第1章自動控制原理一般概念

1自動控制理論自動化教研室?guī)熡駥毲嗪４髮W化工學院第一章自動控制的一般概念

內容：1-1自動控制的基本原理與方式1-2自動控制系統示例1-3自動控制系統的分類1-4對自動控制系統的基本要求

本章重點和難點知識重點：自動控制的基本概念、基本控制方式與特點、系統性能要求。難點：負反饋控制原理，系統工作原理圖的理解與方塊圖(結構圖)的繪制。

1.概述

(1)技術及應用

自動控制:指無人直接參與的情況下，利用外加的設備或裝置(控制裝置),使機器、設備或生產過程的某個工作狀態(tài)或參數（即被控量）自動地按照預定的規(guī)律運行。1-1自動控制的基本原理與方式自動控制系統實例演示（2）控制理論的發(fā)展人類對控制系統的基本原理（反饋）早有認識，并利用它創(chuàng)造許多裝置。如2000年前，羅馬人：水位控制系統（淋?。?，神廟（開關門）英雄裝置。中國能工巧匠：蘇頌的水運儀象臺，張衡的地震方向測定儀。1786年，JamesWatt

為控制蒸汽機速度設計的離心調節(jié)器，是自動控制領域的第一項重大成果。1868年，英國J.C麥克斯韋首先解釋了瓦特速度控制系統中出現的不穩(wěn)定問題（發(fā)表了《論調速器》一文）。1877年勞斯，1892年李雅普諾夫證明了從系統的微分方程確定系統的穩(wěn)定性的方法。赫茲用頻域法研究了反饋原理的頻率特性。接著的1932年，Nyquist提出了一種根據系統的開環(huán)頻率響應(對穩(wěn)態(tài)正弦輸入)，確定閉環(huán)系統穩(wěn)定性的方法。20世紀40年代，頻率響應法為閉環(huán)控制系統提供了一種可行方法，Evans提出并完善了根軌跡法。1948年，美國數學家N.Wiener出版《Cybernetics》是一個控制科學里程碑?！犊刂普摗返母睒祟}是關于人、動物及其通訊的科學。20世紀50年代末，我國著名科學家錢學森將前者理論進行了系統總結，編著了有名的《工程控制論》一書，建立了經典控制理論。19世紀60年代，數字計算機的出現為復雜系統的基于時域分析的現代控制理論提供了可能。從1960－1980，確定性系統、隨機系統的最佳控制，及復雜系統的自適應和學習控制，都得到充分的研究。從1980－現在，智能控制理論集中于3C控制系統及其相關課題,即通信技術、計算機技術和控制技術（Communication，Computer，Control）古典（經典）控制理論自動控制原理（理論）（1787——1960）以傳遞函數為基礎研究單輸入－單輸出定?？刂葡到y的分析與設計問題。這些理論由于其發(fā)展較早，現已日臻成熟?，F代（近代）控制理論（1960——1980）以狀態(tài)空間法為基礎，研究多輸入－多輸出控制系統的分析與設計問題。系統具有高精度和高效能的特點。最優(yōu)控制、自適應控制計算機控制、系統辨識智能控制理論（1980——）以人工智能為基礎，研究復雜對象（車間、工廠、集團）、復雜任務、復雜環(huán)境。管理和控制一體化:計算機集成制造系統，復雜控制系統發(fā)展階段歸納（個人理解）：萌芽(產生)時期（一戰(zhàn)前夕）經典理論完善時期（二戰(zhàn)前夕）經典控制理論確定時期（二戰(zhàn)期間）控制理論發(fā)展時期（二戰(zhàn)后五十年代以后）傳統控制技術PID控制——

簡而優(yōu)秀智能控制技術

90年代開始發(fā)展專家系統——

身邊的專家模糊控制——

其實我很清楚預測控制——

未卜先知最優(yōu)控制——

沒有更好只有最好自適應控制——

以變制變魯棒控制——

以靜制動2.控制與系統(1)控制:工程上的“控制”是指有目的的操作，其目的使被控量按照人們希望的規(guī)律變化。如汽車、飛機、輪船等的操作。分為人工控制和自動控制。例如：水箱液位控制問題播放短片眼手腦水位測量與變送執(zhí)行器控制器給定水位控制工作原理人工控制：眼、腦、手、水箱+閥門人腦手水箱系統眼h自動控制：傳感器、控制器、執(zhí)行器、水箱+閥門

控制器執(zhí)行器水箱系統傳感器h（2）系統系統：工程上的系統是指由若干部件組成的具有某種特定功能且可以完成規(guī)定任務的整套裝置。如鍋爐-汽輪機-發(fā)電機三套設備組成一個發(fā)電系統。自動控制系統：把控制對象與控制裝置按照一定方式連接起來組成的系統反饋：將輸出量通過一定的方式送回到輸入端，并與輸入信號比較產生偏差信號的過程稱為反饋負反饋：輸入信號—反饋信號（輸出信號）輸出偏差減?。p弱輸入信號）正反饋：輸入信號+反饋信號（增強輸入信號）3.反饋控制原理控制器執(zhí)行器水箱系統傳感器h自動控制原理：實際就是反饋控制或閉環(huán)控制的原理。反饋控制原理：將輸出信號反饋回輸入端與輸入信號進行疊加或比較的結果提供給系統進行控制的原理。反饋控制的實質：依據偏差進行控制4.反饋控制系統的基本組成反饋控制系統：由被控對象、控制裝置組成?？刂蒲b置：由具有一定職能的各種基本元件（部件）組成?？刂蒲b置的基本環(huán)節(jié)有：測量變送環(huán)節(jié)、控制環(huán)節(jié)（一般包含給定元件、比較元件、放大元件及控制元件等）和執(zhí)行環(huán)節(jié)。測量、變送器控制器執(zhí)行器被控對象其簡單系統的結構圖如下：-RCG1G2G3G4H3H1H2--N一些基本概念前向通路：從輸入端沿箭頭方向到輸出端的傳輸通路主反饋通路：輸出經過測量元件到達輸入端的通路主回路：前向通路+主反饋通路單回路系統、多回路系統反饋控制系統受到的外部作用參考（有用）輸入：決定系統被控量的變化規(guī)律擾動：系統外部擾動、系統內部擾動被控對象：簡稱對象。即具體的機器或設備，如刀架、烘爐、電機等。被控量：表征被控對象工作狀態(tài)的物理量，即電壓、爐溫、液位等。給定值（參考輸入）：在整個過程中，被控量所應保持的理想（希望）數值。操縱量：能夠使被控量產生變化的物理量。（注意與操縱介質概念的區(qū)別）5.自動控制系統的基本控制方式(1)反饋控制方式（閉環(huán)）：按偏差進行控制，需控制的是被控對象的被控量，而測量的也是被控量。并與給定值進行比較計算，求得它們的偏差，通過偏差來自動糾正偏差——按偏差調節(jié)系統。特點：較高的動靜態(tài)控制性能，精度高；結構、線路復雜，系統分析與設計較復雜?？刂破鲌?zhí)行器對象傳感器(2)開環(huán)控制（順序控制）：系統的輸出量與輸入量之間只有順向作用，而無反向聯系，輸出量對系統的控制過程不發(fā)生影響。特點：結構簡單、易于實現；但抗干擾能力差。有兩種方式：按給定量控制如龍門刨床速度控制系統將測速、發(fā)電機的輸出斷開，調節(jié)測速發(fā)電機的輸入電壓來調節(jié)電機速度按擾動量控制利用可測量的擾動量，產生補償作用(3)復合控制方式：按偏差控制+按擾動補償控制按偏差控制+按給定補償控制(4)其它新控制方式：最優(yōu)控制、預測控制、自適應控制、模糊控制、神經網絡控制等。1-2自動控制系統示例瓦特離心調速系統液位控制系統控制器減速器電動機電位器浮子用水開關Q2Q1cifSM液位系統的自動反饋控制溫度系統的自動反饋控制冷物料熱物料加熱蒸汽1-3自動控制系統分類分類方法按控制方式：開環(huán)控制、閉環(huán)控制、復合控制按元件類型：機械系統、電氣系統、機電系統、液壓系統、氣動系統、生物系統等。按系統功能：溫度、壓力、位置、流量等按系統性質：線性與非線性、連續(xù)與離散、定常與時變按參考量變化規(guī)律：恒值、隨動、程序控制1.線性連續(xù)控制系統由系數判定線性時變系統、線性定常系統線性定常系統根據參考輸入量又可分為：恒值控制系統、隨動控制系統、程序控制系統系統主要特點：（1）恒值控制系統參考輸入是個常值，要求被控量也等于常值。外部擾動的存在，被控量偏離參考量而出現偏差，控制系統根據偏差產生控制作用，以克服擾動的影響，使被控量恢復到給定的常值。（2）隨動控制系統參考輸入是預先未知的隨時間任意變化的函數，要求被控量以盡可能小的誤差跟隨參考輸入量變化。（3）程序控制系統參考輸入是按預定規(guī)律隨時間變化的函數，要求被控量迅速、準確地復現。線性定常離散系統2.非線性控制系統非線性系統的線性化1-4對自動控制系統的基本要求1.對自動控制系統基本要求穩(wěn)定性（穩(wěn)）、快速性（快）、準確性（準）“穩(wěn)”與“快”是說明系統動態(tài)（過渡過程）品質?！皽省笔钦f明系統的穩(wěn)態(tài)（靜態(tài)）品質系統的過渡過程產生的原因：系統中儲能元件的能量不可能突變。穩(wěn)定性：當系統輸入量的變化趨于某一穩(wěn)定值后，系統的被控變量的變化經系統自動控制后也能趨于某一穩(wěn)定值，而不出現持續(xù)的振蕩或發(fā)散型振蕩的現象，即偏差等于0；C（t）t準確性：系統過渡到新的平衡工作狀態(tài)以后，或系統受擾重新恢復平衡之后，最終保持的精度，反映了動態(tài)過程后期的性能；快速性：當系統被控量與給定值之間的偏差發(fā)生變化時，調整到新的穩(wěn)定狀態(tài)所需要時間的長短來反映。

穩(wěn)定性是保證控制系統正常工作的先決條件線性控制系統的穩(wěn)定性由系統本身的結構與參數所決定的，與外部條件無關。快速性是系統在穩(wěn)定的條件下，衡量系統過渡過程的形式和快慢，通常稱為“系統動態(tài)性能”。準確性是在系統過渡過程結束后，衡量系統輸出（被控量）達到的穩(wěn)態(tài)值與系統輸出期望值之間的接近程度。一般用穩(wěn)態(tài)誤差來衡量。

同一個系統，穩(wěn)、準、快是