自動(dòng)控制系統(tǒng)的一般概念詳解演示文稿目前一頁(yè)\總數(shù)三十三頁(yè)\編于十一點(diǎn)（優(yōu)選）自動(dòng)控制系統(tǒng)的一般概念目前二頁(yè)\總數(shù)三十三頁(yè)\編于十一點(diǎn)§1-1

自動(dòng)控制的基本原理與方式一、自動(dòng)控制技術(shù)及其應(yīng)用

幾個(gè)基本概念

什么是控制？掌握住對(duì)象，不使其任意活動(dòng)或超出范圍，或使其按照控制者的意愿活動(dòng)。

什么是自動(dòng)控制(技術(shù))？★在沒(méi)有人直接參與的條件下，利用控制裝置使被控對(duì)象按照預(yù)定的技術(shù)要求進(jìn)行工作。

或：利用外加設(shè)備或裝置(控制裝置、控制器)，使機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過(guò)程(被控對(duì)象)的某個(gè)工作狀態(tài)或參數(shù)(被控量)自動(dòng)地按預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行(控制目標(biāo))。目前三頁(yè)\總數(shù)三十三頁(yè)\編于十一點(diǎn)

什么是自動(dòng)控制系統(tǒng)？為到達(dá)某一目的，由相互制約的各個(gè)部件按一定規(guī)律組織成的具有一定功能的整體，一般由控制裝置和被控對(duì)象組成。

被控對(duì)象：指需要給以控制的機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過(guò)程。被控對(duì)象是控制系統(tǒng)的主體，例如火箭、鍋爐、機(jī)器人、電冰箱等。

控制裝置

：指對(duì)被控對(duì)象起控制作用的設(shè)備總體。

被控量

：指被控對(duì)象中要求保持給定值、要按給定規(guī)律變化的物理量。被控量又稱輸出量、輸出信號(hào)。

給定值：是作用于自動(dòng)控制系統(tǒng)的輸入端并作為控制依據(jù)的物理量。給定值又稱輸入信號(hào)、輸入指令、參考輸入。目前四頁(yè)\總數(shù)三十三頁(yè)\編于十一點(diǎn)

應(yīng)用領(lǐng)域：生物、醫(yī)學(xué)、經(jīng)濟(jì)管理等人類活動(dòng)的各個(gè)領(lǐng)域。二、自動(dòng)控制理論：研究自動(dòng)控制共同規(guī)律的技術(shù)科學(xué)。問(wèn)題4：如何使給定對(duì)象滿足性能指標(biāo)？——系統(tǒng)綜合問(wèn)題3：給定對(duì)象是否滿足性能指標(biāo)要求？——系統(tǒng)分析問(wèn)題2：如何描述控制目標(biāo)？——性能指標(biāo)問(wèn)題1：如何描述一個(gè)對(duì)象？——數(shù)學(xué)模型

反饋量

：由被控量通過(guò)反饋元件所產(chǎn)生的信號(hào)，它是被控量的函數(shù)。

干擾量

：除給定值之外，凡能引起被控量變化的信號(hào)，都是干擾。干擾又稱擾動(dòng)。目前五頁(yè)\總數(shù)三十三頁(yè)\編于十一點(diǎn)自動(dòng)控制理論的發(fā)展：①

經(jīng)典(古典)控制理論②

現(xiàn)代控制理論③

智能控制理論二戰(zhàn)期間(20世紀(jì)40年代)，為了設(shè)計(jì)和制造飛機(jī)及船用自動(dòng)駕駛儀、火炮定位系統(tǒng)、雷達(dá)跟蹤系統(tǒng)以及其它基于反饋原理的軍用裝備，促進(jìn)和完善了自動(dòng)控制理論的發(fā)展。戰(zhàn)后已形成了完整的自動(dòng)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(jì)問(wèn)題。主要數(shù)學(xué)工具是積分變換，用頻率特性法及根軌跡法研究控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性的理論。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(wèn)題。以微分方程、線性代數(shù)及數(shù)值計(jì)算為主要數(shù)學(xué)工具，用狀態(tài)空間法研究系統(tǒng)狀態(tài)運(yùn)動(dòng)的理論。正向以控制論、信息論、仿生學(xué)為基礎(chǔ)的智能控制理論深入。目前六頁(yè)\總數(shù)三十三頁(yè)\編于十一點(diǎn)

例1：人用手拿物品。

控制目標(biāo)：手拿到物品。1.手:抓取物品。功能：受控對(duì)象、執(zhí)行部件。2.大腦:協(xié)調(diào)眼、手工作。功能：比較物品與手之間的接近程度(比較元件)；控制手的動(dòng)作(控制部件)。3.眼睛:觀察物品與手的位置。功能：檢測(cè)元件。

相關(guān)部件：物品大腦眼睛位置手臂、手眼睛位置手目前七頁(yè)\總數(shù)三十三頁(yè)\編于十一點(diǎn)

例2：龍門(mén)刨床速度控制系統(tǒng)。

控制目標(biāo)：刀架速度恒定。

相關(guān)部件：放大器

FD調(diào)節(jié)觸發(fā)器CF電動(dòng)機(jī)控制部件？

實(shí)現(xiàn)方式：輸入恒定電壓，電機(jī)速度恒定。轉(zhuǎn)速設(shè)定速度晶閘管整流裝置KZ測(cè)速發(fā)電機(jī)1.電機(jī)(SM)。功能：執(zhí)行部件。2.測(cè)速機(jī)(TG)。功能：將速度信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，檢測(cè)元件。3.放大器(FD)。功能：比較、放大，比較元件。4.調(diào)節(jié)觸發(fā)器(CF)。功能：電壓放大。5.晶閘管整流裝置(KZ)。功能：整流、功率放大，輸出電樞電壓。目前八頁(yè)\總數(shù)三十三頁(yè)\編于十一點(diǎn)三、反饋控制原理

反饋控制：將輸出量送回到輸入端，并用于控制。

負(fù)反饋：輸出量送回到輸入端，與輸入信號(hào)相減，使偏差越來(lái)越小。

有靜差系統(tǒng)：在穩(wěn)態(tài)時(shí)被控量與設(shè)定值存在偏差。這個(gè)誤差稱為穩(wěn)態(tài)誤差。

按偏差控制(誤差控制)

：根據(jù)設(shè)定值(期望值)與輸出值

(實(shí)際值)的偏差量，確定對(duì)象的動(dòng)作。

正反饋：輸出量送回到輸入端，與輸入信號(hào)相加，使偏差越來(lái)越大。

無(wú)靜差系統(tǒng)：在穩(wěn)態(tài)時(shí)被控量與設(shè)定值不存在偏差。目前九頁(yè)\總數(shù)三十三頁(yè)\編于十一點(diǎn)四、反饋控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成

給定元件：設(shè)定被控量的期望值，產(chǎn)生系統(tǒng)輸入量(參據(jù)量)。

比較元件：比較設(shè)定值與實(shí)際值，產(chǎn)生相應(yīng)的偏差信號(hào)。

測(cè)量元件：檢測(cè)被控對(duì)象的輸出量，將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。也稱為傳感器、傳感元件。

放大元件：對(duì)偏差信號(hào)進(jìn)行放大，包括信號(hào)放大和功率放大。

校正元件：為改善系統(tǒng)性能，連接在系統(tǒng)中的部件。也叫補(bǔ)償元件。可以有串聯(lián)補(bǔ)償、反饋補(bǔ)償、順饋補(bǔ)償。

執(zhí)行元件：直接使輸出量產(chǎn)生變化的部件。

反饋元件：將輸出量引回到輸入端的部件。目前十頁(yè)\總數(shù)三十三頁(yè)\編于十一點(diǎn)典型反饋系統(tǒng)組成：?jiǎn)伍]環(huán)系統(tǒng)輸入量放大元件輸出量執(zhí)行元件補(bǔ)償元件反饋元件被控對(duì)象目前十一頁(yè)\總數(shù)三十三頁(yè)\編于十一點(diǎn)典型反饋系統(tǒng)組成：雙閉環(huán)系統(tǒng)主回路主反饋內(nèi)回路局部反饋輸入量輸出量補(bǔ)償元件放大元件被控對(duì)象執(zhí)行元件反饋元件測(cè)量元件目前十二頁(yè)\總數(shù)三十三頁(yè)\編于十一點(diǎn)五、自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本控制方式

反饋（閉環(huán)）控制方式

開(kāi)環(huán)控制方式：被控對(duì)象各部件的信號(hào)只沿著順向傳遞，輸出量不會(huì)對(duì)系統(tǒng)的控制產(chǎn)生影響。

順饋控制方式：在干擾可測(cè)量的時(shí)候，將干擾量測(cè)量出來(lái)，送到輸入端，產(chǎn)生干擾補(bǔ)償信號(hào)，以減少干擾對(duì)系統(tǒng)的影響。本質(zhì)：按擾動(dòng)開(kāi)環(huán)控制。輸入量放大元件輸出量執(zhí)行元件被控對(duì)象輸入量干擾測(cè)量放大元件輸出量執(zhí)行元件干擾輸入被控對(duì)象目前十三頁(yè)\總數(shù)三十三頁(yè)\編于十一點(diǎn)

復(fù)合控制方式：將反饋控制與順饋結(jié)合的控制方式。輸入量干擾測(cè)量放大元件輸出量執(zhí)行元件干擾輸入補(bǔ)償元件反饋元件被控對(duì)象目前十四頁(yè)\總數(shù)三十三頁(yè)\編于十一點(diǎn)§1-2

自動(dòng)控制系統(tǒng)示例一、函數(shù)記錄儀

控制目標(biāo)：紀(jì)錄筆按要求到達(dá)規(guī)定位置。

控制量：紀(jì)錄筆位置。

控制對(duì)象：紀(jì)錄筆。

記錄筆運(yùn)動(dòng)原理：給定一個(gè)電壓信號(hào)，設(shè)定位移量，在輸入作用下啟動(dòng)電機(jī)，帶動(dòng)齒輪、繩系，拖動(dòng)紀(jì)錄筆運(yùn)動(dòng)。

位置精度考慮：為了使紀(jì)錄筆能準(zhǔn)確到達(dá)指定位置，應(yīng)將紀(jì)錄筆的位置測(cè)量出來(lái)，用來(lái)反饋。

電機(jī)拖動(dòng)考慮：紀(jì)錄筆有慣性，希望電機(jī)速度能按所需位移量進(jìn)行控制，所以將電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量出來(lái)，用來(lái)反饋。目前十五頁(yè)\總數(shù)三十三頁(yè)\編于十一點(diǎn)目前十六頁(yè)\總數(shù)三十三頁(yè)\編于十一點(diǎn)輸入量輸出量傳動(dòng)機(jī)構(gòu)放大器記錄筆伺服電機(jī)位置測(cè)量測(cè)速電機(jī)目前十七頁(yè)\總數(shù)三十三頁(yè)\編于十一點(diǎn)二、飛機(jī)自動(dòng)駕駛儀系統(tǒng)目前十八頁(yè)\總數(shù)三十三頁(yè)\編于十一點(diǎn)

控制目標(biāo)：按設(shè)定的規(guī)律，控制飛機(jī)的飛行姿態(tài)。

飛行姿態(tài)：橫向，巡航方向?？v向，飛機(jī)的升降。

舵機(jī)控制：位置伺服控制(內(nèi)回路)。位移傳感器測(cè)量。

縱向控制：給定一個(gè)電壓信號(hào)，設(shè)定飛機(jī)爬升(俯沖)的傾角

,該信號(hào)經(jīng)過(guò)放大，控制升降舵的移動(dòng)。升降舵的角度，決定了飛機(jī)爬升(俯沖)的傾角

。

外回路：飛機(jī)傾角的反饋控制。垂直陀螺儀測(cè)量。

自動(dòng)駕駛儀：根據(jù)飛行要求，提供設(shè)定的電壓信號(hào)。并與測(cè)量到的輸出信號(hào)，產(chǎn)生相應(yīng)的控制規(guī)律。

目前十九頁(yè)\總數(shù)三十三頁(yè)\編于十一點(diǎn)駕駛儀放大器飛機(jī)舵機(jī)位置測(cè)量位移傳感器干擾目前二十頁(yè)\總數(shù)三十三頁(yè)\編于十一點(diǎn)三、電阻爐微型計(jì)算機(jī)溫度控制系統(tǒng)

控制目標(biāo)：電爐溫度在設(shè)定的范圍內(nèi)。

工作原理：電阻絲通過(guò)晶閘管主電路加熱。溫度依靠電阻絲中的電流大小來(lái)調(diào)節(jié)。

溫度檢測(cè)：熱電偶。

計(jì)算機(jī)控制器特點(diǎn)：微型計(jì)算機(jī)采用數(shù)字量，按節(jié)拍工作。

控制器：微型計(jì)算機(jī)。設(shè)定溫度微型計(jì)算機(jī)爐溫A/D轉(zhuǎn)換D/A轉(zhuǎn)換晶閘管電阻絲熱電偶目前二十一頁(yè)\總數(shù)三十三頁(yè)\編于十一點(diǎn)四、鍋爐液位控制系統(tǒng)目前二十二頁(yè)\總數(shù)三十三頁(yè)\編于十一點(diǎn)

控制目標(biāo)：鍋爐內(nèi)水位在設(shè)定范圍(進(jìn)水量與蒸發(fā)水量平衡)。

調(diào)節(jié)量：通過(guò)調(diào)節(jié)進(jìn)水閥門(mén)開(kāi)賭的大小，改變進(jìn)水量。

工作原理：由液位測(cè)量裝置（變送器）測(cè)出液位信號(hào)，與設(shè)定值比較，若液位降低，則加大閥門(mén)開(kāi)度，反之則減小。設(shè)定水位調(diào)節(jié)器水位鍋爐閥門(mén)液位測(cè)量干擾目前二十三頁(yè)\總數(shù)三十三頁(yè)\編于十一點(diǎn)§1-3

自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類按控制方式按被控對(duì)象按系統(tǒng)性能按給定值變化規(guī)律按系統(tǒng)功用按給定值操縱的開(kāi)環(huán)控制按干擾補(bǔ)償?shù)拈_(kāi)環(huán)控制按偏差調(diào)節(jié)的閉環(huán)控制復(fù)合控制：閉環(huán)反饋為主，開(kāi)環(huán)補(bǔ)償為輔恒值系統(tǒng)隨動(dòng)系統(tǒng)程序控制系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)過(guò)程控制系統(tǒng)溫度控制系統(tǒng)壓力控制系統(tǒng)位置控制系統(tǒng)線性/非線性系統(tǒng)連續(xù)/離散性系統(tǒng)定常/時(shí)變性系統(tǒng)確定/不確定系統(tǒng)目前二十四頁(yè)\總數(shù)三十三頁(yè)\編于十一點(diǎn)參據(jù)量是一個(gè)常值，要求被控量也等于一個(gè)常值(不一定相等)，又稱為調(diào)節(jié)器系統(tǒng)或自動(dòng)調(diào)整系統(tǒng)。如前述鍋爐液位系統(tǒng)、爐溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)。工業(yè)控制中，若被控量是溫度、壓力、流量、液位等生產(chǎn)過(guò)程參量時(shí)，這種控制系統(tǒng)稱為過(guò)程控制系統(tǒng)，它們多數(shù)屬于恒值控制系統(tǒng)。參據(jù)量是預(yù)先未知的隨時(shí)間任意變化的函數(shù)，要求被控量以盡可能小的誤差跟隨參據(jù)量的變化，故又稱為跟蹤系統(tǒng)。如前述自動(dòng)駕駛儀系統(tǒng)。若參據(jù)量是機(jī)械位置或其導(dǎo)數(shù)時(shí)，這類系統(tǒng)稱為伺服系統(tǒng)?？刂戚敵隽?，使之按設(shè)定的規(guī)律變化。如數(shù)控機(jī)床、自動(dòng)生產(chǎn)線。恒值控制系統(tǒng)(調(diào)節(jié)器)隨動(dòng)系統(tǒng)(伺服系統(tǒng))程序控制系統(tǒng)目前二十五頁(yè)\總數(shù)三十三頁(yè)\編于十一點(diǎn)線性系統(tǒng)組成系統(tǒng)的元器件的特性均為線性(或基本線性)，能用線性常微分方程描述其輸入與輸出關(guān)系的系統(tǒng)：當(dāng)系數(shù)都是常數(shù)時(shí)，稱為定?；驎r(shí)不變或自治系統(tǒng)；當(dāng)系數(shù)至少有一個(gè)是隨時(shí)間變化時(shí)，稱為時(shí)變或非自治系統(tǒng)。線性系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是具有齊次性和疊加性目前二十六頁(yè)\總數(shù)三十三頁(yè)\編于十一點(diǎn)即有：若輸入時(shí)，輸出為；輸入時(shí)，輸出為。則輸入為時(shí)，輸出為。非線性控制系統(tǒng)嚴(yán)格地說(shuō)，實(shí)際物理系統(tǒng)中都含有程度不同的非線性元部件，但只要非線性不嚴(yán)重，能用線性系統(tǒng)理論和方法對(duì)待的系統(tǒng)均可稱為線性系統(tǒng)。系統(tǒng)中只要有一個(gè)元部件的輸入—輸出特性是非線性的系統(tǒng)，用非線性微分(或差分)方程描述其特性。非線性方程的特點(diǎn)是系數(shù)與變量有關(guān)，或方程中含有變量及其導(dǎo)數(shù)的高次冪或乘積項(xiàng)。如：目前二十七頁(yè)\總數(shù)三十三頁(yè)\編于十一點(diǎn)

連續(xù)系統(tǒng)：各部分的輸入輸出信號(hào)都是連續(xù)函數(shù)的模擬量。

某處或多處的信號(hào)為脈沖系列或數(shù)碼形式，因而信號(hào)在時(shí)間上是離散的。連續(xù)信號(hào)經(jīng)采樣開(kāi)關(guān)的采樣就可以轉(zhuǎn)換成離散信號(hào)去進(jìn)行控制的系統(tǒng)稱為采樣控制系統(tǒng)或脈沖控制系統(tǒng)。離散系統(tǒng)描述的特點(diǎn)：用差分方程來(lái)描述。

離散系統(tǒng)

單變量系統(tǒng)：輸入量和輸出量各有一個(gè)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。

多變量系統(tǒng)：輸入量和輸出量多于一個(gè)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

確定系統(tǒng)：結(jié)構(gòu)和參數(shù)是確定的、已知的，系統(tǒng)輸入信號(hào)也是確定的，可用解析式或圖表確切表示的系統(tǒng)。不確定系統(tǒng)：當(dāng)系統(tǒng)本身或作用于該系統(tǒng)的輸入信號(hào)不確定的系統(tǒng)。目前二十八頁(yè)\總數(shù)三十三頁(yè)\編于十一點(diǎn)§1-4

對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求一、基本要求的提法

穩(wěn)定性★穩(wěn)定性是指系統(tǒng)在沒(méi)有外加信號(hào)激勵(lì)條件下，能否最終停留在一個(gè)固定的位置上。輸出量偏離平衡狀態(tài)后應(yīng)該隨著時(shí)間收斂并且最后回到初始的平衡