自動控制原理第一章自動控制的一般概念

自動控制原理洛陽理工學院電氣工程與自動化系2014.2課程簡介1、類別：必修考試課專業(yè)基礎(chǔ)課考研課2、總學時：80，（理論學時70,實驗學時10）

3、先修課程：高數(shù)、復變函數(shù)、積分變換、線性

代數(shù)、電路理論、模擬技術(shù)、電機拖動等4、本學期講述內(nèi)容：1-8章5、課程結(jié)構(gòu)第一章

自動控制的一般概念1-1自動控制的基本原理與方式1-2自動控制系統(tǒng)示例1-3自動控制系統(tǒng)的分類1-4對自動控制系統(tǒng)的基本要求1-1自動控制的基本原理與方式自動

不需要人的介入控制達到人想要達到的某種目的自動控制在脫離人的直接干預(yù)下，利用控制裝置，使被控對象按照預(yù)定的規(guī)律運行。自動控制系統(tǒng)將被控的對象和實現(xiàn)控制功能的控制裝置組合起來稱為自動控制系統(tǒng)

最初的閉環(huán)自動控制裝置是1788年瓦特（J.Watt）發(fā)明的飛錘調(diào)速器的研究。四個階段：經(jīng)典控制理論階段現(xiàn)代控制理論階段大系統(tǒng)控制理論階段智能控制階段

自動控制科學經(jīng)典控制理論現(xiàn)代控制理論被控對象

（也稱被控過程、被控系統(tǒng)）

通常是一個設(shè)備，多數(shù)由一些機器零件有機地組合在一起，完

成特定的操作。被控參數(shù)（也稱為系統(tǒng)輸出）

體現(xiàn)系統(tǒng)控制目的的物理量。（水位、速度等）控制參數(shù)

由控制器改變的量，對被控參數(shù)有較好的調(diào)節(jié)能力。（閥門開度、電樞電壓等）系統(tǒng)輸入

作用于被控對象或系統(tǒng)輸入端，并可使系統(tǒng)具有預(yù)定功能或預(yù)定

輸出的物理量。（給定水位，電位器滑桿位置）擾動

是一種對系統(tǒng)的輸出量產(chǎn)生影響的信號。（水箱出水、負載等）術(shù)語和定義反饋控制原理例：水位人工控制系統(tǒng)控制目的：水箱的水位保持不變?nèi)斯た刂疲貉劬τ^察水位，大腦發(fā)命令，手調(diào)節(jié)閥反饋控制原理水位自動控制系統(tǒng)控制目的：水箱的水位保持不變實用例子：茶水爐、鍋爐、儲料罐影響水位的因素：物料的流入（主動控制） 物料的流出（負載變化）入出不平衡時水位發(fā)生變化自動控制：儀器測量水位（浮子） 儀器發(fā)命令（控制器）儀器調(diào)節(jié)閥（氣動閥門）水箱稱為被控對象，所有儀器合稱為控制裝置。

電動機速度自動控制系統(tǒng)一控制目的：

電動機的速度保持不變影響電動機速度的因素：

電機的電樞電壓決定電機的轉(zhuǎn)速，負載大小問題：

負載變化會改變轉(zhuǎn)速

電機及負載稱為被控對象實用例子：

機床（紡紗機、車床等），傳送帶電動機速度自動控制系統(tǒng)二控制目的：

電動機的速度保持不變與系統(tǒng)一不同之處：

檢測電動機的速度希望解決的問題：

當負載發(fā)生變化時，速度不變自動控制：

測量速度，進行比較，改變電位器位置優(yōu)點：

當負載發(fā)生變化時，速度改變，能自動調(diào)節(jié)速度與系統(tǒng)一不同之處

：

加入了測量速度，并送到輸入端回顧電動機速度自動控制系統(tǒng)一開環(huán)控制：輸出量對輸入量(控制作用)沒有影響的系統(tǒng)。電動機速度控制系統(tǒng)二與系統(tǒng)一的區(qū)別是：對系統(tǒng)輸出進行了測量，而且將測量的輸出送到輸入端，并與參考輸入形成偏差，通過偏差進行控制。開環(huán)控制和閉環(huán)控制電位器功率放大器電動機電樞電壓電位器電壓電位器滑桿位置轉(zhuǎn)速電位器電壓轉(zhuǎn)速電位器轉(zhuǎn)速給定值電樞電壓滑桿位置電位器測速發(fā)電機控制器電動機功率放大器負反饋：反饋的加入，使偏差越來越小。正反饋：反饋的加入，使偏差越來越大。（振蕩發(fā)生器）最大的特點： 消除偏差； 使系統(tǒng)對參數(shù)不敏感。將輸出量反送到輸入端，與輸入端形成偏差稱之為反饋閉環(huán)控制

將輸出量與參考輸入量進行比較，并且將它們的偏差作為控制手段，以保持兩者之間預(yù)定關(guān)系的系統(tǒng)。也稱為反饋控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)中主要采用負反饋。

開環(huán)控制和閉環(huán)控制開環(huán)控制和閉環(huán)控制的比較性能開環(huán)控制閉環(huán)控制有無反饋無有精度低高穩(wěn)定性不改變穩(wěn)定性可能改變穩(wěn)定性經(jīng)濟型成本低成本高實例交通紅綠燈電機速度系統(tǒng)一水位控制電機速度系統(tǒng)二溫度控制

開環(huán)控制和閉環(huán)控制反饋控制系統(tǒng)的基本組成將組成系統(tǒng)的元部件按職能分類主要有：測量元件、給定元件、比較元件、

放大元件、執(zhí)行元件、校正元件自動控制系統(tǒng)基本控制方式閉環(huán)控制系統(tǒng)復合控制系統(tǒng)開環(huán)控制系統(tǒng)被控參數(shù)參考輸入控制器執(zhí)行器被控對象被控對象偏差被控參數(shù)參考輸入控制器執(zhí)行器測量儀表控制器偏差被控參數(shù)測量儀表參考輸入擾動信號執(zhí)行器被控對象補償裝置1-2自動控制系統(tǒng)示例功率放大SM負載++++u0nua電動機速度控制系統(tǒng)電動機速度開環(huán)控制系統(tǒng)電動機速度控制系統(tǒng)+++++電壓放大u0nuaueut功率放大負載SMTG電動機速度閉環(huán)控制系統(tǒng)按擾動控制的速度控制系統(tǒng)負載功率放大放大電壓SM+++++u0nuaucubR函數(shù)記錄儀原理示意圖RQRWΔuLtur變換器放大器繩輪電機測速機減速器1-2自動控制系統(tǒng)示例飛機示意圖給定電位器反饋電位器給定裝置放大器舵機飛機

反饋電位器

垂直陀螺儀θ0θc擾動俯仰角控制系統(tǒng)方塊圖飛機方塊圖胰島素注射控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)在生物醫(yī)學領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用，出現(xiàn)了藥物自動注射系統(tǒng)。由于微型葡萄糖傳感器尚不成熟，胰島素注射控制系統(tǒng)采樣開環(huán)控制。電機電壓胰島素注射速率預(yù)編程信號發(fā)生器電機泵和閥門u(t)I(t)

隨著科學技術(shù)的發(fā)展，今后更復雜的注射控制系統(tǒng)應(yīng)該可以根據(jù)測得的血糖水平實施閉環(huán)注射控制。1、確立控制目標設(shè)計一個能調(diào)節(jié)糖尿病人血糖濃度的系統(tǒng)2、確定控制變量血糖濃度3、確定控制系統(tǒng)設(shè)計指標使病人的血糖濃度嚴格逼近健康人的血糖濃度4、確定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、選擇執(zhí)行機構(gòu)

放大器電機泵和閥門人體、血液和胰腺實際血糖濃度微型葡萄糖傳感器預(yù)期血糖濃度血糖濃度測量值胰島素注射速度液位控制系統(tǒng)控制器減速器電動機電位器浮子用水開關(guān)Q2Q1cifSM1.3自動控制系統(tǒng)的分類1.按結(jié)構(gòu)分開環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)復合控制系統(tǒng)2.按輸入信號的變化規(guī)律分恒值控制：參考輸入為一個恒定的值。如：水位控制、速度控制等程序控制：參考輸入為一個已知的時間函數(shù)。如：全自動洗衣機、熱處理過程等隨動控制：參考輸入為一個隨機變化的函數(shù)。如：火炮跟蹤系統(tǒng)等3.按系統(tǒng)中傳遞信號的特點分連續(xù)系統(tǒng)：系統(tǒng)中傳遞的信號都是時間軸上連續(xù)的信號。離散系統(tǒng)：系統(tǒng)中某一處或幾處信號為脈沖序列或時間軸上不連續(xù)的信號。典型的如計算機控制系統(tǒng)。線性系統(tǒng): 組成系統(tǒng)的所有元件或子系統(tǒng)都是線性的。非線性系統(tǒng)：系統(tǒng)中至少有一個元件或子系統(tǒng)是非線性的。4.按系統(tǒng)特點分1.3自動控制系統(tǒng)的分類5.按系統(tǒng)輸入輸出數(shù)量分單輸入單輸出（經(jīng)典控制理論）多輸入多輸出（現(xiàn)代控制理論）6.按系統(tǒng)功能分溫度控制、速度控制、位置控制7.按組成元件的特點分機械系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、生物系統(tǒng)、經(jīng)濟系統(tǒng)8.按控制規(guī)律分古典控制、現(xiàn)代控制系統(tǒng)、模糊系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)1.3自動控制系統(tǒng)的分類隨動系統(tǒng)實例1隨動系統(tǒng)實例2隨動系統(tǒng)實例3定值控制系統(tǒng)實例1定值控制系統(tǒng)實例2定值控制系統(tǒng)實例3陀螺儀裝入運載火箭為全面反映自動控制系統(tǒng)特點，常將上述分類組合應(yīng)用分為：線性連續(xù)控制系統(tǒng)1.3自動控制系統(tǒng)的分類系數(shù)是否為常數(shù)分：定常系統(tǒng)，時變系統(tǒng)。線性定常離散控制系統(tǒng)(差分方程描述）

a0c(k+n)+a1c(k+n-1)+……+an-1c(k+1)+anc(k)=b0r(k+m)+b1r(k+m-1)+……+bm-1r(k+1)+bmr(k)

非線性控制系統(tǒng)（常作線性化處理）特點：系數(shù)與變量有關(guān)。

1.基本要求建立控制系統(tǒng)的目的：保證系統(tǒng)輸出具有控制輸入指定的數(shù)值保證系統(tǒng)輸出盡量不受擾動的影響對系統(tǒng)的具體要求：穩(wěn)、準、快（1）系統(tǒng)穩(wěn)定性（2）系統(tǒng)動態(tài)快速性（3）系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)的準確性2.典型外作用(1)階躍函數(shù)(2)斜坡函數(shù)(3)脈沖函數(shù)(4)正弦函數(shù)1.4對自動控制系統(tǒng)的基本要求tpc(t)t0u(t)u(t)理想系統(tǒng)的響應(yīng)

可以歸結(jié)為穩(wěn)定性（長期穩(wěn)定性）、準確性（精度）和快速性（相對穩(wěn)定性）。

穩(wěn)準快穩(wěn)定性1對恒值系統(tǒng)，要求當系統(tǒng)受到擾動后，經(jīng)過一定時間的調(diào)整能夠回到原來的期望值。tpc(t)t0r(t)2對隨動系統(tǒng)，被控制量始終跟蹤輸入量的變化。

準確性-----

用穩(wěn)態(tài)誤差來表示。在參考輸入信號作用下，當系統(tǒng)達到穩(wěn)態(tài)后，其穩(wěn)態(tài)輸出與參考輸入所要求的期望輸出之差叫做給定穩(wěn)態(tài)誤差。c(t)t0r(t)tpc(t)t0r(t)快速性控制系統(tǒng)不僅要穩(wěn)定和并有較高的精度，而且還要求系統(tǒng)的響應(yīng)具有一定的快速性。2.典型的外作用選作典型外作用應(yīng)具備的條件：1、這種函數(shù)在現(xiàn)場或?qū)嶒炇乙椎玫剑?、控制系統(tǒng)在這種函數(shù)作用下的性能應(yīng)代表在

實際工作條件下的性能；3、數(shù)學表達式簡單，便于理論計算。

目前常用的有：階躍函數(shù)、斜坡函數(shù)、脈沖函數(shù)、正弦函數(shù)等。(1)階躍函數(shù)（StepFunction）

表示一個在t=0時刻出現(xiàn)的，幅值為A的階躍變化函數(shù)，如圖所示。A=1-----單位階躍函數(shù)（2）斜坡函數(shù)

數(shù)學表達式為:

斜坡函數(shù)從t=0時刻開始，隨時間以恒定速度增加。如圖所示。A=1時斜坡函數(shù)稱作單位斜坡函數(shù)。

（3）脈沖函數(shù)（PulseFunction）脈沖函數(shù)的定義：是