自動控制原理梅楊

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1-5自動控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計工具無人直接參與機器、設(shè)備或生產(chǎn)過程的工作狀態(tài)或參與自動實現(xiàn)某種規(guī)律運行經(jīng)典控制：單輸入、單輸出現(xiàn)代控制：多輸入、多輸出反饋（控制思想的精髓，知己知彼）1-1自動控制的基本原理與方式1、自動控制技術(shù)及其應(yīng)用所謂自動控制，是指沒有人直接參與的情況下，利用外加的設(shè)備或裝置（稱控制裝置或控制器），使機器、設(shè)備或生產(chǎn)過程（統(tǒng)稱被控量）的某個工作狀態(tài)或參數(shù)（即被控量）自動地按照預(yù)定的規(guī)律運行。如：

飛機導(dǎo)航飛機導(dǎo)航系統(tǒng)哈勃望遠鏡－特殊地衛(wèi)星中巴資源衛(wèi)星人造地球衛(wèi)星

控制其準確地進入預(yù)定軌道運行并回收無人駕駛飛機按預(yù)定軌跡飛行漸露鋒芒地?zé)o人駕駛飛機制導(dǎo)導(dǎo)彈現(xiàn)代的高新技術(shù)讓導(dǎo)彈長上了“眼睛”和“大腦”，利用負反饋控制原理去緊緊盯住目標我國研制的地空導(dǎo)彈雷達技術(shù)雷達操作時，天線就要不停地轉(zhuǎn)動。天線的作用是把雷達中產(chǎn)生的無線電波按照一定的方向向外發(fā)射出去，并把被反射回來的無線電波接收下來。正因為天線所起的作用好似人的眼睛一樣，因此雷達要注視和偵察整個天空的狀況，天線就要不停地轉(zhuǎn)動，用一個驅(qū)動馬達使天線作360度的旋轉(zhuǎn)，這樣它就能在360度范圍內(nèi)進行“搜索”。自動控制技術(shù)應(yīng)用于其他領(lǐng)域

由于計算機等技術(shù)的誕生和飛速發(fā)展，使得控制技術(shù)水平不斷提高，已擴大到經(jīng)濟與社會生活的各個領(lǐng)域，如通信、交通、醫(yī)學(xué)、環(huán)境保護、經(jīng)濟管理等領(lǐng)域，控制技術(shù)已成為現(xiàn)代社會不可缺少的重要組成部分。近年來，我國在自動化儀表、工業(yè)調(diào)節(jié)器、數(shù)字控制技術(shù)、航天工程、核動力工程等方面的研究和應(yīng)用取得了長足進展。工業(yè)自動生產(chǎn)線(1)、最早的穩(wěn)定性研究

J.C.Maxwell（麥克斯韋爾），1868年發(fā)表《論調(diào)節(jié)器》，研究調(diào)節(jié)器的微分方程，線性化處理，系統(tǒng)穩(wěn)定性取決于微分方程的特征根是否都具有一對負的實部，針對二階和三階系統(tǒng)討論了使特征根具有負實部時，特征多項式系列應(yīng)滿足的條件。(2)、系統(tǒng)穩(wěn)定準則

由Hurwitz（霍爾維茨）和

E.J.Routh（勞斯）提出的勞斯－霍爾維茨穩(wěn)定判據(jù)。2、自動控制理論

A.M.Lyapunov（李雅普諾夫）提出了李雅普諾夫第一法與第二法H.Nyquist提出奈氏判據(jù)，Bode提出了對數(shù)頻率特性的方法。二戰(zhàn)期間，軍事科學(xué)的需要大大促進了反饋控制理論的發(fā)展。美國麻省理工學(xué)院雷達實驗室的科學(xué)家們將反饋放大器理論、PID（比例-積分-微分）控制以及N.Wiener的隨機過程理論等結(jié)合在一起，形成了一整套被稱為隨動控制系統(tǒng)的設(shè)計方法。

(3)、根軌跡方法

W.R.Evans提出的方法和規(guī)則是當(dāng)系統(tǒng)參數(shù)變化時特征方程式根變化的幾何軌跡。(4)、經(jīng)典自動控制理論以反饋控制原理為基礎(chǔ)的自動控制理論已形成比較完整的體系。其特點相對言，生產(chǎn)技術(shù)水平較低，控制對象結(jié)構(gòu)較簡單，被控參數(shù)較單一，要求達到的預(yù)期效果（性能指標）也不高。主要研究對象為單輸入，單輸出的單變量系統(tǒng)（屬于線性定常時不變系統(tǒng)）。(5)、現(xiàn)代控制理論的發(fā)展從50年代末期開始，控制系統(tǒng)設(shè)計問題的重點從設(shè)計許多可行系統(tǒng)中的一種系統(tǒng)，轉(zhuǎn)變到設(shè)計在某種意義上的一種最佳系統(tǒng)。大約從1960年開始，數(shù)字計算機的出現(xiàn)為復(fù)雜系統(tǒng)的時域分析提供了可能性，利用狀態(tài)變量、基于時域分析的現(xiàn)代控制理論應(yīng)運而生。從1960年到1980年，確定性系統(tǒng)的最佳控制，隨機系統(tǒng)的最佳控制，乃至復(fù)雜系統(tǒng)的自適應(yīng)和學(xué)習(xí)控制，都得到了充分的研究。從1980年到現(xiàn)在，現(xiàn)代控制理論的進展集中于魯棒控制、H∞控制及其相關(guān)的課題。反饋控制是這樣的一種控制過程，它能在存在擾動的情況下，力圖減小系統(tǒng)的輸出量與參考輸入量（也稱參據(jù)量）之間的偏差，而其工作正是基于這一偏差基礎(chǔ)之上的，這就是反饋控制的原理。反饋控制又稱閉環(huán)控制3、反饋控制原理系統(tǒng)搞方框房誠圖符施號組臉成：“酒”下圖繭為反蠻饋控介制原嫂理方勿框圖方框圖被控制量

手的位置

擾動

—誤差信號

控制信號

參考輸入

書的位置

被控對象（手）測量元件（眼睛）控制器（大腦）例、茶人用憐手去斥拿書龍門漠刨床甩速度查控制壯系統(tǒng)努原理靜圖在工嘗業(yè)控曠制中捏，龍拋門刨鹿床速斬度控態(tài)制系鎮(zhèn)統(tǒng)就系是按沖照反替饋控稿制原忠理進送行工很作的熟。當(dāng)繞負載身波動移時，河必然講會引謊起速詠度變束化，肺由于休龍門鹽刨床撥不允江許速究度變案化過僻大，隱因此鴨必須潤對速閥度進來行控垮制。龍門鞋刨速聚度自湊動控看制過拳程M-當(dāng)--負載n-島--電機牢速度u-慢--測速融電機陳偏差慎電壓u0--蠢-給定慶電壓注意船：龍門皇刨床樹速度宮控制懸系統(tǒng)吧是一辟個有漿精差憶系統(tǒng)婦。速就度最料終達現(xiàn)到的丟穩(wěn)態(tài)歌值與筆原始憤給定漠速度專之間失始終夠有一亮個差刪值存長在，反這個觀差值獎是用愁來產(chǎn)偏生一崇個附訊加的街電動霧機電含樞電請壓，和以補娛償因況增加餃負載誕而引歐起的諒速度危下降斤。這慎個差羞值的鋪存在易是?；谧C系蠶統(tǒng)正綿常工計作所燃必需吐的，盲一般鋒稱為穩(wěn)態(tài)蒼誤差。如羨果從嫁結(jié)構(gòu)吧上加爭以改吵進，私可以菠消除琴這個魚穩(wěn)態(tài)遍誤差閘。4、反甘饋控貝制系托統(tǒng)的霧基本循組成反饋憶控制世系統(tǒng)順是由丙各種吳不同市的元硬部件陶組成暫的。a)測量嗎元件淋：檢鳴測被稀控制歉的物醫(yī)理量茅。b)給定浩元件跳：給割出與臭期望沖的被竊控制或量相四對應(yīng)列的系麻統(tǒng)輸把入量彼（即煎參據(jù)蟲量）切。c)比較蔬元件富：把風(fēng)測量諒元件會檢測漲的被豆控量皆的實猴際值顫與給產(chǎn)定元嚴件給螞出的益參據(jù)灰量進誓行比帥較，賠求出闖它們活之間警的偏召差。d)放大朝元件猶：偏擋差信悠號的煉放大替，用府以推致動執(zhí)村行元私件。e)執(zhí)行椒元件柔：直牽接推戲動被插控對頸象，早使被局控量狹發(fā)生寨變化擊。f)校正崗元件芽：也舊叫補蘇償元點件以骨改善賊系統(tǒng)殿性能。典型攻的反盤饋控猜制系呢統(tǒng)基求本組枕成框早圖：信號勉從輸放入端眼到達透輸出釣端的謠傳輸六通路們稱為橋前向?qū)O通路男；系管統(tǒng)輸?shù)壮隽繛V經(jīng)測嘉量元烈件反頂饋到憶輸入柿端的娛傳輸逼通路紅稱為發(fā)主反多饋通朱路。斃前向顧通路們與主籍反饋畫通路決共同勿構(gòu)成泄主回壩路。苗此外浮，還倘有局融部反靈饋通鳴路。勉只包堡含一晚個主筐反饋遵通路池的系種統(tǒng)稱汁為單美回路醒系統(tǒng)敗，有監(jiān)兩個會或兩暖個以鉗上反夜饋通卻路的娃系叉統(tǒng)稱揪為多謀回路憶系統(tǒng)悼。5、自常動控舍制系惡統(tǒng)基鹽本控碌制方遠式(1柏)、反窩饋控洋制方眨式(閉環(huán)誕控制膏系統(tǒng))按偏構(gòu)差進攀行控背制，長具有厲抑制會擾動順對被珠控量塑產(chǎn)生期影響子的能薦力和畫較高紛的控就制精袖度。(2晶)、開道環(huán)控嬌制方踩式(按給雀定控瀉制、乖按擾育動控懷制)指控竹制裝州置與黎被控盆對象仁之間形只有壞順向習(xí)作用乖而沒有完反向明聯(lián)系揪的控毅制過計程。有一娛開環(huán)貴調(diào)速銹系統(tǒng)秤如圖休所示換。電剖位計涂的輸暢出電幫壓Ur經(jīng)兩逆極放屠大，爭使伺上服電汽機上牽的端繡電壓好也隨陣之改幸變。卷從而建使負挑載具篇有所稿要求鑰的轉(zhuǎn)壯速。竟試說顧明該好系統(tǒng)蕉的給慈定值淚、被幣控量某和干伙擾量述，并滅畫出殘方塊患圖。下圖漫為發(fā)帆電機暗－電旨動機賀調(diào)速素系統(tǒng)豬的方敵框圖(3榆)、復(fù)炭合控泰制方歲式按偏亂差控瘋制和僻按擾顯動控摟制相窮結(jié)合嗽的控梁制方君式稱為完復(fù)合祖控制珠方式憑。1-炭2自動滿控制斷系統(tǒng)燥示例1函數(shù)臨記錄怖儀函數(shù)記錄儀通常由衰減器、測量元件、放大元件、伺服電動機-測速機組、齒輪系及繩輪等組成。測量元件由電位器RQ和RM組成的橋式測量電路，記錄筆就固定在電位器RM的滑臂上，因此，測量電路輸出電壓up與記錄筆位移成正比。當(dāng)有慢變的輸入電壓ur時，在放大元件輸入口得到偏壓，經(jīng)放大后驅(qū)動伺服電機，并通過齒輪系及繩輪帶動記錄筆移動。同時使偏差電壓減小。當(dāng)偏差電壓為0時，電機停止轉(zhuǎn)動，記錄筆也靜止不動。如果輸入電壓隨時間連續(xù)變化，記錄筆便描繪出隨時間連續(xù)變化的相應(yīng)曲線。2.飛機焰示意裂圖反饋張電位嗓器給定電位器給定照裝置放大恒器舵機飛機反饋伏電位輩器垂直圖陀螺餅儀θ0θc擾動俯仰李角控突制系樂統(tǒng)方型塊圖飛機動方塊燦圖3電爐快溫度臟控制喜系統(tǒng)電阻逝絲通冠過晶鍛閘管跡主電累路加惜熱，志爐溫葵期望扎值預(yù)叉先設(shè)宰定，毒爐溫肺實際伙值由類熱電賴偶檢續(xù)測，鍬并轉(zhuǎn)童換成海電壓移，經(jīng)創(chuàng)放大量、濾詠波后依，由A/董D轉(zhuǎn)換溫后送啄入計豬算機亡，并哲與所揉設(shè)置擴的期秩望溫窮度進含行比想較，拆產(chǎn)生公偏差僵信號蓮，計組算機房誠根據(jù)譯控制雞算法仁計算頃相應(yīng)庭控制紅量，紫再經(jīng)D/恒A轉(zhuǎn)換叔成電戀流，舉通過衡觸發(fā)悄器控棄制晶煩閘管嗎導(dǎo)通賽角，工從而疲改變員電阻碼絲中墾電流酸大小冊，達伍到控蔥制爐攏溫的費目的絡(luò)。下圖黨為電粒爐溫衰度控屠制系萌統(tǒng)的盲方框嚼圖4、鍋字爐液肢位控繁制系混統(tǒng)當(dāng)蒸催汽的消耗汽親量與旗鍋爐腳進水屬量相犧等時死，液披位保館持在陡正常石標準封值。代當(dāng)過暴鍋爐褲給水誕量不葛變，把而蒸歇汽負喊荷發(fā)張生變包化時記，液帝位也俗相應(yīng)涌發(fā)生愧變化臘；或督者當(dāng)預(yù)蒸汽浸負荷烏不變掛，而辟給水島管道械水壓代發(fā)生奔變化揉時，緣瑞引起詢鍋爐智液位壺發(fā)生緩變化森。但只要夾實際尾液位真高度未與正覺常給拋定液拳位之蹈間出螺現(xiàn)偏聚差時轉(zhuǎn)，調(diào)灘節(jié)器夠均應(yīng)贏立即辰進行霞控制殺，去室開大丈或者康關(guān)小商給水之閥門棕，使探液位告恢復(fù)拳到給少定值石。下圖宋為鍋理爐液議位控罰制系毛統(tǒng)的路方框無圖自動睡控制億系統(tǒng)冰有多辜種分蚊類方蠢法，壁一般騾，為妨了全舞面反虜映自才動控饅制系低統(tǒng)的幅特點虎，常末常將漠各種風(fēng)分類采方法候組合壤應(yīng)用困。開環(huán)般控制閉環(huán)孫控制(反饋聽控制)復(fù)合炎控制按控坦制方撈式分1-耀3自動票控制攜系統(tǒng)盞的分慰類機械迅系統(tǒng)——恒張遙力系它統(tǒng)電氣敘系統(tǒng)機電童系統(tǒng)——全自華動照那相機招，饑光機榮電結(jié)嘩合液壓鴉系統(tǒng)——伺服連液壓桐缸，蠅汽車油發(fā)動征機，蠶大型眠的仿厚真模緞擬臺氣動晚系統(tǒng)生物止系統(tǒng)按元件類型分按系飯統(tǒng)功借用分溫度串控制番系統(tǒng)壓力套控制榜系統(tǒng)位置臥控制妹系統(tǒng)旅硬線性菌系統(tǒng)非線都性系濫統(tǒng)連續(xù)排系統(tǒng)定常顆系統(tǒng)時變羊系統(tǒng)確定竟性系吧統(tǒng)不確賄定性堤系統(tǒng)離散落系統(tǒng)按系稍統(tǒng)性摟能分恒值等控制追系統(tǒng)隨動留系統(tǒng)程序葵控制差系統(tǒng)按參取據(jù)量變化嗚規(guī)律托分1、線氏形連敗續(xù)控仙制系熄統(tǒng)這類稀系統(tǒng)舒可以陷用線輸形微萌分方舌程式涉描述妹，其巧一般薄形式務(wù)為：系數(shù)a0，‥，an，b0,‥bn是常魚數(shù)時捷，稱氧為定驅(qū)常系托統(tǒng)；帳系數(shù)a0，‥，an，b0,‥bn隨時愛間變掉化時庭，稱貸為時撈變系竿統(tǒng)。顛線性欄定?？邕B續(xù)芝系統(tǒng)紋按其博輸入木量的帆變化旺規(guī)律褲又可蘭分為唐恒值胃控制惡系統(tǒng)例、隨童動系源統(tǒng)和梅程序躺控制株系統(tǒng)脖。(1拳)、恒奏值控紹制系束統(tǒng)這類扔控制彩系統(tǒng)訴的參閱據(jù)量個是一食個常祝值，捕要求愿被控藥量亦伸等于葉一個枝常值恰，故導(dǎo)又稱寨為調(diào)伸節(jié)器犧。在恒誕值控滲制系召統(tǒng)中棵，參固據(jù)量戰(zhàn)可以儀隨生狀產(chǎn)條垃件的苗變化婚而改敗變，捏但是報，一婆經(jīng)調(diào)捕整后崇，被詳控量潮就應(yīng)丑與調(diào)騾整好信的參期據(jù)量糞保持趙一致顆。在桑工業(yè)位控制庸中，巾如果茶被控桌量是洪生產(chǎn)翠過程默參量驅(qū)時，貴這種蓮控制制系統(tǒng)孔則稱通為過石程控壁制系焦統(tǒng)，盡它們達大多炸數(shù)屬免于恒亡值控準制系拼統(tǒng)。(2護)、隨嚇動系勻統(tǒng)系統(tǒng)涉的參涼據(jù)量板是預(yù)紀先未走知的鞭隨時湊間任悅意變旱化的游函數(shù)跪，要爐求被錫控量莫以盡疾可能曬小的戶誤差奸跟隨筆參據(jù)流量的士變化苗，故礦又稱疑為跟漢隨系姓統(tǒng)。帖在隨槽動系殲統(tǒng)中律。擾告動的巧影響柱是次壘要的貨，系圍統(tǒng)分蓬析、逐設(shè)計朱的重擔(dān)點是表研究遣被控雪量跟爐隨的釘快速撫性和錢準確叉性。在隨餓動系冰統(tǒng)中依，如塌果被僅控量抖是機螺械位廊或其乖導(dǎo)數(shù)董時，堡這類喜系統(tǒng)樸稱之稠為伺蒸服系膀統(tǒng)。(3籠)、程斗序控短制系獻統(tǒng)系統(tǒng)她的參辮據(jù)量屈時按描預(yù)定言規(guī)律延隨時鏈間變貼化的鹽函數(shù)伙，要介求被衡控量陳迅速倆、準萬確地訓(xùn)加以跳復(fù)現(xiàn)陳。程催序控睛制系休統(tǒng)和凍隨動候系統(tǒng)裁的參咐據(jù)量餃都是篩時間豆函數(shù)埋，不歐過前鑰者是唱已知趨的時獎間函融數(shù)，齡后者使是未逮知的隙任意你時間栽函數(shù)來，而爽恒值塞控制趕系統(tǒng)銀也可覺視為鹽程序貌控制稱系統(tǒng)產(chǎn)的特找例。2、線身性定姻常離粒散控迷制系捐統(tǒng)離散冠系統(tǒng)劇是指泄系統(tǒng)暈的某駱處或辯多處您的信俯號為江脈沖肅序列腹或數(shù)萄碼形舅式，惡因而短信號冬在時胖間上姜是離罵散的圾。離于散系姻統(tǒng)一吐般用考差分哥方程雖描述礦，其拋一般岔形式鄰可用樣下式搭表示趴：3、非甜線性南控制迷系統(tǒng)系統(tǒng)箭中只掛要有礎(chǔ)一個柔元部慌件的嶄輸入返－輸握出特汽性是礎(chǔ)非線獅性的捷，這什類系僻統(tǒng)就病稱為曲非線樸性控名制系厲統(tǒng)，實際重物理叼系統(tǒng)著中都耀含有綠不同鹿程度剪的非仆線性乒元部打件，悶如放萍大器擱和電露磁元戰(zhàn)件的藏飽和尺特性徹，運穩(wěn)動部必件的謊死區(qū)世、間響隙和炮摩擦玩特性陽等。對于質(zhì)非線跑性程總度不袍大的訴情況飾，可常在一畫定范觸圍內(nèi)拘進行輝線性膨化。1-羞4對自罪動控償制系此統(tǒng)的氏基本游要求1、基砍本要竟求的飼提法可以煩歸結(jié)界為穩(wěn)定性壯（長堵期穩(wěn)律定性冰）、準確性蕉（精隙度）友和快速性蹤蝶（相伍對穩(wěn)誰定性丙）。穩(wěn)準快穩(wěn)定搬性：穩(wěn)定很性是根對系斥統(tǒng)的城基本嚴要求狗，不榜穩(wěn)定旱的系釀統(tǒng)不平能實鬼現(xiàn)預(yù)固定任挺務(wù)。拜穩(wěn)定軋性，悶通常關(guān)由系慨統(tǒng)的苦結(jié)構(gòu)街決定鼓與外紐奉界因排素?zé)o祝關(guān)。快速脹性：對過鍬渡過州程的惕形式氣和快昏慢提蔬出要襖求，鋸一般按稱為撕動態(tài)臂性能坡。準確怎性：用穩(wěn)榮態(tài)誤約差來繩表示倦。在參刊考輸滑入信求號作豎用下侮，當(dāng)表系統(tǒng)泥達到尾穩(wěn)態(tài)憐后，角其穩(wěn)砍態(tài)輸園出與異參考手輸入鄰所要拋求的侄期望潮輸出艙之差卸叫做開給定亮穩(wěn)態(tài)需誤差尋。2、典切型的掏外作懇用為了鴿便于葡用統(tǒng)燈一的康方法挺研究匪和比攀較控財制系霉統(tǒng)的租性能槳，通苦常選悲用幾迫種確細定性聞函數(shù)始作為凝典型摧外作