第1章-光-纖-通-信緒-論知識分享

第1章緒論1.1自動控制系統(tǒng)的基本概念與發(fā)展1.1.1自動控制的定義與基本組成所謂自動控制，是指在沒有人直接參與的情況下，利用外加的設備或裝置操縱機器、設備或生產(chǎn)過程，使其自動按預定規(guī)律運行的技術。定義：圖1-1人腦控制過程示意圖圖1-2仿人控制系統(tǒng)方框圖遙測、遙感1.1.2自動控制技術的發(fā)展歷史與現(xiàn)狀

外加設備或裝置，通常包括測量儀器、控制裝置和執(zhí)行機構。沒有檢測與執(zhí)行設備，單獨的控制器是無法發(fā)揮作用的。發(fā)展歷史測控與軍事自動控制與民用工業(yè)現(xiàn)代測控系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀測控與科學

以傳遞函數(shù)為基礎的經(jīng)典控制理論，它主要研究單輸入-單輸出、線性定?？刂葡到y(tǒng)的分析和設計問題。

以狀態(tài)為基礎的狀態(tài)空間法（現(xiàn)代控制理論基礎），主要研究具有高性能、高精度的多變量變參數(shù)系統(tǒng)的最優(yōu)控制問題，

自動控制理論是研究自動控制技術共同規(guī)律的基礎科學，以反饋理論為基礎的自動調(diào)節(jié)原理。有線或無線最好所有信號傳輸線都應符合現(xiàn)場總線制返回開環(huán)控制系統(tǒng)是最基本的不帶反饋（檢測裝置）的自動控制系統(tǒng)，其在生產(chǎn)過程及生活設施中隨處可見。輸入量輸出量圖1-4開環(huán)控制系統(tǒng)示意圖控制器執(zhí)行器1.2.2閉環(huán)控制系統(tǒng)

缺陷：由于系統(tǒng)周圍環(huán)境的變化會給系統(tǒng)造成干擾，開環(huán)控制系統(tǒng)的輸出量不可能精確地對應于輸入量，因此開環(huán)系統(tǒng)不具備克服輸出量與輸入量之間的偏差的能力，它的準確性和穩(wěn)態(tài)精度都不高。如果系統(tǒng)輸入量再隨時間變化，而系統(tǒng)的被控對象一般都存在慣性，所以不可能瞬時完成對輸入量的響應?！垢蓴_能力差

前向通路

給控制系統(tǒng)引入反饋，即把輸出量饋送到系統(tǒng)輸入端，以便與輸入信號進行比較，取其偏差作為控制器的輸入，如圖所示。這樣的系統(tǒng)稱為帶負反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)。

——抗干擾性能優(yōu)于開環(huán)外擾——由系統(tǒng)的動力源或負載變化以及外部因素引起。

擾動量內(nèi)擾——由組成系統(tǒng)的元部件參數(shù)的變化引起。注意：加在控制器上的信號是輸入量和反饋量之間的差(偏差)?？刂破魉a(chǎn)生的控制作用力圖減小或者消除這種偏差。

帶有負反饋的閉環(huán)控制又稱為偏差控制

回放例：一個簡單的閉環(huán)控制系統(tǒng)控制器——溫控開關輸入量——期望溫度輸出量——測溫元件檢測到的實際水溫偏差——由溫控開關確定外擾——注入的冷水和流出的熱水執(zhí)行機構——電加熱器冷水電加熱器溫控開關水箱給定溫度熱水測溫元件圖1-6電加熱器系統(tǒng)優(yōu)勢：有效地抑制前向通道中各種擾動對系統(tǒng)輸出量的影響，提高系統(tǒng)的抗擾動性能，增強魯棒性，改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度，提高響應速度。問題：慣性使控制作用不能及時校正系統(tǒng)誤差。如果控制系統(tǒng)的強激作用與被控對象的慣性匹配不當，還可能產(chǎn)生振蕩，甚至不穩(wěn)定。1.2.3復合控制系統(tǒng)使用條件：當單獨采用開環(huán)控制或閉環(huán)控制不能得到理想的控制效果時，可以采用開環(huán)和閉環(huán)控制相結合的復合控制系統(tǒng)。

圖1-7復合控制示意圖作用：帶有負反饋的閉環(huán)控制起主調(diào)節(jié)作用，而帶有前饋的開環(huán)控制則起輔助作用。實例：圖1-8電動機復合控制系統(tǒng)電動機速度復合控制系統(tǒng)是按擾動作用補償?shù)膹秃峡刂葡到y(tǒng)。負載大小的改變引起轉速變化，反映在圖1-8（b）中即為負載轉矩Mc的改變。1.3自動控制系統(tǒng)的基本類型下面舉兩例：1.3.1調(diào)節(jié)系統(tǒng)和隨動系統(tǒng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)或恒值系統(tǒng)——系統(tǒng)的輸入量恒定不變的。輸入量并非被控對象的實際輸入而是希望輸出能夠達到的期望值，所以又稱其為參考輸入。隨動系統(tǒng)——系統(tǒng)的輸出能夠緊緊跟隨其輸入變化，并要求具有一定的跟隨精度。在這種系統(tǒng)中，輸入量的變化往往是任意的，非預知的。

基本控制方式：開、閉環(huán)，復合＋給定轉速給＋實際轉速定電位直流測速器－－電動機發(fā)電機生產(chǎn)機構圖1-9電動機轉速恒值調(diào)節(jié)系統(tǒng)

電壓和功率放大器工作原理：測速發(fā)電機將檢測到的實際轉速轉換成電壓反饋到輸入端，通過運算放大器與參考輸入（給定轉速的電壓當量）進行比較，取其偏差進行控制。

電加熱系統(tǒng)（圖1-6所示）也是一個溫度恒值調(diào)節(jié)系統(tǒng)。日常生活中還有許多如壓力、水位、流量以及電壓、電流等參量的恒值調(diào)節(jié)系統(tǒng)。＋＋

輸出角度－

同位儀電壓和功率放大器直流電動機炮身輸入角度圖1-10火炮跟蹤系統(tǒng)示意圖

工作原理：同位儀是誤差檢測裝置，輸入信號是火炮跟蹤目標的監(jiān)測角度，反饋裝置把炮架轉動的角度送入同位儀，放大裝置輸出相應的偏差信號，使直流電動機帶動火炮的炮架轉動，如此直至反饋的角度信號與輸入的角度信號相等時，放大裝置的輸出功率為零，電動機停止轉動。由于火炮的目標是飛行物體，因此系統(tǒng)的輸入角度必須根據(jù)實際目標方位隨時調(diào)整，所以火炮跟蹤系統(tǒng)是一個隨動系統(tǒng)。1.3.2連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)連續(xù)系統(tǒng)——系統(tǒng)各個組成環(huán)節(jié)的輸入、輸出信號都是時間連續(xù)信號。

上面所舉的恒值調(diào)節(jié)系統(tǒng)和隨動系統(tǒng)的例子都屬于連續(xù)控制系統(tǒng)。一般采用微分方程作為分析連續(xù)系統(tǒng)的數(shù)學工具。

離散系統(tǒng)——系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)的輸入、輸出信號都是離散信號。如果控制系統(tǒng)中既有連續(xù)信號又有離散信號，則稱之為采樣（離散）控制系統(tǒng)。

離散信號脈沖信號數(shù)字信號離散系統(tǒng)的動態(tài)性能一般要用差分方程來描述和分析。圖1-11電阻爐溫度微機控制系統(tǒng)熱電偶

電阻電爐絲A/D轉換器單片機放大濾波D/A轉換器觸發(fā)電路微機控制的集成度越來越高→DSP、嵌入式系統(tǒng)、SOC晶閘管控制電路全數(shù)字化電阻爐溫度微機控制系統(tǒng)屬于采樣控制系統(tǒng)。

A/D、D/A轉換器和單片機之間傳遞的是數(shù)字信號。有些控制系統(tǒng)轉換采用V/F、F/V變換器，那么它們與單片機之間傳遞的是脈沖信號。圖1-12微機控制系統(tǒng)示意圖1.3.3單輸入單輸出系統(tǒng)和多輸入多輸出系統(tǒng)單輸入單輸出系統(tǒng)（SISO-SingleInputandSingleOutput）——只有一個輸入量和一個輸出量的控制系統(tǒng)。分析方法——以傳遞函數(shù)為基礎的時域法、頻域法和根軌跡法。

主要研究系統(tǒng)的輸入輸出特性。

可用低階微分方程（或差分方程）來描述簡單的SISO系統(tǒng)，可靠手算分析，這就是最初的時域法。數(shù)字控制器

必須用高階微分（動態(tài)）方程來描述復雜的SISO系統(tǒng)，計算機輔助分析，狀態(tài)空間法。

多輸入多輸出系統(tǒng)（MIMO-Multi-inputandmulti-output）——多信號、多回路、多變量且相互之間還有關聯(lián)（耦合）的復雜控制系統(tǒng)。

不局限于研究輸入輸出特性，而關注內(nèi)部狀態(tài)的運動規(guī)律以及相互之間的關系，使系統(tǒng)在一定的控制約束和某種性能指標下實現(xiàn)最優(yōu)控制。分析方法——以狀態(tài)空間為基礎的“現(xiàn)代控制理論”。……………控制器被控對象測量陣列反饋陣列……

控制擾動量狀態(tài)輸入量作用變量輸出量r(t)u(t)x(t)y(t)1.3.4線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)線性系統(tǒng)——系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的輸入輸出特性是線性的，可以用線性微分（或差分）方程來描述。線性定常（時不變）：線性常微分方程。線性時變系統(tǒng)：線性微分方程的系數(shù)是時間函數(shù)。主要特點：

可以應用疊加和齊次性原理來處理輸入輸出之間的關系，以傳遞函數(shù)為基礎的經(jīng)典控制理論是其主要研究依據(jù)。輸出輸出輸出輸出

輸入輸入輸入輸入（a）（b）（c）（d）圖1-14常見的非線性系統(tǒng)特性

非線性系統(tǒng)——在動態(tài)系統(tǒng)中，只要有一個元器件的輸入輸出特性是非線性的，就稱為非線性系統(tǒng)，用非線性微分（或差分方程）來描述。

不適用疊加和齊次性原理。

非本質(zhì)非線性：可在工作點附近的小鄰域內(nèi)線性化。本質(zhì)非線性：工作點的定義域內(nèi)存在間斷點，不是連續(xù)可微。需要專門的處理方法，例如描述函數(shù)法和相平面法等，目前較實用并有效地模糊控制。

1.3.5其它類型

確定性系統(tǒng)和隨機系統(tǒng)

（數(shù)理統(tǒng)計、現(xiàn)代控制理論中的模型辨識和現(xiàn)代控制工程中的自適應控制方法）集中參數(shù)系統(tǒng)和分布參數(shù)系統(tǒng)4對控制系統(tǒng)的要求和本書內(nèi)容簡介

對控制系統(tǒng)的要求：穩(wěn)態(tài)性能（精度）：輸出響應的穩(wěn)態(tài)誤差。穩(wěn)定性：系統(tǒng)能夠正常工作的基本前提動態(tài)性能：系統(tǒng)輸出響應的快速性和超調(diào)量

控制系統(tǒng)設計：必須滿足動、靜態(tài)性能指標的要求，但是兩者之間常有矛盾：穩(wěn)態(tài)精度很高的系統(tǒng)容易導致動態(tài)品質(zhì)惡化，甚至不穩(wěn)定。動態(tài)性能好的系統(tǒng)有可能達不到高穩(wěn)態(tài)精度的要求。為了解決這個矛盾就必須合理地設計控制器，對系統(tǒng)性能進行綜合校正，這正是控制系統(tǒng)設計的核心內(nèi)容。

自動控制理論