第章自控原理

自動控制原理信息控制類專業(yè)最重要的專業(yè)基礎(chǔ)課之一信息與控制工程學(xué)院自動化系第一章自動控制系統(tǒng)的基本概念1-1認(rèn)識自動控制的概念1-2自動控制的基本原理1-3自動控制系統(tǒng)分類1-4控制系統(tǒng)性能要求1.基本概念自動控制在沒有人直接參與的情況下，利用外加的設(shè)備或裝置，使機器、設(shè)備或生產(chǎn)過程的某個工作狀態(tài)或參數(shù)自動地按照預(yù)定規(guī)律運行?！?-1自動控制技術(shù)介紹1.基本概念自動控制在沒有人直接參與的情況下，利用外加的設(shè)備或裝置，使機器、設(shè)備或生產(chǎn)過程的某個工作狀態(tài)或參數(shù)自動地按照預(yù)定規(guī)律運行。鍋爐溫度控制、化工過程流量、溫度、液位的控制……自動控制系統(tǒng)實現(xiàn)某一控制目標(biāo)的所有物理部件的有機組合體。控制裝置被控對象被控變量我們身邊的自動控制系統(tǒng)與裝置現(xiàn)代生活離不開自動控制！空調(diào)冰箱電熱水器2.自動控制技術(shù)的直觀認(rèn)識1788年英國Watt發(fā)明的控制蒸汽機速度的離心式調(diào)速器

自動控制技術(shù)發(fā)展過程中的例子1913年美國建成最早的汽車裝配流水線1952年美國MIT研制出第一臺數(shù)控機床

自動控制技術(shù)發(fā)展過程中的例子1959年第一臺工業(yè)機器人

1981年美國“哥倫比亞”號航天飛機首次發(fā)射成功自動控制技術(shù)發(fā)展過程中的例子機器人足球比賽月球車大型化工企業(yè)自動控制裝置3.自控系統(tǒng)與自控原理自動控制原理是分析各種自動控制裝置的統(tǒng)一理論，是其內(nèi)在的共通規(guī)律自動控制裝置不需要人參與就能完成任務(wù)“自動控制”是自動化系統(tǒng)的核心自動控制技術(shù)的兩個方面：

①人手（腳）的延伸——動力方面的自動化技術(shù)：工業(yè)化

②人腦的延伸——信息處理方面的自動化技術(shù):信息化自動控制技術(shù)已經(jīng)成為現(xiàn)代社會中的不可缺少的一部分比人工作的更好、更快、更準(zhǔn)把人從繁重危險的任務(wù)中解放出來完成人無法完成的工作工業(yè)生產(chǎn)、軍事裝備、航空航天、生物醫(yī)學(xué)、經(jīng)濟(jì)運行、社會管理、日常生活等諸多領(lǐng)域都有自動控制系統(tǒng)自動控制原理這門課程就是來研究這些自動控制裝置或系統(tǒng)的基本工作規(guī)律和原理4.自動控制理論研究簡史經(jīng)典控制理論：20世紀(jì)40-50年起源：二戰(zhàn)軍工技術(shù)的需求目標(biāo)：反饋控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性方法：微分方程、傳遞函數(shù)、根軌跡、頻域分析應(yīng)用系統(tǒng):單輸入單輸出系統(tǒng)（SISO）現(xiàn)代控制理論：20世紀(jì)60年代起源：冷戰(zhàn)時期，空間技術(shù)發(fā)展的需求目標(biāo)：最優(yōu)控制方法：狀態(tài)空間方程應(yīng)用系統(tǒng):多輸入多輸出系統(tǒng)（MIMO）智能控制理論：20世紀(jì)80年代起源：智能技術(shù)和計算機技術(shù)的迅速發(fā)展目標(biāo)：智能控制方法：專家系統(tǒng)、模糊控制技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、智能進(jìn)化算法等等重要的人物：1948，維納《控制論》1954，錢學(xué)森《工程控制論》自動控制理論的發(fā)展歷程1769，瓦特，飛球調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)蒸汽機流量1868，麥克斯韋爾，“論調(diào)速器”1877/1895,勞思/赫爾維茨穩(wěn)定性判據(jù)1932，乃奎斯特，頻域穩(wěn)定性分析1948，維納，《控制論》1956，蘇聯(lián)，龐特里亞金，極大值原理1956，貝爾曼，動態(tài)規(guī)劃1960，卡爾曼，最優(yōu)濾波器1954，錢學(xué)森，《工程控制論》20世紀(jì)80年代至今，智能控制技術(shù)§1-2自動控制的基本原理【例】

水箱系統(tǒng)入口流量Qi取決于閥門開度u，出口流量與液位H和出口閥門有關(guān)問題：如何使得實際液位H控制在期望液位不變期望液位：Hs1.人工物控制眼：測量壤實際轟液位H——檢測選過程襖。腦：將實列際液額位H和期乏望液捷位Hs比較想，根注據(jù)兩凝者偏洽差正贈負(fù)及規(guī)大小硬作出背決策券?！容^響、分巨析、祥決策杯過程妨。手：執(zhí)行妹大腦糟命令烏，調(diào)冊節(jié)閥么門開班度?！獔?zhí)行屆過程絞。人工響控制腥原理見方塊蚊圖實際液位腦眼給定值手水槽擾動測量值2.自動歪控制變送蝦器(眼）：測障量實狡際液鐵位H并進(jìn)舞行物悉理轉(zhuǎn)功換。控制伯器（仍大腦蠅）：元也叫貧調(diào)節(jié)精器，厲將測亮量值mv和給纖定值sv相比沸較，杜根據(jù)機兩者吹的偏怎差進(jìn)泉行運膚算，岡輸出桃控制冤信號u。執(zhí)行棋器（新手）：也抖叫調(diào)縱節(jié)閥武，改皂變閥刻門開憐度。自動謠控制框原理騙方塊筆圖：實際液位控制器變送器給定值執(zhí)行器水槽擾動測量值實際液位腦眼給定值手水槽擾動測量值人工扣控制牧原理串方塊蜜圖：3.反饋啟控制次原理反饋通過氣測量大變換狡裝置知將系齒統(tǒng)或胸元件曲的輸膜出量爺反送量到輸蠢入端允，與龍輸入古信號戒相比狗較。滲反送痰到輸刪入端霜的信貼號稱翠為反有饋信案號。負(fù)反疏饋反饋嗽信號滔與輸閑人信想號相妄減，色其差費為偏領(lǐng)差信瘋號負(fù)反詳饋控北制原患理將系著統(tǒng)的隔輸出救信號蔥引回考輸入罩端，查與輸省入信員號相錯減，倚形成之偏差鏡信號壇。然警后根招據(jù)偏朽差信撇號產(chǎn)池生相西應(yīng)的濤控制銹作用鞭，力慶圖消熊除或炕減少腸偏差甘的過踐程。4.自動維控制目系統(tǒng)合結(jié)構(gòu)反饋忌，反壟饋通仇道，級前向商通道考，閉細(xì)環(huán)輸入桃變量錢：擾緊動輸升入d，給框定輸殊入r（參阿考輸唱入）輸出明變量c，廣義寨被控痰對象+控制籮器自動控制系統(tǒng)的構(gòu)成：控制器測量變送器給定輸入執(zhí)行器被控對象擾動輸入輸出測量值自動扇控制旱裝置+被控誕對象幾個晨概念被控牙制量c：在控熔制系算統(tǒng)中忙．按例規(guī)定渣的任奧務(wù)需復(fù)要加喇以控蘿制的讀物理能量?？刂乒剂縰：作為看被控帝制量枕的控粗制指告令而徑加給斃系統(tǒng)歡的輸跑入量痰．也鼓稱控萄制輸警入。擾動飛量d：干擾欺或破蘭壞系僑統(tǒng)按覽預(yù)定臭規(guī)律探運行損的輸索入量會，也隊稱擾智動輸島入。自動拴控制記系統(tǒng)犁的特琴點存在雪反饋鍛，輸健出量席參與鹽控制悠；基步于偏推差進(jìn)唇行控暖制反饋襲（偏柴差、喬閉環(huán)艦）控把制系誕統(tǒng)5.控制號系統(tǒng)螞方框郊圖用方宜框和插箭頭丑表示詞的控?zé)嶂葡祾杲y(tǒng)元緩件作稼用圖輸出量

環(huán)節(jié)名稱(或特性)輸入量(a)

(-)e=r-br(+)

(-)b(b)re=r-b

b或(c)c引出點cc方框前圖中績的幾蜂種表戒示法殺：被控量偏差信號

(-)

參考輸入信號r(t)控制器(或調(diào)節(jié)器)u(t)廣義被控系統(tǒng)e(t)c(t)反饋信號

控制量

擾動

給定裝置

校正裝置

放大

元件

執(zhí)行

器

被控

對象

反饋裝置測量變送器6.基本溜控制濟(jì)方式1）開永環(huán)控猜制2）閉頁環(huán)控煌制（性反饋疏控制捷）3）復(fù)各合控兇制按干住擾進(jìn)公行控衛(wèi)制（訊即前駛饋控變制，仁對干屬擾進(jìn)眠行補府償）按給武定值顫進(jìn)行漏控制開環(huán)窯控制召（按干守擾進(jìn)工行控索制）閉環(huán)兔控制6.基本侮控制啟方式1）開誰環(huán)控供制：不存曲在輸亭出到鑄輸入菌的反知饋，鑼輸出默量不劃參與爛控制按干蘋擾進(jìn)摘行控咱制（養(yǎng)即前蕩饋控?fù)P制，儲對干斑擾進(jìn)錄行補搶償）擾動嚴(yán)必須性可測若！按給套定值松進(jìn)行互控制例M負(fù)載++++功放功放電機負(fù)載M——電動融機例+M負(fù)載+++壓放功放+功放電機負(fù)載壓放例2：電芒機系殖統(tǒng)M負(fù)載++++TG壓放功放測速發(fā)電機壓放功放電機負(fù)載2）閉環(huán)蠅控制葉系統(tǒng)期望水轉(zhuǎn)速楊：存在訊輸出禍到輸提入的都反饋哥，輸產(chǎn)出量氏參與斷控制TG——測速發(fā)電姓機例3）復(fù)報合控怪制系氧統(tǒng)+壓放+M負(fù)載+++TG壓放功放++功放電機負(fù)載壓放測速發(fā)電機壓放方塊迷圖：為何伸要采泰用復(fù)律合控件制？反饋拐控制醬只有句當(dāng)轉(zhuǎn)宅速發(fā)罪生偏摸差時甲才進(jìn)漆行控忌制，條反應(yīng)包較慢按擾悉動進(jìn)鳥行補排償?shù)挠鲩_環(huán)呢控制葬只要檔負(fù)載往發(fā)生嶄變化承就能抖進(jìn)行誦控制反應(yīng)幅較快3)主要羽擾動(可測列量)—寨—按擾乘動補玻償?shù)募堥_環(huán)踏控制其余渾擾動(不可然測量)—膽—反饋持控制§1禍-3自動催控制增系統(tǒng)骨分類線性婚定常盡連續(xù)允系統(tǒng)線性猾微分鍬方程揪描述特點厭：各變仆量及慢其導(dǎo)漂數(shù)以奸一次尾冪形專式出弟現(xiàn)，暮且無綱交叉睜相乘——線性各系斤數(shù)ai茫(i夢=0尼,1絮,…帳,n嗎),謙b罰j(副j=頓0,辯1,享…,劍m)都是樓常數(shù)——定常系統(tǒng)殃中各鍋信號賊隨著擺時間蜂連續(xù)孤變化——連續(xù)1）恒溜值控貼制系圈統(tǒng)給定偽輸入匙為常密數(shù)，芳系統(tǒng)繩克服帆擾動裁影響例：像液位猶控制掃系統(tǒng)背、溫村度控籃制系同統(tǒng)等榜工業(yè)獸系統(tǒng)2）隨館動控例制系概統(tǒng)給定餐輸入家是隨叮機時兄間變膝化的絞函數(shù)摸（未閉知）例：哥函數(shù)腳記錄配儀、舅火炮苗、自騙動跟鄙蹤系剝統(tǒng)在隨尖動系疏統(tǒng)中軌，如護(hù)果被丸控量爐是機攔械位央置或牙其導(dǎo)征數(shù)時滑，稱近為伺評服系厭統(tǒng)3）程陶序控專制系剛統(tǒng)給定倆輸入濤是預(yù)勁知的否時間汁函數(shù)例：壺機床勁加工牲系統(tǒng)2線性祥定常乎離散剝控制液系統(tǒng)線性慢差分在方程掃描述r(短k)和c(避k)分別佛為輸凡入和側(cè)輸出奇采樣潑序列例：董工業(yè)仇計算納機控脾制系飾統(tǒng)3非線屆性控癥制系峽統(tǒng)系數(shù)塘與變佩量有麗關(guān)按控鍵制方漠式：開環(huán)盈控制果、閉進(jìn)環(huán)控軍制、閘復(fù)合不控制按元遞件類辟型：機械蒼、電鼓氣、急機電望、氣戰(zhàn)動……按系肉統(tǒng)功福用：壓力棟控制蒼系統(tǒng)縫、溫形度控刮制系朋統(tǒng)、樓速度祖控制文系統(tǒng)……按參紹據(jù)量序的變隆化規(guī)燦律：恒值費控制深系統(tǒng)省、隨鳳動控武制系僚統(tǒng)、鞭程序師控制孤系統(tǒng)按系注統(tǒng)性續(xù)能：線性斥系統(tǒng)——系統(tǒng)拿中所湖有元陶件特疼性都愚是線塵性的非線漏性系湊統(tǒng)定常葵系統(tǒng)——系統(tǒng)衰結(jié)構(gòu)珍和參鏟數(shù)不燙隨時溝間變形化時變?nèi)~系統(tǒng)連續(xù)央系統(tǒng)——系統(tǒng)饞中各姑部分境信號民均隨薦時間膊連續(xù)榮變化離散健系統(tǒng)確定息性系叛統(tǒng)——本課建程只核涉及借確定替性系有統(tǒng)不確貌定性疼系統(tǒng)§1膊-4對控?fù)苤葡瞪咏y(tǒng)性面能的螺基本踩要求時間tr上升峰值時間tpAB超調(diào)量σ%=AB100%調(diào)節(jié)時間ts“穩(wěn)，快，準(zhǔn)”1.穩(wěn)定腿性（攀最基徐本要生求）系統(tǒng)鎮(zhèn)在擾敗動消鳴失后卡，由屬初始嗓偏差轟狀態(tài)固恢復(fù)醉到平字衡狀候態(tài)的無能力揉。１、節(jié)穩(wěn)定２、反不穩(wěn)喝定穩(wěn)定感性：(1)對恒寬值系其統(tǒng)，移要求為當(dāng)系妄統(tǒng)受養(yǎng)到擾奮動后橋，經(jīng)赴過一遍定時觸間的治調(diào)整韻能夠膛回到哥原來植的期欣望值丹。(2杯)對隨卻動系躲統(tǒng)，狗被控吧制量隸始終澤跟蹤怠參據(jù)抗量的煙變化靜。穩(wěn)定補性是呀對系喝統(tǒng)的鍵基本攜要求角，不躍穩(wěn)定踏的系債統(tǒng)不慎能實抗現(xiàn)預(yù)湊定任童務(wù)。蟲線性唉系統(tǒng)網(wǎng)穩(wěn)定泛性，餡通常擁由系回統(tǒng)的鹽結(jié)構(gòu)笨決定靠與外通界因喝素?zé)o匹關(guān)。2.快速碑性動態(tài)嘆性能:調(diào)節(jié)聯(lián)時間舍、上棉升時廈間對過方渡過夢程的霧形式眉和快線慢提如出要茶求，丈一般伸稱為唉動態(tài)但性能怕。穩(wěn)定捎高射熔炮射霸角隨榮動系瓣統(tǒng)，斬雖然閉炮身杯最終椅能跟嫂蹤目勤標(biāo)，付但如初果目稀標(biāo)變商動迅仁速，紐奉而炮祖身行嶺動遲扶緩，蔬仍然柔抓不販住目浮標(biāo)。3.準(zhǔn)確籌性穩(wěn)態(tài)戚性能尊：穩(wěn)態(tài)肺誤差在參故考輸嫁入信扛號作求用下謠，當(dāng)墻系統(tǒng)費達(dá)到附穩(wěn)態(tài)丙后，此其穩(wěn)瘦態(tài)輸柔出與控參考端輸入責(zé)所要幻玉求的維期望局輸出氏之差霧叫做晌給定嘴穩(wěn)態(tài)講誤差睬。顯閘然，擴這種喊誤差宜越小懇，表年示系薪統(tǒng)的僅輸出圣跟隨牛參考炊輸入裂的精圈度越桌高。1、階石躍函鴉數(shù)單位迫階躍緞函數(shù)