自動控制原理概述

關(guān)于自動控制原理概述第1頁，共44頁，2022年，5月20日，3點0分，星期六第一章

自動控制原理概述第2頁，共44頁，2022年，5月20日，3點0分，星期六本章重點控制系統(tǒng)的組成、分類、特點自動控制及自動控制系統(tǒng)的含義反饋與反饋控制的概念第3頁，共44頁，2022年，5月20日，3點0分，星期六本章難點確定控制系統(tǒng)的被控對象、被控量、給定量等等，繪制方框圖，分析實際控制系統(tǒng)的基本原理。自動控制的實質(zhì)

深刻理解反饋的概念和思想第4頁，共44頁，2022年，5月20日，3點0分，星期六§1.0概述

自動控制技術(shù)在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國防、航空航天等各個領(lǐng)域中起著重要的作用！廣泛應(yīng)用于各種工程學科領(lǐng)域，并擴展到生物、醫(yī)學、環(huán)境、經(jīng)濟管理和其它許多社會生活領(lǐng)域獨立的學科并與其它學科相互滲透、相互促進?！蹲詣涌刂圃怼肥亲詣涌刂萍夹g(shù)的基礎(chǔ)理論，是一門理論性較強的工程科學。第5頁，共44頁，2022年，5月20日，3點0分，星期六根據(jù)自動控制技術(shù)發(fā)展的不同階段，自動控制理論分為兩大部分：在工程實踐中，經(jīng)典控制理論已得到許許多多成功地運用，而且今后還將發(fā)揮其理論指導作用經(jīng)典控制理論：19世紀末----上世紀60年代，這一百多年所形成的理論，稱為經(jīng)典控制理論，它是以傳遞函數(shù)為數(shù)學基礎(chǔ)，主要研究單輸入、單輸出線性定常系統(tǒng)的控制和綜合問題。第6頁，共44頁，2022年，5月20日，3點0分，星期六現(xiàn)代控制理論：現(xiàn)代控制理論是上世紀60年代以后發(fā)展起來的新理論稱為現(xiàn)代控制理論，它是以狀態(tài)空間為數(shù)學基礎(chǔ).主要研究具有高性能的多輸入、多輸出變參數(shù)系統(tǒng)的控制和綜合問題。

現(xiàn)代控制理論能解決一些經(jīng)典控制理論難以解決的問題，而且隨著計算機技術(shù)和現(xiàn)代應(yīng)用數(shù)學研究的發(fā)展，目前現(xiàn)代控制理論正向著大系統(tǒng)和人工智能化方向發(fā)展。第7頁，共44頁，2022年，5月20日，3點0分，星期六

現(xiàn)代的工程技術(shù)人員和科學工作者，必須具備一定的自動控制理論基礎(chǔ)知識§1.1自動控制理論和自動控制系統(tǒng)的基本概念

人工溫控系統(tǒng)（1）人工控制一、人工控制與自動控制第8頁，共44頁，2022年，5月20日，3點0分，星期六

人工控制水位系統(tǒng)水位人工控制系統(tǒng)第9頁，共44頁，2022年，5月20日，3點0分，星期六整個控制過程人在做的工作首先人用肉眼觀察水面（溫度）的實際高度h（T）;

將實際水面高度h與期望的水面高度H，進行比較，得出偏差值dH=H-h

根據(jù)只得大小和方向來調(diào)節(jié)水閥的開口大小

人工的整個過程在做什么？在檢測偏差，糾正偏差

這也是控制的實質(zhì)第10頁，共44頁，2022年，5月20日，3點0分，星期六

所謂人工控制就是其檢測偏差和糾正偏差，都是人工完成的所以稱為人工控制。人工控制存在的問題：1）由于用肉眼檢測偏差，所以誤差大，控制精度低。2）若系統(tǒng)變化快，則人的勞動強度大。所以我們說：人工控制系統(tǒng)，勞動強度大，控制精度低，不能適應(yīng)高速運動系統(tǒng)。第11頁，共44頁，2022年，5月20日，3點0分，星期六（2）自動控制我們能否將一個人工控制系統(tǒng)，改造為一個自動控制系統(tǒng)呢？

我們說是完全可以的，只要我們能選擇一個合適的控制器，來替代人的工作，就可將此人工控制系統(tǒng)改造為自動控制系統(tǒng)。第12頁，共44頁，2022年，5月20日，3點0分，星期六例1簡單的水位控制系統(tǒng)此系統(tǒng)利用了一個連桿機構(gòu)替代了人的工作，實現(xiàn)了自動控制。第13頁，共44頁，2022年，5月20日，3點0分，星期六例2

較為完善的水位控制系統(tǒng)第14頁，共44頁，2022年，5月20日，3點0分，星期六例采用離心調(diào)速器的蒸汽機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)第15頁，共44頁，2022年，5月20日，3點0分，星期六例3.

溫度自動控制系統(tǒng)~220V電壓放大器功率放大器可逆電機給定電壓信號熱電偶加熱器ua+--+ufueUe=ua-uf，請大家看看此系統(tǒng)與人工控制系統(tǒng)作了那些改造第16頁，共44頁，2022年，5月20日，3點0分，星期六比較人工控制和自動控制可見

所謂自動控制是：

在沒有人直接參與的情況下，利用控制裝置（或控制器）使某種設(shè)備、工作機械或生產(chǎn)過程自動按預定的運動規(guī)律運行自動控制的類型很多國防業(yè)中使用的火炮，火炮根據(jù)雷達指揮儀傳來的信息自動的調(diào)整方位角、俯仰角，隨時跟蹤目標，瞄準著彈點。機加工中，數(shù)控機床能夠按預先安排的工藝程序進行自動切削，最終加工出我們所需要的工件。第17頁，共44頁，2022年，5月20日，3點0分，星期六

自動控制系統(tǒng)在生產(chǎn)實際和我們?nèi)粘Ｉ钪?，我們見到的很多，盡管它們的結(jié)構(gòu)和功能各不相同，但是它們有共同的規(guī)律：即系統(tǒng)中被控制量按照控制量的變化規(guī)律來變化例如：前面我們介紹溫控系統(tǒng)被控量(爐內(nèi)溫度)---隨控制量（給定電壓ua)的變化而變化火炮控制系統(tǒng)被控量（火炮方位角和俯仰角）--隨控制量（雷達信息）變化而變化第18頁，共44頁，2022年，5月20日，3點0分，星期六通過以上分析，可見自動控制的實質(zhì)為：檢測偏差，由偏差產(chǎn)生控制作用，消除（或減少）偏差自動控制的基本原理第19頁，共44頁，2022年，5月20日，3點0分，星期六二、自動控制系統(tǒng)的組成從上述幾個控制系統(tǒng)可見，系統(tǒng)雖然簡單，但從系統(tǒng)組成的角度來看，還是很典型的。

根據(jù)各部分性質(zhì)和功能，一般情況下，控制系統(tǒng)可劃分為五個組成部分

檢測部分：把被控制量的大小檢測出來

比較部分：檢測值與給定值相比較，產(chǎn)生偏差信號第20頁，共44頁，2022年，5月20日，3點0分，星期六偏差----為系統(tǒng)的控制信號信號放大與轉(zhuǎn)換部分執(zhí)行機構(gòu)部分：按信號的大小和方向，對控制對象施于控制作用溫度自動控制系統(tǒng)通過可逆電機電位器觸頭改變加熱電壓

控制對象：被控設(shè)備（爐溫）校正裝置：用于改善系統(tǒng)性能第21頁，共44頁，2022年，5月20日，3點0分，星期六

在控制系統(tǒng)中，為了明確系統(tǒng)各部分的聯(lián)系，習慣用原理方框圖描述系統(tǒng)，圖中每一方塊代表系統(tǒng)相應(yīng)組成部分。信號用箭頭表示，進入方塊的箭頭表示該裝置的輸入量，離開方塊的箭頭表示該方塊的輸出量。

代表比較元件，表示信號在這里進行代數(shù)疊加

信號的分支點，表示信號的取出。第22頁，共44頁，2022年，5月20日，3點0分，星期六以溫度自控系統(tǒng)用原理方塊圖描述如下

放大裝置

執(zhí)行裝置（散熱量Q）控制對象電壓、功率放大可逆電機調(diào)壓器電熱爐熱電偶測量元件控制裝置控制對象Uaueuf第23頁，共44頁，2022年，5月20日，3點0分，星期六即：控制系統(tǒng)=控制裝置+控制對象

專業(yè)術(shù)語：

1.系統(tǒng)輸入：凡是能使被控制量發(fā)生變化作用的量，稱為系統(tǒng)的輸入

由以上定義，在溫控系統(tǒng)中Ua、Q它們的變化都會使被控量T發(fā)生變化，所以應(yīng)該稱為系統(tǒng)的輸入。但二則之間又有區(qū)別第24頁，共44頁，2022年，5月20日，3點0分，星期六爐溫值的大小是用Ua變化來達到的---Ua稱為系統(tǒng)的給定輸入Q的變化為干擾量，它使爐溫偏離要值----Q稱為干擾輸入2.系統(tǒng)輸出：需要加以控制的某些物理量這樣，整個自動控制系統(tǒng)（溫控）可進一步概括成一個大的方塊圖表示。第25頁，共44頁，2022年，5月20日，3點0分，星期六溫控系統(tǒng)的方塊圖描述輸入量（干擾輸入）溫度自動控制系統(tǒng)輸入量（給定輸入）輸出量（被控量）第26頁，共44頁，2022年，5月20日，3點0分，星期六§1.2自動控制系統(tǒng)的分類

將控制系統(tǒng)分類的目的：了解各類系統(tǒng)的特點

系統(tǒng)分類的方法很多1）根據(jù)系統(tǒng)元件特性是否線性可分為：

線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)2）根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)是否隨時間變化可分為：

時變系統(tǒng)和定常系統(tǒng)3）根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)信號形式的不同分為：

連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)第27頁，共44頁，2022年，5月20日，3點0分，星期六4）根據(jù)系統(tǒng)的物理性質(zhì)分為：

機電控制系統(tǒng)、液壓控制系統(tǒng)和生物控制系統(tǒng)等6）根據(jù)信號傳遞的路線是否閉合分為

開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)下面我們重點介紹幾種比較重要的分類5）根據(jù)被控量所遵循的規(guī)律分為：

恒值控制系統(tǒng)、隨動系統(tǒng)和程序控制系統(tǒng)等第28頁，共44頁，2022年，5月20日，3點0分，星期六一、開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)開環(huán)控制系統(tǒng)-----系統(tǒng)的輸出對系統(tǒng)的控制作用沒有影響的則稱為開環(huán)控制系統(tǒng)方塊圖描述控制器控制對象輸入量輸出量開環(huán)控制系統(tǒng)在我們的日常生活中是很常見的如：家中使用的洗衣機等一些家電產(chǎn)品第29頁，共44頁，2022年，5月20日，3點0分，星期六又如：直流電動機轉(zhuǎn)速開環(huán)控制系統(tǒng)

放大電機UaUbi=constn

直流電動機開環(huán)控制系統(tǒng)第30頁，共44頁，2022年，5月20日，3點0分，星期六

我們知道，當電機的激磁電流固定時（i=const)，改變加在電樞上的電壓(Ub),可以改變電機的轉(zhuǎn)速。

此系統(tǒng)我們用方塊圖描述功放電機UaUbM(負載干擾）n從圖中可見：當負載不變時:uaubn輸出轉(zhuǎn)速于輸入電壓成正比第31頁，共44頁，2022年，5月20日，3點0分，星期六：1）前提是在負載不變的情況下

Ua與n是以正比關(guān)系

2）而當負載是一變化量時，這種正比關(guān)系就未必存在。也就是說，當增大電壓輸入(Ua)時，負載(M)也同時增加，此時轉(zhuǎn)速(n)未必加大。

從上系統(tǒng)可見，當負載在變化時，轉(zhuǎn)速的變化不因其控制作用的改變，也就是說被控量(n)不參與控制作用，從信號傳遞路線上可見，信號的傳遞是單向的，是不閉合的。我們稱這種控制為開環(huán)控制系統(tǒng)。注意：第32頁，共44頁，2022年，5月20日，3點0分，星期六

開環(huán)控制系統(tǒng)在出現(xiàn)干擾現(xiàn)象時，系統(tǒng)的輸出將不按照輸入所對應(yīng)的期望值和狀態(tài)運行，一句話：開環(huán)控制系統(tǒng)沒有抗干擾的能力2.閉環(huán)控制系統(tǒng)-----系統(tǒng)的輸出量直接或間接的參與系統(tǒng)的控制作用。也就是說閉環(huán)控制系統(tǒng)需要對系統(tǒng)的輸出量進行測量（或者說檢測）。結(jié)論第33頁，共44頁，2022年，5月20日，3點0分，星期六此系統(tǒng)與開環(huán)控制系統(tǒng)相比，主要的差別：

1）系統(tǒng)增加了測速發(fā)電機，測速發(fā)電機是一種傳感器，它將電動機的轉(zhuǎn)速正比地轉(zhuǎn)換成電壓信號：Uf=kt*n2)將電壓信號Uf反饋到輸入端與給定輸入Ua進行代數(shù)疊加，產(chǎn)生偏差信號Ue=Ua-Uf，對系統(tǒng)施于控制作用。系統(tǒng)用方塊圖描述放大電動機測速發(fā)電機UaUeM(負載力矩）n直流電機閉環(huán)控制系統(tǒng)ufub第34頁，共44頁，2022年，5月20日，3點0分，星期六系統(tǒng)的工作過程：

當系統(tǒng)的給定輸入Ua=const電機對應(yīng)某一轉(zhuǎn)速n，某瞬間負載力矩增大（系統(tǒng)受到干擾作用），電機的轉(zhuǎn)速下降。

我們從另一個角度來看：方塊圖中信號的傳遞路線是閉合的，也就是說系統(tǒng)的輸出n影響了系統(tǒng)控制作用。第35頁，共44頁，2022年，5月20日，3點0分，星期六閉環(huán)系統(tǒng)的特點：

1）輸出影響輸入，因而能削弱和抑制干擾。

2）低精度元件可組成高精度系統(tǒng)。3）因為可能發(fā)生超調(diào)、振蕩，所以穩(wěn)定性問題很重要。

4）閉環(huán)控制必須對輸出量進行檢測。注意

在閉環(huán)控制系統(tǒng)中出現(xiàn)新的概念---反饋，它在自動控制重是一很重的概念。

反饋是指把輸出信號返送回輸入端，并與輸入信號進行比較（或進行代數(shù)疊加），產(chǎn)生偏差。這樣的信號通道的閉合路線稱為反饋。第36頁，共44頁，2022年，5月20日，3點0分，星期六反饋有分正、負反饋兩種

1）正反饋---當反饋信號加強了輸入信號的稱為正反饋2）負反饋----當反饋信號削弱了輸入信號稱為負反饋除此之外還有主反饋、局部反饋主反饋----系統(tǒng)輸出信號返送到輸入端并進行代數(shù)疊加的稱為主反饋信號。局部反饋---系統(tǒng)的某個環(huán)節(jié)的輸出返送到該環(huán)節(jié)的輸入端并進行代數(shù)疊加的稱為局部反饋第37頁，共44頁，2022年，5月20日，3點0分，星期六二、恒值系統(tǒng)

系統(tǒng)的輸入是一個恒值，系統(tǒng)地的輸出保持與輸入相對應(yīng)的一個恒值。例如上面給大家介紹的爐溫控制系統(tǒng)就是一個極為典型的----恒值系統(tǒng)當給定輸入為ua=5mv爐溫當給定輸入為ua=3mv爐溫系統(tǒng)的輸出保持與輸入相對應(yīng)的某一個恒值第38頁，共44頁，2022年，5月20日，3點0分，星期六三、隨動系統(tǒng)

系統(tǒng)的輸入量是未知的時間函數(shù)，也就是說給定輸入的變化規(guī)律事先不知道，而要求系統(tǒng)的輸出要能夠準確、迅速的跟蹤系統(tǒng)輸入的變化例如：國防業(yè)種火炮自動瞄準系統(tǒng)，就是典型的隨動系統(tǒng)四、程序控制系統(tǒng)

系統(tǒng)的給定輸入是按已知的時間的時間函數(shù)變化的，系統(tǒng)輸出按給定的程序變化常見的數(shù)控機床等就屬于程序控制系統(tǒng)第39頁，共44頁，2022年，5月20日，3點0分，星期六五、連續(xù)系統(tǒng)和斷續(xù)系統(tǒng)

系統(tǒng)中傳遞的信號都是時間的連續(xù)函數(shù)，則該系統(tǒng)稱為連續(xù)系統(tǒng)。反之系統(tǒng)中只要有一個傳遞信號是時間上的斷續(xù)信號，則稱為斷續(xù)系統(tǒng)或稱采樣

系