自動(dòng)控制原理簡(jiǎn)明教程

2023年2月3日自動(dòng)控制原理

劉菲菲2023年2月3日課程性質(zhì)和特點(diǎn)1.本門課程的性質(zhì):自動(dòng)控制是一門基礎(chǔ)性的技術(shù)學(xué)科，從方法論的角度來研究系統(tǒng)的建立、分析與設(shè)計(jì)。經(jīng)典（古典），現(xiàn)代?；緝?nèi)容——自動(dòng)控制的一般概念、物理系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型、控制系統(tǒng)的一般分析方法、系統(tǒng)的設(shè)計(jì)或校正以及線性離散系統(tǒng)的初步知識(shí)研究對(duì)象——自動(dòng)控制系統(tǒng)，揭示自動(dòng)控制系統(tǒng)中存在的信息轉(zhuǎn)換、傳遞和反饋。2.課程特點(diǎn)：研究系統(tǒng)的共性問題3.先修基礎(chǔ)：高等數(shù)學(xué)、大學(xué)物理、微積分、電路、數(shù)字電子技術(shù)、模擬電子技術(shù)、信號(hào)與系統(tǒng)（含拉氏變換、傅氏變換、z變換）2023年2月3日實(shí)際系統(tǒng)物理模型數(shù)學(xué)模型方法（系統(tǒng)組成分析、設(shè)計(jì)）2023年2月3日自動(dòng)控制課程的主要任務(wù)

本課程的主要內(nèi)容是闡述構(gòu)成、分析和設(shè)計(jì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本理論。對(duì)實(shí)際系統(tǒng),建立研究問題的數(shù)學(xué)模型,進(jìn)而利用所建立的數(shù)學(xué)模型來討論構(gòu)成、分析、綜合自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本理論和方法。

作為研究自動(dòng)控制系統(tǒng)的分析與綜合的方法來說,對(duì)單輸入單輸出系統(tǒng)常采用的是時(shí)域法、頻域法、根軌跡法以及目前廣泛應(yīng)用的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)。2023年2月3日成績(jī)組成：期末考試占70%，平時(shí)成績(jī)占30%考勤：10％作業(yè)：10％實(shí)驗(yàn)：10％注：五次點(diǎn)名不到即取消考試資格（不能參加期末及補(bǔ)考考試）第1章控制系統(tǒng)導(dǎo)論1.1

自動(dòng)控制的基本原理1.2

自動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)例1.3自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類1.4自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求2023年2月3日2023年2月3日1.1自動(dòng)控制的基本原理2023年2月3日一、控制系統(tǒng)基本概念1.控制（Control）：根據(jù)某種原理或方法，使特定對(duì)象（被控對(duì)象）的某些物理量（被控量）按照預(yù)期規(guī)律變化的操縱過程。2.人工控制（ManualControl）：由人直接或間接操作執(zhí)行裝置的控制方式。2023年2月3日人工控制的例子

示例——水池水位控制

人工控制被控對(duì)象：水池被控量：水池的水位

觀測(cè)實(shí)際水位，將期望的水位值與實(shí)際水位相比較，兩者之差為誤差。根據(jù)誤差的大小和方向調(diào)節(jié)進(jìn)水閥門的開度，即當(dāng)實(shí)際水位高于要求值時(shí)，關(guān)小進(jìn)水閥門開度，否則加大閥門開度以改變進(jìn)水量，從而改變水池水位，使之與要求值保持一致。

2023年2月3日人眼：觀察水池的實(shí)際水位；測(cè)量（測(cè)量反饋機(jī)構(gòu)）人腦：記住水位的期望值；比較水池的期望值-實(shí)際值；（比較機(jī)構(gòu)）、控制人手：調(diào)節(jié)進(jìn)水閥門的開度，執(zhí)行控制作用。執(zhí)行（執(zhí)行機(jī)構(gòu)）是一個(gè)反復(fù)觀察測(cè)量、比較、調(diào)整執(zhí)行的過程，力圖將水池水位的期望值與實(shí)際值之間的差值減為0。

人工控制精度不高，人的反應(yīng)不夠快，不少惡劣的場(chǎng)合人無法參與直接控制。自動(dòng)控制系統(tǒng)可以解決以上問題。2023年2月3日3.自動(dòng)控制（AutomaticControl）：是指在沒有人直接參與的情況下，利用自動(dòng)控制裝置（或稱為控制裝置或控制器），使機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過程（統(tǒng)稱為被控對(duì)象）的某個(gè)工作狀態(tài)或參數(shù)（稱為被控量）自動(dòng)地按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行。2023年2月3日自動(dòng)控制的例子

當(dāng)實(shí)際水位低于要求水位時(shí)，電位器輸出電壓值為正，且其大小反映了實(shí)際水位與水位要求值的差值，放大器輸出信號(hào)將有正的變化，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)減速器使進(jìn)水閥門開度增加，直到實(shí)際水位重新與水位要求值相等時(shí)為止。期望水位Show

2023年2月3日電位計(jì)+連桿—人腦：記住水位的期望值；浮子—人眼：觀察水池的實(shí)際水位；電位計(jì)+連桿—人腦：反映誤差（=水位的期望值-實(shí)際值）；電動(dòng)機(jī)—人手：調(diào)節(jié)進(jìn)水閥門開度，執(zhí)行控制作用。是一個(gè)反復(fù)觀察測(cè)量、比較、調(diào)整執(zhí)行的過程，力圖將水池水位的期望值與實(shí)際值間的差值減為0，即誤差為0?？刂七^程：測(cè)量（測(cè)量反饋機(jī)構(gòu)）—浮子比較（比較機(jī)構(gòu)）—電位計(jì)+連桿執(zhí)行（執(zhí)行機(jī)構(gòu)）—電動(dòng)機(jī)自動(dòng)控制和人工控制比較（1）基本原理相同：都是建立在“測(cè)量偏差,修正偏差”的基礎(chǔ)上,并且為了測(cè)量偏差,必須把系統(tǒng)的實(shí)際輸出連接（反饋）到輸入端。自動(dòng)控制的基本原理因此有時(shí)也稱為反饋控制原理。

（2）兩種控制的區(qū)別：自動(dòng)控制用控制器代替人完成控制。2023年2月3日2023年2月3日4.反饋控制原理：在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，通過控制裝置對(duì)被控對(duì)象施加的控制作用，利用被控量的反饋信息，不斷修正被控量與輸入量之間的偏差，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制的任務(wù)。5.自動(dòng)控制理論：是研究有關(guān)自動(dòng)控制共同規(guī)律的一門技術(shù)科學(xué)，是自動(dòng)控制技術(shù)的基礎(chǔ)理論，根據(jù)發(fā)展的不同階段，其內(nèi)容可分為經(jīng)典控制理論、現(xiàn)代控制理論和智能控制理論。

自動(dòng)控制理論的發(fā)展歷程經(jīng)典控制理論40~50年代形成適用于SISO（單輸入－單輸出）系統(tǒng)基于：二戰(zhàn)軍工技術(shù)目標(biāo)：反饋控制系統(tǒng)的穩(wěn)定基本方法：時(shí)域分析法、根軌跡法、頻率特性法?，F(xiàn)代控制理論60~70年代形成適用于MIMO（多輸入－多輸出）系統(tǒng)基于：冷戰(zhàn)時(shí)期空間技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)目標(biāo)：最優(yōu)控制基本方法：狀態(tài)空間表達(dá)式2023年2月3日2023年2月3日研究對(duì)象數(shù)學(xué)工具常用分析方法局限性經(jīng)典控制理論單輸入-單輸出線性定常系統(tǒng)微分方程，傳遞函數(shù)時(shí)域分析法，頻域分析法,根軌跡分析法對(duì)復(fù)雜多變量系統(tǒng)、時(shí)變和非線性系統(tǒng)無能為力現(xiàn)代控制理論多輸入-多輸出變系數(shù)，非線性等系統(tǒng)線性代數(shù)、矩陣?yán)碚摖顟B(tài)空間法比較繁瑣（但由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的的迅速發(fā)展，這一局限性已克服)2023年2月3日二、反饋控制系統(tǒng)的基本組成部分輸入量串聯(lián)校正元件放大元件執(zhí)行元件被控對(duì)象擾動(dòng)反饋校正元件反饋元件輸出量比較元件e(t)偏差信號(hào)主反饋信號(hào)b(t)測(cè)量反饋元件主反饋局部反饋＋＋－－給定元件信號(hào)從輸入端沿箭頭方向到達(dá)輸出端的傳輸通道稱前向通路，系統(tǒng)輸出量經(jīng)測(cè)量元件反饋到輸入端的傳輸通道稱主反饋通路。前向通路與主反饋通路共同組成主回路。

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2023年2月3日被控對(duì)象（被控過程）——又稱控制對(duì)象或受控對(duì)象，指需要對(duì)它的某個(gè)特定的量進(jìn)行控制的設(shè)備或過程。被控對(duì)象的輸出變量是被控變量，常常記作輸出信號(hào)或輸出量。被控對(duì)象除了受到控制作用外，還受到外部擾動(dòng)作用。給定元件——其作用是給出與期望的輸出相對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)輸入量，是一類產(chǎn)生系統(tǒng)控制指令的裝置。測(cè)量反饋元件——如傳感器和測(cè)量?jī)x表，感受或測(cè)量被控變量的值并把它變換為與輸入量同一物理量后，再反饋到輸入端以作比較。2023年2月3日比較元件——比較輸入信號(hào)與反饋信號(hào)，以產(chǎn)生反映兩者差值的偏差信號(hào)。放大元件——將微弱的信號(hào)作線性放大。校正元件——也叫補(bǔ)償元件，它是按某種函數(shù)規(guī)律變換控制信號(hào)，以利于改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)或靜態(tài)性能。執(zhí)行元件——根據(jù)偏差信號(hào)的性質(zhì)執(zhí)行相應(yīng)的控制作用，以便使被控制量按期望值變化。如電動(dòng)機(jī)、氣動(dòng)控制閥等。

只包含一個(gè)主反饋通路的系統(tǒng)稱單回路系統(tǒng)；有兩個(gè)或兩個(gè)以上反饋通路的系統(tǒng)稱多回路系統(tǒng)。

2023年2月3日自動(dòng)控制系統(tǒng)：是由被控對(duì)象和自動(dòng)控制裝置按一定方式聯(lián)結(jié)起來的，以完成某種自動(dòng)控制任務(wù)的有機(jī)整體。輸入信號(hào)r(t)：系統(tǒng)的輸入信號(hào)是指參考輸入，又稱給定量或給定值，它是控制著輸出量變化規(guī)律的指令信號(hào)。輸出信號(hào)c(t)：系統(tǒng)的輸出信號(hào)是指被控對(duì)象中要求按一定規(guī)律變化的物理量，又稱被控量，它與輸入量之間保持一定的函數(shù)關(guān)系。自動(dòng)控制系統(tǒng)中常用的名詞術(shù)語補(bǔ)充

2023年2月3日反饋信號(hào)：由系統(tǒng)（或元件）輸出端取出并反向送回系統(tǒng)（或元件）輸入端的信號(hào)稱為反饋信號(hào)。反饋分為主反饋b(t)和局部反饋。偏差信號(hào)e(t)：它是指參考輸入與主反饋信號(hào)之差。偏差信號(hào)簡(jiǎn)稱偏差。e(t)=r(t)-b(t)誤差信號(hào)：它是指系統(tǒng)輸出量的期望值與實(shí)際值之差，簡(jiǎn)稱誤差。在單位反饋情況下，誤差值也就是偏差值，二者是相等的。擾動(dòng)信號(hào)f(t)：簡(jiǎn)稱擾動(dòng)或干擾，是除控制信號(hào)以外,對(duì)系統(tǒng)的輸出有影響的信號(hào)。擾動(dòng)是不希望的輸入信號(hào)。P5

2023年2月3日

控制系統(tǒng)的類型很多，它們的結(jié)構(gòu)類型和所完成的任務(wù)也各不相同?？刂葡到y(tǒng)中最常見的兩種控制方式是開環(huán)控制和閉環(huán)控制（反饋控制），這兩種控制的組合——即為復(fù)合控制，相對(duì)應(yīng)的控制系統(tǒng)稱為開環(huán)控制系統(tǒng)、閉環(huán)控制系統(tǒng)和復(fù)合控制系統(tǒng)。

三、

自動(dòng)控制系統(tǒng)基本控制方式2023年2月3日自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本控制方式

1.開環(huán)控制系統(tǒng)指控制裝置與被控對(duì)象之間只有順向作用輸出量并不反饋回來影響輸入量的控制作用，因而將它稱為開環(huán)控制系統(tǒng)（Open-LoopControlSystem）。即被控量（系統(tǒng)輸出）不影響系統(tǒng)控制的控制方式稱為開環(huán)控制。所以，在開環(huán)控制中，不對(duì)被控量進(jìn)行任何檢測(cè)，在輸出端和輸入端之間不存在反饋聯(lián)系。2023年2月3日常用開環(huán)控制系統(tǒng)原理框圖（給定控制）2023年2月3日示例——直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速開環(huán)控制系統(tǒng)

給定電壓ug經(jīng)放大后得到電樞電壓ua，改變ug可得不同的轉(zhuǎn)速n，該系統(tǒng)只有輸入量ug對(duì)輸出量n的單向控制作用。輸出端和輸入端之間不存在反饋回路。+_電壓放大器功率放大器Mc負(fù)載n電動(dòng)機(jī)+_+_+電位器1.開環(huán)控制系統(tǒng)2023年2月3日

常見的開環(huán)系統(tǒng)還有洗衣機(jī)，微波爐等。擾動(dòng)控制信號(hào)

被控制量

給定電壓ug轉(zhuǎn)速n被控對(duì)象控制裝置Mc電壓放大器功率放大器直流電動(dòng)機(jī)2023年2月3日

開環(huán)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)——結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，系統(tǒng)穩(wěn)定性好，調(diào)試方便，成本低。因此，在輸入量和輸出量之間的關(guān)系固定，且內(nèi)部參數(shù)或外部負(fù)載等擾動(dòng)因素不大，或這些擾動(dòng)因素可以預(yù)測(cè)并進(jìn)行補(bǔ)償?shù)那疤嵯?，?yīng)盡量采用開環(huán)控制系統(tǒng)。開環(huán)控制的缺點(diǎn)——當(dāng)控制過程中受到來自系統(tǒng)外部的各種擾動(dòng)因素，如負(fù)載變化、電源電壓波動(dòng)等，以及來自系統(tǒng)內(nèi)部的擾動(dòng)因素，如元件參數(shù)變化等，都將會(huì)直接影響到輸出量，而控制系統(tǒng)不能自動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償，抗干擾性能差。因此，開環(huán)系統(tǒng)對(duì)元器件的精度要求較高。補(bǔ)充：按擾動(dòng)控制的開環(huán)系統(tǒng)2023年2月3日用干擾補(bǔ)償?shù)拈_環(huán)控制干擾信號(hào)經(jīng)測(cè)量、計(jì)算、放大、執(zhí)行等元件到輸出端的傳遞也是單向進(jìn)行的。用干擾補(bǔ)償?shù)目刂品绞街荒苡迷诟蓴_可以測(cè)量的場(chǎng)合。另外這種控制方式在工作過程中不能補(bǔ)償由于元件及受控對(duì)象工作特性變化而對(duì)被控量所產(chǎn)生的影響。2.閉環(huán)控制系統(tǒng)

輸出量與輸入量之間有反向聯(lián)系，靠輸入量與主反饋信號(hào)之間的偏差對(duì)輸出量進(jìn)行控制。在控制器和被控對(duì)象之間，不僅存在著正向作用，而且還存在著反饋?zhàn)饔?，即系統(tǒng)的輸出信號(hào)對(duì)被控制量有直接影響。

反饋：是把系統(tǒng)輸出量全部或一部分回送到輸入端，以增強(qiáng)或減弱輸入信號(hào)的效應(yīng)。2023年2月3日閉環(huán)控制原理框圖

2023年2月3日

閉環(huán)控制系統(tǒng)示例電壓放大器功率放大器Mc負(fù)載n電動(dòng)機(jī)+_+_+_uf電位器測(cè)速發(fā)電機(jī)+_ue=

ug-uf偏差2023年2月3日

直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)方塊圖

設(shè)上述系統(tǒng)原已在某個(gè)給定電壓ug相對(duì)于的轉(zhuǎn)速n狀態(tài)下運(yùn)行，若一旦受到某些干擾（如負(fù)載轉(zhuǎn)矩突然增大）而引起轉(zhuǎn)速下降時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)地產(chǎn)生相應(yīng)的調(diào)整過程。偏差始終存在

Mc↑→n↓→uf↓→ue（ue=ug-uf

）↑→ua↑→n↑n電

壓放大器ue輸入量Mc擾動(dòng)輸出量功

率放大器直

流電動(dòng)機(jī)＋ugua測(cè)

速發(fā)電機(jī)uf－2023年2月3日總結(jié)一下：

閉環(huán)控制系統(tǒng)的工作原理：檢測(cè)輸出量（被控制量）的實(shí)際值；將輸出量的實(shí)際值與給定值（輸入量）進(jìn)行比較，得出偏差；用偏差值產(chǎn)生控制調(diào)節(jié)作用去消除偏差，使得輸出量維持期望的輸出。2023年2月3日

由于存在輸出量反饋，上述系統(tǒng)能在存在無法預(yù)計(jì)擾動(dòng)的情況下，自動(dòng)減少系統(tǒng)的輸出量與參考輸入量（或者任意變化的希望的狀態(tài)）之間的偏差，故稱之為反饋控制。顯然：反饋控制建立在偏差基礎(chǔ)上，其控制方式是“檢測(cè)偏差再糾正偏差”。Show

2023年2月3日

閉環(huán)控制系統(tǒng)（Close-LoopControlSystem）又稱反饋控制系統(tǒng)（FeedbackControlSystem），是在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，把輸出量檢測(cè)出來，經(jīng)過物理量的轉(zhuǎn)換，再反饋到輸入端去與給定值（參考輸入）進(jìn)行比較（相減），并利用比較后的偏差信號(hào)，以一定的控制規(guī)律產(chǎn)生控制作用，抑制內(nèi)部或外部擾動(dòng)對(duì)輸出量的影響，逐步減小以至消除這一偏差，從而實(shí)現(xiàn)要求的控制性能。

2023年2月3日

閉環(huán)控制的優(yōu)點(diǎn)——抑制擾動(dòng)能力強(qiáng)，與開環(huán)控制相比，對(duì)參數(shù)變化不敏感，并能獲得滿意的動(dòng)態(tài)特性和控制精度。閉環(huán)控制的缺點(diǎn)——引入反饋增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，如果閉環(huán)系統(tǒng)參數(shù)的選取不適當(dāng)，系統(tǒng)可能會(huì)產(chǎn)生振蕩，甚至系統(tǒng)失穩(wěn)而無法正常工作，這是自動(dòng)控制理論和系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須解決的重要問題。注意！正反饋不能進(jìn)行控制，會(huì)使系統(tǒng)的偏差越來越大。

自動(dòng)控制理論主要研究閉環(huán)控制系統(tǒng)

開環(huán)與閉環(huán)系統(tǒng)的比較開環(huán)控制系統(tǒng)：

1.結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)

2.調(diào)試方便

3.抗干擾能力差，控制精度不高。閉環(huán)控制系統(tǒng)：

1.系統(tǒng)具有糾正偏差的能力。

2.抗擾性好，控制精度高。

3.包含元件多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格高。

4.參數(shù)應(yīng)選擇適當(dāng)。開環(huán)＋閉環(huán)＝復(fù)合控制系統(tǒng)（兼有兩者的優(yōu)點(diǎn)，精度很高）2023年2月3日3.復(fù)合控制系統(tǒng)

復(fù)合控制就是將開環(huán)控制和閉環(huán)控制相結(jié)合的一種控制方式。在閉環(huán)控制回路的基礎(chǔ)上，附加一個(gè)對(duì)輸入信號(hào)或?qū)_動(dòng)作用的前饋通路，來提高系統(tǒng)的控制精度。前饋通路通常由對(duì)輸入信號(hào)的補(bǔ)償裝置或?qū)_動(dòng)作用的補(bǔ)償裝置組成，分別稱為按輸入信號(hào)補(bǔ)償和按擾動(dòng)作用補(bǔ)償?shù)膹?fù)合控制系統(tǒng)2023年2月3日2023年2月3日復(fù)合控制系統(tǒng)方框圖(a)按輸入作用補(bǔ)償；(b)按擾動(dòng)作用補(bǔ)償例：我們?cè)谌粘Ｉ钪薪?jīng)常遇到的抽水馬桶，也是一個(gè)典型的閉環(huán)控制系統(tǒng)。2023年2月3日

自動(dòng)控制理論主要研究閉環(huán)控制系統(tǒng)

水箱原來處于一個(gè)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(jī)構(gòu)。機(jī)械杠桿帶動(dòng)活塞打開，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。2023年2月3日原理方框圖：這就是負(fù)反饋控制系統(tǒng)，檢測(cè)偏差，然后進(jìn)行調(diào)節(jié)，使偏差減小，最后直至消除偏差?！雌羁刂?。自動(dòng)控制系統(tǒng)一般原理框圖（閉環(huán)）

2023年2月3日控制器執(zhí)行機(jī)構(gòu)被控對(duì)象輸入信號(hào)給定值偏差-測(cè)量變送器輸出量去掉擾動(dòng)后的自動(dòng)控制系統(tǒng)原理圖2023年2月3日1.2自動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)例2023年2月3日

爐溫控制系統(tǒng)的理想溫度由電壓ur給出，熱電偶檢測(cè)箱溫輸出電壓uf，偏差電壓ue=ur-uf，經(jīng)電壓和功率放大后控制電機(jī)的速度和轉(zhuǎn)向，從而改變調(diào)壓器滑動(dòng)觸頭的位置，改變爐溫控制系統(tǒng)的外施電壓達(dá)到恒定爐溫的目的。1.2.1爐溫控制系統(tǒng)2023年2月3日

溫度Tc下降，Tc↓→uf↓→

ue=ur-

uf↑→ua↑→電機(jī)向增大調(diào)壓器輸出電壓的方向加速旋轉(zhuǎn)→Tc↑→uf↑，直到Tc

=Tr，ue=0。原理：即當(dāng)恒溫箱內(nèi)溫度偏高時(shí)，使調(diào)壓器降壓，反之升壓，直到溫度達(dá)到給定值為止。此時(shí)偏差電壓ue=0，電機(jī)停轉(zhuǎn)。爐溫自動(dòng)控制系統(tǒng)方框圖放大器電機(jī)減速器調(diào)壓器電爐熱電偶+-ufueurTcua給定裝置Tr擾動(dòng)2023年2月3日1.2.2導(dǎo)彈發(fā)射架方位控制系統(tǒng)

放大器+_+_+_輸入軸給定裝置反饋裝置手輪發(fā)射架輸出軸ⅠⅡ?qū)棸l(fā)射架方位控制系統(tǒng)原理圖隨動(dòng)系統(tǒng)導(dǎo)彈發(fā)射架方位控制系統(tǒng)方塊圖放大器減速器導(dǎo)彈發(fā)射架－ua直流電動(dòng)機(jī)電位器Ⅰ、Ⅱ2023年2月3日鋼鐵軋制：軋出厚度一致的高精度鐵板（厚度控制，張力控制）1.2.3鋼鐵軋制控制系統(tǒng)示例

2023年2月3日1.2.3鋼鐵軋制計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)

軋鋼機(jī)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)方塊圖軋鋼機(jī)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)示意圖

2023年2月3日1.2.4函數(shù)記錄儀P8ABCD2023年2月3日寫成方塊圖形式：1.2.5鍋爐液位控制系統(tǒng)P92023年2月3日

鍋爐設(shè)備的壓力和溫度自動(dòng)保持恒定數(shù)控機(jī)床按照預(yù)定的程序自動(dòng)地切削工件導(dǎo)彈發(fā)射與制導(dǎo)系統(tǒng)，自動(dòng)地使導(dǎo)彈攻擊敵方目標(biāo)無人駕駛飛機(jī)按照預(yù)定航跡自動(dòng)升降和飛行人造衛(wèi)星準(zhǔn)確地進(jìn)入預(yù)定軌道運(yùn)行并回收

自動(dòng)控制技術(shù)的應(yīng)用范圍已擴(kuò)展到生物、醫(yī)學(xué)、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)管理和其它許多社會(huì)生活領(lǐng)域中，自動(dòng)控制已成為現(xiàn)代社會(huì)活動(dòng)中不可缺少的重要組成部分。2023年2月3日1.3自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類2023年2月3日自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類

下面介紹幾種常用的自動(dòng)控制系統(tǒng)分類方法。1.3.1按控制方式來分1.3.2按描述系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)方程分1.3.3按系統(tǒng)參數(shù)是否隨時(shí)間變化而分1.3.4按系統(tǒng)輸入信號(hào)的變化規(guī)律不同來分1.3.5按信號(hào)的傳遞是否連續(xù)分重要

2023年2月3日

1.3.1按控制方式來分開環(huán)控制系統(tǒng)反饋控制系統(tǒng)復(fù)合控制系統(tǒng)2023年2月3日1）線性系統(tǒng)：該類系統(tǒng)的特點(diǎn)在于組成系統(tǒng)的各環(huán)節(jié)的輸入輸出特性都是線性的，系統(tǒng)的性能可用線性微分方程（或差分方程）來描述。（滿足齊次性與疊加性）假設(shè)元件輸入為r(t)、r1(t)、r2(t)，對(duì)應(yīng)的輸出為c(t)、c1(t)、c2(t)：如果r(t)=r1(t)+r2(t)時(shí)，c(t)=c1(t)+c2(t)滿足迭加性如果r(t)=a·r1(t)時(shí)，c(t)=ac1(t)滿足齊次性滿足迭加性和齊次性的元件才是線性元件。1.3.2按描述系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)方程分線性微分方程一般形式2023年2月3日2）非線性系統(tǒng)：該類系統(tǒng)的特點(diǎn)在于系統(tǒng)中含有一個(gè)或多個(gè)非線性元件。系統(tǒng)的性能需用非線性微分方程（或差分方程）來描述。非線性微分方程：系數(shù)與變量有關(guān)，或者方程中含有變量及其導(dǎo)數(shù)的高次冪或乘積項(xiàng)。重要

2023年2月3日常見非線性情況飽和非線性死區(qū)非線性間隙非線性繼電器非線性2023年2月3日注意：在實(shí)際中，絕大多數(shù)對(duì)象都具有非線性特性，而大多數(shù)儀器儀表也是非線性的，所以很少有真正意義上線性系統(tǒng)，一般是采用線性化措施將非線性系統(tǒng)處理成線性系統(tǒng)，這樣就可簡(jiǎn)化分析和運(yùn)算。2023年2月3日1.定常系統(tǒng)：特性不隨時(shí)間變化的系統(tǒng)稱定常系統(tǒng)，又稱時(shí)不變系統(tǒng)。描述定常系統(tǒng)特性的微分方程或差分方程的系數(shù)不隨時(shí)間變化。定常系統(tǒng)分為定常線性系統(tǒng)和定常非線性系統(tǒng)。2.時(shí)變系統(tǒng)：特性隨時(shí)間變化的系統(tǒng)稱時(shí)變系統(tǒng)。對(duì)于時(shí)變系統(tǒng)，其輸出響應(yīng)的波形不僅與輸入信號(hào)波形有關(guān)，而且還與參考輸入加入的時(shí)刻有關(guān)，這一特點(diǎn)，增加了對(duì)時(shí)變系統(tǒng)分析和研究的復(fù)雜性。描述定常系統(tǒng)特性的微分方程或差分方程的系數(shù)隨時(shí)間變化，為時(shí)間的函數(shù)。1.3.3按系統(tǒng)參數(shù)是否隨時(shí)間變化而分2023年2月3日定常：輸入一定，輸出不變。（方程系數(shù)為常數(shù)）時(shí)變（不定常）：輸入一定，輸出隨時(shí)間發(fā)生變化。

也就是說：重要

2023年2月3日1.恒值調(diào)節(jié)系統(tǒng)（定值系統(tǒng)）：該類系統(tǒng)的輸入信號(hào)為一恒定常數(shù)，擾動(dòng)使被控量偏離理想值而出現(xiàn)偏差，利用偏差該系統(tǒng)可使被控量回復(fù)到理想值或接近理想值。上述的爐溫閉環(huán)控制系統(tǒng)、鍋爐水位控制系統(tǒng)均屬于此類系統(tǒng)。2.隨動(dòng)系統(tǒng)：這類系統(tǒng)的給定量是時(shí)間的未知函數(shù)，系統(tǒng)能使被控量準(zhǔn)確、快速地跟隨給定量變化。隨動(dòng)系統(tǒng)又稱伺服系統(tǒng)。如函數(shù)記錄儀、導(dǎo)彈自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)。3.程序控制系統(tǒng)：輸入信號(hào)為已知的時(shí)間函數(shù)，如機(jī)械加工中的數(shù)控機(jī)床工作臺(tái)移動(dòng)系統(tǒng)，洗衣機(jī)，回流焊加熱爐。

1.3.4按輸入信號(hào)的變化規(guī)律不同（針對(duì)線性定常連續(xù)系統(tǒng)）

區(qū)別？

2023年2月3日1.3.5按信號(hào)的傳遞是否連續(xù)分1.連續(xù)系統(tǒng)：該類系統(tǒng)各環(huán)節(jié)間的信號(hào)均為時(shí)間t的連續(xù)函數(shù)。2.離散系統(tǒng)：該類系統(tǒng)在信號(hào)傳遞過程中有一處或多處的信號(hào)是脈沖序列或數(shù)字編碼。數(shù)字控制系統(tǒng)、采樣系統(tǒng)為離散系統(tǒng)。

采樣數(shù)字控制系統(tǒng)（計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)）通過A/D轉(zhuǎn)換器，將采樣信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算、處理，得到的結(jié)果再經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，用以驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。離散信號(hào)離散信號(hào)計(jì)算機(jī)被控對(duì)象擾動(dòng)反饋元件e(t)＋－A/DD/A放大元件執(zhí)行元件采樣數(shù)字控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2023年2月3日1.4對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求2023年2月3日

要自動(dòng)控制系統(tǒng)是否能很好地工作,是否能精確地保持被控量按照預(yù)定的要求規(guī)律變化這取決于被控對(duì)象和控制器及各功能元器件的特性參數(shù)是否設(shè)計(jì)得當(dāng)。

在理想情況下,控制系統(tǒng)的輸出量和輸入量,在任何時(shí)候均相等,系統(tǒng)完全無誤差,且不受干擾的影響。實(shí)際系統(tǒng)中,由于各種各樣原因,系統(tǒng)在受到輸入信號(hào)(也包括擾動(dòng)信號(hào))的激勵(lì)時(shí),被控量將偏離輸入信號(hào)作用前的初始值,經(jīng)歷一段動(dòng)態(tài)過程(過渡過程）。對(duì)于線性定常系統(tǒng)，性能指標(biāo)主要包括三個(gè)方面內(nèi)容：穩(wěn)定性、快速性、準(zhǔn)確性。即：☆穩(wěn)（基本要求）☆準(zhǔn)（穩(wěn)態(tài)要求）☆快（動(dòng)態(tài)要求）1.4.1自動(dòng)控制系統(tǒng)性能的基本要求1.穩(wěn)定性一個(gè)控制系統(tǒng)能正常工作的首要條件，不穩(wěn)定的系統(tǒng)不能實(shí)現(xiàn)預(yù)定任務(wù)。

穩(wěn)定系統(tǒng)：當(dāng)系統(tǒng)受到外部干擾后，輸出會(huì)偏離正常工作狀態(tài)即被控變量偏離期望值，但是當(dāng)干擾消失后，被控量恢復(fù)到原來的期望值狀態(tài)。對(duì)恒值系統(tǒng)，要求當(dāng)系統(tǒng)受到擾動(dòng)后，經(jīng)過一定時(shí)間的調(diào)整能夠回到原來的期望值。對(duì)隨動(dòng)系統(tǒng)，被控制量始終跟蹤參據(jù)量的變化。

線性系統(tǒng)的穩(wěn)定性由系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)決定，與外界因素?zé)o關(guān)。2023年2月3日2.快速性快速性對(duì)過渡過程的形式和快慢提出要求，一般稱為動(dòng)態(tài)性能。反映控制系統(tǒng)輸出信號(hào)跟隨輸入信號(hào)的變化情況。是被控量趨近希望值的快慢程度?？焖傩院玫南到y(tǒng)，它的過渡過程時(shí)間就短，就能復(fù)現(xiàn)快速變化的控制信號(hào)，因而具有較高的動(dòng)態(tài)精度。例：高射炮射角隨動(dòng)系統(tǒng)，雖然炮身最終能跟蹤目標(biāo)，但如果目標(biāo)變動(dòng)迅速，而炮身行動(dòng)遲緩，仍然抓不住目標(biāo)。2023年2月3日3.準(zhǔn)確性指過渡過程結(jié)束后被控量與期望值接近的程度。也就是當(dāng)系統(tǒng)過渡到新的平衡工作狀態(tài)后，被控量與期望值偏差的大小，稱為穩(wěn)態(tài)誤差。系統(tǒng)的這一性能指標(biāo)稱為系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度。顯然，這種誤差越小，表示系統(tǒng)的輸出跟隨參考輸入的精度越高。一般要求穩(wěn)態(tài)誤差在給定量的2％～5％之內(nèi)。2023年2月3日2023年2月3日

由于被控對(duì)象的具體情況不同，各系統(tǒng)對(duì)穩(wěn)、快、準(zhǔn)的要求各有側(cè)重。而且對(duì)同一系統(tǒng)，穩(wěn)、快、準(zhǔn)的要求常常是相互制約的。過分提高過程的快速性，可能會(huì)引起系統(tǒng)穩(wěn)定性變差，而過分追求穩(wěn)定性，又可能使系統(tǒng)反應(yīng)遲緩，最終導(dǎo)致準(zhǔn)確性變壞。如何分析和解決這些矛盾，將是本學(xué)科研究的主要內(nèi)容。

需要注意的是：2023年2月3日1.選取原則（1）在現(xiàn)場(chǎng)及實(shí)驗(yàn)中容易產(chǎn)生（2）系統(tǒng)在工程中經(jīng)常遇到，并且是最不利的外作用。（3）數(shù)學(xué)表達(dá)式簡(jiǎn)單，便于理論分析。

為了能對(duì)不同的控制系統(tǒng)的性能用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)來恒量，通常需要選擇幾種典型的外作用。1.4.2典型外作用階躍函數(shù)斜坡函數(shù)脈沖函數(shù)正弦函數(shù)2023年2月3日（2）圖形：

表示在t=0時(shí)刻出現(xiàn)了幅值為R的跳變，是最常見的一種外作用。R=1時(shí)的階躍函數(shù)叫單位階躍函數(shù)，常用1(t)表示。常用階躍函數(shù)作為評(píng)價(jià)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的典型外作用。所以階躍函數(shù)在自動(dòng)控制系統(tǒng)的分析中起著特別重要的作用。

2.階躍函數(shù)（StepFunction）（1）數(shù)學(xué)表達(dá)式：2023年2月3日（1）數(shù)學(xué)表達(dá)式：（2）圖形：如R=1,叫單位斜坡函數(shù)，r(t)=t表示從t=0時(shí)刻，以恒速R變化。斜坡信