自動(dòng)控制理論-01自動(dòng)控制的一般概念

1-1自動(dòng)控制的任務(wù)1-2自動(dòng)控制的基本方式1-3對(duì)控制系統(tǒng)的性能要求第一章自動(dòng)控制的一般概念

1-1自動(dòng)控制的任務(wù)

1、自動(dòng)控制的基本概念

何謂控制自動(dòng)控制：是指在沒(méi)有人直接參與的條件下，利用控制裝置使被控對(duì)象按照預(yù)定的技術(shù)要求進(jìn)行工作。

自動(dòng)控制系統(tǒng)：是指能夠?qū)Ρ豢貙?duì)象的工作狀態(tài)進(jìn)行自動(dòng)控制的系統(tǒng)，它由被控對(duì)象和控制裝置組成?？刂?/p>

自動(dòng)控制的任務(wù)，是在沒(méi)有人直接參與下，利用控制裝置操縱被控對(duì)象，使被控量等于給定值。2、自動(dòng)控制的應(yīng)用典范人造地球衛(wèi)星

無(wú)人駕駛飛機(jī)

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”。3、自動(dòng)控制發(fā)展史★前期控制(1400BC--1900)古巴比倫、古埃及和中國(guó).自動(dòng)計(jì)時(shí)漏壺古羅馬.采用浮球調(diào)節(jié)器來(lái)保持燃油液面高度的油燈（凱撒時(shí)代）；傳說(shuō)秦陵中也存在類(lèi)似裝置中國(guó).候風(fēng)地動(dòng)儀.張衡（東漢）；利用齒輪傳動(dòng)自動(dòng)指示方向的指南車(chē)(三國(guó)時(shí)期)；曹軍將之用于盜墓宋應(yīng)星所著《天工開(kāi)物》記載的提花織機(jī)結(jié)構(gòu)圖（明末）；英國(guó)J.Watt制造出第一臺(tái)可調(diào)速蒸汽機(jī)(1788年)。★經(jīng)典控制（20世紀(jì)前半葉）基于：戰(zhàn)爭(zhēng)需求基本方法：傳遞函數(shù)，根軌跡法，頻率特性法代表人物：維納、伯德、伊文思*現(xiàn)代控制(20世紀(jì)50年代)美國(guó)MIT的ServomechanismLaboratory研制出第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床(1952)；

中國(guó)批準(zhǔn)863高技術(shù)計(jì)劃，包括自動(dòng)化領(lǐng)域的計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)和智能機(jī)器人兩個(gè)主題(1986)。SONY娛樂(lè)機(jī)器狗（2008年）SONY二足步行機(jī)器人*智能控制(1980后)*未來(lái)，或遠(yuǎn)或近

1-2自動(dòng)控制的基本方式干擾n比較執(zhí)行被控對(duì)象測(cè)量-r給定值e偏差被控量c反饋信號(hào)

干擾分析執(zhí)行工作對(duì)象觀察預(yù)期目標(biāo)實(shí)際結(jié)果c

被控對(duì)象控制系統(tǒng)測(cè)量元件比較元件

控制裝置

執(zhí)行機(jī)構(gòu)給定元件放大元件校正裝置干擾n比較執(zhí)行被控對(duì)象測(cè)量-r給定值e偏差被控量c反饋信號(hào)

鍋爐氣鼓水位控制系統(tǒng)氣鼓閥門(mén)傳感器控制器給定值執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制閥給水水位計(jì)蒸汽輸出不影響輸入，對(duì)輸出不需要測(cè)量，通常容易實(shí)現(xiàn)；組成系統(tǒng)的元部件精度高，系統(tǒng)的精度才能高；主要特點(diǎn)：控制方式：

單向傳遞，一定的給定值對(duì)應(yīng)一定的輸出量；控制精度取決于系統(tǒng)事先的調(diào)整精度；對(duì)干擾無(wú)法自動(dòng)補(bǔ)償；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉。多用于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)穩(wěn)定和擾動(dòng)信號(hào)較弱的場(chǎng)合,如自動(dòng)售貨機(jī)，自動(dòng)報(bào)警器，自動(dòng)流水線等。

控制裝置被控制對(duì)象給定值被控量按給定值控制的原理方框圖一、按給定值操縱的開(kāi)環(huán)控制直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)示意圖電位器（產(chǎn)生給定電壓ur）0~10V轉(zhuǎn)速0~1000轉(zhuǎn)方框圖為：電位器電壓放大器可控硅功放直流電動(dòng)機(jī)Purukn干擾ua二、按干擾補(bǔ)償?shù)拈_(kāi)環(huán)控制

原理：利用對(duì)干擾信號(hào)的測(cè)量產(chǎn)生控制作用，以補(bǔ)償干擾對(duì)輸出量的影響。由于干擾信號(hào)經(jīng)測(cè)量裝置、控制器至被控對(duì)象的輸出量是單向傳遞的，故屬于開(kāi)環(huán)控制方式。常用于機(jī)械的恒速控制以及電源系統(tǒng)的穩(wěn)壓、穩(wěn)頻控制?？刂破鞅豢貙?duì)象干擾被控量按干擾補(bǔ)償?shù)脑矸娇驁D測(cè)量輸出影響輸入，所以能削弱或抑制干擾；低精度元件可組成高精度系統(tǒng)；因?yàn)榭赡馨l(fā)生超調(diào)，振蕩，所以穩(wěn)定性很重要。主要特點(diǎn)：控制方式：正反饋，負(fù)反饋。我們所講述的反饋系統(tǒng)如果無(wú)特殊說(shuō)明，一般都指負(fù)反饋。

控制器被控對(duì)象輸入輸出干擾三、按偏差調(diào)節(jié)的閉環(huán)控制直流電機(jī)轉(zhuǎn)速反饋控制系統(tǒng)

水箱原來(lái)處于一個(gè)平衡狀態(tài)，q1(t)=q2(t)=0。如果打開(kāi)閥門(mén)，沖水，沖好后關(guān)上閥門(mén)，h(t)發(fā)生變化，水位下降，△h變大，通過(guò)浮子反饋到執(zhí)行機(jī)構(gòu)。機(jī)械杠桿帶動(dòng)活塞打開(kāi)，q1(t)變大，使△h變小，浮子上浮，活塞也上升，直至達(dá)到新的平衡。水箱內(nèi)部示意圖四、復(fù)合控制

輸出量

輸入信號(hào)(-)

補(bǔ)償裝置

控制裝置被控對(duì)象例1家用冰箱溫度控制系統(tǒng)

自動(dòng)控制系統(tǒng)示例例2溫度控制系統(tǒng)

爐溫控制系統(tǒng)方框圖爐溫控制系統(tǒng)方框圖例3函數(shù)記錄儀水溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)工作原理圖例4水溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)水溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)水溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)方框圖例5學(xué)科前沿——倒立擺控制系統(tǒng)

倒立擺系統(tǒng)的輸入為小車(chē)的位移和擺桿的傾斜角度期望值，計(jì)算機(jī)在每一個(gè)采樣周期中采集來(lái)自傳感器的小車(chē)與擺桿的實(shí)際位置信號(hào)，與期望值進(jìn)行比較后，通過(guò)控制算法得到控制量，再經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)實(shí)現(xiàn)倒立擺的實(shí)時(shí)控制。

倒立擺控制系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的、不穩(wěn)定的非線性系統(tǒng)，其控制方法在軍工、航天、機(jī)器人和一般工業(yè)過(guò)程領(lǐng)域中都有著廣泛的用途，如機(jī)器人行走過(guò)程中的平衡控制、火箭發(fā)射中的垂直度控制和衛(wèi)星飛行中的姿態(tài)控制等。按給定信號(hào)的形式恒值系統(tǒng)/隨動(dòng)系統(tǒng)按系統(tǒng)是否滿足疊加原理線性/非線性按系統(tǒng)參數(shù)是否隨時(shí)間變化定常/時(shí)變按信號(hào)傳遞的形式連續(xù)/離散按輸入輸出變量的多少單變量/多變量

自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類(lèi)一.穩(wěn)：（基本要求）

要求系統(tǒng)要穩(wěn)定二.準(zhǔn)：（穩(wěn)態(tài)要求）

系統(tǒng)響應(yīng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，輸出跟蹤精度要高三.快：（動(dòng)態(tài)要求）

系統(tǒng)階躍響應(yīng)的過(guò)渡過(guò)程要平穩(wěn)，快速

1-3對(duì)控制系統(tǒng)的性能要求四.靈敏度

系統(tǒng)中元件參數(shù)的改變對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)的影響，可以用靈敏度來(lái)表示。五.抗干擾性

系統(tǒng)的抗干擾性，直接與系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度有關(guān)，是衡量控制系統(tǒng)品質(zhì)的一個(gè)重要參數(shù)。

上述的4和5兩個(gè)指標(biāo)結(jié)合起來(lái)，稱(chēng)為系統(tǒng)的穩(wěn)健性指標(biāo)。一個(gè)控制系統(tǒng)，如果具有低的靈敏度和良好的抗干擾性，則我們稱(chēng)為系統(tǒng)是穩(wěn)健的（Robust,魯棒）。

自動(dòng)控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)工具M(jìn)atlab（矩陣實(shí)驗(yàn)室）

Simulink（仿真設(shè)計(jì)模塊）自動(dòng)控制原理課程的任務(wù)與體系結(jié)構(gòu)課程