1-1自動控制的任務1-2自動控制的基本方式1-3對控制系統的性能要求第一章自動控制的一般概念

1-1自動控制的任務

1、自動控制的基本概念

何謂控制自動控制：是指在沒有人直接參與的條件下，利用控制裝置使被控對象按照預定的技術要求進行工作。

自動控制系統：是指能夠對被控對象的工作狀態進行自動控制的系統，它由被控對象和控制裝置組成。控制

自動控制的任務，是在沒有人直接參與下，利用控制裝置操縱被控對象，使被控量等于給定值。2、自動控制的應用典范人造地球衛星

無人駕駛飛機

制導導彈

現代的高新技術讓導彈長上了“眼睛”和“大腦”，利用負反饋控制原理去緊緊盯住目標.

我國研制的地空導彈(如右圖)雷達技術

雷達操作時，天線就要不停地轉動。天線的作用是把雷達中產生的無線電波按照一定的方向向外發射出去，并把被反射回來的無線電波接收下來。正因為天線所起的作用好似人的眼睛一樣，因此雷達要注視和偵察整個天空的狀況，天線就要不停地轉動，用一個驅動馬達使天線作360度的旋轉，這樣它就能在360度范圍內進行“搜索”。3、自動控制發展史★前期控制(1400BC--1900)古巴比倫、古埃及和中國.自動計時漏壺古羅馬.采用浮球調節器來保持燃油液面高度的油燈（凱撒時代）；傳說秦陵中也存在類似裝置中國.候風地動儀.張衡（東漢）；利用齒輪傳動自動指示方向的指南車(三國時期)；曹軍將之用于盜墓宋應星所著《天工開物》記載的提花織機結構圖（明末）；英國J.Watt制造出第一臺可調速蒸汽機(1788年)。★經典控制（20世紀前半葉）基于：戰爭需求基本方法：傳遞函數，根軌跡法，頻率特性法代表人物：維納、伯德、伊文思*現代控制(20世紀50年代)美國MIT的ServomechanismLaboratory研制出第一臺數控機床(1952)；

中國批準863高技術計劃，包括自動化領域的計算機集成制造系統和智能機器人兩個主題(1986)。SONY娛樂機器狗（2008年）SONY二足步行機器人*智能控制(1980后)*未來，或遠或近

1-2自動控制的基本方式干擾n比較執行被控對象測量-r給定值e偏差被控量c反饋信號

干擾分析執行工作對象觀察預期目標實際結果c

被控對象控制系統測量元件比較元件

控制裝置

執行機構給定元件放大元件校正裝置干擾n比較執行被控對象測量-r給定值e偏差被控量c反饋信號

鍋爐氣鼓水位控制系統氣鼓閥門傳感器控制器給定值執行機構控制閥給水水位計蒸汽輸出不影響輸入，對輸出不需要測量，通常容易實現；組成系統的元部件精度高，系統的精度才能高；主要特點：控制方式：

單向傳遞，一定的給定值對應一定的輸出量；控制精度取決于系統事先的調整精度；對干擾無法自動補償；結構簡單，成本低廉。多用于系統結構參數穩定和擾動信號較弱的場合,如自動售貨機，自動報警器，自動流水線等。

控制裝置被控制對象給定值被控量按給定值控制的原理方框圖一、按給定值操縱的開環控制直流電機轉速控制系統示意圖電位器（產生給定電壓ur）0~10V轉速0~1000轉方框圖為：電位器電壓放大器可控硅功放直流電動機Purukn干擾ua二、按干擾補償的開環控制

原理：利用對干擾信號的測量產生控制作用，以補償干擾對輸出量的影響。由于干擾信號經測量裝置、控制器至被控對象的輸出量是單向傳遞的，故屬于開環控制方式。常用于機械的恒速控制以及電源系統的穩壓、穩頻控制。控制器被控對象干擾被控量按干擾補償的原理方框圖測量輸出影響輸入，所以能削弱或抑制干擾；低精度元件可組成高精度系統；因為可能發生超調，振蕩，所以穩定性很重要。主要特點：控制方式：正反饋，負反饋。我們所講述的反饋系統如果無特殊說明，一般都指負反饋。

控制器被控對象輸入輸出干擾三、按偏差調節的閉環控制直流電機轉速反饋控制系統

水箱原來處于一個平衡狀態，q1(t)=q2(t)=0。如果打開閥門，沖水，沖好后關上閥門，h(t)發生變化，水位下降，△h變大，通過浮子反饋到執行機構。機械杠桿帶動活塞打開，q1(t)變大，使△h變小，浮子上浮，活塞也上升，直至達到新的平衡。水箱內部示意圖四、復合控制

輸出量

輸入信號(-)

補償裝置

控制裝置被控對象例1家用冰箱溫度控制系統

自動控制系統示例例2溫度控制系統

爐溫控制系統方框圖爐溫控制系統方框圖例3函數記錄儀水溫調節系統工作原理圖例4水溫調節系統水溫調節系統水溫調節系統方框圖例5學科前沿——倒立擺控制系統

倒立擺系統的輸入為小車的位移和擺桿的傾斜角度期望值，計算機在每一個采樣周期中采集來自傳感器的小車與擺桿的實際位置信號，與期望值進行比較后，通過控制算法得到控制量，再經數模轉換驅動直流電機實現倒立擺的實時控制。

倒立擺控制系統是一個復雜的、不穩定的非線性系統，其控制方法在軍工、航天、機器人和一般工業過程領域中都有著廣泛的用途，如機器人行走過程中的平衡控制、火箭發射中的垂直度控制和衛星飛行中的姿態控制等。按給定信號的形式恒值系統/隨動系統按系統是否滿足疊加原理線性/非線性按系統參數是否隨時間變化定常/時變按信號傳遞的形式連續/離散按輸入輸出變量的多少單變量/多變量

自動控制系統的分類一.穩：（基本要求）

要求系統要穩定二.準：（穩態要求）

系統響應達到穩態時，輸出跟蹤精度要高三.快：（動態要求）

系統階躍響應的過渡過程要平穩，快速

1-3對控制系統的性能要求四.靈敏度

系統中元件參數的改變對系統響應的影響，可以用靈敏度來表示。五.抗干擾性

系統的抗干擾性，直接與系統的穩態精度有關，是衡量控制系統品質的一個重要參數。

上述的4和5兩個指標結合起來，稱為系統的穩健性指標。一個控制系統，如果具有低的靈敏度和良好的抗干擾性，則我們稱為系統是穩健的（Robust,魯棒）。

自動控制系統的分析與設計工具Matlab（矩陣實驗室）

Simulink（仿真設計模塊）自動控制原理課程的任務與體系結構課程