自動控制的一般概念

關于自動控制的一般概念1第一頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三2課程的性質和特點自動控制是一門技術學科，從方法論的角度來研究系統(tǒng)的建立、分析與設計。《自動控制原理》是本學科的專業(yè)基礎課，是自動控制理論的基礎課程，該課程與其它課程的關系如下。微積分（含微分方程）電機與拖動模擬電子技術線性代數(shù)電路理論信號與系統(tǒng)自動控制理論復變函數(shù)、拉普拉斯變換大學物理（力學、熱力學）第二頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三3課程的性質和特點

自動控制理論已經(jīng)發(fā)展為理論嚴密、系統(tǒng)完整、邏輯性很強的一門學科。從基本反饋控制原理發(fā)展到：自適應控制、優(yōu)化控制、魯棒控制、大系統(tǒng)控制、智能控制。第三頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三4課程的性質和特點

討論的對象：因果系統(tǒng)、工程系統(tǒng)

系統(tǒng)的廣義性：經(jīng)濟、社會、工程、生物、環(huán)境、醫(yī)學

課程特點：研究系統(tǒng)的共性問題

數(shù)學模型實際系統(tǒng)物理模型方法（系統(tǒng)組成分析、設計）第四頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三5自動控制的一般概念第一章第五頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三6一、自動控制的基本原理與方式

1、自動控制技術及其應用所謂自動控制，是指沒有人直接參與的情況下，利用外加的設備或裝置（稱控制裝置或控制器），使機器、設備或生產(chǎn)過程（統(tǒng)稱被控量）的某個工作狀態(tài)或參數(shù)（即被控量）自動地按照預定的規(guī)律運行。如：

飛機導航飛機導航系統(tǒng)第六頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三7哈勃望遠鏡－特殊地衛(wèi)星中巴資源衛(wèi)星

人造地球衛(wèi)星

控制其準確地進入預定軌道運行并回收一、自動控制的基本原理與方式第七頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三8無人駕駛飛機按預定軌跡飛行漸露鋒芒地無人駕駛飛機一、自動控制的基本原理與方式第八頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三9制導導彈

現(xiàn)代的高新技術讓導彈長上了“眼睛”和“大腦”，利用負反饋控制原理去緊緊盯住目標我國研制的地空導彈一、自動控制的基本原理與方式第九頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三10雷達技術

雷達操作時，天線就要不停地轉動。天線的作用是把雷達中產(chǎn)生的無線電波按照一定的方向向外發(fā)射出去，并把被反射回來的無線電波接收下來。正因為天線所起的作用好似人的眼睛一樣，因此雷達要注視和偵察整個天空的狀況，天線就要不停地轉動，用一個驅動馬達使天線作360度的旋轉，這樣它就能在360度范圍內進行“搜索”。一、自動控制的基本原理與方式第十頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三11自動控制技術應用于其他領域

由于計算機等技術的誕生和飛速發(fā)展，使得控制技術水平不斷提高，已擴大到經(jīng)濟與社會生活的各個領域，如通信、交通、醫(yī)學、環(huán)境保護、經(jīng)濟管理等領域，控制技術已成為現(xiàn)代社會不可缺少的重要組成部分。近年來，我國在自動化儀表、工業(yè)調節(jié)器、數(shù)字控制技術、航天工程、核動力工程等方面的研究和應用取得了長足進展。一、自動控制的基本原理與方式第十一頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三12

工業(yè)自動生產(chǎn)線第十二頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三13現(xiàn)代化的工廠第十三頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三14(1)、最早的穩(wěn)定性研究

J.C.Maxwell（麥克斯韋爾），1868年發(fā)表《論調節(jié)器》，研究調節(jié)器的微分方程，線性化處理，系統(tǒng)穩(wěn)定性取決于微分方程的特征根是否都具有一對負的實部，針對二階和三階系統(tǒng)討論了使特征根具有負實部時，特征多項式系列應滿足的條件。(2)、系統(tǒng)穩(wěn)定準則

由Hurwitz（霍爾維茨）和

E.J.Routh（勞斯）提出的勞斯－霍爾維茨穩(wěn)定判據(jù)。2、自動控制理論一、自動控制的基本原理與方式第十四頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三15

A.M.Lyapunov（李雅普諾夫）提出了李雅普諾夫第一法與第二法

H.Nyquist（奈魁斯特）提出奈氏判據(jù)，Bode(波德）提出了對數(shù)頻率特性的方法。二戰(zhàn)期間，軍事科學的需要大大促進了反饋控制理論的發(fā)展。美國麻省理工學院雷達實驗室的科學家們將反饋放大器理論、PID（比例-積分-微分）控制以及N.Wiener（維納）的隨機過程理論等結合在一起，形成了一整套被稱為隨動控制系統(tǒng)的設計方法。一、自動控制的基本原理與方式第十五頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三16一、自動控制的基本原理與方式(3)、根軌跡方法

W.R.Evans（伊萬斯）提出的方法和規(guī)則是當系統(tǒng)參數(shù)變化時特征方程式根變化的幾何軌跡。

(4)、經(jīng)典自動控制理論以反饋控制原理為基礎的自動控制理論已形成比較完整的體系。其特點相對言，生產(chǎn)技術水平較低，控制對象結構較簡單，被控參數(shù)較單一，要求達到的預期效果（性能指標）也不高。主要研究對象為單輸入，單輸出的單變量系統(tǒng)（屬于線性定常時不變系統(tǒng)）。第十六頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三17(5)、現(xiàn)代控制理論的發(fā)展

從50年代末期開始，控制系統(tǒng)設計問題的重點從設計許多可行系統(tǒng)中的一種系統(tǒng)，轉變到設計在某種意義上的一種最佳系統(tǒng)。大約從1960年開始，數(shù)字計算機的出現(xiàn)為復雜系統(tǒng)的時域分析提供了可能性，利用狀態(tài)變量、基于時域分析的現(xiàn)代控制理論應運而生。從1960年到1980年，確定性系統(tǒng)的最佳控制，隨機系統(tǒng)的最佳控制，乃至復雜系統(tǒng)的自適應和學習控制，都得到了充分的研究。從1980年到現(xiàn)在，現(xiàn)代控制理論的進展集中于魯棒控制、H∞控制及其相關的課題。一、自動控制的基本原理與方式第十七頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三183、反饋控制原理

反饋控制是這樣的一種控制過程，它能構在存在擾動的情況下，力圖減小系統(tǒng)的輸出量與參考輸入量（也稱參據(jù)量）之間的偏差，而其工作正是基于這一偏差基礎之上的，這就是反饋控制的原理。如人取桌上書的過程（見下圖）：一、自動控制的基本原理與方式第十八頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三19系統(tǒng)方框圖符號組成：“”下圖為反饋控制原理方框圖一、自動控制的基本原理與方式第十九頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三20龍門刨床速度控制系統(tǒng)原理圖

在工業(yè)控制中，龍門刨床速度控制系統(tǒng)就是按照反饋控制原理進行工作的。當負載波動時，必然會引起速度變化，由于龍門刨床不允許速度變化過大，因此必須對速度進行控制。一、自動控制的基本原理與方式第二十頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三21注意：

龍門刨床速度控制系統(tǒng)是一個有精差系統(tǒng)。速度最終達到的穩(wěn)態(tài)值與原始給定速度之間始終有一個差值存在，這個差值是用來產(chǎn)生一個附加的電動機電樞電壓，以補償因增加負載而引起的速度 下降。這個差值的存在是保證系統(tǒng)正常工作所必 需的，一般稱為穩(wěn)態(tài)誤差。如果從結構上加以改 進，可以消除這個穩(wěn)態(tài)誤差。一、自動控制的基本原理與方式第二十一頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三224、反饋控制系統(tǒng)的基本組成

反饋控制系統(tǒng)是由各種不同的元部件組成的。

a)測量元件：檢測被控制的物理量。

b)給定元件：給出與期望的被控制量相對應的系統(tǒng)輸入量（即參據(jù)量）。

c)比較元件：把測量元件檢測的被控量的實際值與給定元件給出的參據(jù)量進行比較，求出它們之間的偏差。一、自動控制的基本原理與方式第二十二頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三23d)放大元件：偏差信號的放大，用以推動執(zhí)行元件。e)執(zhí)行元件：直接推動被控對象，使被控量發(fā)生變化。f)校正元件：也叫補償元件以改善系統(tǒng)性能。一、自動控制的基本原理與方式第二十三頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三24典型的反饋控制系統(tǒng)基本組成框圖：

信號從輸入端到達輸出端的傳輸通路稱為前向通路；系統(tǒng)輸出量經(jīng)測量元件反饋到輸入端的傳輸通路稱為主反饋通路。前向通路與主反饋通路共同構成主回路。此外，還有局部反饋通路。只包含一個主反饋通路的系統(tǒng)稱為單回路系統(tǒng)，有兩個或兩個以上反饋通路的系統(tǒng)稱為多回路系統(tǒng)。一、自動控制的基本原理與方式第二十四頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三255、自動控制系統(tǒng)基本控制方式(1)、反饋控制方式按偏差進行控制，具有抑制擾動對被控量產(chǎn)生影響的能力和較高的控制精度。一、自動控制的基本原理與方式第二十五頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三26(2)、開環(huán)控制方式指控制裝置與被控對象之間只有順向作用而沒有反向聯(lián)系的控制過程。一、自動控制的基本原理與方式第二十六頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三27一、自動控制的基本原理與方式第二十七頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三28

有一開環(huán)調速系統(tǒng)如圖所示。電位計的輸出電壓Ur經(jīng)兩極放大，使伺服電機上的端電壓也隨之改變。從而使負載具有所要求的轉速。試說明該系統(tǒng)的給定值、被控量和干擾量，并畫出方塊圖。一、自動控制的基本原理與方式第二十八頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三29下圖為發(fā)電機－電動機調速系統(tǒng)的方框圖一、自動控制的基本原理與方式第二十九頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三30(3)、復合控制方式按偏差控制和按擾動控制相結合的控制方式稱為復合控制方式。一、自動控制的基本原理與方式第三十頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三31二、自動控制系統(tǒng)示例1、家用電冰箱溫控系統(tǒng)控制器設定溫度與冰箱比較，產(chǎn)生偏差值，當偏差電壓達到使繼電器接通時，壓縮機工作，將蒸發(fā)器中高溫低壓氣態(tài)制冷液送制冷卻器散熱，降溫后的低溫低壓制冷液壓縮成高壓液態(tài)進入蒸發(fā)器，急速降壓擴散成氣體，吸收箱體內熱量，使冰箱溫度下降，如此循環(huán)操作，使箱體溫度達到希望溫度，此時繼電器斷開，壓縮機停止工作。第三十一頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三32下圖為家用冰箱恒溫系統(tǒng)的方框圖二、自動控制系統(tǒng)示例第三十二頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三33

2、鍋爐液位控制系統(tǒng)當蒸汽的耗汽量與鍋爐進水量相等時，液位保持在正常標準值。當過鍋爐給水量不變，而蒸汽負荷發(fā)生變化時，液位也相應發(fā)生變化；或者當蒸汽負荷不變，而給水管道水壓發(fā)生變化時，引起鍋爐液位發(fā)生變化。但只要實際液位高度與正常給定液位之間出現(xiàn)偏差時，調節(jié)器均應立即進行控制，去開大或者關小給水閥門，使液位恢復到給定值。二、自動控制系統(tǒng)示例第三十三頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三34下圖為鍋爐液位控制系統(tǒng)的方框圖二、自動控制系統(tǒng)示例第三十四頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三35

3、龍門刨床速度控制系統(tǒng)下圖示為龍門刨床速度控制系統(tǒng)。當負載發(fā)生變化時，如和控制速度。例如：二、自動控制系統(tǒng)示例第三十五頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三36下圖為龍門刨床速度控制系統(tǒng)的方框圖二、自動控制系統(tǒng)示例第三十六頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三37

4、電爐溫度控制系統(tǒng)電阻絲通過晶閘管主電路加熱，爐溫期望值預先設定，爐溫實際值由熱電偶檢測，并轉換成電壓，經(jīng)放大、濾波后，由A/D轉換后送入計算機，并與所設置的期望溫度進行比較，產(chǎn)生偏差信號，計算機根據(jù)控制算法計算相應控制量，再經(jīng)D/A轉換成電流，通過觸發(fā)器控制晶閘管導通角，從而改變電阻絲中電流大小，達到控制爐溫的目的。二、自動控制系統(tǒng)示例第三十七頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三38下圖為電爐溫度控制系統(tǒng)的方框圖二、自動控制系統(tǒng)示例第三十八頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三39三、自動控制系統(tǒng)的分類

自動控制系統(tǒng)有多種分類方法，一般，為了全面反映自動控制系統(tǒng)的特點，常常將各種分類方法組合應用。開環(huán)控制閉環(huán)控制(反饋控制)復合控制按控制方式分第三十九頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三40機械系統(tǒng)——恒張力系統(tǒng)電氣系統(tǒng)機電系統(tǒng)——全自動照相機，光機電結合液壓系統(tǒng)——伺服液壓缸，汽車發(fā)動機，大型的仿真模擬臺氣動系統(tǒng)生物系統(tǒng)按元件類型分三、自動控制系統(tǒng)的分類第四十頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三41按系統(tǒng)功用分溫度控制系統(tǒng)壓力控制系統(tǒng)位置控制系統(tǒng)三、自動控制系統(tǒng)的分類第四十一頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三42全自動蒸汽加熱系統(tǒng)三、自動控制系統(tǒng)的分類第四十二頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三43線性系統(tǒng)非線性系統(tǒng)連續(xù)系統(tǒng)定常系統(tǒng)時變系統(tǒng)確定性系統(tǒng)不確定性系統(tǒng)按系統(tǒng)性能分離散系統(tǒng)三、自動控制系統(tǒng)的分類第四十三頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三44恒值控制系統(tǒng)隨動系統(tǒng)程序控制系統(tǒng)按參據(jù)量變化規(guī)律分三、自動控制系統(tǒng)的分類第四十四頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三451、線形連續(xù)控制系統(tǒng)

這類系統(tǒng)可以用線形微分方程式描述，其一般形式為：

系數(shù)a0，‥，an，b0,‥bn是常數(shù)時，稱為定常系統(tǒng)；系數(shù)a0，‥，an，b0,‥bn隨時間變化時，稱為時變系統(tǒng)。線性定常連續(xù)系統(tǒng)按其輸入量的變化規(guī)律又可分為恒值控制系統(tǒng)、隨動系統(tǒng)和程序控制系統(tǒng)。三、自動控制系統(tǒng)的分類第四十五頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三46(1)、恒值控制系統(tǒng)

這類控制系統(tǒng)的參據(jù)量是一個常值，要求被控量亦等于一個常值，故又稱為調節(jié)器。在恒值控制系統(tǒng)中，參據(jù)量可以隨生產(chǎn)條件的變化而改變，但是，一經(jīng)調整后，被控量就應與調整好的參據(jù)量保持一致。在工業(yè)控制中，如果被控量是生產(chǎn)過程參量時，這種控制系統(tǒng)則稱為過程控制系統(tǒng)，它們大多數(shù)屬于恒值控制系統(tǒng)。三、自動控制系統(tǒng)的分類第四十六頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三47(2)、隨動系統(tǒng)

系統(tǒng)的參據(jù)量是預先未知的隨時間任意變化的函數(shù)，要求被控量以盡可能小的誤差跟隨參據(jù)量的變化，故又稱為跟隨系統(tǒng)。在隨動系統(tǒng)中。擾動的影響是次要的，系統(tǒng)分析、設計的重點是研究被控量跟隨的快速性和準確性。在隨動系統(tǒng)中，如果被控量是機械位或其導數(shù)時，這類系統(tǒng)稱之為伺服系統(tǒng)。三、自動控制系統(tǒng)的分類第四十七頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三48(3)、程序控制系統(tǒng)

系統(tǒng)的參據(jù)量時按預定規(guī)律隨時間變化的函數(shù)，要求被控量迅速、準確地加以復現(xiàn)。程序控制系統(tǒng)和隨動系統(tǒng)的參據(jù)量都是時間函數(shù)，不過前者是已知的時間函數(shù)，后者是未知的任意時間函數(shù)，而恒值控制系統(tǒng)也可視為程序控制系統(tǒng)的特例。三、自動控制系統(tǒng)的分類第四十八頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三492、線性定常離散控制系統(tǒng)

離散系統(tǒng)是指系統(tǒng)的某處或多處的信號為脈沖序列或數(shù)碼形式，因而信號在時間上是離散的。離散系統(tǒng)一般用差分方程描述，其一般形式可用下式表示：三、自動控制系統(tǒng)的分類第四十九頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三503、非線性控制系統(tǒng)

系統(tǒng)中只要有一個元部件的輸入－輸出特性是非線性的，這類系統(tǒng)就稱為非線性控制系統(tǒng)，

實際物理系統(tǒng)中都含有不同程度的非線性元部件，如放大器和電磁元件的飽和特性，運動部件的死區(qū)、間隙和摩擦特性等。對于非線性程度不大的情況，可在一定范圍內進行線性化。三、自動控制系統(tǒng)的分類第五十頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三51四、對自動控制系統(tǒng)的基本要求1、基本要求的提法可以歸結為穩(wěn)定性（長期穩(wěn)定性）、準確性（精度）和快速性（相對穩(wěn)定性）。

穩(wěn)

準

快

穩(wěn)定性：穩(wěn)定性是對系統(tǒng)的基本要求，不穩(wěn)定的系統(tǒng)不能實現(xiàn)預定任務。穩(wěn)定性，通常由系統(tǒng)的結構決定與外界因素無關。第五十一頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三52

快速性：

對過渡過程的形式和快慢提出要求，一般稱為動態(tài)性能。準確性：

用穩(wěn)態(tài)誤差來表示。在參考輸入信號作