第一章-自動控制概論培訓(xùn)資料

自動控制原理教材：

1.《自動控制原理》第五版，胡壽松，科學(xué)出版社，2007年；2.《自動控制原理習(xí)題解析》胡壽松，科學(xué)出版社，2007年；自動控制理論經(jīng)典控制理論現(xiàn)代控制理論非線性控制系統(tǒng)第二章第三章第四章第五章第六章第七章第十章線性控制系統(tǒng)連續(xù)控制系統(tǒng)離散控制系統(tǒng)第八章第九章

60~70年代

現(xiàn)代控制理論（狀態(tài)空間法）

核心：狀態(tài)變量的能控、能觀性，

系統(tǒng)性能的最優(yōu)化

特點(diǎn)：時(shí)域法，統(tǒng)一處理SISO、MIMO系統(tǒng)，

有完整的理論體系

數(shù)學(xué)基礎(chǔ)：線性代數(shù)，矩陣?yán)碚?/p>

缺點(diǎn)：對系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型精度要求高，

實(shí)際性能達(dá)不到設(shè)計(jì)的最優(yōu)，

所需狀態(tài)反饋難以直接實(shí)現(xiàn)MIMO:Multi-InputandMulti-Output70年代~現(xiàn)在

多種新型控制理論多變量頻域控制理論

①經(jīng)典SISO→MIMO；

②基于互質(zhì)分解的全新的頻域優(yōu)化理論魯棒控制（robustcontrol）

魯棒性（robustness）：系統(tǒng)存在模型誤差或受到擾動時(shí)仍能保持良好性能的能力

魯棒控制：使系統(tǒng)具有良好魯棒性的控制70年代~現(xiàn)在

多種新型控制理論智能控制（intelligentcontrol）

控制系統(tǒng)具有擬人智能（學(xué)習(xí)、記憶、判斷、推理等）大系統(tǒng)控制、復(fù)雜系統(tǒng)控制等

被控系統(tǒng)具有高維數(shù)、強(qiáng)關(guān)聯(lián)、多約束、多目標(biāo)、不確定性、分散性、非線性、大時(shí)滯、難建模等特征，如電力系統(tǒng)、城市交通系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、制造系統(tǒng)、經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)等本課程的體系結(jié)構(gòu)內(nèi)容：經(jīng)典控制理論

建模、分析、綜合范圍：線性定常SISO系統(tǒng)

（包括連續(xù)與離散）與非線性系統(tǒng)重點(diǎn)：基本概念、基本理論、基本方法高等數(shù)學(xué)——微分方程、拉氏變換、富

氏變換及復(fù)變函數(shù)等電路——電路理論及運(yùn)算方法、暫

態(tài)過程分析電子技術(shù)——運(yùn)算放大器元件及參數(shù)

計(jì)算電機(jī)——工作原理及機(jī)械特性Matlab——編程實(shí)現(xiàn)需要的基礎(chǔ)知識第一章自動控制的一般概念什么是自動控制?

無須人的直接參與，通過控制裝置，使機(jī)器、設(shè)備、生產(chǎn)過程等按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行，完成要求的任務(wù)，就叫自動控制。應(yīng)用領(lǐng)域：控制無處不在軍事/國防：導(dǎo)彈、雷達(dá)系統(tǒng)交通系統(tǒng)：制造系統(tǒng)：數(shù)控機(jī)床加工生產(chǎn)線鋼鐵生產(chǎn)：家用電器：機(jī)器人上述各種設(shè)備能夠不需要人的參與而實(shí)現(xiàn)“自動控制”的奧秘是什么？張三book李四book用手拿書：

可見，手和書的位置間的“偏差”信息影響著拿書過程的順利完成那么，大腦是如何獲得這個(gè)“偏差”信息的呢？分析拿書這個(gè)動作完成的過程：當(dāng)人試圖去拿書時(shí)，大腦送出一個(gè)信號命令去執(zhí)行這個(gè)任務(wù)。這時(shí)，眼睛將不斷地觀測書和手的位置，并將這個(gè)信息送入大腦；然后，由大腦根據(jù)手的位置與書的位置間的距離（偏差）大小，發(fā)出命令，控制手臂向減少這個(gè)距離的方向移動（使偏差減?。?。只要偏差存在，上述過程就要反復(fù)進(jìn)行，一旦手拿到了書，偏差減少為0，大腦就命令手停止運(yùn)動，人便完成了手拿書的過程。由于李四被蒙住了眼睛，自然他就無法知道自己的手和書之間的距離（偏差）是多少，因此也就無法快速準(zhǔn)確地拿到書了。手書位置大腦眼睛眼睛手位置用手拿書的模擬框圖：“偏差”信息手拿書的過程是通過眼睛、大腦和手來實(shí)現(xiàn)的。其中，書和手的位置是通過眼睛測量到的，這個(gè)測量信息經(jīng)過大腦判斷后，發(fā)出命令，讓手向書的位置移動（使手的位置和書的位置一致），最終實(shí)現(xiàn)拿起書的目的。因此，人的大腦能夠獲得手和書的位置間的“偏差”信息，是由于“手的位置”信息通過眼睛傳給了大腦。手動控制熱水箱溫度的實(shí)驗(yàn)：操作員用手指測量熱水箱的溫度：當(dāng)手指感到的溫度高于給定的目標(biāo)溫度（設(shè)定值）時(shí)，操作員就用另一只手關(guān)閉閥門，使得蒸汽量減少；如果……低于目標(biāo)溫度，則打開閥門，使蒸汽量增加在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，人的大腦根據(jù)水箱的實(shí)際溫度與目標(biāo)溫度間的“偏差”，做出判斷并命令手進(jìn)行相應(yīng)的操作-----關(guān)閉/打開閥門，從而使熱水箱的溫度保持在目標(biāo)值上（即使“偏差”減?。??？梢?，水箱的實(shí)際溫度和目標(biāo)值間的“偏差”信息影響著“手動控制溫度”的順利完成。那么，操作員的大腦又是如何獲得這個(gè)“偏差”信息的呢？手動控制溫度的模擬框圖：目標(biāo)溫度大腦手閥門熱水箱手水箱溫度“偏差”信息Q：上述兩個(gè)產(chǎn)生“偏差”信息的過程是否相同？可以看出，操作員通過“手指”測量水箱的溫度，然后，大腦將“手指”測量到的溫度值與目標(biāo)溫度值進(jìn)行比較、判斷，并發(fā)出命令，最后，手執(zhí)行大腦發(fā)出的命令（打開或關(guān)閉閥門）。因此，操作員之所以能夠獲得水箱溫度與目標(biāo)溫度的“偏差”，是由于“水箱溫度”的信息通過操作員的手指傳給了大腦。溫度自動控制系統(tǒng)：手指大腦手和閥門目標(biāo)溫度比較裝置熱水箱水箱溫度控制裝置執(zhí)行裝置檢測裝置偏差比較裝置將檢測裝置測量到的水箱實(shí)際溫度與目標(biāo)溫度相比較，并將比較的結(jié)果----“偏差”信息傳遞給“控制裝置“。所以，“比較裝置”能否生產(chǎn)“偏差”信息關(guān)鍵在于是否能夠獲得水箱的實(shí)際溫度值。也就是說，水箱的實(shí)際溫度是否通過某種“檢測裝置”被傳回到“比較裝置”中，是獲得“偏差”的關(guān)鍵。反饋!用一些設(shè)備模仿和代替人的智能系統(tǒng)方框圖中各符號的意義：元部件信號（物理量）及傳遞方向比較點(diǎn)引出點(diǎn)表示負(fù)/正反饋-/+系統(tǒng)指由相互關(guān)聯(lián)、相互制約、相互作用的一些部分組成的具有某種功能的有機(jī)整體。輸入量（輸入信號）、輸出量（輸出信號）反饋是指將輸出量送回到系統(tǒng)的輸入端并與目標(biāo)值（輸入量）進(jìn)行比較的過程。嚴(yán)格地說，反饋是指系統(tǒng)作用的結(jié)果反過來對系統(tǒng)功能特性的影響。反饋的結(jié)果通過輸出量和輸入量的偏差對輸出量進(jìn)行控制，使得偏差越來越小－－負(fù)反饋；將輸出量與輸入量相加來影響系統(tǒng)的輸出（激勵(lì)）－－正反饋

人工控制：控制系統(tǒng)可以由人工控制，也可以采用自動控制。圖1－1水位人工控制原理圖

如圖1－1

所示，水位保持系統(tǒng)。第一章自動控制概論若要求在出水量隨意的條件下，保持水位高度不變：操作人員需先測實(shí)際水位，并在腦子中與要求的水位進(jìn)行比較。若低于要求的水位，則需開大進(jìn)水閥門。否則應(yīng)關(guān)小進(jìn)水閥門。若兩者正好相等，則進(jìn)水閥門不動。人工控制（續(xù)）

第一章自動控制概論根據(jù)系統(tǒng)原理圖可畫出其方框圖如圖1－2所示。

圖1－2水位人工控制系統(tǒng)方框圖人工控制（續(xù)）

第一章自動控制概論自動控制：該水池若改為由自動控制裝置代替操作人員：由浮子測出實(shí)際水位，與要求的水位比較。然后得出偏差再由調(diào)節(jié)元件根據(jù)偏差的大小和正負(fù)產(chǎn)生控制信號。最后由執(zhí)行元件根據(jù)信號產(chǎn)生控制作用。如圖1-3所示。圖1－3水位自動控制系統(tǒng)原理圖第一章自動控制概論在此：浮子測水位，由連桿和電位器進(jìn)行比較：浮子低則電位器上得到正電壓，經(jīng)放大后使電機(jī)向進(jìn)水閥門開大的方向旋轉(zhuǎn)；反之，當(dāng)浮子高時(shí)，電位器上得到負(fù)電壓，電機(jī)向閥門關(guān)小的方向旋轉(zhuǎn)；若水位正好，則電位器上電壓為零，電機(jī)不轉(zhuǎn)，閥門不動。圖1－4水位自動控制系統(tǒng)方框圖自動控制（續(xù)）第一章自動控制概論3、控制系統(tǒng)中的常用術(shù)語

(1)自動控制—在沒有人直接參與的情況下，利用外加的設(shè)備或裝置使整個(gè)生產(chǎn)過程或工作機(jī)械自動的按預(yù)定規(guī)律運(yùn)行、或使其某個(gè)參數(shù)按要求變化。(2)控制裝置—外加的設(shè)備或裝置，亦叫控制器。(3)受控對象—被控制的機(jī)器或物體。(4)被控量—表征被控對象工作狀態(tài)的物理參量，也叫輸出量。(4)給定量—要求被控量所應(yīng)保持的數(shù)值。也叫輸入量或叫參考輸入。(5)干擾量—系統(tǒng)不希望的外作用，也叫擾動輸入。第一章自動控制概論如水位自動控制系統(tǒng)：圖1－3水位自動控制系統(tǒng)原理圖干擾信號

測量元件

輸出量

受控對象

比較元件

第一章自動控制概論(9)

自動控制系統(tǒng)：由受控對象和控制器按一定方式連接起來的、完成一定自動控制任務(wù)的總體。如圖1－5所示。圖1－5自動控制系統(tǒng)給定量控制器被控量干擾量自控系統(tǒng)受控對象(7)反饋量：由系統(tǒng)輸出端取出并反向送回系統(tǒng)輸入端的信號。反饋有主反饋和局部反饋之分。(8)偏差量：給定量與主反饋信號之差。第一章自動控制概論輸入量輸出量圖1－6自動控制系統(tǒng)的組成自動控制的任務(wù)—利用控制器操縱受控對象，使其被控量按技術(shù)要求變化。若r(t)—給定量，c(t)—被控量，則自控的任務(wù)之?dāng)?shù)學(xué)表達(dá)式為：使被控量滿足c(t)≈r(t)。自控系統(tǒng)的組成如1-6圖所示。自動控制系統(tǒng)的基本組成第一章自動控制概論<1>給定元件：其職能是給出與期望的被控量相對應(yīng)的系統(tǒng)輸入量。一般為電位器。<2>比較元件：其職能是把測量到的被控量實(shí)際值與給定元件給出的輸入量進(jìn)行比較，求出他們之間的偏差。常用的有差動放大器、機(jī)械差動裝置、電橋電路、計(jì)算機(jī)等。<3>測量元件：其職能是檢測被控制量的物理量。如測速機(jī)、熱電偶、自整角機(jī)、電位器、旋轉(zhuǎn)變壓器、浮子等?；窘M成（續(xù)）第一章自動控制概論<4>放大元件：其職能是將比較元件給出的偏差信號進(jìn)行放大，用來推動執(zhí)行元件去控制受控