自動控制原理第一課-湘潭大學-期末復習概要

同學們新學期好！自動控制理論講授：陽效良出版：華南理工大學出版社作者：高國燊余文烋課程講授計劃總計64學時，每章安排一次習題課，上課周數(shù)為16周。1.課程教學目的、任務(wù)

在生產(chǎn)過程和科學技術(shù)日新月異的飛速發(fā)展過程中，自動控制技術(shù)起著十分重要的作用，各行各業(yè)都離不開自動化技術(shù)。通過本課程的學習，掌握生產(chǎn)過程自動控制的基本原理和方法，為學習后續(xù)課程打下基礎(chǔ)。

前言2.課程特點

本課程是專業(yè)的一門主要技術(shù)基礎(chǔ)課，它包括經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論的基本知識。本課程要求的數(shù)學知識較多，因此要求已有較好的高等數(shù)學和工程數(shù)學的基礎(chǔ)。前言3.相關(guān)課程及聯(lián)系

本課程的先修課為高等數(shù)學、線性代數(shù)、復變函數(shù)、積分變換和電路等。后續(xù)課程有過程控制系統(tǒng)，計算機控制技術(shù)與系統(tǒng)，系統(tǒng)辨識,控制系統(tǒng)計算機仿真，自適應(yīng)控制和模糊控制等。前言4.課程內(nèi)容自動控制系統(tǒng)的基本知識；建立自動控制系統(tǒng)的數(shù)學模型;利用穩(wěn)定判據(jù)分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性;分析系統(tǒng)的動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能。根據(jù)給定要求設(shè)計控制系統(tǒng)，在控制系統(tǒng)的主要元件和結(jié)構(gòu)形式確定的前提下，對系統(tǒng)進行校正。了解非線性系統(tǒng)和離散系統(tǒng)的特點和分析方法。前言6.輔導答疑

時間：地點：二教6樓602前言7.成績考核平時成績：20%（作業(yè)、平時測驗、考勤等）考試成績：80%5.學習方法

課前預習，課堂理解，課后練習，溫故知新；把握重點，突破難點，注重特點，融會貫通；重視實踐，勤思多練，善于歸納，勇于創(chuàng)新。8.推薦參考書1《自動控制原理典型題解析及自測試題》盧京潮，西北工業(yè)出版社2《自動控制原理360題》李友善，哈爾濱工業(yè)大學出版社3《自動控制原理常見題型解析及模擬題》史忠科，西北工業(yè)大學出版社4《自動控制原理》鄢景華，哈爾濱工業(yè)大學出版社前言第一章自動控制概論

▼自動控制的研究意義、研究內(nèi)容一、自動控制技術(shù)的重要性1.在國民經(jīng)濟和國防建設(shè)中的應(yīng)用例:現(xiàn)代化的熱力發(fā)電廠的鍋爐、汽輪機和發(fā)電機的正常運轉(zhuǎn)；導彈準確地命中目標、人造衛(wèi)星按預定的軌道運行并返回地面；宇宙飛船能準確地在月球著陸并返回地球。這些都要有很復雜的自動控制系統(tǒng)予以保證才行。2．在工業(yè)生產(chǎn)過程中的應(yīng)用例：對溫度、壓力、濕度、流量、頻率以及原料、燃料成分比例等方面的控制。自動控制技術(shù)的應(yīng)用，不僅使生產(chǎn)過程實現(xiàn)了自動化，極大地提高了勞動生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量，改善了勞動條件，并且在人類征服自然、探索新能源、發(fā)展空間技術(shù)和改善人民物質(zhì)生活等方面都起著極為重要的作用。因此，自動控制技術(shù)已經(jīng)成為實現(xiàn)工業(yè)、農(nóng)業(yè)、科學技術(shù)和國防現(xiàn)代化必不可少的一門技術(shù)。

二、自動控制原理的研究內(nèi)容自動控制原理是一門技術(shù)基礎(chǔ)課程，主要講述自動控制原理與控制系統(tǒng)設(shè)計、實驗等內(nèi)容。根據(jù)自動控制技術(shù)發(fā)展的不同階段，自動控制原理可分為古典控制理論和現(xiàn)代控制理論兩大部分。

1.古典控制理論古典控制理論的內(nèi)容以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)，研究單輸入-單輸出一類自動控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計問題。注：這些理論研究較早，現(xiàn)在已經(jīng)成熟，并且在工程實踐中得到廣泛的應(yīng)用。

2、現(xiàn)代控制理論60年代在古典控制理論的基礎(chǔ)上，隨著科學技術(shù)的發(fā)展和工程實踐的需要而迅速發(fā)展起來的現(xiàn)代控制理論，它的內(nèi)容主要以狀態(tài)空間法為基礎(chǔ)，研究多輸入-多輸出、變參數(shù)、非線性、高精度、高效能等控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計問題。最優(yōu)控制、最佳濾波、系統(tǒng)辨識、自適應(yīng)控制理論都是這一領(lǐng)域的主要課題。

近年來，由于電子計算機技術(shù)和現(xiàn)代應(yīng)用數(shù)學研究的迅速發(fā)展，使現(xiàn)代控制理論又在研究龐大的系統(tǒng)工程的大系統(tǒng)理論和模仿人類智能活動的智能控制、生物控制、模糊控制等方面有了重大進展。目前，現(xiàn)代控制理論正隨著現(xiàn)代科學技術(shù)的發(fā)展而日新月異地向前發(fā)展著。1-1自動控制與自動控制系統(tǒng)的基本概念

▼基本概念

自動控制：在沒有人直接參與的情況下，通過控制器使被控制對象或過程自動地按照預定的規(guī)律運行。

下面以水池水位控制系統(tǒng)為例來說明自動控制與自動控制系統(tǒng)的基本概念。

圖1.1-1

圖圖1.1-1中對水位的控制，可由人工操作實現(xiàn)，其控制的具體過程如下：1)

通過眼睛觀察水池的實際水位；

2)與要求的水位進行比較，得出偏差；

3)根據(jù)偏差的大小調(diào)節(jié)進水閥門的開啟程度。圖1.1-2

用自動控制代替人工控制的必要性：勞動量的不允許；精確度、靈敏度的約束。

在自動控制原理中，定義用以完成一定任務(wù)的一些部件（或元件）的組合為系統(tǒng)。圖1.1-2水池水位自動控制系統(tǒng)中，水池是被控制的，叫做系統(tǒng)的被控制對象。除了被控制對象之外的各個部分的組合叫做控制器。自動控制裝置按其職能一般應(yīng)包括以下幾個部分：

1）測量元件：測量被控量的實際值或?qū)Ρ豢亓窟M

行物理量的變換

2）比較元件：將測量結(jié)果和要求值進行比較，得

到偏差

3）放大元件：將微弱的信號作線性放大。

4）執(zhí)行元件：由控制信號產(chǎn)生控制作用，從而使

被控量達到要求值

5)校正元件：按某種函數(shù)規(guī)律變換控制信號，以

利于改善系統(tǒng)的動態(tài)品質(zhì)或靜態(tài)性能。測量元件：浮子

被控制量或輸出量：實際水位；

反饋量：電位器的輸出電壓

控制量或輸入量：要求的水位

干擾輸入量：用水量

偏差量：要求水位與實際水位之差

為便于研究，把實際的物理系統(tǒng)按信號傳遞過程畫成如圖1.1-3所示的方塊圖。圖中的圓叉號代表比較元件（比較元件的輸出信號等于各輸入信號的代數(shù)和）。整個控制系統(tǒng)也可用一個大方塊圖表示，如圖1.1-4所示。圖1.1-3輸入量（擾動作用）輸出量輸入量（被控量）（給定量）自動控制系統(tǒng)圖1.1-4

從圖1.1-3可以明顯地看出，產(chǎn)生控制作用的關(guān)鍵是偏差信號。

負反饋控制原理：利用負反饋得到偏差信號（或偏差信號增量），進而產(chǎn)生控制作用，又去消除偏差（或偏差增量）的控制原理?！?/p>

因此，嚴格地說，自動控制系統(tǒng)是一個力圖使控制信號與被控制信號之間保持給定函數(shù)關(guān)系的具有能源和負反饋的閉環(huán)系統(tǒng)?！?/p>

物理量的表示：控制量用r(t)表示；被控制量用c(t)；反饋量用y(t)表示，偏差量用ε(t)表示；干擾量用f(t)表示。前向通道：從偏差量到被控制量的通道。反饋通道：由被控制量到反饋量的通道。

★

控制系統(tǒng)的分類:控制系統(tǒng)可以按照多種方式組成。如：1)按給定輸入量的變化情況反饋控制系統(tǒng)可分成隨動系統(tǒng)、定值調(diào)節(jié)系統(tǒng)（恒值系統(tǒng)）、和程序控制系統(tǒng)。2)按信號傳遞的特點或系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點可分成開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。3)按描述系統(tǒng)的微分方程來分類可分成線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)。4)按控制作用和時間的關(guān)系可分成連續(xù)控制系統(tǒng)和離散控制系統(tǒng)。

上面我們主要結(jié)合閉環(huán)控制系統(tǒng)說明了自動控制的基本概念并引出了一些常用名詞術(shù)語。下面我們就來說明開環(huán)控制與閉環(huán)控制的特點及主要優(yōu)缺點。

1-2開環(huán)控制與閉環(huán)控制

開環(huán)控制：開環(huán)控制是指控制裝置與被控制對象之間只有順向作用而沒有反向聯(lián)系的控制過程。開環(huán)系統(tǒng)的輸出量對系統(tǒng)的控制作用沒有任何影響。開環(huán)控制系統(tǒng)的方塊圖如圖1.2-1所示。

控制器對象或過程控制量被控制量圖1.2-1開環(huán)控制系統(tǒng)

開環(huán)控制系統(tǒng)舉例：自動售貨機、自動洗衣機、產(chǎn)品生產(chǎn)自動線以及交通指揮的紅綠燈轉(zhuǎn)換等?！?/p>

以電加熱爐為例說明開環(huán)控制系統(tǒng)的控制過程。

E圖1.2-2電加熱爐K閉環(huán)控制：閉環(huán)控制是指控制裝置與被控制對象之間既有順向作用，又有反向聯(lián)系的控制過程。閉環(huán)控制是自然界中一切生物控制自身運動的基本規(guī)律，也是工程自動控制的基本原理。它可以實現(xiàn)復雜而準確的控制?？刂蒲b置被控對象輸入信號擾動被控制量╳-圖1.2-3閉環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制的典型方塊圖如1.2-3:圖1.2-3中把被控制量(輸出量)送回輸入端并與輸入信號比較的過程稱為反饋。若反饋信號是與輸入信號相減而使偏差值越來越小，則稱為負反饋；反之，則稱為正反饋?！裰挥邪簇摲答佋斫M成的閉環(huán)控制系統(tǒng)才能實現(xiàn)自動控制的任務(wù)?？偨Y(jié)：開環(huán)控制結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、工作穩(wěn)定?？垢蓴_能力弱。閉環(huán)控制抗干擾能力強，控制精度高，但須解決穩(wěn)定性問題，選擇適當?shù)南到y(tǒng)參數(shù)，修正偏差。附加內(nèi)容

復合控制系統(tǒng)若要求實現(xiàn)復雜且精度較高的控制任務(wù)，可將開環(huán)控制和閉環(huán)控制方式適當結(jié)合起來，組成一個比較經(jīng)濟且性能較好的復合控制系統(tǒng)。實質(zhì)上，復合控制是在閉環(huán)控制回路的基礎(chǔ)上，附加一個輸入信號或擾動作用的順饋通路，來提高系統(tǒng)的控制精度。順饋通路通常由對輸入信號的補償裝置或?qū)_動作用的補償裝置組成，分別稱為按輸入信號補償（提供微分作用）和按擾動作用補償（抵消作用）的復合控制系統(tǒng)，如圖1.2-4。補償裝置被控對象輸入信號輸出量控制裝置╳-a）按輸入作用補償補償裝置被控對象輸入信號輸出量控制裝置╳-b）按擾動作用補償擾動

1-3控制系統(tǒng)舉例

一、隨動系統(tǒng)1．隨動系統(tǒng)的定義：承受控制信號為一任意時間常數(shù)，其變化規(guī)律無法預先予以確定的閉環(huán)控制系統(tǒng)。2．

舉例說明1）火炮隨動系統(tǒng)原理公式：u=K1(θ1-θ2)=K1Δθ1.3-1火炮隨動系統(tǒng)原理線路圖圖中一對自整角機組成測角線路。自整角發(fā)送機Ⅰ轉(zhuǎn)軸的位置由指揮儀來控制，此軸為系統(tǒng)的輸入軸。當炮瞄雷達已搜索到目標，且目標已進入火炮射程之內(nèi)時，天線隨動系統(tǒng)將進入自動跟蹤工作狀態(tài)。這時安裝在天線上的數(shù)據(jù)傳遞系統(tǒng)，不斷地把目標的方位角（俯仰角）數(shù)據(jù)傳遞給指揮儀。指揮儀根據(jù)當時氣候條件，炮彈在空中飛行的彈道，目標在空中飛行的速度、高度等數(shù)據(jù)，并注意到火炮和雷達站二者的方位角（俯仰角）之差，計算出為了使火炮與目標在空中相遇的火炮炮口的方位角（俯仰角）應(yīng)有的數(shù)值θ1（t），這個θ1（t）就是火炮隨動系統(tǒng)的控制信號。自整角接收機Ⅱ的轉(zhuǎn)子軸與火炮軸相固聯(lián)，此軸為系統(tǒng)的輸出軸。╳校正裝置前置放大相敏檢波直流放大功率放大減速器執(zhí)行電機K1θ1（t