第1章 自動控制系統(tǒng)的基本概念

1、NEFU 1.1 1. 控制系統(tǒng)基本概念控制系統(tǒng)基本概念 1.2 1.3 1.4 1.5 自動控制理論發(fā)展自動控制理論發(fā)展 自動控制系統(tǒng)的工作原理自動控制系統(tǒng)的工作原理 自動控制系統(tǒng)的種類及應用實例自動控制系統(tǒng)的種類及應用實例 自動控制系統(tǒng)的性能評價自動控制系統(tǒng)的性能評價 MATLAB語言簡介語言簡介 自動控制原理可分為古典控制理論古典控制理論、現(xiàn)代控制理論和智現(xiàn)代控制理論和智 能控制理論三能控制理論三大部分。 古典控制理論古典控制理論是以傳遞函數(shù)為基礎，主要研究單輸入 單輸出線性定常系統(tǒng)的分析和設計問題； 現(xiàn)代控制理論現(xiàn)代控制理論是20世紀60年代在古典控制理論基礎上隨 著科學技術發(fā)展和工程

2、實踐需要而迅速發(fā)展起來的，以 狀態(tài)空間法為基礎，主要研究多輸入多輸出、非線性、 時變系統(tǒng)的分析和設計問題。 1. 1自動控制理論發(fā)展自動控制理論發(fā)展 1948年，美國數(shù)學家維納（Wiener）提出了著名的 控制論，第一次科學地提出了信息、反饋和控制的 概念。至此誕生了第一代控制理論古典控制理論。 20世紀60年代開始，第二代控制理論現(xiàn)代控制理論 迅速發(fā)展起來。 20世紀70年代開始，控制理論出現(xiàn)了眾多新分支，如 自適應控制、模型預測控制、最優(yōu)控制、非線性控制、 神經(jīng)網(wǎng)絡控制、模糊控制等。自動控制理論朝著以控制 論、信息論和仿生學為基礎的智能控制理論深入。 1. 2自動控制系統(tǒng)的工作原理自動控制

3、系統(tǒng)的工作原理 自動控制系統(tǒng)自動控制系統(tǒng)是指按照自動控制方式工作的系統(tǒng)，即不 需要人的直接參與，通過控制裝置代替人的控制作用， 使被控對象按照預先確定的期望規(guī)律運動以達到控制目 標要求的系統(tǒng)。 被控對象被控對象是指控制系統(tǒng)中受控制的目標元件（或裝置）。 控制裝置控制裝置是指控制系統(tǒng)中除了被控對象以外的其他各部 分的組合。 1. 2自動控制系統(tǒng)的工作原理自動控制系統(tǒng)的工作原理 手動控制方式手動控制方式實現(xiàn)溫度控制的恒溫箱控制系統(tǒng)：實現(xiàn)溫度控制的恒溫箱控制系統(tǒng)： 1. 2自動控制系統(tǒng)的工作原理自動控制系統(tǒng)的工作原理 恒溫箱溫度手動控制系統(tǒng)原理框圖恒溫箱溫度手動控制系統(tǒng)原理框圖 ： 1. 2自動控制

4、系統(tǒng)的工作原理自動控制系統(tǒng)的工作原理 手動控制過程包括以下幾個主要環(huán)節(jié)： （1）觀察：眼睛和溫度計完成了檢測系統(tǒng)參量的功能。 （2）判斷：大腦完成了比較溫度實際值與期望值而產(chǎn)生偏差 的功能。 （3）調(diào)整：大腦、手和調(diào)壓器完成了根據(jù)控制作用發(fā)出控制 指令，施加給被控對象恒溫箱的功能。 手動控制過程是通過循環(huán)進行下述過程實現(xiàn)的： 檢測被控參量確定偏差量調(diào)整控制參量消除偏差量 信息反饋和偏差形成構成了反饋控制反饋控制。 1. 2自動控制系統(tǒng)的工作原理自動控制系統(tǒng)的工作原理 自動控制方式自動控制方式實現(xiàn)溫度控制的恒溫箱控制系統(tǒng)：實現(xiàn)溫度控制的恒溫箱控制系統(tǒng)： 1. 2自動控制系統(tǒng)的工作原理自動控制系統(tǒng)

5、的工作原理 控制系統(tǒng)由如下幾個部分組成： （1）恒溫箱：由箱體和加熱電阻絲組成，是控制系統(tǒng)的被控 對象。被控對象被控對象是系統(tǒng)中需要加以控制的設備或裝置，而需 要加以控制的變量稱為被控制量。被控制量。 （2）熱電偶：溫度測量元件測量元件。 （3）分壓器：提供系統(tǒng)電壓給定值，此裝置稱為給定元件。給定元件。 （4）放大器：由電壓、功率放大器組成，稱為放大元件。放大元件。 （5）執(zhí)行機構：由直流伺服電動機、減速器和調(diào)壓器構成， 根據(jù)被控制量的變化要求，實現(xiàn)對控制信號自動調(diào)整。 1. 2自動控制系統(tǒng)的工作原理自動控制系統(tǒng)的工作原理 工作過程為工作過程為： us u T uT u0 ua0 SM正轉 u

6、 T 當T=T0時，uT=uT0，u=0，ua=0，SM停轉， T=T0保持不變。 恒溫箱溫度自動控制系統(tǒng)原理方框圖：恒溫箱溫度自動控制系統(tǒng)原理方框圖： 1. 2自動控制系統(tǒng)的工作原理自動控制系統(tǒng)的工作原理 將輸出信號測量出來并回送到輸入端形成反饋信號反饋信號，與給定 值比較生成偏差偏差信號的過程稱為反饋反饋，如果反饋信號與給定 信號極性相反，則稱為負反饋負反饋，反之則稱為正反饋正反饋。即偏差偏差 是指給定信號與反饋信號的代數(shù)和。 負反饋控制原理負反饋控制原理是將系統(tǒng)的輸出信號引回到輸入端，與輸入 信號相比較，形成偏差信號，然后根據(jù)偏差信號產(chǎn)生相應的 控制作用，力圖減小或消除偏差的過程。 1.

7、 2自動控制系統(tǒng)的工作原理自動控制系統(tǒng)的工作原理 反饋控制系統(tǒng)反饋控制系統(tǒng)均可看成由被控對象與以下幾種基本類型的元 件組成：給定元件、測量元件、比較元件、放大元件、執(zhí)行 元件、校正元件。 1. 3 自動控制系統(tǒng)的種類及應用實例自動控制系統(tǒng)的種類及應用實例 按控制方式分為： 開環(huán)控制系統(tǒng)開環(huán)控制系統(tǒng)、閉環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)和復合控制系統(tǒng)復合控制系統(tǒng)。 按輸入信號形式分為： 恒值調(diào)節(jié)系統(tǒng)恒值調(diào)節(jié)系統(tǒng)、隨動系統(tǒng)隨動系統(tǒng)和程序控制系統(tǒng)程序控制系統(tǒng)。 按組成系統(tǒng)的元件性質(zhì)分為： 線性系統(tǒng)線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)非線性系統(tǒng)。 按組成系統(tǒng)的元件參數(shù)時變性分為： 定常系統(tǒng)定常系統(tǒng)和時變系統(tǒng)時變系統(tǒng)。 按系統(tǒng)內(nèi)部

8、信號性質(zhì)分為： 連續(xù)控制系統(tǒng)連續(xù)控制系統(tǒng)和離散控制系統(tǒng)離散控制系統(tǒng)。 1.3.1 自動控制系統(tǒng)分類自動控制系統(tǒng)分類 1. 3 自動控制系統(tǒng)的種類及應用實例自動控制系統(tǒng)的種類及應用實例 1.3.2 開環(huán)控制與閉環(huán)控制開環(huán)控制與閉環(huán)控制 1. 3 自動控制系統(tǒng)的種類及應用實例自動控制系統(tǒng)的種類及應用實例 1.3.2 開環(huán)控制與閉環(huán)控制開環(huán)控制與閉環(huán)控制 1. 3 自動控制系統(tǒng)的種類及應用實例自動控制系統(tǒng)的種類及應用實例 1.3.3 自動控制系統(tǒng)應用實例自動控制系統(tǒng)應用實例 實例1 火炮隨動系統(tǒng) 1. 3 自動控制系統(tǒng)的種類及應用實例自動控制系統(tǒng)的種類及應用實例 1.3.3 自動控制系統(tǒng)應用實例自動

9、控制系統(tǒng)應用實例 實例1 火炮隨動系統(tǒng) 1. 3 自動控制系統(tǒng)的種類及應用實例自動控制系統(tǒng)的種類及應用實例 1.3.3 自動控制系統(tǒng)應用實例自動控制系統(tǒng)應用實例 實例2 直流電機轉速系統(tǒng) 1. 3 自動控制系統(tǒng)的種類及應用實例自動控制系統(tǒng)的種類及應用實例 1.3.3 自動控制系統(tǒng)應用實例自動控制系統(tǒng)應用實例 實例2 直流電機轉速系統(tǒng) 1. 4 自動控制系統(tǒng)的性能評價自動控制系統(tǒng)的性能評價 1.4.1 1.4.1 穩(wěn)定性穩(wěn)定性 穩(wěn)定性就是指動態(tài)過程的振蕩傾向和系統(tǒng)能夠恢復平衡狀 態(tài)的能力。是保證自動控制系統(tǒng)正常工作的首要條件。 1.4.2 1.4.2 準確性準確性 控制系統(tǒng)的準確性是表征控制系統(tǒng)

10、的控制精度的性能指 標，用穩(wěn)態(tài)誤差指標表示。 1.4.3 1.4.3 快速性快速性 快速性是在系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下提出的，是指系統(tǒng)輸出量與 給定的輸入量之間產(chǎn)生偏差時，消除這種偏差的過渡過程 （系統(tǒng)由原始平衡狀態(tài)到新平衡狀態(tài)的過程）的快速程度。 1. 4 自動控制系統(tǒng)的性能評價自動控制系統(tǒng)的性能評價 不同類型的控制系統(tǒng)對系統(tǒng)性能指標要求的側重點也不同。 按照給定的控制任務設計一個既滿足穩(wěn)定性和穩(wěn)態(tài)性能的 要求，又滿足動態(tài)性能要求的控制系統(tǒng)，是控制工程人員 必須解決的課題，也是自動控制原理這門學科的基本任務。 1. 5 MATLAB 語言簡介語言簡介 Matlab是英文Matrix Laboratory（矩陣實驗室）的縮 寫，是一種高性能的數(shù)值計算和可視化軟件。它不僅具有