自动控制理论_01自动控制的一般概念讲义

四、复合控制
补偿装置
输入信号
(-)
控制装置
输出量 被控对象
自动控制系统示例
例1 家用冰箱温度控制系统
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
例4 水温调节系统
水温调节系统工作原理图
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。
3、自动控制发展史
★前期控制(1400 BC--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）；
按给定值 控制的原 理方框图
给定 值
控制装置
被控制 对象
被控 量
直流电机转速控制系统示意图
P
电
可
电网电压
压
控
u u u 放 r大
硅
k功
a M n 负载
器
放
＋
电位器（产生给定电
压ur）0~10V
方框图为：
P
电位器 ur
电压 uk 放大器
转速0~1000转
可控硅 ua 功放
干扰
直流 n 电动机
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。
按干扰补偿 的原理方框图
测量 控制器
被控 对象
干扰
被控 量
三、按偏差调节的闭环控制
输入
控制器
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。
自动控制系统的分类
1. 按给定信号的形式
恒值系统 / 随动系统
2. 按系统是否满足叠加原理 线性 / 非线性
3. 按系统参数是否随时间变化 定常 / 时变
4. 按信号传递的形式
连续 / 离散
5. 按输入输出变量的多少 单变量 / 多变量
1-3 对控制系统的性能要求
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
反馈信号
执行 测量
n 干扰 被控对象
c 被控量
r 给定值
e 比较 -偏差
反馈信号
执行 测量
被控对象
n 干扰 被控对象
c 被控量
控制系统
控制装置
测量元件 比较元件 执行机构 给定元件 放大元件 校正装置
锅炉气鼓水位控制系统
气鼓
水位计 传感器
蒸汽 给定值
控制器
执行机构
阀门
给水 控制阀
一、按给定值操纵的开环控制
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Servomechanism Laboratory 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)。
*智能控制(1980后)
SONY 娱乐机器狗 （2008年）
SONY 二足步行机器人
*未来，或远或近
1-2 自动控制的基本方式
预期目标
分析
执行
干扰 工作对象
c 实际结果
观察
r 给定值
e 比较 -偏差
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。
干扰
被控 对象
输出
主要特点：❖ 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。
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。
直流电机转速反馈控制系统
ur
电
可
压
控
u u u 放 大
硅
k功
a MFra Baidu bibliotekn 负载
器
放
＋
ub
测速
G 发电
＋
机
－
水
q1(t)
活塞
水箱内部示意图
浮子
h(t)
阀门
q2(t)
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。
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。
c(t) r(t)
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”。
第一章 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
1-1 自动控制的任务
1、自动控制的基本概念
➢ 何谓控制
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。
主要特点：
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； 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。