自動(dòng)控制原理第一章自動(dòng)控制的一般概念

自動(dòng)控制原理洛陽(yáng)理工學(xué)院電氣工程與自動(dòng)化系2014.2課程簡(jiǎn)介1、類別：必修考試課專業(yè)基礎(chǔ)課考研課2、總學(xué)時(shí)：80，（理論學(xué)時(shí)70,實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)10）

3、先修課程：高數(shù)、復(fù)變函數(shù)、積分變換、線性

代數(shù)、電路理論、模擬技術(shù)、電機(jī)拖動(dòng)等4、本學(xué)期講述內(nèi)容：1-8章5、課程結(jié)構(gòu)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1-2自動(dòng)控制系統(tǒng)示例1-3自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類1-4對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求1-1自動(dòng)控制的基本原理與方式自動(dòng)

不需要人的介入控制達(dá)到人想要達(dá)到的某種目的自動(dòng)控制在脫離人的直接干預(yù)下，利用控制裝置，使被控對(duì)象按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行。自動(dòng)控制系統(tǒng)將被控的對(duì)象和實(shí)現(xiàn)控制功能的控制裝置組合起來(lái)稱為自動(dòng)控制系統(tǒng)

最初的閉環(huán)自動(dòng)控制裝置是1788年瓦特（J.Watt）發(fā)明的飛錘調(diào)速器的研究。四個(gè)階段：經(jīng)典控制理論階段現(xiàn)代控制理論階段大系統(tǒng)控制理論階段智能控制階段

自動(dòng)控制科學(xué)經(jīng)典控制理論現(xiàn)代控制理論被控對(duì)象

（也稱被控過(guò)程、被控系統(tǒng)）

通常是一個(gè)設(shè)備，多數(shù)由一些機(jī)器零件有機(jī)地組合在一起，完

成特定的操作。被控參數(shù)（也稱為系統(tǒng)輸出）

體現(xiàn)系統(tǒng)控制目的的物理量。（水位、速度等）控制參數(shù)

由控制器改變的量，對(duì)被控參數(shù)有較好的調(diào)節(jié)能力。（閥門開度、電樞電壓等）系統(tǒng)輸入

作用于被控對(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。（給定水位，電位器滑桿位置）擾動(dòng)

是一種對(duì)系統(tǒng)的輸出量產(chǎn)生影響的信號(hào)。（水箱出水、負(fù)載等）術(shù)語(yǔ)和定義反饋控制原理例：水位人工控制系統(tǒng)控制目的：水箱的水位保持不變?nèi)斯た刂疲貉劬τ^察水位，大腦發(fā)命令，手調(diào)節(jié)閥反饋控制原理水位自動(dòng)控制系統(tǒng)控制目的：水箱的水位保持不變實(shí)用例子：茶水爐、鍋爐、儲(chǔ)料罐影響水位的因素：物料的流入（主動(dòng)控制） 物料的流出（負(fù)載變化）入出不平衡時(shí)水位發(fā)生變化自動(dòng)控制：儀器測(cè)量水位（浮子） 儀器發(fā)命令（控制器）儀器調(diào)節(jié)閥（氣動(dòng)閥門）水箱稱為被控對(duì)象，所有儀器合稱為控制裝置。

電動(dòng)機(jī)速度自動(dòng)控制系統(tǒng)一控制目的：

電動(dòng)機(jī)的速度保持不變影響電動(dòng)機(jī)速度的因素：

電機(jī)的電樞電壓決定電機(jī)的轉(zhuǎn)速，負(fù)載大小問(wèn)題：

負(fù)載變化會(huì)改變轉(zhuǎn)速

電機(jī)及負(fù)載稱為被控對(duì)象實(shí)用例子：

機(jī)床（紡紗機(jī)、車床等），傳送帶電動(dòng)機(jī)速度自動(dòng)控制系統(tǒng)二控制目的：

電動(dòng)機(jī)的速度保持不變與系統(tǒng)一不同之處：

檢測(cè)電動(dòng)機(jī)的速度希望解決的問(wèn)題：

當(dāng)負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，速度不變自動(dòng)控制：

測(cè)量速度，進(jìn)行比較，改變電位器位置優(yōu)點(diǎn)：

當(dāng)負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，速度改變，能自動(dòng)調(diào)節(jié)速度與系統(tǒng)一不同之處

：

加入了測(cè)量速度，并送到輸入端回顧電動(dòng)機(jī)速度自動(dòng)控制系統(tǒng)一開環(huán)控制：輸出量對(duì)輸入量(控制作用)沒有影響的系統(tǒng)。電動(dòng)機(jī)速度控制系統(tǒng)二與系統(tǒng)一的區(qū)別是：對(duì)系統(tǒng)輸出進(jìn)行了測(cè)量，而且將測(cè)量的輸出送到輸入端，并與參考輸入形成偏差，通過(guò)偏差進(jìn)行控制。開環(huán)控制和閉環(huán)控制電位器功率放大器電動(dòng)機(jī)電樞電壓電位器電壓電位器滑桿位置轉(zhuǎn)速電位器電壓轉(zhuǎn)速電位器轉(zhuǎn)速給定值電樞電壓滑桿位置電位器測(cè)速發(fā)電機(jī)控制器電動(dòng)機(jī)功率放大器負(fù)反饋：反饋的加入，使偏差越來(lái)越小。正反饋：反饋的加入，使偏差越來(lái)越大。（振蕩發(fā)生器）最大的特點(diǎn)： 消除偏差； 使系統(tǒng)對(duì)參數(shù)不敏感。將輸出量反送到輸入端，與輸入端形成偏差稱之為反饋閉環(huán)控制

將輸出量與參考輸入量進(jìn)行比較，并且將它們的偏差作為控制手段，以保持兩者之間預(yù)定關(guān)系的系統(tǒng)。也稱為反饋控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)中主要采用負(fù)反饋。

開環(huán)控制和閉環(huán)控制開環(huán)控制和閉環(huán)控制的比較性能開環(huán)控制閉環(huán)控制有無(wú)反饋無(wú)有精度低高穩(wěn)定性不改變穩(wěn)定性可能改變穩(wěn)定性經(jīng)濟(jì)型成本低成本高實(shí)例交通紅綠燈電機(jī)速度系統(tǒng)一水位控制電機(jī)速度系統(tǒng)二溫度控制

開環(huán)控制和閉環(huán)控制反饋控制系統(tǒng)的基本組成將組成系統(tǒng)的元部件按職能分類主要有：測(cè)量元件、給定元件、比較元件、

放大元件、執(zhí)行元件、校正元件自動(dòng)控制系統(tǒng)基本控制方式閉環(huán)控制系統(tǒng)復(fù)合控制系統(tǒng)開環(huán)控制系統(tǒng)被控參數(shù)參考輸入控制器執(zhí)行器被控對(duì)象被控對(duì)象偏差被控參數(shù)參考輸入控制器執(zhí)行器測(cè)量?jī)x表控制器偏差被控參數(shù)測(cè)量?jī)x表參考輸入擾動(dòng)信號(hào)執(zhí)行器被控對(duì)象補(bǔ)償裝置1-2自動(dòng)控制系統(tǒng)示例功率放大SM負(fù)載++++u0nua電動(dòng)機(jī)速度控制系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)速度開環(huán)控制系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)速度控制系統(tǒng)+++++電壓放大u0nuaueut功率放大負(fù)載SMTG電動(dòng)機(jī)速度閉環(huán)控制系統(tǒng)按擾動(dòng)控制的速度控制系統(tǒng)負(fù)載功率放大放大電壓SM+++++u0nuaucubR函數(shù)記錄儀原理示意圖RQRWΔuLtur變換器放大器繩輪電機(jī)測(cè)速機(jī)減速器1-2自動(dòng)控制系統(tǒng)示例飛機(jī)示意圖給定電位器反饋電位器給定裝置放大器舵機(jī)飛機(jī)

反饋電位器

垂直陀螺儀θ0θc擾動(dòng)俯仰角控制系統(tǒng)方塊圖飛機(jī)方塊圖胰島素注射控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用，出現(xiàn)了藥物自動(dòng)注射系統(tǒng)。由于微型葡萄糖傳感器尚不成熟，胰島素注射控制系統(tǒng)采樣開環(huán)控制。電機(jī)電壓胰島素注射速率預(yù)編程信號(hào)發(fā)生器電機(jī)泵和閥門u(t)I(t)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，今后更復(fù)雜的注射控制系統(tǒng)應(yīng)該可以根據(jù)測(cè)得的血糖水平實(shí)施閉環(huán)注射控制。1、確立控制目標(biāo)設(shè)計(jì)一個(gè)能調(diào)節(jié)糖尿病人血糖濃度的系統(tǒng)2、確定控制變量血糖濃度3、確定控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)使病人的血糖濃度嚴(yán)格逼近健康人的血糖濃度4、確定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、選擇執(zhí)行機(jī)構(gòu)

放大器電機(jī)泵和閥門人體、血液和胰腺實(shí)際血糖濃度微型葡萄糖傳感器預(yù)期血糖濃度血糖濃度測(cè)量值胰島素注射速度液位控制系統(tǒng)控制器減速器電動(dòng)機(jī)電位器浮子用水開關(guān)Q2Q1cifSM1.3自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類1.按結(jié)構(gòu)分開環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)復(fù)合控制系統(tǒng)2.按輸入信號(hào)的變化規(guī)律分恒值控制：參考輸入為一個(gè)恒定的值。如：水位控制、速度控制等程序控制：參考輸入為一個(gè)已知的時(shí)間函數(shù)。如：全自動(dòng)洗衣機(jī)、熱處理過(guò)程等隨動(dòng)控制：參考輸入為一個(gè)隨機(jī)變化的函數(shù)。如：火炮跟蹤系統(tǒng)等3.按系統(tǒng)中傳遞信號(hào)的特點(diǎn)分連續(xù)系統(tǒng)：系統(tǒng)中傳遞的信號(hào)都是時(shí)間軸上連續(xù)的信號(hào)。離散系統(tǒng)：系統(tǒng)中某一處或幾處信號(hào)為脈沖序列或時(shí)間軸上不連續(xù)的信號(hào)。典型的如計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。線性系統(tǒng): 組成系統(tǒng)的所有元件或子系統(tǒng)都是線性的。非線性系統(tǒng)：系統(tǒng)中至少有一個(gè)元件或子系統(tǒng)是非線性的。4.按系統(tǒng)特點(diǎn)分1.3自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類5.按系統(tǒng)輸入輸出數(shù)量分單輸入單輸出（經(jīng)典控制理論）多輸入多輸出（現(xiàn)代控制理論）6.按系統(tǒng)功能分溫度控制、速度控制、位置控制7.按組成元件的特點(diǎn)分機(jī)械系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、生物系統(tǒng)、經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)8.按控制規(guī)律分古典控制、現(xiàn)代控制系統(tǒng)、模糊系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)1.3自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類隨動(dòng)系統(tǒng)實(shí)例1隨動(dòng)系統(tǒng)實(shí)例2隨動(dòng)系統(tǒng)實(shí)例3定值控制系統(tǒng)實(shí)例1定值控制系統(tǒng)實(shí)例2定值控制系統(tǒng)實(shí)例3陀螺儀裝入運(yùn)載火箭為全面反映自動(dòng)控制系統(tǒng)特點(diǎn)，常將上述分類組合應(yīng)用分為：線性連續(xù)控制系統(tǒng)1.3自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類系數(shù)是否為常數(shù)分：定常系統(tǒng)，時(shí)變系統(tǒng)。線性定常離散控制系統(tǒng)(差分方程描述）

a0c(k+n)+a1c(k+n-1)+……+an-1c(k+1)+anc(k)=b0r(k+m)+b1r(k+m-1)+……+bm-1r(k+1)+bmr(k)

非線性控制系統(tǒng)（常作線性化處理）特點(diǎn)：系數(shù)與變量有關(guān)。

1.基本要求建立控制系統(tǒng)的目的：保證系統(tǒng)輸出具有控制輸入指定的數(shù)值保證系統(tǒng)輸出盡量不受擾動(dòng)的影響對(duì)系統(tǒng)的具體要求：穩(wěn)、準(zhǔn)、快（1）系統(tǒng)穩(wěn)定性（2）系統(tǒng)動(dòng)態(tài)快速性（3）系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)的準(zhǔn)確性2.典型外作用(1)階躍函數(shù)(2)斜坡函數(shù)(3)脈沖函數(shù)(4)正弦函數(shù)1.4對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求tpc(t)t0u(t)u(t)理想系統(tǒng)的響應(yīng)

可以歸結(jié)為穩(wěn)定性（長(zhǎng)期穩(wěn)定性）、準(zhǔn)確性（精度）和快速性（相對(duì)穩(wěn)定性）。

穩(wěn)準(zhǔn)快穩(wěn)定性1對(duì)恒值系統(tǒng)，要求當(dāng)系統(tǒng)受到擾動(dòng)后，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的調(diào)整能夠回到原來(lái)的期望值。tpc(t)t0r(t)2對(duì)隨動(dòng)系統(tǒng)，被控制量始終跟蹤輸入量的變化。

準(zhǔn)確性-----

用穩(wěn)態(tài)誤差來(lái)表示。在參考輸入信號(hào)作用下，當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，其穩(wěn)態(tài)輸出與參考輸入所要求的期望輸出之差叫做給定穩(wěn)態(tài)誤差。c(t)t0r(t)tpc(t)t0r(t)快速性控制系統(tǒng)不僅要穩(wěn)定和并有較高的精度，而且還要求系統(tǒng)的響應(yīng)具有一定的快速性。2.典型的外作用選作典型外作用應(yīng)具備的條件：1、這種函數(shù)在現(xiàn)場(chǎng)或?qū)嶒?yàn)室易得到；2、控制系統(tǒng)在這種函數(shù)作用下的性能應(yīng)代表在

實(shí)際工作條件下的性能；3、數(shù)學(xué)表達(dá)式簡(jiǎn)單，便于理論計(jì)算。

目前常用的有：階躍函數(shù)、斜坡函數(shù)、脈沖函數(shù)、正弦函數(shù)等。(1)階躍函數(shù)（StepFunction）

表示一個(gè)在t=0時(shí)刻出現(xiàn)的，幅值為A的階躍變化函數(shù)，如圖所示。A=1-----單位階躍函數(shù)（2）斜坡函數(shù)

數(shù)學(xué)表達(dá)式為:

斜坡函數(shù)從t=0時(shí)刻開始，隨時(shí)間以恒定速度增加。如圖所示。A=1時(shí)斜坡函數(shù)稱作單位斜坡函數(shù)。

（3）脈沖函數(shù)（PulseFunction）脈沖函數(shù)的定義：是