自動(dòng)控制原理第一課-湘潭大學(xué)-期末復(fù)習(xí)概要

同學(xué)們新學(xué)期好！自動(dòng)控制理論講授：陽(yáng)效良出版：華南理工大學(xué)出版社作者：高國(guó)燊余文烋課程講授計(jì)劃總計(jì)64學(xué)時(shí)，每章安排一次習(xí)題課，上課周數(shù)為16周。1.課程教學(xué)目的、任務(wù)

在生產(chǎn)過(guò)程和科學(xué)技術(shù)日新月異的飛速發(fā)展過(guò)程中，自動(dòng)控制技術(shù)起著十分重要的作用，各行各業(yè)都離不開(kāi)自動(dòng)化技術(shù)。通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，掌握生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)控制的基本原理和方法，為學(xué)習(xí)后續(xù)課程打下基礎(chǔ)。

前言2.課程特點(diǎn)

本課程是專(zhuān)業(yè)的一門(mén)主要技術(shù)基礎(chǔ)課，它包括經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論的基本知識(shí)。本課程要求的數(shù)學(xué)知識(shí)較多，因此要求已有較好的高等數(shù)學(xué)和工程數(shù)學(xué)的基礎(chǔ)。前言3.相關(guān)課程及聯(lián)系

本課程的先修課為高等數(shù)學(xué)、線性代數(shù)、復(fù)變函數(shù)、積分變換和電路等。后續(xù)課程有過(guò)程控制系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)控制技術(shù)與系統(tǒng)，系統(tǒng)辨識(shí),控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真，自適應(yīng)控制和模糊控制等。前言4.課程內(nèi)容自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本知識(shí)；建立自動(dòng)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型;利用穩(wěn)定判據(jù)分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性;分析系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能。根據(jù)給定要求設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)，在控制系統(tǒng)的主要元件和結(jié)構(gòu)形式確定的前提下，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行校正。了解非線性系統(tǒng)和離散系統(tǒng)的特點(diǎn)和分析方法。前言6.輔導(dǎo)答疑

時(shí)間：地點(diǎn)：二教6樓602前言7.成績(jī)考核平時(shí)成績(jī)：20%（作業(yè)、平時(shí)測(cè)驗(yàn)、考勤等）考試成績(jī)：80%5.學(xué)習(xí)方法

課前預(yù)習(xí)，課堂理解，課后練習(xí)，溫故知新；把握重點(diǎn)，突破難點(diǎn)，注重特點(diǎn)，融會(huì)貫通；重視實(shí)踐，勤思多練，善于歸納，勇于創(chuàng)新。8.推薦參考書(shū)1《自動(dòng)控制原理典型題解析及自測(cè)試題》盧京潮，西北工業(yè)出版社2《自動(dòng)控制原理360題》李友善，哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社3《自動(dòng)控制原理常見(jiàn)題型解析及模擬題》史忠科，西北工業(yè)大學(xué)出版社4《自動(dòng)控制原理》鄢景華，哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社前言第一章自動(dòng)控制概論

▼自動(dòng)控制的研究意義、研究?jī)?nèi)容一、自動(dòng)控制技術(shù)的重要性1.在國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防建設(shè)中的應(yīng)用例:現(xiàn)代化的熱力發(fā)電廠的鍋爐、汽輪機(jī)和發(fā)電機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)；導(dǎo)彈準(zhǔn)確地命中目標(biāo)、人造衛(wèi)星按預(yù)定的軌道運(yùn)行并返回地面；宇宙飛船能準(zhǔn)確地在月球著陸并返回地球。這些都要有很復(fù)雜的自動(dòng)控制系統(tǒng)予以保證才行。2．在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的應(yīng)用例：對(duì)溫度、壓力、濕度、流量、頻率以及原料、燃料成分比例等方面的控制。自動(dòng)控制技術(shù)的應(yīng)用，不僅使生產(chǎn)過(guò)程實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化，極大地提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量，改善了勞動(dòng)條件，并且在人類(lèi)征服自然、探索新能源、發(fā)展空間技術(shù)和改善人民物質(zhì)生活等方面都起著極為重要的作用。因此，自動(dòng)控制技術(shù)已經(jīng)成為實(shí)現(xiàn)工業(yè)、農(nóng)業(yè)、科學(xué)技術(shù)和國(guó)防現(xiàn)代化必不可少的一門(mén)技術(shù)。

二、自動(dòng)控制原理的研究?jī)?nèi)容自動(dòng)控制原理是一門(mén)技術(shù)基礎(chǔ)課程，主要講述自動(dòng)控制原理與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)等內(nèi)容。根據(jù)自動(dòng)控制技術(shù)發(fā)展的不同階段，自動(dòng)控制原理可分為古典控制理論和現(xiàn)代控制理論兩大部分。

1.古典控制理論古典控制理論的內(nèi)容以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)，研究單輸入-單輸出一類(lèi)自動(dòng)控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)問(wèn)題。注：這些理論研究較早，現(xiàn)在已經(jīng)成熟，并且在工程實(shí)踐中得到廣泛的應(yīng)用。

2、現(xiàn)代控制理論60年代在古典控制理論的基礎(chǔ)上，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和工程實(shí)踐的需要而迅速發(fā)展起來(lái)的現(xiàn)代控制理論，它的內(nèi)容主要以狀態(tài)空間法為基礎(chǔ)，研究多輸入-多輸出、變參數(shù)、非線性、高精度、高效能等控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)問(wèn)題。最優(yōu)控制、最佳濾波、系統(tǒng)辨識(shí)、自適應(yīng)控制理論都是這一領(lǐng)域的主要課題。

近年來(lái)，由于電子計(jì)算機(jī)技術(shù)和現(xiàn)代應(yīng)用數(shù)學(xué)研究的迅速發(fā)展，使現(xiàn)代控制理論又在研究龐大的系統(tǒng)工程的大系統(tǒng)理論和模仿人類(lèi)智能活動(dòng)的智能控制、生物控制、模糊控制等方面有了重大進(jìn)展。目前，現(xiàn)代控制理論正隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展而日新月異地向前發(fā)展著。1-1自動(dòng)控制與自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念

▼基本概念

自動(dòng)控制：在沒(méi)有人直接參與的情況下，通過(guò)控制器使被控制對(duì)象或過(guò)程自動(dòng)地按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行。

下面以水池水位控制系統(tǒng)為例來(lái)說(shuō)明自動(dòng)控制與自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念。

圖1.1-1

圖圖1.1-1中對(duì)水位的控制，可由人工操作實(shí)現(xiàn)，其控制的具體過(guò)程如下：1)

通過(guò)眼睛觀察水池的實(shí)際水位；

2)與要求的水位進(jìn)行比較，得出偏差；

3)根據(jù)偏差的大小調(diào)節(jié)進(jìn)水閥門(mén)的開(kāi)啟程度。圖1.1-2

用自動(dòng)控制代替人工控制的必要性：勞動(dòng)量的不允許；精確度、靈敏度的約束。

在自動(dòng)控制原理中，定義用以完成一定任務(wù)的一些部件（或元件）的組合為系統(tǒng)。圖1.1-2水池水位自動(dòng)控制系統(tǒng)中，水池是被控制的，叫做系統(tǒng)的被控制對(duì)象。除了被控制對(duì)象之外的各個(gè)部分的組合叫做控制器。自動(dòng)控制裝置按其職能一般應(yīng)包括以下幾個(gè)部分：

1）測(cè)量元件：測(cè)量被控量的實(shí)際值或?qū)Ρ豢亓窟M(jìn)

行物理量的變換

2）比較元件：將測(cè)量結(jié)果和要求值進(jìn)行比較，得

到偏差

3）放大元件：將微弱的信號(hào)作線性放大。

4）執(zhí)行元件：由控制信號(hào)產(chǎn)生控制作用，從而使

被控量達(dá)到要求值

5)校正元件：按某種函數(shù)規(guī)律變換控制信號(hào)，以

利于改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)或靜態(tài)性能。測(cè)量元件：浮子

被控制量或輸出量：實(shí)際水位；

反饋量：電位器的輸出電壓

控制量或輸入量：要求的水位

干擾輸入量：用水量

偏差量：要求水位與實(shí)際水位之差

為便于研究，把實(shí)際的物理系統(tǒng)按信號(hào)傳遞過(guò)程畫(huà)成如圖1.1-3所示的方塊圖。圖中的圓叉號(hào)代表比較元件（比較元件的輸出信號(hào)等于各輸入信號(hào)的代數(shù)和）。整個(gè)控制系統(tǒng)也可用一個(gè)大方塊圖表示，如圖1.1-4所示。圖1.1-3輸入量（擾動(dòng)作用）輸出量輸入量（被控量）（給定量）自動(dòng)控制系統(tǒng)圖1.1-4

從圖1.1-3可以明顯地看出，產(chǎn)生控制作用的關(guān)鍵是偏差信號(hào)。

負(fù)反饋控制原理：利用負(fù)反饋得到偏差信號(hào)（或偏差信號(hào)增量），進(jìn)而產(chǎn)生控制作用，又去消除偏差（或偏差增量）的控制原理?！?/p>

因此，嚴(yán)格地說(shuō)，自動(dòng)控制系統(tǒng)是一個(gè)力圖使控制信號(hào)與被控制信號(hào)之間保持給定函數(shù)關(guān)系的具有能源和負(fù)反饋的閉環(huán)系統(tǒng)?！?/p>

物理量的表示：控制量用r(t)表示；被控制量用c(t)；反饋量用y(t)表示，偏差量用ε(t)表示；干擾量用f(t)表示。前向通道：從偏差量到被控制量的通道。反饋通道：由被控制量到反饋量的通道。

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控制系統(tǒng)的分類(lèi):控制系統(tǒng)可以按照多種方式組成。如：1)按給定輸入量的變化情況反饋控制系統(tǒng)可分成隨動(dòng)系統(tǒng)、定值調(diào)節(jié)系統(tǒng)（恒值系統(tǒng)）、和程序控制系統(tǒng)。2)按信號(hào)傳遞的特點(diǎn)或系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可分成開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。3)按描述系統(tǒng)的微分方程來(lái)分類(lèi)可分成線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)。4)按控制作用和時(shí)間的關(guān)系可分成連續(xù)控制系統(tǒng)和離散控制系統(tǒng)。

上面我們主要結(jié)合閉環(huán)控制系統(tǒng)說(shuō)明了自動(dòng)控制的基本概念并引出了一些常用名詞術(shù)語(yǔ)。下面我們就來(lái)說(shuō)明開(kāi)環(huán)控制與閉環(huán)控制的特點(diǎn)及主要優(yōu)缺點(diǎn)。

1-2開(kāi)環(huán)控制與閉環(huán)控制

開(kāi)環(huán)控制：開(kāi)環(huán)控制是指控制裝置與被控制對(duì)象之間只有順向作用而沒(méi)有反向聯(lián)系的控制過(guò)程。開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的輸出量對(duì)系統(tǒng)的控制作用沒(méi)有任何影響。開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)的方塊圖如圖1.2-1所示。

控制器對(duì)象或過(guò)程控制量被控制量圖1.2-1開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)

開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)舉例：自動(dòng)售貨機(jī)、自動(dòng)洗衣機(jī)、產(chǎn)品生產(chǎn)自動(dòng)線以及交通指揮的紅綠燈轉(zhuǎn)換等。★

以電加熱爐為例說(shuō)明開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)的控制過(guò)程。

E圖1.2-2電加熱爐K閉環(huán)控制：閉環(huán)控制是指控制裝置與被控制對(duì)象之間既有順向作用，又有反向聯(lián)系的控制過(guò)程。閉環(huán)控制是自然界中一切生物控制自身運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律，也是工程自動(dòng)控制的基本原理。它可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜而準(zhǔn)確的控制?？刂蒲b置被控對(duì)象輸入信號(hào)擾動(dòng)被控制量╳-圖1.2-3閉環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制的典型方塊圖如1.2-3:圖1.2-3中把被控制量(輸出量)送回輸入端并與輸入信號(hào)比較的過(guò)程稱(chēng)為反饋。若反饋信號(hào)是與輸入信號(hào)相減而使偏差值越來(lái)越小，則稱(chēng)為負(fù)反饋；反之，則稱(chēng)為正反饋?！裰挥邪簇?fù)反饋原理組成的閉環(huán)控制系統(tǒng)才能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的任務(wù)?？偨Y(jié)：開(kāi)環(huán)控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、工作穩(wěn)定?？垢蓴_能力弱。閉環(huán)控制抗干擾能力強(qiáng)，控制精度高，但須解決穩(wěn)定性問(wèn)題，選擇適當(dāng)?shù)南到y(tǒng)參數(shù)，修正偏差。附加內(nèi)容

復(fù)合控制系統(tǒng)若要求實(shí)現(xiàn)復(fù)雜且精度較高的控制任務(wù)，可將開(kāi)環(huán)控制和閉環(huán)控制方式適當(dāng)結(jié)合起來(lái)，組成一個(gè)比較經(jīng)濟(jì)且性能較好的復(fù)合控制系統(tǒng)。實(shí)質(zhì)上，復(fù)合控制是在閉環(huán)控制回路的基礎(chǔ)上，附加一個(gè)輸入信號(hào)或擾動(dòng)作用的順饋通路，來(lái)提高系統(tǒng)的控制精度。順饋通路通常由對(duì)輸入信號(hào)的補(bǔ)償裝置或?qū)_動(dòng)作用的補(bǔ)償裝置組成，分別稱(chēng)為按輸入信號(hào)補(bǔ)償（提供微分作用）和按擾動(dòng)作用補(bǔ)償（抵消作用）的復(fù)合控制系統(tǒng)，如圖1.2-4。補(bǔ)償裝置被控對(duì)象輸入信號(hào)輸出量控制裝置╳-a）按輸入作用補(bǔ)償補(bǔ)償裝置被控對(duì)象輸入信號(hào)輸出量控制裝置╳-b）按擾動(dòng)作用補(bǔ)償擾動(dòng)

1-3控制系統(tǒng)舉例

一、隨動(dòng)系統(tǒng)1．隨動(dòng)系統(tǒng)的定義：承受控制信號(hào)為一任意時(shí)間常數(shù)，其變化規(guī)律無(wú)法預(yù)先予以確定的閉環(huán)控制系統(tǒng)。2．

舉例說(shuō)明1）火炮隨動(dòng)系統(tǒng)原理公式：u=K1(θ1-θ2)=K1Δθ1.3-1火炮隨動(dòng)系統(tǒng)原理線路圖圖中一對(duì)自整角機(jī)組成測(cè)角線路。自整角發(fā)送機(jī)Ⅰ轉(zhuǎn)軸的位置由指揮儀來(lái)控制，此軸為系統(tǒng)的輸入軸。當(dāng)炮瞄雷達(dá)已搜索到目標(biāo)，且目標(biāo)已進(jìn)入火炮射程之內(nèi)時(shí)，天線隨動(dòng)系統(tǒng)將進(jìn)入自動(dòng)跟蹤工作狀態(tài)。這時(shí)安裝在天線上的數(shù)據(jù)傳遞系統(tǒng)，不斷地把目標(biāo)的方位角（俯仰角）數(shù)據(jù)傳遞給指揮儀。指揮儀根據(jù)當(dāng)時(shí)氣候條件，炮彈在空中飛行的彈道，目標(biāo)在空中飛行的速度、高度等數(shù)據(jù)，并注意到火炮和雷達(dá)站二者的方位角（俯仰角）之差，計(jì)算出為了使火炮與目標(biāo)在空中相遇的火炮炮口的方位角（俯仰角）應(yīng)有的數(shù)值θ1（t），這個(gè)θ1（t）就是火炮隨動(dòng)系統(tǒng)的控制信號(hào)。自整角接收機(jī)Ⅱ的轉(zhuǎn)子軸與火炮軸相固聯(lián)，此軸為系統(tǒng)的輸出軸。╳校正裝置前置放大相敏檢波直流放大功率放大減速器執(zhí)行電機(jī)K1θ1（t