1自動控制原理

中國礦業(yè)大學(xué)2課程要求：課后作業(yè)：5次答疑：每次課后，最后集中答疑。電話箱：wsc9900@考核方式：考試：閉卷50%平時：(課后作業(yè)10%，課程小結(jié)5%，考勤測試20%)35%實驗：實驗15%3參考書1、《現(xiàn)代控制工程》電子工業(yè)出版社[美]KatsuhikoOgata著第三、五版2、《控制工程基礎(chǔ)》清華大學(xué)出版社董景新3、《自動控制理論基礎(chǔ)》清華大學(xué)出版社戴忠達4、《自動控制原理》科學(xué)出版社胡壽松第四版5、《自動控制理論例題習(xí)題集》清華大學(xué)出版社王詩宓6、《LinearControlSystemEngineering》清華大學(xué)出版社7、《自動控制原理》國防科技大學(xué)出版社劉明俊4

※學(xué)習(xí)自動控制原理的意義1、日常生活中大量存在自動控制的原理與現(xiàn)象2、工業(yè)生產(chǎn)中大量存在自動控制系統(tǒng)。數(shù)控車床，自動流水線，電機調(diào)速系統(tǒng)、飛機、導(dǎo)彈等等。風(fēng)扇、電梯、洗衣機等。$智能家居、智能交通、機器人等5第一章緒論自動控制系統(tǒng)和自動控制理論自動控制系統(tǒng)的工作原理閉環(huán)控制系統(tǒng)的基本組成自動控制系統(tǒng)的基本要求自動控制系統(tǒng)的分類控制系統(tǒng)舉例自動控制理論的發(fā)展簡史（自學(xué)）控制系統(tǒng)的計算機輔助設(shè)計（自學(xué)）61.1自動控制系統(tǒng)和自動控制理論◆自動控制系統(tǒng)：在沒有人直接參與下，利用采集和加工的信息，構(gòu)造控制裝置（控制器）按一定的控制規(guī)律產(chǎn)生作用，使受控客體（控制對象）的某一物理量（被控量）達到所要求的性能或?qū)崿F(xiàn)預(yù)定目標(biāo)的系統(tǒng)。

◆控制對象：控制系統(tǒng)要進行控制的受控客體?！舯豢亓浚嚎刂茖ο笠獙崿F(xiàn)的物理量?！糇詣涌刂评碚摚貉芯孔詣涌刂葡到y(tǒng)的組成、分析、設(shè)計的理論，研究自動控制的共同規(guī)律。例如：如冰箱、空調(diào)、洗衣機、電梯、飛機、汽車、潛艇、電廠鍋爐、釀酒過程等各種機器或生產(chǎn)過程。

例如：冰箱溫度、電機的轉(zhuǎn)速、飛機姿態(tài)角、船的航跡、電網(wǎng)的電壓、生產(chǎn)過程中的壓力、流量、溫度、濕度等。

注意：控制對象和控制量的關(guān)系71.2自動控制系統(tǒng)的工作原理◆按照控制方式歸類：1）開環(huán)控制2）閉環(huán)控制（反饋控制）3）復(fù)合控制8一、開環(huán)控制系統(tǒng)1）定義：系統(tǒng)的控制輸入不受輸出影響的控制系統(tǒng)輸入量控制器對象或過程輸出量圖1開環(huán)控制系統(tǒng)2）特點：系統(tǒng)的輸出量與輸入量間不存在反饋的通道。在開環(huán)控制系統(tǒng)中，不需要對輸出量進行測量，也不需要將輸出量反饋到系統(tǒng)輸入端與輸入量進行比較。因此，開環(huán)控制系統(tǒng)又稱無反饋控制系統(tǒng)。9例:電熱爐開環(huán)控制3）結(jié)構(gòu)形式：例：交通紅綠燈10二、閉環(huán)控制系統(tǒng)圖2閉環(huán)控制系統(tǒng)輸入量控制器控制對象測量元件輸出量反饋回路被控量干擾量r(t)c(t)e(t)u(t)n(t)b(t)前向通路期望量*強調(diào)：各概念的意義11例:電熱爐閉環(huán)控制思考：工作過程？12*閉環(huán)與開環(huán)控制系統(tǒng)的比較開環(huán)控制：閉環(huán)控制：

1）偏差控制，可以抑制內(nèi)（系統(tǒng)參數(shù)變化）、外擾動（負載變化）對被控制量產(chǎn)生的影響，因此，控制精度高。2）結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高（價格成倍增加，車床、洗衣機、汽車）；系統(tǒng)設(shè)計、分析麻煩。1）順向作用，沒有反向的聯(lián)系，沒有修正偏差能力，抗擾動性較差。結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)整方便、成本低。2）在精度要求不高或擾動影響較小的場合，這種控制方式還有一定的實用價值（步進電機，水泵，風(fēng)扇）。13三、復(fù)合控制系統(tǒng)定義：開環(huán)控制和閉環(huán)控制相結(jié)合的一種控制方式特點：構(gòu)成高精度控制系統(tǒng)的一種有效控制方式，使控制系統(tǒng)具有良好的控制性能?；拘问剑喊摧斎肭梆佈a償?shù)膹?fù)合控制按干擾前饋補償?shù)膹?fù)合控制14圖3A具有輸入補償?shù)膹?fù)合控制系統(tǒng)15圖3B具有干擾補償?shù)膹?fù)合控制系統(tǒng)16用“○”號代表比較裝置，“—”號代表兩者符號相反。信號沿箭頭方向從輸入端到達輸出端的傳輸通路稱前向通路；系統(tǒng)輸出量經(jīng)測量裝置反饋到輸入端的傳輸通路稱主反饋通路。前向通路與主反饋通路共同構(gòu)成主回路。此外，還有局部反饋通路以及由它構(gòu)成的內(nèi)回路。圖4閉環(huán)控系統(tǒng)基本組成校正裝置放大裝置執(zhí)行機構(gòu)被控對象反饋校正裝置測量裝置被控量給定裝置——1.3實際閉環(huán)控制系統(tǒng)的基本組成17給定裝置：產(chǎn)生給定值或輸入信號（量）（即參考量或期望值）測量裝置：測量被控制的物理量（被控量），用于產(chǎn)生反饋信號各種傳感器：測速發(fā)電機、電位計、熱電偶等。比較裝置：把測量元件檢測的實際值（被控量）與給定元件給出的參考量進行比較，求出它們之間的偏差。如差動放大器、自整角機。放大裝置：將比較元件給出的偏差進行放大，用來推動執(zhí)行元件去控制被控對象，如放大器、晶閘管。執(zhí)行機構(gòu)：直接推動被控對象，使其被控量發(fā)生變化。如步進電機，繼電器開關(guān)。校正裝置：它是結(jié)構(gòu)或參數(shù)便于調(diào)整的元件或機構(gòu)，用串聯(lián)或反饋的方式連接在系統(tǒng)中，以改善控制系統(tǒng)性能。181.4自動控制系統(tǒng)的基本要求

自動控制系統(tǒng)的工作過程包括以下兩個階段：過渡過程：在輸入量作用下，系統(tǒng)的輸出變量由初始狀態(tài)達到最終穩(wěn)態(tài)過程。穩(wěn)態(tài)過程：過渡過程結(jié)束后的輸出響應(yīng)。191對恒值系統(tǒng)，要求當(dāng)系統(tǒng)受到擾動后，經(jīng)過一定時間的調(diào)整能夠回到原來的期望值。2對隨動系統(tǒng)，被控制量始終跟蹤參量的變化。*自動控制系統(tǒng)性能的基本要求穩(wěn)定性（長期穩(wěn)定性）、準(zhǔn)確性（精度）和快速性（相對穩(wěn)定性）。

穩(wěn)

準(zhǔn)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(yù)定任務(wù)。系統(tǒng)受到短暫的擾動后其運動性能從偏差平衡點恢復(fù)到原來平衡狀態(tài)的能力。穩(wěn)定性，通常由系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)決定與外界因素?zé)o關(guān)。20準(zhǔn)確性：用穩(wěn)態(tài)誤差來表示。在參考輸入信號作用下，當(dāng)系統(tǒng)達到穩(wěn)態(tài)后，其穩(wěn)態(tài)輸出與參考輸入所要求的期望輸出（理想輸出）之差，叫做給定穩(wěn)態(tài)誤差。誤差越小，表示系統(tǒng)的輸出跟隨參考輸入的精度越高?？焖?、平穩(wěn)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。穩(wěn)定的高射炮射角隨動系統(tǒng)，雖然炮身最終能跟蹤目標(biāo)，但如果目標(biāo)變動迅速，而炮身行動遲緩，仍然抓不住目標(biāo)。211、階躍函數(shù)（位置函數(shù)）0

例如：電源電壓的突然跳動；負載突然增大或減??；恒值控制系統(tǒng)的設(shè)定值等等。階躍函數(shù)的幅值R=1時，稱為單位階躍函數(shù)，常記作*典型輸入信號2202、斜坡函數(shù)（速度函數(shù)）例如：雷達跟蹤的目標(biāo)以恒定速度飛行當(dāng)R=1時，稱為單位速度函數(shù)。

233、拋物線函數(shù)（加速度函數(shù)）

例如：飛行器的加速運動當(dāng)R=1/2時，稱為單位加速度函數(shù)。

2404、單位脈沖函數(shù)任意形式的外作用都分解成不同時刻的一系列脈沖函數(shù)之和可代表一些瞬間即逝的擾動信號251.5自動控制系統(tǒng)的分類按工作原理分類開環(huán)控制、閉環(huán)控制、復(fù)合控制按數(shù)學(xué)模型分類線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)定常系統(tǒng)和時變系統(tǒng)按系統(tǒng)內(nèi)部的信號特征分類連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)按系統(tǒng)的功能分類溫度控制系統(tǒng)、位置控制系統(tǒng)、壓力控制系統(tǒng)、調(diào)速系統(tǒng)本課程研究的對象：線性+定常+集中參數(shù)+連續(xù)系統(tǒng)261、液位控制系統(tǒng)1.6控制系統(tǒng)舉例工作原理：自動控制器通過比較實際液位與希望液位，并通過調(diào)整氣動閥門的開度，對誤差進行修正，從而保持液位不變。

思考：工作過程，希望的性能，影響因素？27控制器：比較、放大的作用測量裝置：浮子擾動：Q2為系統(tǒng)的干擾量執(zhí)行機構(gòu)：氣動閥門被控對象：水箱被控量：液位282、飛球式調(diào)速器系統(tǒng)思考：工作過程，被控對象，被控量？293、電熱爐溫度計算機控制系統(tǒng)思考：被控對象，被控量，工作過程，系統(tǒng)的類型？30古典（經(jīng)典）控制理論自動控制原理（理論）以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)研究單輸入－單輸出定常控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計問題。這些理論由于其發(fā)展較早，現(xiàn)已臻成熟?，F(xiàn)代（近代）控制理論以狀態(tài)空間法為基礎(chǔ)，研究多輸入－多輸出控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計問題。系統(tǒng)具有高精度和高效能的特點。最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制計算機控制、系統(tǒng)辨識智能控制理論以人工智能為基礎(chǔ)，研究復(fù)雜對象（車間、工廠、集團）、復(fù)雜任務(wù)、復(fù)雜