自動(dòng)控制原理1

自動(dòng)控制原理

主講人：黃鳳芝Tel/p>

E_mail:huangfzh@126.com

課程性質(zhì)

專業(yè)基礎(chǔ)課學(xué)時(shí)

72學(xué)時(shí)（60理論+12實(shí)驗(yàn)）

4學(xué)分先修課程

高等數(shù)學(xué)、大學(xué)物理、積分變換、電路、數(shù)字電子技術(shù)、模擬電子技術(shù)教材介紹前言自動(dòng)控制技術(shù)應(yīng)用自動(dòng)控制技術(shù)幾乎滲透到國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域及社會(huì)生活的各個(gè)方面，是當(dāng)代發(fā)展最迅速、應(yīng)用最廣泛、最引人注目的高科技，是推動(dòng)新的技術(shù)革命和新的產(chǎn)業(yè)革命的關(guān)鍵技術(shù)，在某種程度上說(shuō)，自動(dòng)化是現(xiàn)代化的同義詞。雷達(dá)自動(dòng)跟蹤的導(dǎo)彈系統(tǒng)無(wú)人機(jī)人造地球衛(wèi)星發(fā)射系統(tǒng)哈勃望遠(yuǎn)鏡－特殊地衛(wèi)星交通系統(tǒng)汽車自動(dòng)化生產(chǎn)線控制理論控制理論是研究自動(dòng)控制共同規(guī)律的技術(shù)科學(xué)?？刂普摚?/p>

經(jīng)典控制理論

現(xiàn)代控制理論（智能控制理論）以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)，研究單輸入---單輸出定?？刂葡到y(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)問(wèn)題以狀態(tài)空間法為基礎(chǔ)，研究多輸入--多輸出時(shí)變、非線性、高精度、高效能控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)問(wèn)題發(fā)展概況—1年英國(guó)瓦特飛球調(diào)節(jié)器公認(rèn)的第一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)年麥克斯韋爾“論調(diào)速器”公認(rèn)為自動(dòng)控制理論的開端1875年英國(guó)勞斯提出代數(shù)穩(wěn)定判據(jù)勞斯穩(wěn)定判據(jù)1895年德國(guó)赫爾維茲提出代數(shù)穩(wěn)定判據(jù)1892年俄國(guó)李雅普諾夫提出穩(wěn)定性定義和兩個(gè)穩(wěn)定判據(jù)1932年美國(guó)奈奎斯特提出奈氏穩(wěn)定判據(jù)二戰(zhàn)中自動(dòng)火炮、雷達(dá)、飛機(jī)以及通訊系統(tǒng)的控制研究直接推動(dòng)了經(jīng)典控制的發(fā)展1948年，維納出版《控制論》，形成完整的經(jīng)典控制理論，標(biāo)志控制學(xué)科的誕生。發(fā)展概況—2

二次世界大戰(zhàn)結(jié)束后，各國(guó)大力發(fā)展空間技術(shù)，經(jīng)典控制理論不能滿足需要，需要研究新的控制理論。這個(gè)時(shí)期，眾多的數(shù)學(xué)家、科學(xué)家投入自動(dòng)控制理論的研究，如自動(dòng)控制科學(xué)家從力學(xué)中引進(jìn)了狀態(tài)空間的概念。

隨著電子計(jì)算機(jī)的應(yīng)用，自動(dòng)控制理論開始進(jìn)入“現(xiàn)代控制理論”階段。現(xiàn)代控制理論在空間技術(shù)取得巨大成功，但由于工業(yè)過(guò)程控制中普遍存在的不確定性和干擾，難以取得預(yù)期的效果。模擬人的控制技術(shù)——智能控制。發(fā)展概況—3本課程學(xué)習(xí)的內(nèi)容基本內(nèi)容——控制論的基本理論、方法、特點(diǎn)、綜合設(shè)計(jì)方法。研究對(duì)象——自動(dòng)控制系統(tǒng)，揭示自動(dòng)控制系統(tǒng)中存在的信息轉(zhuǎn)換、傳遞和反饋?？刂葡到y(tǒng)基本概念連續(xù)系統(tǒng)離散系統(tǒng)時(shí)域法復(fù)域法頻域法快穩(wěn)準(zhǔn)第一章控制系統(tǒng)導(dǎo)論第二章控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型第三章線性系統(tǒng)的時(shí)域分析法第四章線性系統(tǒng)的根軌跡法第五章線性系統(tǒng)的頻域分析法第六章線性系統(tǒng)的校正方法第七章線性離散系統(tǒng)的分析第一章控制系統(tǒng)導(dǎo)論1-1自動(dòng)控制的基本原理1-2自動(dòng)控制系統(tǒng)示例1-3自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類1-4自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求1-5自動(dòng)控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)工具1-1自動(dòng)控制的基本原理一、基本概念1.控制（Control）：根據(jù)某種原理或方法，使特定對(duì)象（被控對(duì)象）的某些物理量（被控量）按照預(yù)期規(guī)律變化的操縱過(guò)程。2.人工控制（ManualControl）：由人直接或間接操作執(zhí)行裝置的控制方式。3.自動(dòng)控制（AutomaticControl）：是指在沒有人直接參與的情況下，利用自動(dòng)控制裝置（或稱為控制裝置或控制器），使機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過(guò)程（統(tǒng)稱為被控對(duì)象）的某個(gè)工作狀態(tài)或參數(shù)（稱為被控量）自動(dòng)地按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行。4.自動(dòng)控制系統(tǒng)（ControlSystem）：是由被控對(duì)象和自動(dòng)控制裝置按一定方式聯(lián)結(jié)起來(lái)的，以完成某種自動(dòng)控制任務(wù)的有機(jī)整體。自動(dòng)控制系統(tǒng)控制原理方框圖控制對(duì)象執(zhí)行裝置控制器測(cè)量裝置控制器比較環(huán)節(jié)輸入量偏差測(cè)量值輸出量控制量擾動(dòng)量控制動(dòng)作廣義對(duì)象自動(dòng)控制裝置元素：（1）：元件（2）：信號(hào)（物理量）及傳遞方向（3）：比較點(diǎn)（信號(hào)疊加）（4）：引出點(diǎn)（分支、信號(hào)強(qiáng)度）（5）+/-：符號(hào)的意義（正、負(fù)反饋）二、控制系統(tǒng)中常用的名詞術(shù)語(yǔ)輸入量:泛指對(duì)系統(tǒng)的輸出量有直接影響的外界輸入信號(hào),既包括控制信號(hào)又包括擾動(dòng)信號(hào)。其中控制信號(hào)又稱控制量、參考輸入、或給定值。輸出量:是指反饋控制系統(tǒng)中被控制的物理量,它與輸入信號(hào)之間有一定的函數(shù)關(guān)系。反饋量:將系統(tǒng)(或環(huán)節(jié))的輸出信號(hào)經(jīng)變換、處理送到系統(tǒng)(或環(huán)節(jié))的輸入端的信號(hào),稱為反饋信號(hào)。若此信號(hào)是從系統(tǒng)輸出端取出送入系統(tǒng)輸入端,這種反饋信號(hào)稱主反饋信號(hào)。而其它稱為局部反饋信號(hào)。偏差:控制輸入信號(hào)與主反饋信號(hào)之差。誤差:它指系統(tǒng)輸出量的實(shí)際值與希望值之差。系統(tǒng)希望值是理想化系統(tǒng)的輸出，實(shí)際上并不存在,它只能用與控制輸入信號(hào)具有一定比例關(guān)系的信號(hào)來(lái)表示。在單位反饋情況下,希望值就是系統(tǒng)的輸入信號(hào),誤差信號(hào)等于偏差信號(hào)。擾動(dòng)量:除控制信號(hào)以外,對(duì)系統(tǒng)的輸出有影響的信號(hào)。三、反饋控制系統(tǒng)1.反饋控制系統(tǒng)的基本組成部分輸入量串聯(lián)校正元件放大元件執(zhí)行元件被控對(duì)象擾動(dòng)并聯(lián)校正元件反饋元件輸出量比較元件e(t)偏差信號(hào)主反饋信號(hào)b(t)測(cè)量反饋元件主反饋局部反饋＋＋－－給定元件被控對(duì)象（被控過(guò)程）——又稱控制對(duì)象或受控對(duì)象，指需要對(duì)它的某個(gè)特定的量進(jìn)行控制的設(shè)備或過(guò)程。被控對(duì)象的輸出變量是被控變量，常常記作輸出信號(hào)或輸出量。被控對(duì)象除了受到控制作用外，還受到外部擾動(dòng)作用。給定元件——其作用是給出與期望的輸出相對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)輸入量，是一類產(chǎn)生系統(tǒng)控制指令的裝置。測(cè)量反饋元件——如傳感器和測(cè)量?jī)x表，感受或測(cè)量被控變量的值并把它變換為與輸入量同一物理量后，再反饋到輸入端以作比較。比較元件——比較輸入信號(hào)與反饋信號(hào)，以產(chǎn)生反映兩者差值的偏差信號(hào)。放大元件——將微弱的信號(hào)作線性放大。校正元件——也叫補(bǔ)償元件，它是按某種函數(shù)規(guī)律變換控制信號(hào)，以利于改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)或靜態(tài)性能。執(zhí)行元件——根據(jù)偏差信號(hào)的性質(zhì)執(zhí)行相應(yīng)的控制作用，以便使被控制量按期望值變化。如電動(dòng)機(jī)、氣動(dòng)控制閥等。

例子1.人取書輸入信號(hào)眼睛大腦手、手臂眼睛+（書的位置）輸出量（手的位置）方框圖2.龍門刨床速度控制系統(tǒng)比較電路

放大器觸發(fā)器晶閘管電動(dòng)機(jī)n測(cè)試發(fā)電機(jī)

方框圖四、自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本控制方式

控制系統(tǒng)的類型很多，它們的結(jié)構(gòu)類型和所完成的任務(wù)也各不相同?？刂葡到y(tǒng)中最常見的兩種控制方式是開環(huán)控制和閉環(huán)控制，這兩種控制的組合——即為復(fù)合控制，相對(duì)應(yīng)的控制系統(tǒng)稱為開環(huán)控制系統(tǒng)、閉環(huán)控制系統(tǒng)和復(fù)合控制系統(tǒng)。

自動(dòng)控制理論主要研究閉環(huán)控制系統(tǒng)

（1）反饋控制方式——閉環(huán)控制閉環(huán)控制的定義是有被控制量反饋的控制,其原理框如圖所示。從系統(tǒng)中信號(hào)流向看,系統(tǒng)的輸出信號(hào)沿反饋通道又回到系統(tǒng)的輸入端,構(gòu)成閉合通道,故稱閉環(huán)控制系統(tǒng),或反饋控制系統(tǒng)。前/正向通道反/負(fù)向通道這種控制方式,無(wú)論是由于干擾造成,還是由于結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化引起被控量出現(xiàn)偏差,系統(tǒng)就利用偏差去糾正偏差,故這種控制方式為按偏差調(diào)節(jié)。閉環(huán)控制系統(tǒng)的突出優(yōu)點(diǎn)是利用偏差來(lái)糾正偏差,使系統(tǒng)達(dá)到較高的控制精度。閉環(huán)控制的缺點(diǎn)——引入反饋增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，如果閉環(huán)系統(tǒng)參數(shù)的選取不適當(dāng)，系統(tǒng)可能會(huì)產(chǎn)生振蕩，甚至系統(tǒng)失穩(wěn)而無(wú)法正常工作，這是自動(dòng)控制理論和系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須解決的重要問(wèn)題。（2）開環(huán)控制開環(huán)控制系統(tǒng)是指無(wú)被控量反饋的控制系統(tǒng),即需要控制的是被控對(duì)象的某一量(被控量),而測(cè)量的只是給定信號(hào),被控量對(duì)于控制作用沒有任何影響的系統(tǒng)。結(jié)構(gòu)如圖所示。這種控制優(yōu)點(diǎn)——結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，系統(tǒng)穩(wěn)定性好，調(diào)試方便，成本低。因此，在輸入量和輸出量之間的關(guān)系固定，且內(nèi)部參數(shù)或外部負(fù)載等擾動(dòng)因素不大，或這些擾動(dòng)因素可以預(yù)測(cè)并進(jìn)行補(bǔ)償?shù)那疤嵯拢瑧?yīng)盡量采用開環(huán)控制系統(tǒng).缺點(diǎn)——抗干擾性能差。當(dāng)對(duì)象或控制裝置受到外部干擾,或工作中特性參數(shù)發(fā)生變化,會(huì)直接影響被控量,而無(wú)法自動(dòng)補(bǔ)償。因此,系統(tǒng)的控制精度難以保證。意味著對(duì)受控對(duì)象和其它控制元件的技術(shù)要求較高。（3）復(fù)合控制控制器控制對(duì)象擾動(dòng)輸出量輸入量補(bǔ)償器控制器控制對(duì)象擾動(dòng)輸出量輸入量補(bǔ)償器1-2自動(dòng)控制系統(tǒng)示例函數(shù)記錄儀放大器變換器伺服電動(dòng)機(jī)齒輪系繩輪記錄筆測(cè)速發(fā)電機(jī)測(cè)量電路

_位移LL函數(shù)記錄儀方框圖電阻爐微型計(jì)算機(jī)溫度控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)控制量給定溫度D/A變換器觸發(fā)器晶閘管導(dǎo)通角電阻絲爐溫?zé)犭娕糀/D變換器放大濾波電流電流電流溫度數(shù)值方框圖鍋爐液位控制系統(tǒng)方框圖給定值調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)閥鍋爐測(cè)量變送器

_液位