自控原理第一章 緒論

第1章自動(dòng)控制的一般概念一、自動(dòng)控制的基本原理與方式

二、自動(dòng)控制系統(tǒng)示例三、自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類

四、對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求

1/31/202311.1自動(dòng)控制的基本原理與方式1.1.1自動(dòng)控制技術(shù)及應(yīng)用自動(dòng)控制:就是指在沒(méi)有人直接參與的情況下，利用外加的設(shè)備（稱為控制器）操作被控對(duì)象（如機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過(guò)程）的某個(gè)狀態(tài)或參數(shù)（稱為被控量）使其按預(yù)先設(shè)定的規(guī)律自動(dòng)運(yùn)行。

如：飛機(jī)導(dǎo)航

1/31/20232人造地球衛(wèi)星

控制其準(zhǔn)確地進(jìn)入預(yù)定軌道運(yùn)行并回收

無(wú)人駕駛飛機(jī)按預(yù)定軌跡飛行

漸露鋒芒地?zé)o人駕駛飛機(jī)

1/31/20233制導(dǎo)導(dǎo)彈

現(xiàn)代的高新技術(shù)讓導(dǎo)彈長(zhǎng)上了“眼睛”和“大腦”，利用負(fù)反饋控制原理去緊緊盯住目標(biāo).

我國(guó)研制的地空導(dǎo)彈(如右圖)雷達(dá)技術(shù)

雷達(dá)操作時(shí)，天線就要不停地轉(zhuǎn)動(dòng)。天線的作用是把雷達(dá)中產(chǎn)生的無(wú)線電波按照一定的方向向外發(fā)射出去，并把被反射回來(lái)的無(wú)線電波接收下來(lái)。正因?yàn)樘炀€所起的作用好似人的眼睛一樣，因此雷達(dá)要注視和偵察整個(gè)天空的狀況，天線就要不停地轉(zhuǎn)動(dòng)，用一個(gè)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)使天線作360度的旋轉(zhuǎn)，這樣它就能在360度范圍內(nèi)進(jìn)行“搜索”。1/31/20234自動(dòng)控制技術(shù)應(yīng)用于其他領(lǐng)域

由于計(jì)算機(jī)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(kuò)大到經(jīng)濟(jì)與社會(huì)生活的各個(gè)領(lǐng)域，如通信、交通、醫(yī)學(xué)、環(huán)境保護(hù)、經(jīng)濟(jì)管理等領(lǐng)域，控制技術(shù)已成為現(xiàn)代社會(huì)不可缺少的重要組成部分。

近年來(lái)，我國(guó)在自動(dòng)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(dòng)力工程等方面的研究和應(yīng)用取得了長(zhǎng)足進(jìn)展。

1/31/202351/31/20236工業(yè)自動(dòng)生產(chǎn)線

1/31/202371.1.2自動(dòng)控制理論的發(fā)展

自動(dòng)控制理論就是研究自動(dòng)控制共同規(guī)律的技術(shù)科學(xué)，它的發(fā)展初期是以反饋理論為基礎(chǔ)的自動(dòng)調(diào)節(jié)原理，隨著工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)已發(fā)展成為一門獨(dú)立的學(xué)科——控制論?？刂普摪üこ炭刂普摗⑸锟刂普摵徒?jīng)濟(jì)控制論。控制理論的發(fā)展過(guò)程一般可分為三個(gè)階段：

（1）第一階段。時(shí)間為本世紀(jì)40～60年代，稱為“經(jīng)典控制理論”時(shí)期。經(jīng)典控制理論主要是解決單輸入單輸出問(wèn)題，主要采用傳遞函數(shù)、頻率特性、根軌跡為基礎(chǔ)的頻域分析方法。此階段所研究的系統(tǒng)大多是線性定常系統(tǒng)，對(duì)非線性系統(tǒng)，分析時(shí)采用的相平面法一般也不超過(guò)兩個(gè)變量，經(jīng)典控制理論能夠較好地解決生產(chǎn)過(guò)程中的單輸入單輸出問(wèn)題。這一時(shí)期的主要代表人物有伯德（H.W.Bode1905～）和伊文思（W.R.Evans）。伯德于1945年提出了簡(jiǎn)便而實(shí)用的伯德圖法。1948年，伊文思提出了直觀而又形象的根軌跡法。1/31/20238（2）第二階段。時(shí)間為本世紀(jì)60～70年代，稱為“現(xiàn)代控制理論”時(shí)期。這個(gè)時(shí)期，由于計(jì)算機(jī)的飛速發(fā)展，推動(dòng)了空間技術(shù)的發(fā)展。經(jīng)典控制理論中的高階常微分方程可轉(zhuǎn)化為一階微分方程組，用以描述系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程，即所謂狀態(tài)空間法。這種方法可以解決多輸入多輸出問(wèn)題，系統(tǒng)既可以是線性的、定常的，也可以是非線性的、時(shí)變的。這一時(shí)期的主要代表人物有龐特里亞金、貝爾曼（Bellman），及卡爾曼（R.E.Kalman，1930～）等人。龐特里亞金于1961年發(fā)表了極大值原理；貝爾曼在1957年提出了動(dòng)態(tài)規(guī)化原則；1959年，卡爾曼和布西發(fā)表了關(guān)于線性濾波器和估計(jì)器的論文，即所謂著名的卡爾曼濾波。1/31/20239（3）第三階段。時(shí)間為本世紀(jì)70年代末至今。70年代末，控制理論向著“大系統(tǒng)理論”和“智能控制”方向發(fā)展。前者是控制理論在廣度上的開(kāi)拓，后者是控制理論在深度上的挖掘?！按笙到y(tǒng)理論”是用控制和信息的觀點(diǎn)，研究各種大系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方案、總體設(shè)計(jì)中的分解方法和協(xié)調(diào)等問(wèn)題的技術(shù)基礎(chǔ)理論。而“智能控制”是研究與模擬人類智能活動(dòng)及其控制與信息傳遞過(guò)程的規(guī)律，研究具有某些仿人智能的工程控制與信息處理系統(tǒng)。1/31/2023101.1.3反饋控制原理

反饋控制是這樣的一種控制過(guò)程，它能構(gòu)在存在擾動(dòng)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。

1/31/202311例子1/31/202312

在工業(yè)控制中，龍門刨床速度控制系統(tǒng)就是按照反饋控制原理進(jìn)行工作的。注意：

龍門刨床速度控制系統(tǒng)是一個(gè)有精差系統(tǒng)。速度最終達(dá)到的穩(wěn)態(tài)值與原始給定速度之間始終有一個(gè)差值存在，這個(gè)差值是用來(lái)產(chǎn)生一個(gè)附加的電動(dòng)機(jī)電樞電壓，以補(bǔ)償因增加負(fù)載而引起的速度下降。這個(gè)差值的存在是保證系統(tǒng)正常工作所必需的，一般稱為穩(wěn)態(tài)誤差。如果從結(jié)構(gòu)上加以改進(jìn)，可以消除這個(gè)穩(wěn)態(tài)誤差。

1/31/2023131.1.4反饋控制系統(tǒng)的基本組成

1)測(cè)量元件：檢測(cè)被控制的物理量。

2)給定元件：給出與期望的被控制量相對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)輸入量（即參據(jù)量）。

3)比較元件：把測(cè)量元件檢測(cè)的被控量的實(shí)際值與給定元件給出的參據(jù)量進(jìn)行比較，求出它們之間的偏差。

4)放大元件：偏差信號(hào)的放大，用以推動(dòng)執(zhí)行元件。

5)執(zhí)行元件：直接推動(dòng)被控對(duì)象，使被控量發(fā)生變化。

6)校正元件：也叫補(bǔ)償元件以改善系統(tǒng)性能。

1/31/202314典型的反饋控制系統(tǒng)基本組成框：

信號(hào)從輸入端到達(dá)輸出端的傳輸通路稱為前向通路；系統(tǒng)輸出量經(jīng)測(cè)量元件反饋到輸入端的傳輸通路稱為主反饋通路。前向通路與主反饋通路共同構(gòu)成主回路。此外，還有局部反饋通路。只包含一個(gè)主反饋通路的系統(tǒng)稱為單回路系統(tǒng)，有兩個(gè)或兩個(gè)以上反饋通路的系統(tǒng)稱為多回路系統(tǒng)。1/31/2023151/31/2023161.1.5自動(dòng)控制系統(tǒng)基本控制方式（1）系統(tǒng)。即為達(dá)到某—目的，由相互制約的各個(gè)部分按—定規(guī)律組成的、具有一定功能的整體。（2）自動(dòng)控制系統(tǒng)。指能夠?qū)Ρ豢貙?duì)象的工作狀態(tài)進(jìn)行自動(dòng)控制的系統(tǒng)，它一般由控制裝置（控制器）和被控對(duì)象所組成。（3）控制裝置。則是指對(duì)被控對(duì)象起控制作用的設(shè)備總體。（4）被控對(duì)象。是指要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過(guò)程。例如，汽車、飛機(jī)、煉鋼、化工生產(chǎn)的鍋爐等。1/31/202317自動(dòng)控制系統(tǒng)的性能，在很大程度上取決于系統(tǒng)中的控制器為了產(chǎn)生控制作用而必須接收的信息，這個(gè)信息有兩個(gè)可能的來(lái)源：1）來(lái)自系統(tǒng)外部，即由系統(tǒng)輸入端輸入的參考輸入信號(hào)。2）來(lái)自被控對(duì)象的輸出端，即反映被控對(duì)象的行為或狀態(tài)的信息。把從被控對(duì)象輸出端獲得的信息通過(guò)中間環(huán)節(jié)（稱為反饋環(huán)節(jié)）再送回控制器的輸入端的過(guò)程，稱為反饋。傳送反饋信息的載體，稱為反饋信號(hào)。是否采用反饋，對(duì)控制系統(tǒng)的各個(gè)指標(biāo)（即穩(wěn)定性、快速性、準(zhǔn)確性）影響很大。因此系統(tǒng)的基本控制方式也按有無(wú)反饋分為三大類：開(kāi)環(huán)控制、閉環(huán)控制、復(fù)合控制。1/31/202318反饋控制方式

按偏差進(jìn)行控制，具有抑制擾動(dòng)對(duì)被控量產(chǎn)生影響的能力和較高的控制精度。

1/31/202319

開(kāi)環(huán)控制

開(kāi)環(huán)控制是在控制器與被控對(duì)象之間只有正向控制作用而沒(méi)有反饋控制作用，即系統(tǒng)的輸出量對(duì)控制量沒(méi)有影響。開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)的示意圖如圖所示。

1/31/2023201/31/202321例子1/31/202322復(fù)合控制方式

按偏差控制和按擾動(dòng)控制相結(jié)合的控制方式稱為復(fù)合控制方式。

1/31/2023231.2自動(dòng)控制系統(tǒng)示例1/31/2023241、家用電冰箱溫控系統(tǒng)

控制器設(shè)定溫度與冰箱比較，產(chǎn)生偏差值，當(dāng)偏差電壓達(dá)到使繼電器接通時(shí)，壓縮機(jī)工作，將蒸發(fā)器中高溫低壓氣態(tài)制冷液送制冷卻器散熱，降溫后的低溫低壓制冷液壓縮成高壓液態(tài)進(jìn)入蒸發(fā)器，急速降壓擴(kuò)散成氣體，吸收箱體內(nèi)熱量，使冰箱溫度下降，如此循環(huán)操作，使箱體溫度達(dá)到希望溫度，此時(shí)繼電器斷開(kāi)，壓縮機(jī)停止工作。1/31/202325下圖為家用冰箱恒溫系統(tǒng)的方框圖

1/31/2023262、鍋爐液位控制系統(tǒng)

1/31/2023271/31/2023283、龍門刨床速度控制系統(tǒng)

1/31/2023291/31/2023304、電爐溫度控制系統(tǒng)

1/31/2023311/31/2023321/31/2023331/31/202334給定裝置放大器舵機(jī)飛機(jī)

反饋電位器

垂直陀螺儀θ0θ擾動(dòng)俯仰角控制系統(tǒng)方塊圖飛機(jī)方塊圖1/31/2023351.3自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類1/31/2023361/31/2023371、線性連續(xù)控制系統(tǒng)這類系統(tǒng)可以用線性微分方程描述，一般形式為：系數(shù)a0，‥，an，b0,‥bn是常數(shù)時(shí)，稱為定常系統(tǒng)；系數(shù)a0，‥，an，b0,‥bn隨時(shí)間變化時(shí)，稱為時(shí)變系統(tǒng)。線性定常連續(xù)系統(tǒng)按其輸入量的變化規(guī)律又可分為恒值控制系統(tǒng)、隨動(dòng)系統(tǒng)和程序控制系統(tǒng)。

1/31/2023381)、恒值控制系統(tǒng)

這類控制系統(tǒng)的參據(jù)量是一個(gè)常值，要求被控量亦等于一個(gè)常值，故又稱為調(diào)節(jié)器。

在恒值控制系統(tǒng)中，參據(jù)量可以隨生產(chǎn)條件的變化而改變，但是，一經(jīng)調(diào)整后，被控量就應(yīng)與調(diào)整好的參據(jù)量保持一致。在工業(yè)控制中，如果被控量是生產(chǎn)過(guò)程參量時(shí)，這種控制系統(tǒng)則稱為過(guò)程控制系統(tǒng)，它們大多數(shù)屬于恒值控制系統(tǒng)。

(2)、隨動(dòng)系統(tǒng)

系統(tǒng)的參據(jù)量是預(yù)先未知的隨時(shí)間任意變化的函數(shù)，要求被控量以盡可能小的誤差跟隨參據(jù)量的變化，故又稱為跟隨系統(tǒng)。在隨動(dòng)系統(tǒng)中。擾動(dòng)的影響是次要的，系統(tǒng)分析、設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是研究被控量跟隨的快速性和準(zhǔn)確性。

在隨動(dòng)系統(tǒng)中，如果被控量是機(jī)械位或其導(dǎo)數(shù)時(shí)，這類系統(tǒng)稱之為伺服系統(tǒng)。

(3)、程序控制系統(tǒng)

系統(tǒng)的參據(jù)量時(shí)按預(yù)定規(guī)律隨時(shí)間變化的函數(shù)，要求被控量迅速、準(zhǔn)確地加以復(fù)現(xiàn)。程序控制系統(tǒng)和隨動(dòng)系統(tǒng)的參據(jù)量都是時(shí)間函數(shù)，不過(guò)前者是已知的時(shí)間函數(shù)，后者是未知的任意時(shí)間函數(shù)，而恒值控制系統(tǒng)也可視為程序控制系統(tǒng)的特例。1/31/2023392、線性定常離散控制系統(tǒng)

離散系統(tǒng)是指系統(tǒng)的某處或多處的信號(hào)為脈沖序列或數(shù)碼形式，因而信號(hào)在時(shí)間上是離散的。離散系統(tǒng)一般用差分方程描述，其一般形式可用下式表示：

1/31/2023403、非線性控制系統(tǒng)

系統(tǒng)中只要有一個(gè)元部件的輸入－輸出特性是非線性的，這類系統(tǒng)就稱為非線性控制系統(tǒng)，實(shí)際物理系統(tǒng)中都含有不同程度的非線性元部件，如放大器和電磁元件的飽和特性，運(yùn)動(dòng)部件的死區(qū)、間隙和摩擦特性等。對(duì)于非線性程度不大的情況，可在一定范圍內(nèi)進(jìn)行線性化。1/31/2023411.5自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求1.5.1基本要求

1穩(wěn)定性一個(gè)控制系統(tǒng)能正常工作的首要條件是系統(tǒng)必須是穩(wěn)定的，由于控制系統(tǒng)是具有反饋?zhàn)饔玫拈]環(huán)系統(tǒng)，因此，系統(tǒng)有可能趨向振蕩或不穩(wěn)定，不穩(wěn)定的系統(tǒng)是無(wú)法工作的。穩(wěn)定的控制系統(tǒng)在階躍信號(hào)或擾動(dòng)信號(hào)的作用下，其響應(yīng)的暫態(tài)過(guò)程應(yīng)該是收斂的。如果系統(tǒng)設(shè)計(jì)不當(dāng)，則在階躍信號(hào)下或擾動(dòng)信號(hào)的作用下，相應(yīng)的幅值振蕩可能成為等幅振蕩，甚至成為振幅逐漸增大的發(fā)散振蕩，發(fā)生這種情況的系統(tǒng)稱為不穩(wěn)定系統(tǒng)。系統(tǒng)穩(wěn)定性包括兩個(gè)方面的含義。（1）系統(tǒng)穩(wěn)定，稱為絕對(duì)穩(wěn)定，即通常所說(shuō)的穩(wěn)定性。（2）輸出響應(yīng)振蕩的強(qiáng)烈程度，稱為相對(duì)穩(wěn)定性。例如系統(tǒng)是絕對(duì)穩(wěn)定的，但是在階躍信號(hào)作用下，響應(yīng)振蕩很強(qiáng)烈，而且振蕩的衰減很慢，則該系統(tǒng)雖然屬于穩(wěn)定系統(tǒng)，但相對(duì)穩(wěn)定性