或噪声干扰，会导致系统的稳定性受到影响。

3. 稳定性改进方法针对反馈控制系统的稳定性问题，可以采取如下改进方法：a. 参数估计与鲁棒控制：通过参数估计技术，对系统的参数进行辨识和估计，从而提高系统的鲁棒性和稳定性。

鲁棒控制策略可以针对参数不确定性，克服参数变化带来的稳定性问题。

b. 时滞补偿：采用时滞补偿技术，通过估计和预测时滞，对控制器进行补偿，消除由于时滞引起的不稳定性。

c. 非线性控制方法：针对系统的非线性特性，可以采用模糊控制、神经网络控制等非线性控制方法。

这些方法可以更好地处理系统的非线性特性，提高系统的稳定性和性能。

d. 信号处理与滤波：对于受到信号干扰的系统，可以通过信号处理和滤波技术来减小干扰的影响，提高系统的稳定性。

4. 实验研究为了验证改进方法的有效性，可以进行实验研究。

首先，建立反馈控制系统的数学模型，并模拟各种稳定性问题的影响。

然后，针对每个稳定性问题，应用相应的改进方法进行实验，比较改进前后系统的稳定性和性能。

实验结果可以提供参考，为实际应用中的系统优化提供指导。

5. 结论反馈控制系统的稳定性问题对于系统的性能和可靠性具有重要影响，需要进行研究和改进。

单位负反馈控制系统G(s)=4/s(s+1)引言：单位负反馈控制系统是自动控制理论中的一个重要概念，它广泛应用于各种工程和技术领域。

单位负反馈控制系统的传递函数G(s)描述了系统输出与输入之间的关系，对于分析和设计控制系统具有重要意义。

本文将深入探讨单位负反馈控制系统G(s)=4/s(s+1)，分析其特性、应用和优势。

一、单位负反馈控制系统的基本原理单位负反馈控制系统是一种闭环控制系统，其中系统的输出与输入之间存在一个负反馈回路。

这个负反馈回路将系统的输出信号与输入信号进行比较，并调整系统的控制信号，以达到期望的控制效果。

单位负反馈控制系统的传递函数G(s)描述了系统输出与输入之间的关系，它是系统稳定性、响应性和鲁棒性的关键因素。

二、G(s)=4/s(s+1)的特性分析1. 稳定性：传递函数G(s)=4/s(s+1)的零点位于s=-1和s=0，其中s=-1是一个稳定的零点，而s=0是一个不稳定的零点。

这意味着系统在s=-1时具有稳定性，但在s=0时可能存在振荡或发散的行为。

因此，为了确保系统的稳定性，需要采取适当的控制策略来补偿不稳定的零点。

2. 响应性：传递函数G(s)=4/s(s+1)的分母为s(s+1)，这意味着系统在低频区域具有较快的响应速度，而在高频区域响应速度较慢。

因此，系统在处理低频信号时能够迅速响应，而在处理高频信号时可能存在延迟或振荡的问题。

3. 鲁棒性：传递函数G(s)=4/s(s+1)的分子为常数4，这表明系统对于输入信号的幅度变化具有一定的鲁棒性。

然而，由于分母包含s(s+1)项，系统对于输入信号的变化频率较为敏感，可能存在频率响应的问题。

三、单位负反馈控制系统的应用1. 工程领域：单位负反馈控制系统广泛应用于各种工程领域，如机械控制、电子电路、化学工艺等。

通过合理设计控制器的传递函数，可以实现系统的稳定控制、精确控制和快速响应。

2. 机器人控制：单位负反馈控制系统在机器人控制中起着重要作用。

控制系统中前馈控制与反馈控制的区别在自动控制系统中,反馈控制是闭环控制,所谓的闭环控制是将输出信号反送到控制器的输入端与给定值(给定控制信号)进行比较，得到偏差信号作为控制器的输入信号．（如何构成的“环路”?对整个控制系统来讲包含两条主要通路信号,一条是从控制器传送到控制对象的前向通道信号,还有一条是从控制对象反馈到控制器输入的反向信号，整个系统构成一个闭和的环路,因此称为闭环)。

前馈控制则是指不存在给定信号与控制对象的输出信号进行比较的过程,直接对控制对象进行控制的一种控制方式,是一种开环的控制方式。

它是在从给定值到控制对象的称为“前向”控制通道上加上控制信号的一种控制方式。

因此称为“前馈”。

前馈控制一般由前馈控制器完成，前馈控制器输出到“前向通道”的信号（作用在控制系统的信号)称为前馈信号。

前馈控制器的输入一般是对系统的某种扰动进行检测和处理后的信号。

那么二者之间究竟有怎么的区别和联系，笔者对此做了以下的见点介绍。

图1 反馈控制框图图2 前馈控制框图上面的两个框图分别是反馈控制框图和前馈控制框图,从图上分析可知二者之间的区别:1。

所测量的信号量不同,前馈系统中所测的信号量是干扰量,反馈系统中所测量的信号量是被控变量。

一般反馈控制系统是按照测量值与给定值比较得到的偏差进行调节的,这都属于闭环负反馈调节,其特点是在被控变量出现偏差后才进行调节。

如果干扰已经发生而没有产生偏差，调节器不会进行工作。

所以反馈系统的调节作用落后于干扰作用。

前馈调节是按照干扰作用来进行调节的。

它的特点是把干扰测量出来，直接引入调节装置。

不像反馈控制那样一定要产生偏差后再来调节,所以前馈控制系统能很好的克服干扰的作用。

2。

前馈控制根据其特定的控制规律需要用专用调节器，反馈控制一般只需采用通用调节器即可。

由于前馈控制的精确性和及时性取决于干扰通道和调节通道的特性，且要求较高，因此，要根据被控制对象的特点来确定调节规律,进而选择所需要的专用调节器,而反馈基本上不管干扰通道的特性，且允许被控变量有波动，因此，反馈调节通常采用PＩＤ调节规律,常用常规仪表或ＤＣS等控制系统实现，可采用通用调节器。