1、自動控制原理一.控制系統(tǒng)的發(fā)展史 自動控制成為一門科學(xué)是從1945發(fā)展起來的。 開始多用于工業(yè)：壓力、溫度、流量、位移、濕度、粘度自動控制 后來進(jìn)入軍事領(lǐng)域：飛機(jī)自動駕駛、火炮自動跟蹤、導(dǎo)彈、衛(wèi)星、宇宙飛船自動控制 目前滲透到更多領(lǐng)域：大系統(tǒng)、交通管理、圖書管理等 生物學(xué)系統(tǒng)：生物控制論、波斯頓假肢、人造器官 經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)：模擬經(jīng)濟(jì)管理過程、經(jīng)濟(jì)控制論 本課程與其它課程的關(guān)系：自動控制理論自動控制理論電路理論電路理論電機(jī)與拖動電機(jī)與拖動大學(xué)物理大學(xué)物理信號與系統(tǒng)信號與系統(tǒng)復(fù)變函數(shù)復(fù)變函數(shù)拉氏變換拉氏變換模擬電子技術(shù)模擬電子技術(shù)線性代數(shù)線性代數(shù)微積分微積分各各 類類專業(yè)課專業(yè)課線性系統(tǒng)線性系統(tǒng)現(xiàn)代控

2、現(xiàn)代控制理論制理論呼應(yīng)與西方工業(yè)革命發(fā)展相頻域復(fù)域時域與航天技術(shù)發(fā)展相呼應(yīng)系統(tǒng)辨識最佳估計最優(yōu)控制線性系統(tǒng)單出線性定常系統(tǒng)）（單入古典控制理論/多出變參數(shù)）（多入現(xiàn)（近）代控制理論/一、19世紀(jì)二、20世紀(jì)60年代初三、20世紀(jì)70年代量應(yīng)用計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展及大智能控制理論遺傳算法神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模糊控制專家系統(tǒng)調(diào)壓器溫度計電熱絲爐子220自動控制自動控制二.自動控制要解決的基本問題 自動控制是使一個或一些被控制的物理量按照另一個物理量即控制量的變化而變化或保持恒定，一般地說如何使控制量按照給定量的變化規(guī)律變化，就是一個控制系統(tǒng)要解決的基本問題。 自動控制自動控制:在無人直接參與的情況下，利用控制裝置

3、使設(shè)備、在無人直接參與的情況下，利用控制裝置使設(shè)備、生產(chǎn)過程（生產(chǎn)過程（被控對象被控對象）的一個物理量（）的一個物理量（被控量被控量）按）按預(yù)定規(guī)律（預(yù)定規(guī)律（給定量給定量）運(yùn)行。）運(yùn)行。 自動控制系統(tǒng)：能對被控對象的工作狀態(tài)進(jìn)行自動控制的系統(tǒng)。自動控制系統(tǒng)：能對被控對象的工作狀態(tài)進(jìn)行自動控制的系統(tǒng)。三.自動控制技術(shù)的作用1. 自動控制技術(shù)的應(yīng)用不僅使生產(chǎn)過程實現(xiàn)了自動化，極大地提高了勞動生產(chǎn)率，而且減輕了人的勞動強(qiáng)度。2. 自動控制使工作具有高度的準(zhǔn)確性，大大地提高了武器的命中率和戰(zhàn)斗力，例如火炮自動跟蹤系統(tǒng)必須采用計算機(jī)控制才能打下高速高空飛行的飛機(jī)。3. 某些人們不能直接參與工作的場合就

4、更離不開自動控制技術(shù)了，例如原子能的生產(chǎn)、火炮或?qū)椀闹茖?dǎo)等等?？刂蒲b置：對被控對象起控制作用的設(shè)備總體控制對象：需要控制的設(shè)備或生產(chǎn)過程一.開環(huán)控制 控制裝置與被控對象之間只有順向作用而沒有反向聯(lián)系的控制。 輸出量(爐溫) 控制裝置被控對象輸入信號(爐子)(開關(guān))優(yōu)點(diǎn) :結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，工作穩(wěn)定，當(dāng)輸入信號和擾動能預(yù)先知道時，控制效果較好。缺點(diǎn)：不能自動修正被控制量的偏離，系統(tǒng)的元件參數(shù)變化以及外來的未知擾動對控制精度影響較大。適用場合：不存在干擾，元件比較穩(wěn)定，精度要求不高的場合。調(diào)壓器溫度計電熱絲爐子220人工閉環(huán)控制人工閉環(huán)控制二.閉環(huán)控制 控制目標(biāo)：控制目標(biāo)：要求爐子的溫度恒定在

5、期望的數(shù)值上。要求爐子的溫度恒定在期望的數(shù)值上。 控制過程：控制過程：輸入信號（期望爐溫）輸出信號（實際爐溫）腦（計算、比較）放大、執(zhí)行（手臂、手）被控對象（電熱絲、爐子）測量（眼睛）人工閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)框圖人工閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)框圖手臂,手人眼輸入信號大腦人眼輸出信號用自動裝置代替人工操作自動控制自動控制buu+_實際溫度電壓放大器功率放大器爐子熱電偶電機(jī)、減速器、調(diào)壓器期望溫度ru自動控制框圖自動控制框圖閉環(huán)控制一般形式閉環(huán)控制一般形式一般的形式一般的形式 輸入信號輸出信號放大比較執(zhí)行被控對象測量輸入信號輸入信號系統(tǒng)控制目標(biāo)的反映系統(tǒng)控制目標(biāo)的反映控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)主要完成對有關(guān)信號的變換、處理，發(fā)出

6、主要完成對有關(guān)信號的變換、處理，發(fā)出控制量，驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成控制功能?？刂屏?，驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成控制功能。輸出信號輸出信號系統(tǒng)的控制結(jié)果，反映了被控對象的運(yùn)行系統(tǒng)的控制結(jié)果，反映了被控對象的運(yùn)行狀況。狀況。 反饋(feedback)：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(chǎn)生偏差信號過程稱為反饋 負(fù)反饋(negative feedback)：輸入信號-反饋信號（或輸出信號）使得系統(tǒng)的輸出偏差減小 正反饋（positive feedback)：輸入信號+反饋信號 反饋控制(feedback control)：把系統(tǒng)的輸出信號引回輸入端，與輸入信號相比較，利用所得的偏差信號進(jìn)行控制，達(dá)

7、到減小偏差、消除偏差的目的。 閉環(huán)控制(closed-loop control)閉環(huán)控制工作原理：閉環(huán)控制工作原理：外部作用：外部作用：rcrc偏離干擾量：使跟蹤給定量：使控制目的：排除干擾因素、影響、使被控量隨給定量變化?？刂颇康模号懦蓴_因素、影響、使被控量隨給定量變化。優(yōu)點(diǎn)：具有自動修正被控制量出現(xiàn)偏離的能力，可以修正元件參數(shù)變化以及外界擾動引起的誤差，控制精度高。缺點(diǎn)：被控量可能出現(xiàn)振蕩，甚至發(fā)散。適用場合：系統(tǒng)元件參數(shù)變化和擾動無法預(yù)計的場合。 、偏差信號起控制作用路、有反饋，能夠成閉回)2) 1是按偏差控制的、具有負(fù)反饋的閉環(huán)系統(tǒng)介紹由原理圖畫方塊圖的步驟：（以角度隨動系統(tǒng)為例）介

8、紹由原理圖畫方塊圖的步驟：（以角度隨動系統(tǒng)為例）1、看懂工作原理圖，找出被控量、被控對象、給定量。、看懂工作原理圖，找出被控量、被控對象、給定量。2、從兩頭來，先畫出給定量、被控對象和被控量。、從兩頭來，先畫出給定量、被控對象和被控量。3、依原理圖補(bǔ)上中間部分。、依原理圖補(bǔ)上中間部分。分類（按輸入信號的形式不同）穩(wěn)定系統(tǒng)（調(diào)節(jié)系統(tǒng)）:r（t）是定常值（如爐溫系統(tǒng)）隨動系統(tǒng)（跟蹤系統(tǒng)）：r（t）是時變量（如角度控制系統(tǒng)）術(shù)語: 參考輸入 主反饋 偏差 控制量 擾動 輸出一.組成與術(shù)語 組成: 1.測量元件：測量被控量 2.比較元件：產(chǎn)生偏差信號 3.放大元件：對偏差信號進(jìn)行幅值、功率放大 4.執(zhí)

9、行元件：對被控對象施加作用 5.校正元件：改善系統(tǒng)性能 6.給定元件：給出輸入信號自動控制系統(tǒng)的類型自動控制系統(tǒng)的類型穩(wěn)定系統(tǒng)（調(diào)節(jié)系統(tǒng)）:r（t）是定常值（如爐溫系統(tǒng)）隨動系統(tǒng)（跟蹤系統(tǒng)）：r（t）是時變量（如角度控制系統(tǒng)）按描述元件的動態(tài)方程分類按描述元件的動態(tài)方程分類線性系統(tǒng)線性系統(tǒng)特征：元件是線性的、系統(tǒng)運(yùn)動方程可用線性特征：元件是線性的、系統(tǒng)運(yùn)動方程可用線性微分方程或差分方程描述。滿足疊加原理微分方程或差分方程描述。滿足疊加原理非線性系統(tǒng)非線性系統(tǒng)特征：系統(tǒng)中含有至少一個非線性元件、系統(tǒng)特征：系統(tǒng)中含有至少一個非線性元件、系統(tǒng)運(yùn)動方程需用非線性方程或差分方程描述運(yùn)動方程需用非線性方程

10、或差分方程描述典型非線性：飽和、死區(qū)、繼電器、傳動間隙典型非線性：飽和、死區(qū)、繼電器、傳動間隙按系統(tǒng)傳遞的信號分類按系統(tǒng)傳遞的信號分類連續(xù)系統(tǒng)連續(xù)系統(tǒng)特征：系統(tǒng)各環(huán)節(jié)之間傳遞的信號均為時間特征：系統(tǒng)各環(huán)節(jié)之間傳遞的信號均為時間的連續(xù)函數(shù)，一般用微分方程描述。的連續(xù)函數(shù)，一般用微分方程描述。離散系統(tǒng)離散系統(tǒng)特征：在信號傳遞過程中，至少有一處的信特征：在信號傳遞過程中，至少有一處的信號是脈沖序列或數(shù)字編碼。計算機(jī)控制系統(tǒng)號是脈沖序列或數(shù)字編碼。計算機(jī)控制系統(tǒng)按輸入輸出信號數(shù)量分類按輸入輸出信號數(shù)量分類單輸入單輸出系統(tǒng)（單變量系統(tǒng)）單輸入單輸出系統(tǒng)（單變量系統(tǒng)）特征：輸入輸出變量僅有一個。特征：輸入

11、輸出變量僅有一個。多輸入多輸出系統(tǒng)多輸入多輸出系統(tǒng)特征：輸入輸出變量多于一個特征：輸入輸出變量多于一個。按系統(tǒng)參數(shù)是否隨時間變化分類按系統(tǒng)參數(shù)是否隨時間變化分類定常系統(tǒng)定常系統(tǒng)特征：系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)是確定的、已知的，特征：系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)是確定的、已知的，系統(tǒng)的輸入信號也是確定的，可以用解析式系統(tǒng)的輸入信號也是確定的，可以用解析式或圖表確切表示?；驁D表確切表示。時變系統(tǒng)時變系統(tǒng)特征：系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)是不確定的或系統(tǒng)特征：系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)是不確定的或系統(tǒng)的輸入信號是不確定的。的輸入信號是不確定的。 按系統(tǒng)微分方程分類按系統(tǒng)微分方程分類集中參數(shù)系統(tǒng)集中參數(shù)系統(tǒng)特征：能用常微分方程描述特征：能用常微

12、分方程描述分布參數(shù)系統(tǒng)分布參數(shù)系統(tǒng)特征：至少有一個環(huán)節(jié)需要用偏微分方程特征：至少有一個環(huán)節(jié)需要用偏微分方程描述。描述?？刂七^程有一個過渡過程：控制過程有一個過渡過程：1、內(nèi)部原因：系統(tǒng)有慣性，有儲能元件。、內(nèi)部原因：系統(tǒng)有慣性，有儲能元件。2、外部原因：參數(shù)配置不當(dāng)。、外部原因：參數(shù)配置不當(dāng)。性能要求：性能要求：穩(wěn)穩(wěn)：穩(wěn)定性：穩(wěn)定性 是保證控制系統(tǒng)正常工作的先決條是保證控制系統(tǒng)正常工作的先決條件件 線性控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性由系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)與線性控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性由系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)與參數(shù)所決定的，與外部條件無關(guān)。參數(shù)所決定的，與外部條件無關(guān)。快快：快速性：快速性 （動態(tài)要求）（動態(tài)要求） 是系統(tǒng)在穩(wěn)定的條是系統(tǒng)在穩(wěn)定的條件下，衡量系統(tǒng)過渡過程的形式和快慢，通常件下，衡量系統(tǒng)過渡過程的形式和快慢，通常稱為稱為“系統(tǒng)動態(tài)性能系統(tǒng)動態(tài)性能”。過渡過程時間、超調(diào)。過渡過程時間、超調(diào)量量準(zhǔn)準(zhǔn)：準(zhǔn)確性：準(zhǔn)確性 （穩(wěn)態(tài)要求）（穩(wěn)態(tài)要求）是在系統(tǒng)過渡過程結(jié)是在系統(tǒng)過渡過程結(jié)束后，衡量系統(tǒng)輸出（被控量）達(dá)到的穩(wěn)態(tài)值束后，衡量系統(tǒng)輸出（被控量）達(dá)到的穩(wěn)態(tài)值與系