自動控制原理1

自動控制原理

主講人：黃鳳芝Tel/p>

E_mail:huangfzh@126.com

課程性質(zhì)

專業(yè)基礎(chǔ)課學(xué)時

72學(xué)時（60理論+12實(shí)驗(yàn)）

4學(xué)分先修課程

高等數(shù)學(xué)、大學(xué)物理、積分變換、電路、數(shù)字電子技術(shù)、模擬電子技術(shù)教材介紹前言自動控制技術(shù)應(yīng)用自動控制技術(shù)幾乎滲透到國民經(jīng)濟(jì)的各個領(lǐng)域及社會生活的各個方面，是當(dāng)代發(fā)展最迅速、應(yīng)用最廣泛、最引人注目的高科技，是推動新的技術(shù)革命和新的產(chǎn)業(yè)革命的關(guān)鍵技術(shù)，在某種程度上說，自動化是現(xiàn)代化的同義詞。雷達(dá)自動跟蹤的導(dǎo)彈系統(tǒng)無人機(jī)人造地球衛(wèi)星發(fā)射系統(tǒng)哈勃望遠(yuǎn)鏡－特殊地衛(wèi)星交通系統(tǒng)汽車自動化生產(chǎn)線控制理論控制理論是研究自動控制共同規(guī)律的技術(shù)科學(xué)?？刂普摚?/p>

經(jīng)典控制理論

現(xiàn)代控制理論（智能控制理論）以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)，研究單輸入---單輸出定?？刂葡到y(tǒng)的分析與設(shè)計問題以狀態(tài)空間法為基礎(chǔ)，研究多輸入--多輸出時變、非線性、高精度、高效能控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計問題發(fā)展概況—1年英國瓦特飛球調(diào)節(jié)器公認(rèn)的第一個自動控制系統(tǒng)年麥克斯韋爾“論調(diào)速器”公認(rèn)為自動控制理論的開端1875年英國勞斯提出代數(shù)穩(wěn)定判據(jù)勞斯穩(wěn)定判據(jù)1895年德國赫爾維茲提出代數(shù)穩(wěn)定判據(jù)1892年俄國李雅普諾夫提出穩(wěn)定性定義和兩個穩(wěn)定判據(jù)1932年美國奈奎斯特提出奈氏穩(wěn)定判據(jù)二戰(zhàn)中自動火炮、雷達(dá)、飛機(jī)以及通訊系統(tǒng)的控制研究直接推動了經(jīng)典控制的發(fā)展1948年，維納出版《控制論》，形成完整的經(jīng)典控制理論，標(biāo)志控制學(xué)科的誕生。發(fā)展概況—2

二次世界大戰(zhàn)結(jié)束后，各國大力發(fā)展空間技術(shù)，經(jīng)典控制理論不能滿足需要，需要研究新的控制理論。這個時期，眾多的數(shù)學(xué)家、科學(xué)家投入自動控制理論的研究，如自動控制科學(xué)家從力學(xué)中引進(jìn)了狀態(tài)空間的概念。

隨著電子計算機(jī)的應(yīng)用，自動控制理論開始進(jìn)入“現(xiàn)代控制理論”階段?，F(xiàn)代控制理論在空間技術(shù)取得巨大成功，但由于工業(yè)過程控制中普遍存在的不確定性和干擾，難以取得預(yù)期的效果。模擬人的控制技術(shù)——智能控制。發(fā)展概況—3本課程學(xué)習(xí)的內(nèi)容基本內(nèi)容——控制論的基本理論、方法、特點(diǎn)、綜合設(shè)計方法。研究對象——自動控制系統(tǒng)，揭示自動控制系統(tǒng)中存在的信息轉(zhuǎn)換、傳遞和反饋?？刂葡到y(tǒng)基本概念連續(xù)系統(tǒng)離散系統(tǒng)時域法復(fù)域法頻域法快穩(wěn)準(zhǔn)第一章控制系統(tǒng)導(dǎo)論第二章控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型第三章線性系統(tǒng)的時域分析法第四章線性系統(tǒng)的根軌跡法第五章線性系統(tǒng)的頻域分析法第六章線性系統(tǒng)的校正方法第七章線性離散系統(tǒng)的分析第一章控制系統(tǒng)導(dǎo)論1-1自動控制的基本原理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(shè)計工具1-1自動控制的基本原理一、基本概念1.控制（Control）：根據(jù)某種原理或方法，使特定對象（被控對象）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。3.自動控制（AutomaticControl）：是指在沒有人直接參與的情況下，利用自動控制裝置（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)稱為被控對象）的某個工作狀態(tài)或參數(shù)（稱為被控量）自動地按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行。4.自動控制系統(tǒng)（ControlSystem）：是由被控對象和自動控制裝置按一定方式聯(lián)結(jié)起來的，以完成某種自動控制任務(wù)的有機(jī)整體。自動控制系統(tǒng)控制原理方框圖控制對象執(zhí)行裝置控制器測量裝置控制器比較環(huán)節(jié)輸入量偏差測量值輸出量控制量擾動量控制動作廣義對象自動控制裝置元素：（1）：元件（2）：信號（物理量）及傳遞方向（3）：比較點(diǎn)（信號疊加）（4）：引出點(diǎn)（分支、信號強(qiáng)度）（5）+/-：符號的意義（正、負(fù)反饋）二、控制系統(tǒng)中常用的名詞術(shù)語輸入量:泛指對系統(tǒng)的輸出量有直接影響的外界輸入信號,既包括控制信號又包括擾動信號。其中控制信號又稱控制量、參考輸入、或給定值。輸出量:是指反饋控制系統(tǒng)中被控制的物理量,它與輸入信號之間有一定的函數(shù)關(guān)系。反饋量:將系統(tǒng)(或環(huán)節(jié))的輸出信號經(jīng)變換、處理送到系統(tǒng)(或環(huán)節(jié))的輸入端的信號,稱為反饋信號。若此信號是從系統(tǒng)輸出端取出送入系統(tǒng)輸入端,這種反饋信號稱主反饋信號。而其它稱為局部反饋信號。偏差:控制輸入信號與主反饋信號之差。誤差:它指系統(tǒng)輸出量的實(shí)際值與希望值之差。系統(tǒng)希望值是理想化系統(tǒng)的輸出，實(shí)際上并不存在,它只能用與控制輸入信號具有一定比例關(guān)系的信號來表示。在單位反饋情況下,希望值就是系統(tǒng)的輸入信號,誤差信號等于偏差信號。擾動量:除控制信號以外,對系統(tǒng)的輸出有影響的信號。三、反饋控制系統(tǒng)1.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)行元件被控對象擾動并聯(lián)校正元件反饋元件輸出量比較元件e(t)偏差信號主反饋信號b(t)測量反饋元件主反饋局部反饋＋＋－－給定元件被控對象（被控過程）——又稱控制對象或受控對象，指需要對它的某個特定的量進(jìn)行控制的設(shè)備或過程。被控對象的輸出變量是被控變量，常常記作輸出信號或輸出量。被控對象除了受到控制作用外，還受到外部擾動作用。給定元件——其作用是給出與期望的輸出相對應(yīng)的系統(tǒng)輸入量，是一類產(chǎn)生系統(tǒng)控制指令的裝置。測量反饋元件——如傳感器和測量儀表，感受或測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。比較元件——比較輸入信號與反饋信號，以產(chǎn)生反映兩者差值的偏差信號。放大元件——將微弱的信號作線性放大。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，以利于改善系統(tǒng)的動態(tài)品質(zhì)或靜態(tài)性能。執(zhí)行元件——根據(jù)偏差信號的性質(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。如電動機(jī)、氣動控制閥等。

例子1.人取書輸入信號眼睛大腦手、手臂眼睛+（書的位置）輸出量（手的位置）方框圖2.龍門刨床速度控制系統(tǒng)比較電路

放大器觸發(fā)器晶閘管電動機(jī)n測試發(fā)電機(jī)

方框圖四、自動控制系統(tǒng)的基本控制方式

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，這兩種控制的組合——即為復(fù)合控制，相對應(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)。

自動控制理論主要研究閉環(huán)控制系統(tǒng)

（1）反饋控制方式——閉環(huán)控制閉環(huán)控制的定義是有被控制量反饋的控制,其原理框如圖所示。從系統(tǒng)中信號流向看,系統(tǒng)的輸出信號沿反饋通道又回到系統(tǒng)的輸入端,構(gòu)成閉合通道,故稱閉環(huán)控制系統(tǒng),或反饋控制系統(tǒng)。前/正向通道反/負(fù)向通道這種控制方式,無論是由于干擾造成,還是由于結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化引起被控量出現(xiàn)偏差,系統(tǒng)就利用偏差去糾正偏差,故這種控制方式為按偏差調(diào)節(jié)。閉環(huán)控制系統(tǒng)的突出優(yōu)點(diǎn)是利用偏差來糾正偏差,使系統(tǒng)達(dá)到較高的控制精度。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)可能會產(chǎn)生振蕩，甚至系統(tǒng)失穩(wěn)而無法正常工作，這是自動控制理論和系統(tǒng)設(shè)計必須解決的重要問題。（2）開環(huán)控制開環(huán)控制系統(tǒng)是指無被控量反饋的控制系統(tǒng),即需要控制的是被控對象的某一量(被控量),而測量的只是給定信號,被控量對于控制作用沒有任何影響的系統(tǒng)。結(jié)構(gòu)如圖所示。這種控制優(yōu)點(diǎn)——結(jié)構(gòu)簡單，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)載等擾動因素不大，或這些擾動因素可以預(yù)測并進(jìn)行補(bǔ)償?shù)那疤嵯?，?yīng)盡量采用開環(huán)控制系統(tǒng).缺點(diǎn)——抗干擾性能差。當(dāng)對象或控制裝置受到外部干擾,或工作中特性參數(shù)發(fā)生變化,會直接影響被控量,而無法自動補(bǔ)償。因此,系統(tǒng)的控制精度難以保證。意味著對受控對象和其它控制元件的技術(shù)要求較高。（3）復(fù)合控制控制器控制對象擾動輸出量輸入量補(bǔ)償器控制器控制對象擾動輸出量輸入量補(bǔ)償器1-2自動控制系統(tǒng)示例函數(shù)記錄儀放大器變換器伺服電動機(jī)齒輪系繩輪記錄筆測速發(fā)電機(jī)測量電路

_位移LL函數(shù)記錄儀方框圖電阻爐微型計算機(jī)溫度控制系統(tǒng)計算機(jī)控制量給定溫度D/A變換器觸發(fā)器晶閘管導(dǎo)通角電阻絲爐溫?zé)犭娕糀/D變換器放大濾波電流電流電流溫度數(shù)值方框圖鍋爐液位控制系統(tǒng)方框圖給定值調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)閥鍋爐測量變送器

_液位