1、0、自动控制知识的理论体系结构自动控制理论工程自动控制本课程的知识地位：基础课：信号与系统分析后续课：过程控制、系统辨识，最优控制、计算机控制等课程内容安排：第一章 自动控制概论第二章 控制系统的数学模型第三章 线性系统的时域分析法第五章 频率响应分析法第六章 线性系统的校正方法介绍使用 MATLAB 分析与设计控制系统参考书目：自动控制原理，主编郑有根，重庆大学出版社，18 元自动控制原理，主编宋丽蓉，机械工业出版社，24 元自动控制原理，主编冯巧玲，北京航空航天大学出版社，32 元工程控制论：研究自动控制技术与思维生物控制论：生态平衡经济控制论：社会经济可持续发展，对经济干预、控制，反之经
2、济失控社会控制论：人口控制经典控制理论：研究对象：单输入、单输出的线性时不变系统方 法：传递函数描述，频率法，根迹法 现代控制理论：研究对象：多输入、多输出非线性时变系统方 法：用一阶方程组描述，状态空间法分析、设计第章 自动控制的概论采用离心调速器的蒸汽机转速控制系统如图 1-19 所示。其工作原理是：当蒸汽机带动负载转动的同时，通过圆锥齿轮带动一对飞锤作水平旋转。飞锤通过铰链可带动套筒上下滑动，套筒内装有平衡弹簧，套筒上下滑动时可拨动杠杆，杠杆另一端通过连杆调节供汽阀门的开度。在蒸汽机正常运行时，飞锤旋转所产生的离心力与弹簧的反弹力相平衡，套筒保持某个高度，使阀门处于一个平衡位置。如果由于
3、负载增大使蒸汽机转速 下降，则飞锤因离心力减小而使套筒向下滑动，并通过杠杆增大供汽阀门的开度，从而使蒸汽机的转速回升。同理，如果由于负载减小使蒸汽机的转速 增加，则飞锤因离心力增加而使套筒上滑，并通过杠杆减小供汽阀门的开度，迫使蒸汽机转速回落。这样，离心调速器就能自动地抵制负载变化对转速的影响，使蒸汽机的转速 保持在某个期望值附近。导弹发射架方位角控制系统原理图图 1-18 是控制导弹发射架方位的电位器式随动系统原理图。图中电位器 、 并联后跨1P2接到同一电源 的两端，其滑臂分别与输入轴和输出轴相联结，组成方位角的给定元件和0E测量反馈元件。输入轴由手轮操纵；输出轴则由直流电动机经减速后带动
4、，电动机采用电枢控制的方式工作。当导弹发射架的方位角与输入轴方位角一致时，系统处于相对静止状态。当摇动手轮使电位器 的滑臂转过一个输入角 的瞬间，由于输出轴的转角 ,1Piio于是出现一个误差角 ，该误差角通过电位器 、 转换成偏差电压oie1P2， 经放大后驱动电动机转动，在驱动导弹发射架转动的同时，通过输出轴oieu带动电位器 的滑臂转过一定的角度 ，直至 时， ，偏差电压 ，2Poiooiu0eu电动机停止转动。这时，导弹发射架停留在相应的方位角上。只要 ，偏差就会产生i调节作用，控制的结果是消除偏差 ，使输出量 严格地跟随输入量 的变化而变化。eo系统中，导弹发射架是被控对象，发射架方
5、位角 是被控量，通过手轮输入的角度 是给i定量。系统方框图如图解 1-4 所示。例：温控系统(目的达到并保持某一温度)方法一：方法二：过程框图：1-1 自动控制与自动控制系统的定义(稳、快、准)自动控制 利用控制装置自动地操纵机器设备或生产过程，使其具有希望的状态或功能。自动控制系统 能够实现自动控制任务的系统。由控制器与控制对象组成。控制对象 要求实现自动控制的机器，设备或生产过程。控制器 对控制对象起控制作用的设备总体。输出量 表现于控制对象或系统输出端，并要求实现自动控制的物理量。输入量 作用于控制对象或系统输入端，并可使系统具有预定功能或预定输出的物理量。扰动 破坏系统输入量和输出量之
6、间预定规律的信号。1-2 自动控制系统的控制方式1、开环控制系统 开环控制是指控制器与控制对象之间只有顺向作用而没有反向联系的控制过程。分按给定值操纵和按扰动补偿两种形式。 （例北航 P23 开环数控机床）(1) 按给定值操纵 原理方框图如图 1-1 所示。信号由给定值至输出量单向传递。一定的给定值对应一定的输出量。系统的控制精度取决于系统事先的调整精度，对工作过程中受到的扰动或特性参数的变化无法自动补偿。结构简单，成本低廉，多用于系统结构参数稳定和扰动信号较弱的场合。如：自动售货机，自动报警器，自动化流水线及自动洗衣机等。(2) 按扰动补偿 原理方框图如图 1-2 所示。这种控制方式的原理是
7、：利用对扰动信号的测量产生控制作用，以补偿扰动对输出量的影响。由于扰动信号经测量装置，控制器至对象的输出量是单向传递的，故属于开环控制方式。对于不可测扰动以及对象、各功能部件内部参数变化给输出量造成的影响，系统自身无法控制。因此控制精度有限。常用于工作机械的恒速控制(如稳定刀具转速)以及电源系统的稳压、稳频控制。2、闭环控制系统 又称反馈控制（例北航 P3 闭环数控机床） 。指控制器与控制对象之间既有顺向作用又有反向联系的控制过程。其主要特点为：(1) 闭环负反馈控制，即按偏差调节；(2) 抗扰性好，控制精度高；(3) 系统参数应适当选择，否则可能不能正常工作。闭环控制典型方框图如图 1-3
8、所示。控制对象控制器给定值 输出量扰动控制对象控制器测量装置扰动输出量图 1-1 图 1-2控制器 控制对象输入量 输出量扰动3、复合控制系统 复合控制是开环控制和闭环控制相结合的一种控制方式。它是在闭环控制回路的基础上，附加一个输入信号或扰动信号的顺馈通路，用来提高系统的控制精度。顺馈通路通常由对输入信号的补偿器或对扰动信号的补偿器组成，分别如图 1-4(a)和(b)所示。复合控制的主要特点为：(1) 具有很高的控制精度；(2) 可以抑制几乎所有的可量测扰动，其中包括低频强扰动；(3) 补偿器的参数要有较高的稳定性。在高精度的控制系统中，复合控制得到了广泛的应用，如平台随动系统，火炮随动系统
9、，雷达站随动系统，飞机自动驾驶仪以及人造地球卫星控制系统等，均采用了复合控制方式。有关复合控制的原理及设计方法，见本书第六章。4、最优控制系统 最优控制是使所选的系统性能指标达到最优的一种控制方式。系统性能指标是根据工作要求选定的。例如，对远距离航行的飞行器，选取燃料消耗量最小作为系统性能指标，对自动导航系统，则选取定位误差的均方值最小作为系统性能指标。最优控制的设计方法主要有极大(小)值原理和动态规划法。5、自适应控制系统 自适应控制是能适应环境条件变化而自动调整系统参数或特性的一种控制方式。例如，在金属切削加工的自适应控制系统中，能按照切削材料和刀具的硬度，自动调整车速，进刀速度和切削用量
10、，以达到最高工效。自适应控制主要用于空间技术和复杂生产过程控制中。13 控制系统类型自动控制系统有多种分类方法。例如，按信号传递路径，可分为开环、闭环与复合控制系统，按系统使用的能源，可分为机械、电气，液压和气动控制系统。此外，还可以按系统的功用(输入信号的特征)和性能进行分类。1、按系统功能分类(输入信号的特征) 主要可分为以下三类：(1) 恒值控制系统 又称调节器。系统输入量为常值，或者随时间缓慢地变化。系统的基本任务是当出现扰动时，使系统的输出量保持为恒定的希望值。如水位控制系统，恒压调节系统等。 (2) 随动系统 又称 跟踪 系统。系统的输入量随时间任意变化。系统的基本任务是使系统输出
11、量以要求的精度跟随输入量变化。而系统输出量常是机械位置、速度或加速度。火炮控制系统，自动化仪表系统等属于这一类。 （例北航 P5 火炮跟踪系统）图 1- 控制器 控制对象输入量 输出量扰动补偿器控制器 控制对象输入量 输出量扰动补偿器图 1-5 a b (3) 过程控制系统 又称 程序 控制系统。系统输入量按既定规律变化，系统的控制过程按预定的程序进行。系统的输出量常为温度、压力，流量等物理量。如石油化学工业中的反应塔、加热炉的自动温度控制等，均采用过程控制系统。2、按系统性能分类(数学方法) 主要可分为以下几类：(1) 线性与非线性系统 可用线性微分方程或差分方程描述的系统，称为线性系统。如
12、果微分方程或差分方程的系数为常数，则称为线性定常系统，否则为线性时变系统。用非线性方程描述的系统，称为非线性系统。(2) 连续与离散系统 若输入量和输出量都是时间连续函数的系统，称为连续系统。在连续系统中，信号在全部时间上都是已知的。若系统中信号有一处或一处以上为离散时间函数，称为离散系统。在离散系统小，信号仅定义在离散时间上。(3) 定常系统与时变系统 系统的结构、参数和输入量都是确定的、已知的系统，称为定常系统。反之， 当系统本身的结构或参数以及作用于该系统的信号有不确定性或模糊性时，则系统为不确定系统。现实的工程系统，多为不确定系统。1-4 对控制系统的基本要求实际的控制系统可能千差万别
13、，对每个控制系统都有不同的特殊要求，但对所有的控制系统来说，都有一个最基本的要求，那就是 稳、准、快 。分析和设计满足性能指标的控制系统是本门课程的根本任务。1、稳定性如果系统受到干扰后偏离了原来的工作状态，当扰动消失后，能自动回到原工作状态，称这样的系统是稳定的。反之，当干扰消除后，系统的输出趋于无穷或进入振荡状态，则称系统是不稳定的。稳定性是保证系统能正常工作的前提。2、动态性能动态性能是指系统过渡过程的快速性和振荡性。由于控制系统惯性的存在，所以系统的输出跟随输入的变化总是有一定的延迟。这个时间越短，快速性越好。又由于有些系统的阻尼比较小，所以系统从一个稳态进入另一个稳态时，要经过若干次衰减振荡，如图111 所示，而且在振荡过程中会出现超调现象。一般的控制系统对超调量是有限制的。3、稳态性能稳态性能是指系统的控制精度。当系统由一个稳态过渡到另一个稳态时，我们总是希望系统的输出尽可能地接近给定值。但由于干扰或输入信号的不同，有些系统就可能产生误差。所以，系统的稳态性能用稳态误差来恒量。
