自動控制理論-01自動控制的一般概念

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

1-1自動控制的任務(wù)

1、自動控制的基本概念

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

自動控制系統(tǒng)：是指能夠?qū)Ρ豢貙ο蟮墓ぷ鳡顟B(tài)進行自動控制的系統(tǒng)，它由被控對象和控制裝置組成?？刂?/p>

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

無人駕駛飛機

制導(dǎo)導(dǎo)彈

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

我國研制的地空導(dǎo)彈(如右圖)雷達技術(shù)

雷達操作時，天線就要不停地轉(zhuǎn)動。天線的作用是把雷達中產(chǎn)生的無線電波按照一定的方向向外發(fā)射出去，并把被反射回來的無線電波接收下來。正因為天線所起的作用好似人的眼睛一樣，因此雷達要注視和偵察整個天空的狀況，天線就要不停地轉(zhuǎn)動，用一個驅(qū)動馬達使天線作360度的旋轉(zhuǎn)，這樣它就能在360度范圍內(nèi)進行“搜索”。3、自動控制發(fā)展史★前期控制(1400BC--1900)古巴比倫、古埃及和中國.自動計時漏壺古羅馬.采用浮球調(diào)節(jié)器來保持燃油液面高度的油燈（凱撒時代）；傳說秦陵中也存在類似裝置中國.候風(fēng)地動儀.張衡（東漢）；利用齒輪傳動自動指示方向的指南車(三國時期)；曹軍將之用于盜墓宋應(yīng)星所著《天工開物》記載的提花織機結(jié)構(gòu)圖（明末）；英國J.Watt制造出第一臺可調(diào)速蒸汽機(1788年)?！锝?jīng)典控制（20世紀(jì)前半葉）基于：戰(zhàn)爭需求基本方法：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MIT的ServomechanismLaboratory研制出第一臺數(shù)控機床(1952)；

中國批準(zhǔn)863高技術(shù)計劃，包括自動化領(lǐng)域的計算機集成制造系統(tǒng)和智能機器人兩個主題(1986)。SONY娛樂機器狗（2008年）SONY二足步行機器人*智能控制(1980后)*未來，或遠(yuǎn)或近

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

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

被控對象控制系統(tǒng)測量元件比較元件

控制裝置

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

鍋爐氣鼓水位控制系統(tǒng)氣鼓閥門傳感器控制器給定值執(zhí)行機構(gòu)控制閥給水水位計蒸汽輸出不影響輸入，對輸出不需要測量，通常容易實現(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：控制方式：

單向傳遞，一定的給定值對應(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；對干擾無法自動補償；結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉。多用于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)穩(wěn)定和擾動信號較弱的場合,如自動售貨機，自動報警器，自動流水線等。

控制裝置被控制對象給定值被控量按給定值控制的原理方框圖一、按給定值操縱的開環(huán)控制直流電機轉(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機Purukn干擾ua二、按干擾補償?shù)拈_環(huán)控制

原理：利用對干擾信號的測量產(chǎn)生控制作用，以補償干擾對輸出量的影響。由于干擾信號經(jīng)測量裝置、控制器至被控對象的輸出量是單向傳遞的，故屬于開環(huán)控制方式。常用于機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ο蟾蓴_被控量按干擾補償?shù)脑矸娇驁D測量輸出影響輸入，所以能削弱或抑制干擾；低精度元件可組成高精度系統(tǒng)；因為可能發(fā)生超調(diào)，振蕩，所以穩(wěn)定性很重要。主要特點：控制方式：正反饋，負(fù)反饋。我們所講述的反饋系統(tǒng)如果無特殊說明，一般都指負(fù)反饋。

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

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

輸出量

輸入信號(-)

補償裝置

控制裝置被控對象例1家用冰箱溫度控制系統(tǒng)

自動控制系統(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)的輸入為小車的位移和擺桿的傾斜角度期望值，計算機在每一個采樣周期中采集來自傳感器的小車與擺桿的實際位置信號，與期望值進行比較后，通過控制算法得到控制量，再經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換驅(qū)動直流電機實現(xiàn)倒立擺的實時控制。

倒立擺控制系統(tǒng)是一個復(fù)雜的、不穩(wěn)定的非線性系統(tǒng)，其控制方法在軍工、航天、機器人和一般工業(yè)過程領(lǐng)域中都有著廣泛的用途，如機器人行走過程中的平衡控制、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。按給定信號的形式恒值系統(tǒng)/隨動系統(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)是否隨時間變化定常/時變按信號傳遞的形式連續(xù)/離散按輸入輸出變量的多少單變量/多變量

自動控制系統(tǒng)的分類一.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)達到穩(wěn)態(tài)時，輸出跟蹤精度要高三.快：（動態(tài)要求）

系統(tǒng)階躍響應(yīng)的過渡過程要平穩(wěn)，快速

1-3對控制系統(tǒng)的性能要求四.靈敏度

系統(tǒng)中元件參數(shù)的改變對系統(tǒng)響應(yīng)的影響，可以用靈敏度來表示。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)的一個重要參數(shù)。

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

自動控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計工具Matlab（矩陣實驗室）

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