—章自動(dòng)控制的般概念

1、0、自動(dòng)控制知識(shí)的理論體系結(jié)構(gòu)U程控制論：研究自動(dòng)控制技術(shù)與思維I生物控制論：自動(dòng)控制J理論1經(jīng)生態(tài)平衡濟(jì)控制論：社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展，對(duì)經(jīng)濟(jì)干預(yù)、控制，反之經(jīng)濟(jì)失控人 I社會(huì)控制論：口控制資料個(gè)人收集整理，勿做商業(yè)用途經(jīng)典控制理論：研究對(duì)象：單輸入、單輸岀的線性時(shí)不變系統(tǒng)工程自動(dòng)控制J J方法：傳遞函數(shù)描述，頻率法，根跡法現(xiàn)代控制理論：研究對(duì)象：多輸入、多輸出非線性時(shí)變系統(tǒng)方 法：用一階方程組描述，狀態(tài)空間法分析、設(shè)計(jì)本課程的知識(shí)地位：基礎(chǔ)課：信號(hào)與系統(tǒng)分析后續(xù)課：過程控制、系統(tǒng)辨識(shí)，最優(yōu)控制、計(jì)算機(jī)控制等課程內(nèi)容安排：第一章 自動(dòng)控制概論控制系統(tǒng)第二章 的數(shù)學(xué)模型線性系統(tǒng)的第三章 時(shí)域分析法

2、 頻率響應(yīng)分第五章 析法線性系統(tǒng)的校正方第六章法介紹使用MATLA分析與設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)參考書目：18元24元32元自動(dòng)控制原理，主編鄭有根,自動(dòng)控制原理，主編馮巧玲,自動(dòng)控制原理，主編宋麗蓉,重慶大學(xué)出版社，機(jī)械工業(yè) 出版社，北京航空航天大學(xué) 出版社，導(dǎo)彈發(fā)射架方位角控制系統(tǒng)原理圖第一章 自動(dòng)控制的概論采用離心調(diào)速器的蒸汽機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)如圖1-19所示。其工作原理是：當(dāng)蒸汽機(jī)帶動(dòng)負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)，通過圓錐齒輪帶動(dòng)一對(duì)飛錘作水平旋轉(zhuǎn)。飛錘通過較鏈可帶動(dòng)套筒上下滑動(dòng)，套筒內(nèi)裝有平衡 彈簧，套筒上下滑動(dòng)時(shí)可撥動(dòng)杠桿，杠桿另一端通過連桿調(diào)節(jié)供汽閥門的開度。在蒸汽機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，飛錘旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的離心力與彈簧的

3、反彈力相平衡，套筒保持某個(gè)高度，使閥門處于一個(gè)平衡位置。如果由于負(fù)載增大使蒸汽機(jī)轉(zhuǎn)速下降，則飛錘因離心力減小而使套筒向下滑動(dòng)，并通過杠桿增大供汽閥門的開度，從而使蒸汽機(jī)的轉(zhuǎn)速回升。同理，如果由于負(fù)載減小使蒸汽機(jī)的轉(zhuǎn)速增加，則飛錘因離心力增加而使套筒上滑，并通過杠桿減小供汽閥門的開度，迫使蒸汽機(jī)轉(zhuǎn)速回落。這樣，離心調(diào)速器就能自動(dòng)地抵制負(fù)載資料個(gè)人收集整理，勿做商業(yè)用途變化對(duì)轉(zhuǎn)速的影響，使蒸汽機(jī)的轉(zhuǎn)速保持在某個(gè)期望值附近。圖解1T導(dǎo)彈發(fā)射架方位控制系統(tǒng)方框圏圖1-18是控制導(dǎo)彈發(fā)射架方位的電位器式隨動(dòng)系統(tǒng)原理圖。圖中電位器R、匕并聯(lián)后跨接到同一電源E。的兩端，其滑臂分別與輸入軸和輸出軸相聯(lián)結(jié)，組成

4、方位角的給定元件和測量反饋元件。輸入 軸由手輪操縱；輸出軸則由直流電動(dòng)機(jī)經(jīng)減速后帶動(dòng)，電動(dòng)機(jī)采用電樞控制的方式工作。資料個(gè)人收集整理，勿做商業(yè)用途當(dāng)導(dǎo)彈發(fā)射架的方位角與輸入軸方位角一致時(shí)，系統(tǒng)處于相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)搖動(dòng)手輪使電位器R的滑臂轉(zhuǎn)過一個(gè)輸入角q的瞬間，由于輸出軸的轉(zhuǎn)角日o ,于是出現(xiàn)一個(gè)誤差角日e二耳-日。，該誤差角通過電位器Pi、P2轉(zhuǎn)換成偏差電壓Ue二Ui-U。, Ue經(jīng)放大后驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，在驅(qū)動(dòng)導(dǎo)彈發(fā)射架轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)，通過輸出軸帶2/7動(dòng)電位器P2的滑臂轉(zhuǎn)過一定的角度00,直至日。二3時(shí)，Ui =Uo ,偏差電壓Ue= 0,電動(dòng) 機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。這 時(shí)，導(dǎo)彈發(fā)射架停留在相應(yīng)的方位角上

5、。只要作用，控制的結(jié)果是消除工日。，偏差就會(huì)產(chǎn)生調(diào)節(jié) 偏差9,使輸出量8。嚴(yán)格地跟隨輸入量9匚的變化而變化。資料個(gè)人收集整理，勿做商業(yè)用途系統(tǒng)中，導(dǎo)彈發(fā)射架是被控對(duì)象，發(fā)射架方位角0。是被控量，通過手輪輸入的角度9i是給定量。系統(tǒng)方框圖如圖解1-4所示。資料個(gè)人收集整理，勿做商業(yè)用途彳列：溫l控系統(tǒng)（目的達(dá)到并保持某一溫度）U電源rjf-調(diào)壓器電熱鰭ffi 1. 1 人工控制的恒溫系統(tǒng)圖L2溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)原理圖過程框圖：叭-*0-*放尢器 齊執(zhí)行機(jī)構(gòu)檢測元件擾動(dòng)控制對(duì)象實(shí)際箱蠱圖1-3溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)1-1自動(dòng)控制與自動(dòng)控制系統(tǒng)的定義（穩(wěn)、快、準(zhǔn)）自動(dòng)控制利用控制裝置自動(dòng)地操縱機(jī)器設(shè)備或生產(chǎn)

6、過程，使其具有希望的狀態(tài)或功能。自動(dòng) 控制系統(tǒng) 能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)控制任務(wù)的系統(tǒng)。由控制器與控制對(duì)象組成?？刂艼對(duì)象 要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的機(jī)器，設(shè)備或生產(chǎn)過程。控制器 輸出量 輸入量 擾動(dòng)對(duì)控制對(duì)象起控制作用的設(shè)備總體。表現(xiàn)于控制對(duì)象或系統(tǒng)輸出端，并要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的物理量。作用于控制對(duì)象或系統(tǒng)輸入端，并可使系統(tǒng)具有預(yù)定功能或預(yù)定輸出的物理量。破 壞系統(tǒng)輸入量和輸出量之間預(yù)定規(guī)律的信號(hào)。1-2自動(dòng)控制系統(tǒng)的控制方式1、開環(huán)控制系統(tǒng)開環(huán)控制是指控制器與控制對(duì)象之間只有順向作用而沒有反向聯(lián)系的 控制過程。分按 給定值操縱和按擾動(dòng)補(bǔ)償兩種形式。（例北航P2-3開環(huán)數(shù)控機(jī)床）資料個(gè)人收集整理， 勿做商業(yè)用途（

7、1）按給定值操縱 原理方框圖如圖1-1所示。信號(hào)由給定值至輸出量單向傳遞。一系統(tǒng) 定的給定值對(duì)應(yīng)一定的輸岀量。松刪輙夬于系統(tǒng)事先的調(diào)整精度， 對(duì)工作過程 特性參數(shù)的變化無法自動(dòng)補(bǔ)償。定和擾動(dòng)信號(hào) 中結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，多用于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)穩(wěn)自動(dòng) 報(bào)警器，自動(dòng)化流水線及自動(dòng)洗衣機(jī)等。擾動(dòng)測量裝置片1較弱的場合。如：自動(dòng)售貨機(jī)，資料個(gè)人收集整 理，勿做商業(yè)用途擾動(dòng)I給定值H控制器IT控制對(duì)象圖1一圖1一（2）按擾動(dòng)補(bǔ)禪原理方框圖如圖號(hào)的測量洋繃淑作這種控制方式的原掘是：利用對(duì)擾動(dòng)信由于擾 用，以補(bǔ)償擾動(dòng)對(duì)輸出量的影響。對(duì)象的輸出量是單向傳遞動(dòng)信號(hào)經(jīng)測量裝置，控制器至對(duì)于不可測擾動(dòng) 的，故屬于開環(huán)控制

8、方式。以及對(duì)象、各功能部件因此控制精度有限。常內(nèi)部參數(shù)變化給輸出量造成的影響，系統(tǒng)自身無法控制。 用于工作機(jī)資料個(gè)人收集整理，勿做商業(yè)用械的恒速控制（如穩(wěn)定刀具轉(zhuǎn)速）以及電源系統(tǒng)的穩(wěn)壓、穩(wěn)頻控制。途2、閉環(huán)控制系統(tǒng)又稱反饋控制（例北航P3閉環(huán)數(shù)控機(jī)床）。指控制器與控制對(duì)象之間既有順向作用又有 反向聯(lián)系的控制過程。其主要特點(diǎn)為：資料個(gè)人收集整理，勿做商業(yè)用途（1）（2）閉環(huán)負(fù)反饋控制，即按偏差調(diào)節(jié)；抗擾性好，控（3）制精度高；系統(tǒng)參數(shù)應(yīng)適當(dāng)選擇，否則可能不能正常工作。閉環(huán)控制典型方框圖如圖1-3所示。圖1-33、復(fù)合控制系統(tǒng)復(fù)合控制是開環(huán)控制和閉環(huán)控制相結(jié)合的一種控制方式。它是在閉環(huán)控制回路 的

9、基礎(chǔ)上，附加一個(gè)輸入信號(hào)或擾動(dòng)信號(hào)的順饋通路，用來提高系統(tǒng)的控制精度。順饋通路通常由 對(duì)輸入信號(hào)的補(bǔ)償器或?qū)_動(dòng)信號(hào)的補(bǔ)償器組成，示。復(fù)合控制的主要特點(diǎn)為:分卿軸佟內(nèi)收?qǐng)?bào)翳加(b)所 勿做商業(yè)用途擾動(dòng) 控制對(duì)象F擾動(dòng)H控制對(duì)象輸出量輸出量(1 )具有很高的控制精度；可以抑制幾乎所有的可量測擾動(dòng)，其中包括低頻強(qiáng)擾動(dòng)；補(bǔ)償器的參數(shù)要有較高的穩(wěn)定性。在高精度的控制系統(tǒng)中，復(fù)合控制得到了廣泛的應(yīng)用，如平臺(tái)隨動(dòng)系統(tǒng)，火炮隨動(dòng)系統(tǒng)，雷達(dá) 站隨動(dòng)系統(tǒng)，飛機(jī)自動(dòng)駕駛儀以及人造地球衛(wèi)星控制系統(tǒng)等，均采用了復(fù)合控制方式。有關(guān)復(fù)合控制的原理及設(shè)計(jì)方法，見木書第六章。資料個(gè)人收集整理，勿做商業(yè)用途4、最優(yōu)控制系統(tǒng)最優(yōu)

10、控制是使所選的系統(tǒng)性能指標(biāo)達(dá)到最優(yōu)的一種控制方式。系統(tǒng)性能指標(biāo)是根據(jù)工作要求選定的。例如，對(duì)遠(yuǎn)距離航行的飛行器，選取燃料消耗量最小作為系統(tǒng)性能指標(biāo)，對(duì)自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)，則選取定位誤差的均方值最小作為系統(tǒng)性能指標(biāo)。最優(yōu)控制的設(shè)計(jì)方法主要有極大(小)值原理和動(dòng)態(tài)規(guī)劃法。資料個(gè)人收集整理，勿做商業(yè)用途5、自適應(yīng)控制J系統(tǒng)自適應(yīng)控制是能適應(yīng)環(huán)境條件變化而自動(dòng)調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)或特性的一種控制方式。例如，在金屬切削加工的自適應(yīng)控制系統(tǒng)中，能按照切削材料和刀具的硬度，以達(dá)到最高工效。自適應(yīng)控制主要用于空間技術(shù)和復(fù)朵生產(chǎn)過程控自動(dòng)調(diào)整車速，進(jìn)刀速度和切削用量，制中。資料個(gè)人收集整理，勿做商業(yè)用途1- 3控制系統(tǒng)類型自

11、動(dòng)控制系統(tǒng)有多種分類方法。例如，按信號(hào)傳遞路徑，可分為開環(huán)、閉環(huán)與復(fù)合控制系統(tǒng)，按 系統(tǒng)使用的能源，可分為機(jī)械、電氣 液壓和氣動(dòng)控制系統(tǒng)。此外，還可以按 系統(tǒng)的功用 (輸入信號(hào)的特征)和性能進(jìn)行分類。資料個(gè)人收集整理，勿做商業(yè)用途1、按系統(tǒng)功能分類倫入信號(hào)的待征)主要可分為以下三類：(1) 恒值控制系統(tǒng) 又稱調(diào)節(jié)器。系統(tǒng)輸入量為常值，或者隨時(shí)間緩慢地變化。系統(tǒng)的基木任務(wù)是當(dāng)岀現(xiàn)擾動(dòng)時(shí)，使系統(tǒng)的輸出量保持為恒定的希望值。如水位控制系統(tǒng)，恒壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)等。資料個(gè)人收集整理，勿做商業(yè)用途(2) 隨動(dòng)系統(tǒng) 又稱跟蹤系統(tǒng)。系統(tǒng)的輸入量隨時(shí)間任意變化。系統(tǒng)的基木任務(wù)是使5/7系統(tǒng)輸出量以要求的精度跟隨輸入量

12、變化。而系統(tǒng)輸出量常是機(jī)械位置、速度或加速度?；鹋诳刂葡到y(tǒng)，自動(dòng)化儀表系統(tǒng)等屬于這一類。(例北航P5火炮跟蹤系統(tǒng))資料個(gè)人收集整理，勿做商業(yè)用途(3) 過程控制系統(tǒng)又稱程序控制系統(tǒng)。系統(tǒng)輸入量按既定規(guī)律變化，系統(tǒng)的控制過程按預(yù)定的程序進(jìn)行。系統(tǒng)的輸出量常為溫度、壓力，流量等物理量。如石油化學(xué)工業(yè)中的反應(yīng)塔、加熱爐的自動(dòng)溫度控制等，均采用過程控制系統(tǒng)。資料個(gè)人收集整理，勿做商業(yè)用途2、按系統(tǒng)性能分類(數(shù)學(xué)方法)主要可分為以下幾類：(1) 線性與非線性系統(tǒng)可用線性微分方程或差分方程描述的系統(tǒng)，稱為線性系統(tǒng)。如果微分方程或差分方程的系數(shù)為常數(shù)，則稱為線性定常系統(tǒng)，否則為線性時(shí)變系統(tǒng)。用非線性方程描述

13、的系統(tǒng)，稱為非線性系統(tǒng)。(2) 連續(xù)與離散系統(tǒng)若輸入量和輸出量都是時(shí)間連續(xù)函數(shù)的系統(tǒng)，稱為連續(xù)系統(tǒng)。在連續(xù)系統(tǒng)中，信號(hào)在全部時(shí)間上都是己知的。若系統(tǒng)中信號(hào)有一處或一處以上為離散時(shí)間函數(shù)，稱為離散系統(tǒng)。在離散系統(tǒng)小，信號(hào)僅定義在離散時(shí)間上。資料個(gè)人收集整理，勿做商業(yè)用途(3) 定常系統(tǒng)與時(shí)變系統(tǒng) 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、參數(shù)和輸入量都是確定的、已知的系統(tǒng)，稱為定常系統(tǒng)。反之，當(dāng)系統(tǒng)木身的結(jié)構(gòu)或參數(shù)以及作用于該系統(tǒng)的信號(hào)有不確定性或模糊性時(shí)，則系統(tǒng)為不 確定系統(tǒng)?，F(xiàn)實(shí)的工程系統(tǒng)，多為不確定系統(tǒng)。資料個(gè)人收集整理，勿做商業(yè)用途1-4對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求實(shí)際的控制系統(tǒng)可能千差萬別, 系統(tǒng)來說，都有一個(gè)最基本的要求， 統(tǒng)是本門課程的根本任務(wù)。對(duì)每個(gè)控制系統(tǒng)都有不同的特殊要求,但對(duì)所有的控制那就是 無穩(wěn)準(zhǔn)、快。分析和設(shè)計(jì)滿足性能指標(biāo)的控制系資料個(gè)資料個(gè)人收集整理，勿做商業(yè)用途資料個(gè)人收我們總是希望系統(tǒng)的輸出盡可能地接近給定值。人收集整理，勿做商業(yè)用途1、穩(wěn)定性如果系統(tǒng)受到干擾后偏離了原來的工作狀態(tài)，當(dāng)擾動(dòng)消失后，能自動(dòng)回到原工作狀態(tài),則稱稱這樣的系統(tǒng)是穩(wěn)定的。反之，當(dāng)干擾消除后，系統(tǒng)的輸出趨于無窮或進(jìn)入振蕩狀態(tài)， 系統(tǒng)是不穩(wěn)定的。穩(wěn)定性是保證系統(tǒng)能正常工作的前提。2、動(dòng)態(tài)性能動(dòng)態(tài)性能是指系統(tǒng)過渡過程的快速性和振蕩性。由于控制系統(tǒng)慣性的存在，所以系統(tǒng)的輸出跟隨輸