自動控制的一般概念

自動控制的一般概念1-1自動控制的基本原理與方式自動控制技術(shù)及其應(yīng)用在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的許多領(lǐng)域中，自動控制技術(shù)起著越來越重要的作用。所謂自動控制，是指在沒有人直接參與的情況下，利用外加的設(shè)備或裝置（稱控制裝置或控制器），使機器、設(shè)備或生產(chǎn)過程（統(tǒng)稱控制對象）的某個工作狀態(tài)或參數(shù)（即被控量）自動地按照預(yù)定的規(guī)律運行。在國民經(jīng)濟各部門中，由于廣泛應(yīng)用了自動控制技術(shù)，改善了勞動條件，提高了生產(chǎn)品質(zhì)和勞動生產(chǎn)率。近幾十年來，隨著電子計算機技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，在宇宙航行、導(dǎo)彈制導(dǎo)以及核動力等高新技術(shù)領(lǐng)域中，自動控制技術(shù)更具有特別重要的作用。不僅如此，自動控制技術(shù)的應(yīng)用范圍現(xiàn)已擴展到生物、醫(yī)學(xué)、環(huán)境、經(jīng)濟管理和其他許多社會生活中，自動控制已成為現(xiàn)代社會生活中不可缺少的重要組成部分。自動控制理論自動控制理論是研究自動控制共同規(guī)律的技術(shù)科學(xué)。它的發(fā)展初期，是以反饋理論為基礎(chǔ)的自動調(diào)節(jié)原理，并主要用于工業(yè)控制。第二次世界大戰(zhàn)期間，為了設(shè)計和制造飛機及船用自動駕駛儀、火炮定位系統(tǒng)、雷達(dá)跟蹤系統(tǒng)以及其他基于反饋原理的軍用裝備，進一步促進并完善了自動控制理論的發(fā)展。到戰(zhàn)后，以形成完整的自動控制理論體系，這就是以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)的經(jīng)典控制理論，它主要研究單輸入-單輸出、線性定常系統(tǒng)的分析和設(shè)計。60年代初期，隨著現(xiàn)代應(yīng)用數(shù)學(xué)新成果的推出和電子計算機技術(shù)的應(yīng)用，為適應(yīng)宇航技術(shù)的發(fā)展，自動控制理論跨入了一個新階段——現(xiàn)代控制理論。它主要研究具有高性能、高精度的多變量變參數(shù)系統(tǒng)的最優(yōu)控制問題，采用的方法是以狀態(tài)為基礎(chǔ)的時域法。目前，自動控制理論還在繼續(xù)發(fā)展，并且已跨越學(xué)科界限，正向已控制論、信息論、仿生學(xué)為基礎(chǔ)的智能控制理論發(fā)展。自動控制的任務(wù)任何技術(shù)設(shè)備、機器和生產(chǎn)過程都必須按要求運行。例如，要想發(fā)電機正常供電，其輸出電壓必須保持恒定，盡量不受負(fù)荷變化的干擾；要想數(shù)控機床加工出高精度的零件，其刀架的進給量必須準(zhǔn)確地按照程序指令的設(shè)定值變化；要想熱處理爐提供合格的產(chǎn)品，其爐溫必須嚴(yán)格地按規(guī)定操縱，等等。其中發(fā)電機、機床、熱處理爐是工作的主體設(shè)備，而電壓、進給量、爐溫則是表征這些設(shè)備工況的關(guān)鍵參數(shù)，那么額定電壓、設(shè)定進給量、規(guī)定的爐溫就是設(shè)備運行中對工況參數(shù)的具體要求。將被操縱的機器設(shè)備稱作受控對象，將表征其工況的關(guān)鍵參數(shù)稱作被控量（輸出量），而將對這些工況參數(shù)所要求達(dá)到的值稱作給定值（或希望值、輸入量），則自動控制的任務(wù)可抽象為：使受控對象的被控量按給定值變化。自動控制的基本方式由于控制裝置是用來取代人的一部分工作的，因此，分析一下人在進行某項工作任務(wù)中所經(jīng)歷的主要過程以及所具有的基本功能，對尋求自動控制的方法無疑是有益的。為了有效地進行某項工作，人們總是要經(jīng)常了解工作的進展和實際結(jié)果，摸清干擾工作正常進行的主要因素和條件，這個功能稱之為調(diào)查或觀察；然后將得到的各方面情況進行分析對比，看看實際結(jié)果與預(yù)期目標(biāo)相差多少，并統(tǒng)觀全局作出新的判斷和安排，這個關(guān)鍵功能稱之為分析決策；

接下去應(yīng)該是根據(jù)新的安排下達(dá)執(zhí)行。執(zhí)行的效果如何，需要再調(diào)查、再分析，循環(huán)往復(fù)直至任務(wù)結(jié)束。工作中各種功能及其相互關(guān)系見圖1-1，如果用技術(shù)裝置和工程語言代換圖1-1，可得自動控制系統(tǒng)原理方框圖如圖1-2所示。圖1-1圖1-2下面提出三種基本控制方式：1：按給定值操縱的開式控制這種控制方式的特點是，需要控制的是受控對象的被控量c(t)，而控制裝置只接受給定值r(t)信號，如圖1-3所示。圖1-32：按干擾補償?shù)拈_式控制這種控制方式的特點是，需要控制的仍然是受控對象的被控量c(t)，而控制裝置除接受給定值r(t)信號外，還接受干擾信號n(t)，利用干擾信號產(chǎn)生控制作用，及時補償干擾對被控量的直接影響，如圖1-4所示。圖1-43：按偏差調(diào)節(jié)的閉式控制這種控制方式的特點是，需要控制的仍然是受控對象的被控量c(t)，而控制裝置接受給定值和被控量，并計算兩者的偏差，只要被控量偏離了給定值，無論是干擾影響還是內(nèi)部特性參數(shù)變化引起的或者是給定值主動變化，系統(tǒng)均能自動糾正，故稱按偏差調(diào)節(jié)的閉式控制，如圖1-5所示。圖1-51-2自動控制系統(tǒng)的組成及分類自動控制系統(tǒng)的組成自動控制系統(tǒng)是由各種結(jié)構(gòu)不同的元部件組成的。從完成自動控制這一職能來看，一個系統(tǒng)必然包含被控對象和控制裝置兩大部分，而控制裝置是由具有一定職能的各種基本元件組成的。在不同系統(tǒng)中，結(jié)構(gòu)完全不同的元部件卻可以具有相同的職能。因此，將組成系統(tǒng)的元部件按職能分類主要由以下幾種。1：測量元件其職能是檢測被控制的物理量，如果這個物理量是非電量，一般再轉(zhuǎn)換為電量。例如，測速發(fā)電機用于檢測電動機軸的速度并轉(zhuǎn)換為電壓；電位器、旋轉(zhuǎn)變壓器或自整角機用于檢測角度并轉(zhuǎn)換為電壓；熱電偶用于檢測溫度并轉(zhuǎn)換為電壓等。2：給定元件其職能是給出與期望的被控量相對應(yīng)的系統(tǒng)輸入量。3：比較元件其職能是把測量元件檢測的被控量實際值與給定元件給出的輸入值進行比較，求出它們之間的偏差。常用的比較元件有差動放大器、機械差動裝置、電橋電路等。4：放大元件其職能是將比較元件給出的偏差信號進行放大，用來推動執(zhí)行元件去控制被控對象。5：執(zhí)行元件其職能是直接推動被控對象，使其被控量發(fā)生變化。用來作

為執(zhí)行元件的有閥、電動機、液壓馬達(dá)等。校正元件也叫補償元件，它是結(jié)構(gòu)或參數(shù)便于調(diào)整的元件，用串聯(lián)或反饋方式連接在系統(tǒng)中，以改善系統(tǒng)的性能。一個典型的自動控制系統(tǒng)的基本組成可用圖1-6來表示。圖1-6例1-1：熱處理爐溫控系統(tǒng)的工作原理如同1-7所示，試簡要分析系統(tǒng)的控制原理，并畫出系統(tǒng)原理方框圖。TrTr圖1-7解：系統(tǒng)的工作原理如下：系統(tǒng)原理方框圖如圖1-8所示。

圖1-8例1-2:機械手位置隨動系統(tǒng)圖1-9是系統(tǒng)工作原理圖，試分析系統(tǒng)工作原理，并畫出系統(tǒng)原理方框圖。圖1-9解：系統(tǒng)的工作原理如下：系統(tǒng)原理方框圖如圖1-10所示。圖1-10自動控制系統(tǒng)的分類自動控制系統(tǒng)有多種分類方法。例如，按控制方式可分為開環(huán)控制、閉環(huán)控制、復(fù)合控制等；按元件類型可分為機械系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、機電系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、氣動系統(tǒng)生物系統(tǒng)等；按系統(tǒng)功用可分為溫度控制系統(tǒng)、壓力控制系統(tǒng)、位置控制系統(tǒng)；按系統(tǒng)性能可分為線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)、連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)、定常系統(tǒng)和時變系統(tǒng)、確定系統(tǒng)和不確定系統(tǒng)等；按輸入量變化規(guī)律可分為恒值控制系統(tǒng)（鎮(zhèn)定系統(tǒng)）、隨動系統(tǒng)和程序控制系統(tǒng)等。線性連續(xù)控制系統(tǒng)：這類系統(tǒng)可用線性微分方程描述，其一般形式為：dndnd2c(t)+.…+a—dtn 2dt2dc(t)+a c(t)+ac(t)1dt 0=b r(t)H Fb r(t)+b r(t)+br(t)mdtm 2dt2 1dt 0式中，c(t)是被控量，r(t)是輸入量。系數(shù)a0、&］、???，b0、b「…為常數(shù)時,系統(tǒng)稱為線性定常系統(tǒng)，系數(shù)a0、&］、???，b0、b「…隨時間而變時，系統(tǒng)稱為線性時變系統(tǒng)。線性定常離散系統(tǒng)：離散系統(tǒng)是指系統(tǒng)的某處或多處的信號為脈沖序列或數(shù)碼形式，因而信號在時間上是離散的。這類系統(tǒng)可用差分方程描述，其一般形式為：ac(k+n)H Fac(k+2)+ac(k+1)+ac(k)n 2 1 0=br(k+m)+?…+br(k+2)+br(k+1)+br(k)m 2 1 0非線性控制系統(tǒng)系統(tǒng)中只要有一個元部件的輸入-輸出特性是非線性的，這類系統(tǒng)就稱為非線性系統(tǒng)，這時要用非線性微分(或差分)方程來描述其特性。非線性方程的特點是方程的系數(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，例如：c(t)+c(t)C(t)+c2(t)=r(t)1-3對自動控制系統(tǒng)的基本要求基本要求的提法自動控制理論是研究自動控制共同規(guī)律的一門學(xué)科。盡管自動控制系統(tǒng)有不同的類型，對每個系統(tǒng)也都有不同的特殊要求，但對于各類系統(tǒng)來說，在已知系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)時，我們感興趣的都是系統(tǒng)在某種典型輸入信號下，其被控量變化的全過程。例如，對恒值控制系統(tǒng)是研究擾動作用引起被控量變化的全過程；對隨動系統(tǒng)是研究被控量如何克服擾動影響并跟隨輸入量的變化過程。但是，對每一類系統(tǒng)被控量變化全過程提出的共同基本要求都是一樣的，且可以歸結(jié)為穩(wěn)定性、快速性和準(zhǔn)確性，即穩(wěn)、快、準(zhǔn)的要求。穩(wěn)定性穩(wěn)定性是保證系統(tǒng)正常工作的先決條件。一個穩(wěn)定的控制系統(tǒng)，其被控量偏離期望值的初始偏差應(yīng)隨時間的增長逐漸減小或趨于零。也就是說，控制器的控制作用應(yīng)使誤差逐漸減小。若控制不當(dāng)，使誤差逐漸變大，就形成了不穩(wěn)定的控制系統(tǒng)，不穩(wěn)定的控制系統(tǒng)是不能正常工作的?？焖傩詾榱撕芎猛瓿煽刂迫?/p>