自動(dòng)控制原理：第1章 自動(dòng)控制的一般概念

1、自動(dòng)控制原理第一章 自動(dòng)控制的一般概念1-1自動(dòng)控制的基本原理與方式1自動(dòng)控制技術(shù)及其應(yīng)用 所謂自動(dòng)控制，是指在沒(méi)有人直接參與的情況下，利用外加的設(shè)備或裝置，使機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過(guò)程的某 （控制裝置） （被控對(duì)象）個(gè)工作狀態(tài)或參數(shù)自動(dòng)地按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行。 （被控量）第一章 自動(dòng)控制的一般概念1-1自動(dòng)控制的基本原理與方式1 自動(dòng)控制技術(shù)及其應(yīng)用 數(shù)控車床按照預(yù)定程序自動(dòng)地切削工件化學(xué)反應(yīng)爐的溫度或壓力自動(dòng)地維持恒定雷達(dá)和計(jì)算機(jī)組成的導(dǎo)彈發(fā)射和制導(dǎo)系統(tǒng)自動(dòng)地?fù)糁心繕?biāo)無(wú)人機(jī)按照預(yù)定航跡自動(dòng)升降和飛行人造衛(wèi)星準(zhǔn)確地進(jìn)入預(yù)定軌道飛行和回收 宇宙航行、機(jī)器人、導(dǎo)彈制導(dǎo)、核動(dòng)力生物、醫(yī)學(xué)、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)管理第

2、一章 自動(dòng)控制的一般概念1-1自動(dòng)控制的基本原理與方式2 自動(dòng)控制科學(xué) 自動(dòng)控制科學(xué)是研究自動(dòng)控制共同規(guī)律的技術(shù)科學(xué) 發(fā)展簡(jiǎn)史 1769年J.Watt發(fā)明飛球調(diào)節(jié)器來(lái)控制蒸汽機(jī)的轉(zhuǎn)速 1868年J.C.Maxwell為一類蒸汽機(jī)的調(diào)節(jié)器建立數(shù)學(xué)模型 1875年勞斯提出代數(shù)穩(wěn)定判據(jù)。 1895年赫爾維茲提出代數(shù)穩(wěn)定判據(jù)。 1892年李雅普諾夫提出穩(wěn)定性定義和兩個(gè)穩(wěn)定判據(jù)。 1927年H.Ford在汽車生產(chǎn)中引入機(jī)械化裝配機(jī) 1932年H.Nyquist提出奈氏穩(wěn)定判據(jù) 1948年維納出版控制論形成完整的經(jīng)典控制理論第一章 自動(dòng)控制的一般概念1-1自動(dòng)控制的基本原理與方式2 自動(dòng)控制科學(xué) 發(fā)展簡(jiǎn)史

3、 1952年MIT 開(kāi)發(fā)出數(shù)控機(jī)床 1954年G.Devol開(kāi)發(fā)出“程控物體轉(zhuǎn)運(yùn)器”，被視為最早機(jī)器人 1960年Unimate研制出第一臺(tái)機(jī)器人 1970年發(fā)展了多變量模型和最優(yōu)控制 1980年魯棒控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)得到廣泛研究 1990年出口外向型產(chǎn)業(yè)公司強(qiáng)調(diào)自動(dòng)化 1994年汽車上廣泛采用反饋控制系統(tǒng) 20世紀(jì)60年代催生了現(xiàn)代控制理論，主要研究具有高性能、高精度和多耦合回路的多變量系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)問(wèn)題。第一章 自動(dòng)控制的一般概念1-1自動(dòng)控制的基本原理與方式3 反饋控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)是由相互關(guān)聯(lián)的部件按一定的結(jié)構(gòu)構(gòu)成的，它能提供預(yù)期的系統(tǒng)響應(yīng)。系統(tǒng)各部分之間存在因果關(guān)系。 閉環(huán)系統(tǒng)增加了對(duì)實(shí)

4、際輸出的測(cè)量，并將實(shí)際輸出與預(yù)期輸出進(jìn)行比較。對(duì)輸出的測(cè)量值稱為反饋信號(hào)。閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)第一章 自動(dòng)控制的一般概念1-1自動(dòng)控制的基本原理與方式3 反饋控制系統(tǒng) 第一章 自動(dòng)控制的一般概念1-1自動(dòng)控制的基本原理與方式3 反饋控制系統(tǒng) 第一章 自動(dòng)控制的一般概念1-1自動(dòng)控制的基本原理與方式3 反饋控制系統(tǒng) 第一章 自動(dòng)控制的一般概念1-1自動(dòng)控制的基本原理與方式4 反饋控制系統(tǒng)的基本組成 測(cè)量元件、 給定元件、 比較元件、放大元件、執(zhí)行元件、校正元件 前向通路：信號(hào)從輸入端沿箭頭方向到達(dá)輸出端的傳輸通路 主反饋通路：系統(tǒng)輸出量經(jīng)測(cè)量元件反饋到輸入端的傳輸通路 主回路：前向通路與主反饋通路

5、內(nèi)回路：局部反饋通路以及由它構(gòu)成的第一章 自動(dòng)控制的一般概念1-1自動(dòng)控制的基本原理與方式4 自動(dòng)控制系統(tǒng)基本控制方式（1）反饋控制方式（2）開(kāi)環(huán)控制方式（3）復(fù)合控制方式反饋控制：按偏差進(jìn)行控制。引入測(cè)量元件，將檢測(cè)到的輸出量送回到輸入端，并與輸入信號(hào)比較構(gòu)成負(fù)反饋，控制器根據(jù)偏差按照某種規(guī)律產(chǎn)生控制量，實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象的控制。（使被控量與期望值趨于一致）偏差優(yōu)點(diǎn)：抑制擾動(dòng)，控制精度高缺點(diǎn)：元件多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)繁瑣開(kāi)環(huán)控制：如果控制系統(tǒng)的被控量對(duì)系統(tǒng)沒(méi)有控制作用。（控制器與被控對(duì)象之間只有正向作用而沒(méi)有反向聯(lián)系的控制過(guò)程。）優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性缺點(diǎn)：控制精度易受擾動(dòng)影響；控

6、制精度差（擾動(dòng)存在時(shí)）復(fù)合控制：在系統(tǒng)中同時(shí)引進(jìn)開(kāi)環(huán)控制和閉環(huán)控制 圖1-1水池液面控制系統(tǒng)液位控制系統(tǒng) 人工控制測(cè)量實(shí)際液面的高度1 -用眼實(shí)際液面高度h1與希望液面高度0相比較 -用腦按比較的結(jié)果，即液面高度偏差的正負(fù)去決定控制動(dòng)作 -用手液面人工控制系統(tǒng)的方框圖如圖1-2所示。圖1-2 液面人工控制系統(tǒng)的方框圖 自動(dòng)控制圖1-3 液面自動(dòng)控制系統(tǒng) 人工控制中有三種職能作用：測(cè)量、比較和執(zhí)行，而在自動(dòng)控制系統(tǒng)中也必須有這三種，如圖1-3所示。 被控對(duì)象-水池 被控量-液面高度圖1-4 液面自動(dòng)控制系統(tǒng)的方框圖故液位自動(dòng)控制系統(tǒng)也可用圖1-4來(lái)表示。浮子 給定元件-液面的希望位置（與期望的被

7、控量相對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)輸入量） 測(cè)量元件-浮子（檢測(cè)被控制的物理量） 比較元件-電位器(求出被控量實(shí)際值與輸入量偏差) 放大元件-功率放大器（提高系統(tǒng)的控制精度） 執(zhí)行元件-電動(dòng)機(jī)與閥門F2（驅(qū)動(dòng)被控對(duì)象，以改變被控制量） 液位控制系統(tǒng)由以下五部分組成：圖1-3 液面自動(dòng)控制系統(tǒng)液位控制系統(tǒng) 校正元件-改善系統(tǒng)性能1、線性連續(xù)控制系統(tǒng)1.3 自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類1、線性連續(xù)控制系統(tǒng)1.3 自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類恒值控制系統(tǒng)隨動(dòng)系統(tǒng)程序控制系統(tǒng)1、線性定常離散控制系統(tǒng)1.3 自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類非線性系統(tǒng)：系統(tǒng)中只要有一個(gè)元器件的輸入-輸出特性是非線性的，用非線性微分方程描述其特性。非線性方程的特點(diǎn)是系數(shù)與變

8、量有關(guān)或者方程中含有變量及其導(dǎo)數(shù)的高次冪或乘積項(xiàng)。1.3 自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類連續(xù)系統(tǒng)與離散系統(tǒng)若系統(tǒng)中所有信號(hào)都是連續(xù)信號(hào)，則稱為連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱為連續(xù)系統(tǒng)。如果系統(tǒng)中有一處或幾處的信號(hào)是離散信號(hào)，則稱為離散時(shí)間系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱為離散系統(tǒng)。 1.4 對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求 一、穩(wěn)定性：系統(tǒng)正常工作的首要條件 線性控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性是由系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和參數(shù)決定的，與外界因素?zé)o關(guān)。 被動(dòng)量在期望值附近波動(dòng)，且趨于收斂到期望值，則該系統(tǒng)為穩(wěn)定系統(tǒng)。反之，波動(dòng)增強(qiáng)，被控量失控，則稱該系統(tǒng)為不穩(wěn)定系統(tǒng)。1.4 對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求 二、快速性 對(duì)控制系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程的時(shí)間和最大震蕩幅度等的要求 控制系統(tǒng)對(duì)過(guò)渡過(guò)程的形式和快慢提出要求，一般稱為動(dòng)態(tài)性能1.4 對(duì)