自動控制原理梅楊

第一章自動控制的一般概念1-1自動控制的基本原理與方式1-2自動控制系統(tǒng)示例1-3自動控制系統(tǒng)的分類1-4對自動控制系統(tǒng)的基本要求1-5自動控制系統(tǒng)的分析與設計工具無人直接參與機器、設備或生產(chǎn)過程的工作狀態(tài)或參與自動實現(xiàn)某種規(guī)律運行經(jīng)典控制：單輸入、單輸出現(xiàn)代控制：多輸入、多輸出反饋（控制思想的精髓，知己知彼）1-1自動控制的基本原理與方式1、自動控制技術及其應用所謂自動控制，是指沒有人直接參與的情況下，利用外加的設備或裝置（稱控制裝置或控制器），使機器、設備或生產(chǎn)過程（統(tǒng)稱被控量）的某個工作狀態(tài)或參數(shù)（即被控量）自動地按照預定的規(guī)律運行。如：

飛機導航飛機導航系統(tǒng)哈勃望遠鏡－特殊地衛(wèi)星中巴資源衛(wèi)星人造地球衛(wèi)星

控制其準確地進入預定軌道運行并回收無人駕駛飛機按預定軌跡飛行漸露鋒芒地無人駕駛飛機制導導彈現(xiàn)代的高新技術讓導彈長上了“眼睛”和“大腦”，利用負反饋控制原理去緊緊盯住目標我國研制的地空導彈雷達技術雷達操作時，天線就要不停地轉動。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，天線就要不停地轉動，用一個驅動馬達使天線作360度的旋轉，這樣它就能在360度范圍內(nèi)進行“搜索”。自動控制技術應用于其他領域

由于計算機等技術的誕生和飛速發(fā)展，使得控制技術水平不斷提高，已擴大到經(jīng)濟與社會生活的各個領域，如通信、交通、醫(yī)學、環(huán)境保護、經(jīng)濟管理等領域，控制技術已成為現(xiàn)代社會不可缺少的重要組成部分。近年來，我國在自動化儀表、工業(yè)調(diào)節(jié)器、數(shù)字控制技術、航天工程、核動力工程等方面的研究和應用取得了長足進展。工業(yè)自動生產(chǎn)線(1匯)、柱最早揭的穩(wěn)走定性嶼研究（麥包克斯情韋爾寺），1恒86捕8年耳發(fā)表妻《論歇調(diào)節(jié)罵器》遭，研址究調(diào)蠻節(jié)器初的微銷分方除程，蓄線性腥化處腿理，悄系統(tǒng)困穩(wěn)定處性取彼決于騾微分迫方程第的特冶征根懇是否耍都具車有一孟對負偉的實把部，墊針對發(fā)二階慌和三匠階系旁統(tǒng)討授論了抗使特掩征根售具有梯負實掏部時置，特躲征多柔項式鑼系列良應滿階足的但條件狗。(2株)、零系統(tǒng)棄穩(wěn)定榴準則由Hu鞠rw桶it斗z（缸霍爾獵維茨嫂）和（勞寒斯）提出糊的勞娘斯－農(nóng)霍爾天維茨共穩(wěn)定壟判據(jù)色。2、茅自動曾控制贊理論（李仰雅普普諾夫虧）提虛出了品李雅蒜普諾輛夫第胳一法棒與第項二法H.面Ny咐qu妻is友t提參出奈飽氏判歷據(jù)，莖Bo西de修提出按了對勁數(shù)頻腫率特滋性的定方法遼。二戰(zhàn)類期間以，軍酒事科轎學的墓需要鉆大大寶促進區(qū)了反監(jiān)饋控宣制理汽論的番發(fā)展?jié)M。美肆國麻施省理油工學影院雷綿達實襪驗室咳的科效學家化們將蓮反饋棵放大舊器理赤論、哨P瘋ID松（比截例-錫積分亞-微旁分）弊控制戰(zhàn)以及錘N.局Wi晴en法er傳的隨段機過巖程理械論等及結合姐在一誘起，諷形成鮮了一晶整套弱被稱助為隨膝動控勒制系恨統(tǒng)的豈設計貼方法罵。(3緊)、詠根軌周跡方鉛法提出至的方答法和降規(guī)則競是當爆系統(tǒng)特參數(shù)客變化究時特勺征方蟲程式弊根變腹化的孫幾何勺軌跡傍。(4鉆)、說經(jīng)典督自動跑控制辯理論以反圈饋控捐制原劉理為業(yè)基礎趁的自瞇動控核制理莊論已塵形成曉比較陡完整系的體她系。診其特歪點相禾對言鑒，生瞞產(chǎn)技廣術水杜平較遵低，盒控制區(qū)對象有結構牙較簡奪單，襪被控亮參數(shù)增較單困一，頁要求壓達到漫的預帆期效亂果（趁性能組指標是）也漢不高樂。主店要研殃究對打象為量單輸慚入，伙單輸安出的碼單變晉量系蛇統(tǒng)（狼屬于胞線性規(guī)定常佩時不強變系穗統(tǒng)）祝。(5斯)、是現(xiàn)代條控制贈理論斧的發(fā)獻展從5熔0年辟代末售期開吵始，棒控制臥系統(tǒng)設設計財問題遙的重看點從盒設計心許多脅可行姜系統(tǒng)衫中的敬一種私系統(tǒng)系，轉洲變到歷設計叮在某憤種意怪義上乘的一成種最罪佳系菊統(tǒng)。大約顫從1傾96渾0年紡開始柴，數(shù)控字計攝算機蘆的出總現(xiàn)為能復雜之系統(tǒng)略的時節(jié)域分堅析提土供了判可能年性，研利用盡狀態(tài)標變量兔、基趨于時亦域分雞析的液現(xiàn)代摘控制商理論左應運擋而生倚。從1違96適0年蟻到1疾98乳0年難，確撫定性眾系統(tǒng)延的最挎佳控柏制，討隨機跳系統(tǒng)莫的最筆佳控悔制，估乃至弦復雜繪系統(tǒng)科的自欣適應旺和學絕習控司制，貞都得獻到了壤充分享的研著究。從1涉98診0年序到現(xiàn)齊在，標現(xiàn)代具控制格理論疼的進抽展集厲中于搜魯棒工控制絞、H殖∞控敞制及塊其相持關的抽課題已。反饋貓控制是這逆樣的接一種碰控制愚過程撲，它肉能在帽存在完擾動曉的情著況下嫌，力萌圖減勇小系輩統(tǒng)的委輸出鼠量與英參考販輸入六量（涂也稱勝參據(jù)濫量）不之間閱的偏員差，渠而其稈工作焦正是注基于按這一恢偏差敗基礎股之上疼的，里這就麻是反氣饋控飛制的億原理矛。反饋債控制龍又稱篩閉環(huán)備控制3、抵反饋?？刂谱V原理系統(tǒng)踢方框挨圖符敲號組耗成：“倘”下圖殲為反詠饋控誘制原局理方欺框圖方框圖被控制量

手的位置

擾動

—誤差信號

控制信號

參考輸入

書的位置

被控對象（手）測量元件（眼睛）控制器（大腦）例、校人用川手去千拿書龍門招刨床娘速度依控制乖系統(tǒng)猴原理螞圖在工材業(yè)控碼制中頂，龍瞞門刨緞床速針度控貸制系蠅統(tǒng)就摸是按辛照反涉饋控花制原割理進溫行工挎作的遞。當泛負載受波動滴時，太必然企會引灣起速戴度變稅化，俱由于踢龍門抗刨床正不允聞許速遭度變逆化過捕大，湯因此符必須樂對速莖度進訂行控性制。龍門青刨速養(yǎng)度自紛動控朝制過襲程M-德--斜負載n-赴--積電機挎速度u-杏--佩測速浪電機釋偏差咳電壓u0--炭-給剩定電荷壓注意直：龍門姜刨床憂速度田控制諒系統(tǒng)云是一斧個有牌精差舌系統(tǒng)田。速橡度最個終達即到的散穩(wěn)態(tài)捉值與縣原始脆給定謎速度翁之間滲始終單有一定個差斷值存米在，影這個臂差值衣是用疑來產(chǎn)鑄生一況個附所加的卻電動釋機電疾樞電葉壓，扁以補犬償因幟增加轟負載纏而引蹈起的餃速度乎下降灰。這莖個差鞋值的疾存在逆是保雞證系濁統(tǒng)正升常工鉗作所爪必需狹的，施一般液稱為穩(wěn)態(tài)脾誤差。如知果從希結構初上加匹以改剪進，消可以把消除肢這個訓穩(wěn)態(tài)爭誤差困。4、巴反饋觸控制幫系統(tǒng)砌的基門本組天成反饋勒控制妨系統(tǒng)雙是由柏各種堵不同頌的元纏部件鄭組成敬的。a)縣測狐量元待件：束檢測澡被控瀉制的帆物理乖量。b)屬給揮定元豆件：敘給出佛與期裝望的概被控匆制量潮相對祥應的及系統(tǒng)畝輸入狀量（離即參扛據(jù)量閥）。c)勵比孤較元會件：介把測筆量元商件檢瞧測的懇被控鍋量的嚼實際趁值與挪給定浸元件吃給出阻的參怠據(jù)量傘進行拒比較醫(yī)，求抖出它示們之窩間的再偏差醉。d)扯放潑大元糞件：晝偏差咳信號餅的放婦大，仁用以直推動參執(zhí)行拾元件貪。e)艇執(zhí)獄行元造件：粥直接蓋推動軌被控值對象吵，使幅被控稱量發(fā)侵生變變化。f)己校販正元勢件：津也叫掠補償弄元件砍以改責善系歲統(tǒng)性哪能。典型竊的反間饋控聽制系以統(tǒng)基駝本組精成框伴圖：信號衛(wèi)從輸漿入端假到達趨輸出軌端的樹傳輸辰通路治稱為琴前向珍通路覽；系同統(tǒng)輸獸出量裹經(jīng)測運量元謎件反岔饋到睜輸入伍端的疫傳輸沈通路貸稱為底主反漿饋通番路。惱前向卵通路屬與主煉反饋騙通路躁共同越構成煎主回餡路。極此外陜，還患有局眾部反共饋通偵路。稱只包孕含一兇個主右反饋幕通路臨的系父統(tǒng)稱燭為單勤回路逼系統(tǒng)獨，有打兩個仰或兩芝個以皂上反姿饋通步路的禾系縮慧統(tǒng)稱黨為多湯回路忽系統(tǒng)鍵。5、磚自動陷控制摧系統(tǒng)蠢基本鮮控制某方式(1怎)、稼反饋虹控制拖方式洗(閉駐環(huán)控朝制系恰統(tǒng))按偏呀差進胸行控醒制，蒸具有擺抑制隨擾動耗對被院控量狗產(chǎn)生薪影響圈的能珍力和理較高盲的控子制精挪度。(2吐)、撲開環(huán)誼控制亦方式計(按耐給定呆控制僅、按建擾動摔控制敲)指控演制裝煤置與服被控盼對象尼之間奶只有柔順向系作用品而沒有田反向博聯(lián)系蹦的控頁制過闊程。有一屑開環(huán)釘調(diào)速疑系統(tǒng)學如圖婚所示愈。電但位計丙的輸論出電驕壓U淹r經(jīng)志兩極教放大倒，使失伺服胃電機劍上的鋼端電竊壓也防隨之爆改變抱。從鄭而使氧負載凝具有控所要伯求的孝轉速傻。試舅說明撞該系覆統(tǒng)的爽給定麥值、焦被控揪量和剛干擾昌量，楊并畫里出方捏塊圖唱。下圖價為發(fā)秤電機洪－電煉動機另調(diào)速街系統(tǒng)巴的方吸框圖(3兆)、鈴復合所控制瓜方式按偏鈔差控征制和極按擾鑄動控洗制相武結合火的控廈制方擁式稱為貍復合祝控制突方式艷。1-幟2尋自動駝控制害系統(tǒng)廈示例1敬函數(shù)牲記錄診儀函數(shù)記錄儀通常由衰減器、測量元件、放大元件、伺服電動機-測速機組、齒輪系及繩輪等組成。測量元件由電位器RQ和RM組成的橋式測量電路，記錄筆就固定在電位器RM的滑臂上，因此，測量電路輸出電壓up與記錄筆位移成正比。當有慢變的輸入電壓ur時，在放大元件輸入口得到偏壓，經(jīng)放大后驅動伺服電機，并通過齒輪系及繩輪帶動記錄筆移動。同時使偏差電壓減小。當偏差電壓為0時，電機停止轉動，記錄筆也靜止不動。如果輸入電壓隨時間連續(xù)變化，記錄筆便描繪出隨時間連續(xù)變化的相應曲線。2.挽飛機宇示意寨圖反饋趴電位耽器給定電位器給定濤裝置放大庸器舵機飛機反饋坡電位坡器垂直戒陀螺敏儀θ0θc擾動俯仰夾角控團制系陳統(tǒng)方兔塊圖飛機圓方塊秩圖3薯電爐轎溫度炸控制斤系統(tǒng)電阻頸絲通讓過晶眉閘管場主電禾路加備熱，筑爐溫鴿期望預值預陰先設歪定，耽爐溫淋實際率值由拔熱電暈偶檢煎測，翁并轉戰(zhàn)換成扛電壓報，經(jīng)圓放大墓、濾星波后熊，由錄A/姥D轉貞換后竄送入鄙計算鏈機，蚊并與只所設引置的袍期望半溫度療進行偶比較鋸，產(chǎn)紅生偏犁差信擔號，勢計算盈機根悲據(jù)控料制算愁法計歪算相止應控殼制量沿，再癥經(jīng)D爛/A迫轉換滋成電偉流，男通過舊觸發(fā)充器控袍制晶憤閘管陶導通鍵角，幅從而狗改變鵲電阻便絲中控電流龍大小貢，達勢到控齊制爐渠溫的役目的沫。下圖惹為電原爐溫知度控圖制系缺統(tǒng)的欄方框尼圖4、晉鍋爐孫液位蚊控制棵系統(tǒng)當蒸窮汽的獲耗汽如量與胳鍋爐申進水爆量相合等時驅，液除位保慎持在廣正?？硺藴侍刂?。賺當過叨鍋爐售給水伐量不炸變，特而蒸從汽負櫻荷發(fā)宅生變?nèi)A化時拼，液慮位也柿相應升發(fā)生津變化貌；或肯者當變蒸汽畫負荷遷不變書，而回給水聾管道勒水壓懇發(fā)生鬼變化好時，奏引起虹鍋爐憶液位蹄發(fā)生焦變化嘩。但只要餐實際失液位敘高度科與正潛常給楊定液芝位之暮間出收現(xiàn)偏灘差時草，調(diào)魂節(jié)器養(yǎng)均應吉立即糞進行免控制枯，去夠開大寫或者印關小絮給水吸閥門眾，使鏈液位貨恢復悶到給盤定值嘩。下圖時為鍋戚爐液巨位控輔制系業(yè)統(tǒng)的竟方框攜圖自動延控制原系統(tǒng)渡有多溫種分咱類方飾法，恒一般行，為慘了全妹面反序映自皮動控退制系即統(tǒng)的競特點步，常血常將色各種蠻分類鋤方法蹲組合撫應用幟。開環(huán)增控制閉環(huán)貢控制斜(反姐饋控活制)復合除控制按控眠制方邊式分1-額3聽自動與控制孕系統(tǒng)塞的分扶類機械潛系統(tǒng)多——拾恒張沃力系購統(tǒng)電氣槳系統(tǒng)機電既系統(tǒng)肅——弱全自馬動照工相機卡，絡光機就電結宣合液壓曲系統(tǒng)庭——碌伺服今液壓狠缸，咳汽車扣發(fā)動資機，級大型寇的仿寬真模關擬臺氣動虧系統(tǒng)生物共系統(tǒng)按元件類型分按系懸統(tǒng)功睬用分溫度渡控制滔系統(tǒng)壓力莊控制條系統(tǒng)位置妥控制武系統(tǒng)系扣線性僅系統(tǒng)非線誕性系角統(tǒng)連續(xù)顯系統(tǒng)定常怒系統(tǒng)時變視系統(tǒng)確定爪性系碑統(tǒng)不確掙定性碗系統(tǒng)離散榜系統(tǒng)按系營統(tǒng)性歡能分恒值陣控制權系統(tǒng)隨動隆系統(tǒng)程序冒控制嘗系統(tǒng)按參惜據(jù)量變化細規(guī)律抬分1、撿線形滑連續(xù)盈控制形系統(tǒng)這類蹲系統(tǒng)融可以胳用線僅形微迫分方標程式坑描述趣，其諒一般河形式向為：系數(shù)料a0，所‥燦，an，b0,‥bn是常棕數(shù)時樸，稱友為定乞常系氏統(tǒng)；優(yōu)系數(shù)珠a0，禽‥，an，b0,‥bn隨時況間變州化時請，稱群為時桶變系村統(tǒng)。亡線性它定常頁連續(xù)鍋系統(tǒng)版按其晨輸入象量的滲變化大規(guī)律程又可揮分為陣恒值懂控制紡系統(tǒng)附、隨支動系光統(tǒng)和笨程序歉控制港系統(tǒng)呢。(1遠)、事恒值住控制蓮系統(tǒng)這類箱控制旁系統(tǒng)漂的參標據(jù)量鉗是一驅個常蠟值，踏要求索被控近量亦租等于假一個蝦常值都，故雕又稱肌為調(diào)鼓節(jié)器跳。在恒詳值控閣制系米統(tǒng)中尖，參主據(jù)量吐可以擊隨生昆產(chǎn)條姐件的沃變化就而改伐變，生但是郊，一快經(jīng)調(diào)譽整后搞，被允控量妄就應櫻與調(diào)燒整好梨的參英據(jù)量屑保持懼一致還。在蒜工業(yè)凍控制菌中，冰如果摘被控繳量是亭生產(chǎn)矛過程病參量晴時，墳這種賺控制遇系統(tǒng)皂則稱員為過缺程控晉制系蓬統(tǒng)，平它們術大多屢數(shù)屬曉于恒驢值控機制系嘩統(tǒng)。(2偏)、嘉隨動累系統(tǒng)系統(tǒng)甩的參帽據(jù)量澡是預侍先未我知的哀隨時視間任吸意變執(zhí)化的吃函數(shù)文，要僵求被宇控量磨以盡巖可能罩小的量誤差脾跟隨牽參據(jù)橫量的脊變化粥，故擱又稱點為跟刻隨系沙統(tǒng)。裹在隨己動系鍛統(tǒng)中牽。擾網(wǎng)動的嘴影響奶是次古要的震，系趁統(tǒng)分蓋析、宮設計棟的重瞞點是缺研究難被控衡量跟泳隨的潛快速感性和瞞準確僻性。在隨算動系約統(tǒng)中腎，如益果被拳控量往是機襪械位弓或其挎導數(shù)病時，笑這類肆系統(tǒng)妨稱之偵為伺衫服系德統(tǒng)。(3找)、壓程序嫂控制謎系統(tǒng)系統(tǒng)貿(mào)的參貞據(jù)量闊時按籠預定沾規(guī)律愿隨時吐間變索化的名函數(shù)伸，要女求被僅控量約迅速利、準寒確地贏加以棵復現(xiàn)堂。程嬌序控少制系受統(tǒng)和朝隨動昌系統(tǒng)晃的參飄據(jù)量掩都是束時間抹函數(shù)泊，不朗過前瓜者是孕已知方的時說間函僵數(shù)，通后者俘是未昌知的鋪任意撫時間眼函數(shù)爺，而閉恒值腥控制膀系統(tǒng)瞞也可得視為巨程序述控制逢系統(tǒng)杜的特崗例。2、斑線性琴定常咬離散緞控制沫系統(tǒng)離散殃系統(tǒng)鋪是指留系統(tǒng)貍的某鑰處或另多處喝的信務號為閃脈沖趕序列唯或數(shù)裝碼形拔式，化因而歷信號校在時斃間上鬧是離險散的望。離芒散系理統(tǒng)一塑般用嗽差分膝方程恢描述疤，其貿(mào)一般京形式纖可用桂下式榨表示湊：3、踢非線仁性控族制系們統(tǒng)系統(tǒng)境中只為要有彈一個項元部腔件的閉輸入散－輸僚出特辯性是罰非線未性的笨，這社類系蛇統(tǒng)就靜稱為饞非線媽性控蕉制系區(qū)統(tǒng)，實際可物理凝系統(tǒng)蠢中都腐含有湯不同瓦程度餐的非驚線性每元部唯件，僻如放唇大器龍和電銳磁元它件的殊飽和蜓特性杰，運券動部盯件的斃死區(qū)扇、間蠅隙和粥摩擦屋特性井等。對于朱非線肢性程全度不械大的檢情況據(jù)，可引在一霞定范喪圍內(nèi)伙進行丘線性膽化。1-疾4米對自藍動控暑制系端統(tǒng)的鋪基本伶要求1、數(shù)基本寸要求否的提蔥法可以服歸結帆為穩(wěn)定性使（長李期穩(wěn)楚定性箭）、準確性伙（精狹度）列和快速性殲（相覺對穩(wěn)擾定性康）。穩(wěn)準快穩(wěn)定旺性：穩(wěn)定脹性是賞對系回統(tǒng)的顏基本憑要求通，不陷穩(wěn)定營的系歸統(tǒng)不墾能實隨現(xiàn)預咳定任醋務。啞穩(wěn)定銀性，米通常造由系臺統(tǒng)的蜜結構屑決定扔與外排界因忘素無汪關?？焖偈裕簩^膀渡過校程的黃形式搶和快歪慢提蜓出要珠求，劑一般散稱為瞧動態(tài)笑性能吸。準確患性：用穩(wěn)帆態(tài)誤究差來凍表示唇。在參律考輸矮入信喚號作嫂用下眠，當愉系統(tǒng)純達到客穩(wěn)態(tài)春后，板其穩(wěn)滴態(tà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