自动控制理论-01自动控制的一般概念

1-1自动控制的任务1-2自动控制的基本方式1-3对控制系统的性能要求第一章自动控制的一般概念

1-1自动控制的任务

1、自动控制的基本概念

何谓控制自动控制：是指在没有人直接参与的条件下，利用控制装置使被控对象按照预定的技术要求进行工作。

自动控制系统：是指能够对被控对象的工作状态进行自动控制的系统，它由被控对象和控制装置组成。控制

自动控制的任务，是在没有人直接参与下，利用控制装置操纵被控对象，使被控量等于给定值。2、自动控制的应用典范人造地球卫星

无人驾驶飞机

制导导弹

现代的高新技术让导弹长上了“眼睛”和“大脑”，利用负反馈控制原理去紧紧盯住目标.

我国研制的地空导弹(如右图)雷达技术

雷达操作时，天线就要不停地转动。天线的作用是把雷达中产生的无线电波按照一定的方向向外发射出去，并把被反射回来的无线电波接收下来。正因为天线所起的作用好似人的眼睛一样，因此雷达要注视和侦察整个天空的状况，天线就要不停地转动，用一个驱动马达使天线作360度的旋转，这样它就能在360度范围内进行“搜索”。3、自动控制发展史★前期控制(1400BC--1900)古巴比伦、古埃及和中国.自动计时漏壶古罗马.采用浮球调节器来保持燃油液面高度的油灯（凯撒时代）；传说秦陵中也存在类似装置中国.候风地动仪.张衡（东汉）；利用齿轮传动自动指示方向的指南车(三国时期)；曹军将之用于盗墓宋应星所著《天工开物》记载的提花织机结构图（明末）；英国J.Watt制造出第一台可调速蒸汽机(1788年)。★经典控制（20世纪前半叶）基于：战争需求基本方法：传递函数，根轨迹法，频率特性法代表人物：维纳、伯德、伊文思*现代控制(20世纪50年代)美国MIT的ServomechanismLaboratory研制出第一台数控机床(1952)；

中国批准863高技术计划，包括自动化领域的计算机集成制造系统和智能机器人两个主题(1986)。SONY娱乐机器狗（2008年）SONY二足步行机器人*智能控制(1980后)*未来，或远或近

1-2自动控制的基本方式干扰n比较执行被控对象测量-r给定值e偏差被控量c反馈信号

干扰分析执行工作对象观察预期目标实际结果c

被控对象控制系统测量元件比较元件

控制装置

执行机构给定元件放大元件校正装置干扰n比较执行被控对象测量-r给定值e偏差被控量c反馈信号

锅炉气鼓水位控制系统气鼓阀门传感器控制器给定值执行机构控制阀给水水位计蒸汽输出不影响输入，对输出不需要测量，通常容易实现；组成系统的元部件精度高，系统的精度才能高；主要特点：控制方式：

单向传递，一定的给定值对应一定的输出量；控制精度取决于系统事先的调整精度；对干扰无法自动补偿；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，自动流水线等。

控制装置被控制对象给定值被控量按给定值控制的原理方框图一、按给定值操纵的开环控制直流电机转速控制系统示意图电位器（产生给定电压ur）0~10V转速0~1000转方框图为：电位器电压放大器可控硅功放直流电动机Purukn干扰ua二、按干扰补偿的开环控制

原理：利用对干扰信号的测量产生控制作用，以补偿干扰对输出量的影响。由于干扰信号经测量装置、控制器至被控对象的输出量是单向传递的，故属于开环控制方式。常用于机械的恒速控制以及电源系统的稳压、稳频控制。控制器被控对象干扰被控量按干扰补偿的原理方框图测量输出影响输入，所以能削弱或抑制干扰；低精度元件可组成高精度系统；因为可能发生超调，振荡，所以稳定性很重要。主要特点：控制方式：正反馈，负反馈。我们所讲述的反馈系统如果无特殊说明，一般都指负反馈。

控制器被控对象输入输出干扰三、按偏差调节的闭环控制直流电机转速反馈控制系统

水箱原来处于一个平衡状态，q1(t)=q2(t)=0。如果打开阀门，冲水，冲好后关上阀门，h(t)发生变化，水位下降，△h变大，通过浮子反馈到执行机构。机械杠杆带动活塞打开，q1(t)变大，使△h变小，浮子上浮，活塞也上升，直至达到新的平衡。水箱内部示意图四、复合控制

输出量

输入信号(-)

补偿装置

控制装置被控对象例1家用冰箱温度控制系统

自动控制系统示例例2温度控制系统

炉温控制系统方框图炉温控制系统方框图例3函数记录仪水温调节系统工作原理图例4水温调节系统水温调节系统水温调节系统方框图例5学科前沿——倒立摆控制系统

倒立摆系统的输入为小车的位移和摆杆的倾斜角度期望值，计算机在每一个采样周期中采集来自传感器的小车与摆杆的实际位置信号，与期望值进行比较后，通过控制算法得到控制量，再经数模转换驱动直流电机实现倒立摆的实时控制。

倒立摆控制系统是一个复杂的、不稳定的非线性系统，其控制方法在军工、航天、机器人和一般工业过程领域中都有着广泛的用途，如机器人行走过程中的平衡控制、火箭发射中的垂直度控制和卫星飞行中的姿态控制等。按给定信号的形式恒值系统/随动系统按系统是否满足叠加原理线性/非线性按系统参数是否随时间变化定常/时变按信号传递的形式连续/离散按输入输出变量的多少单变量/多变量

自动控制系统的分类一.稳：（基本要求）

要求系统要稳定二.准：（稳态要求）

系统响应达到稳态时，输出跟踪精度要高三.快：（动态要求）

系统阶跃响应的过渡过程要平稳，快速

1-3对控制系统的性能要求四.灵敏度

系统中元件参数的改变对系统响应的影响，可以用灵敏度来表示。五.抗干扰性

系统的抗干扰性，直接与系统的稳态精度有关，是衡量控制系统品质的一个重要参数。

上述的4和5两个指标结合起来，称为系统的稳健性指标。一个控制系统，如果具有低的灵敏度和良好的抗干扰性，则我们称为系统是稳健的（Robust,鲁棒）。

自动控制系统的分析与设计工具Matlab（矩阵实验室）

Simulink（仿真设计模块）自动控制原理课程的任务与体系结构课程