1 自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本原理

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1.1 引入以及定義

諸如：神舟10號(hào)發(fā)射升空、戰(zhàn)斧式巡航導(dǎo)彈、裝配機(jī)器人、自動(dòng)泊車(chē)系統(tǒng)等其中都應(yīng)用了自動(dòng)控制的相關(guān)理論和技術(shù)。

• 什么是控制？

  控制 - 使某個(gè)（某些）量按一定的規(guī)律變化

  某個(gè)（某些）量=》我們?nèi)∶麨?“被控制量”

具體示例：

神舟九號(hào)與天宮一號(hào)的交匯對(duì)接

被控制量是神舟九號(hào)與天宮一號(hào)的相對(duì)距離。

導(dǎo)彈的控制問(wèn)題

導(dǎo)彈與目標(biāo)的相對(duì)距離ρ為被控制量，最終必須趨向于0。

高射炮的控制問(wèn)題

高射炮的俯仰角 α 和方位角 β是兩個(gè)被控制量。

雷達(dá)天線隨動(dòng)系統(tǒng)

鋼板厚度的控制問(wèn)題

通過(guò)控制軋制力，使鋼板厚度均勻。

退火爐的溫度控制

為了防止在退火過(guò)程中工件產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，退火爐內(nèi)的溫度應(yīng)該按照?qǐng)D示曲線的規(guī)律變化。

在這個(gè)例子中，爐內(nèi)溫度就是被控制量。當(dāng)外界環(huán)境溫度的改變對(duì)爐內(nèi)溫度產(chǎn)生干擾時(shí)，爐內(nèi)溫度仍然應(yīng)該按照預(yù)定的規(guī)律變化，而不受干擾的影響。這就是自動(dòng)控制的目的。

對(duì)上面的例子進(jìn)行總結(jié)和歸納得出如下定義：

• 自動(dòng): 就是不需要人的介入；
• 自動(dòng)控制: 在脫離人的直接干預(yù)下，利用控制裝置，使被控對(duì)象按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行；
• 自動(dòng)控制系統(tǒng): 將被控的對(duì)象和實(shí)現(xiàn)控制功能的控制裝置組合起來(lái)稱(chēng)為自動(dòng)控制系統(tǒng)。

1.2 自動(dòng)控制的優(yōu)點(diǎn)

• 可以快速準(zhǔn)確地進(jìn)行控制，比人工控制效果更好；
• 使人們從繁重的、大量的重復(fù)性勞動(dòng)中解放出來(lái)；
• 在惡劣的環(huán)境或人們無(wú)法到達(dá)的環(huán)境中實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制；
• 可以長(zhǎng)時(shí)間不疲勞的工作，以提高工作效率

實(shí)例:

1.3 術(shù)語(yǔ)

（1）被控對(duì)象 （也稱(chēng)被控過(guò)程、被控系統(tǒng)）

• 它可能是一個(gè)設(shè)備，多數(shù)由一些機(jī)器零件有機(jī)地組合在一起，其作用是完成一種特定的操作。

（2）被控參數(shù)（也稱(chēng)為系統(tǒng)輸出）

• 體現(xiàn)系統(tǒng)控制目的的物理量。（距離、方位角度等）

（3）控制參數(shù)

• 由控制器改變的量，對(duì)被控參數(shù)有較好的調(diào)節(jié)能力。（閥門(mén)開(kāi)度、電樞電壓等）

（4）系統(tǒng)輸入

• 作用于被控對(duì)象或系統(tǒng)輸入端，并可使系統(tǒng)具有預(yù)定功能或預(yù)定輸出的物理量。（給定溫度，電位器滑桿位置）

（5）擾動(dòng)

• 一種對(duì)系統(tǒng)的輸出量產(chǎn)生影響的信號(hào)。(水箱出水、負(fù)載等）

（6）開(kāi)環(huán)控制：輸出量對(duì)輸入量(控制作用)沒(méi)有影響的系統(tǒng)。

缺點(diǎn)：沒(méi)有抵抗擾動(dòng)的能力。

（7）※ 閉環(huán)控制：將輸出量與參考輸入量進(jìn)行比較，并且將它們的偏差作為控制手段，以保持兩者之間預(yù)定關(guān)系的系統(tǒng)，也稱(chēng)為反饋控制系統(tǒng)

將輸出量反送到輸入端，與輸入端形成偏差稱(chēng)之為反饋

控制系統(tǒng)中主要采用負(fù)反饋 。
負(fù)反饋：反饋的加入，使偏差越來(lái)越小。
正反饋：反饋的加入，使偏差越來(lái)越大。（振蕩發(fā)生器）

最大的特點(diǎn)：

消除偏差；

使系統(tǒng)對(duì)參數(shù)不敏感。

1.4 控制系統(tǒng)的組成

※ 本節(jié)最重要的概念：負(fù)反饋 閉環(huán)控制系統(tǒng)

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2 自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類(lèi)

對(duì)研究對(duì)象的正確分類(lèi)是分析對(duì)象的重要環(huán)節(jié)。分類(lèi)原則： 不遺漏，不重疊

• 按輸入信號(hào)的變化規(guī)律分

定值控制：參考輸入為一個(gè)恒定的值。如速度控制、液位控制等
程序控制：參考輸入為一個(gè)已知的時(shí)間函數(shù)。如自動(dòng)駕駛、熱處理過(guò)程等。
隨動(dòng)控制：參考輸入為一個(gè)隨機(jī)變化的函數(shù)。如雷達(dá)天線跟蹤系統(tǒng)等。

• 按系統(tǒng)中傳遞信號(hào)的特點(diǎn)分

連續(xù)系統(tǒng)：系統(tǒng)中傳遞的信號(hào)都是時(shí)間軸上連續(xù)的信號(hào)。描述對(duì)象的數(shù)學(xué)模型是微分方程。

離散系統(tǒng)：系統(tǒng)中某一處或幾處信號(hào)為脈沖序列或時(shí)間軸上不連續(xù)的信號(hào)。描述此類(lèi)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型為差分方程。如計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。

• 按系統(tǒng)特點(diǎn)分
  線性系統(tǒng): 組成系統(tǒng)的所有元件或子系統(tǒng)都是線性的。

  • 線性定常連續(xù)系統(tǒng)
    

  非線性系統(tǒng)：系統(tǒng)中至少有一個(gè)元件或子系統(tǒng)是非線性的。
  

• 按系統(tǒng)輸入輸出數(shù)量分
  單輸入單輸出（經(jīng)典控制理論）如：電動(dòng)機(jī)速度控制系統(tǒng)
  多輸入多輸出（現(xiàn)代控制理論）

• 按系統(tǒng)功能分
  溫度控制、
  速度控制、
  位置控制
  …

• 按組成元件的特點(diǎn)分
  機(jī)械系統(tǒng)、
  電氣系統(tǒng)、
  液壓系統(tǒng)、
  生物系統(tǒng)、
  經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)
  …

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3 自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求

• 建立控制系統(tǒng)的目的
  • 保證系統(tǒng)輸出具有控制輸入指定的數(shù)值
  • 保證系統(tǒng)輸出盡量不受擾動(dòng)的影響
• 對(duì)系統(tǒng)的具體要求
  （1）系統(tǒng)穩(wěn)定性
  （2）系統(tǒng)動(dòng)態(tài)快速性
  （3）系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)準(zhǔn)確性

為了使閉環(huán)控制系統(tǒng)能夠正常工作，能夠滿足設(shè)計(jì)者和使用者的要求，必須對(duì)控制系統(tǒng)提出一些要求。
（1）穩(wěn)定性

穩(wěn)定性是保證控制系統(tǒng)能夠正常工作的先決條件

（2）快速性
要求被控制量由初始值變?yōu)榱硪幌Ｍ?#xff0c;某些控制系統(tǒng)可以快速響應(yīng)，如下圖中的曲線1；而某些控制系統(tǒng)則響應(yīng)十分緩慢，如下圖中的曲線3。顯然，能夠快速響應(yīng)的系統(tǒng)性能更好。一般來(lái)說(shuō)，我們總是要求控制系統(tǒng)具有很好的快速性。

（3）平穩(wěn)性
當(dāng)被控制量由初始值變?yōu)榱硪粋€(gè)希望值時(shí)，某些控制系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)超調(diào)現(xiàn)象。即被控制量會(huì)超過(guò)希望值，并經(jīng)過(guò)若干次擺動(dòng)以后才達(dá)到希望值。如下圖中的曲線1所示。如果控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)得好，被控制量會(huì)平穩(wěn)地達(dá)到希望值，不出現(xiàn)大幅的擺動(dòng)，如下圖中的曲線3所示。

（4）準(zhǔn)確性
如果要求被控制量由初始值變?yōu)榱硪粋€(gè)希望值時(shí)，在變化過(guò)程結(jié)束后，被控制量能夠達(dá)到希望值，說(shuō)明該系統(tǒng)具有很好的準(zhǔn)確性，如下圖的曲線1所示；如果被控制量在變化過(guò)程結(jié)束后不能達(dá)到希望值，存在很大的誤差，說(shuō)明該系統(tǒng)的準(zhǔn)確性很差，如下圖的曲線2所示

以上四項(xiàng)對(duì)控制系統(tǒng)的要求可以歸納為“穩(wěn)、快、 平、準(zhǔn)”四個(gè)字。其中，快速性和平穩(wěn)性反映控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)；準(zhǔn)確性反映反映控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度；而穩(wěn)定性則是控制系統(tǒng)能夠正常工作的先決條件。

自動(dòng)控制原理課程的任務(wù):

研究一種方法（或理論）來(lái)指導(dǎo)構(gòu)筑一個(gè)控制系統(tǒng)達(dá)到系統(tǒng)目標(biāo)。

具體：

設(shè)計(jì)控制裝置以達(dá)到系統(tǒng)的目的

細(xì)化為：
1、了解各種元器件或子系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律、動(dòng)力學(xué)方程（建立數(shù)學(xué)模型）
2、了解某種控制器對(duì)系統(tǒng)輸出的影響（系統(tǒng)分析）
3、設(shè)計(jì)控制器（系統(tǒng)設(shè)計(jì)或系統(tǒng)綜合）

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4 自動(dòng)控制的發(fā)展歷史

• 前期控制(1400 BC–1900) 工業(yè)機(jī)器

  • 中國(guó)，埃及和巴比倫出現(xiàn)自動(dòng)計(jì)時(shí)漏壺 (1400 BC–1100BC)；
  • 希臘Philon發(fā)明了采用浮球調(diào)節(jié)器來(lái)保持燃油液面高度的油燈（BC250）
  • 中國(guó)張衡發(fā)明水運(yùn)渾象，研制出自動(dòng)測(cè)量地震的候風(fēng)地動(dòng)儀（132）
  • 中國(guó)馬鈞研制出用齒輪傳動(dòng)的自動(dòng)指示方向的向的指南車(chē) (235年)；
  • 英國(guó) J. Watt用離心式調(diào)速器控制蒸汽機(jī)的速度 (1788年)。

• 經(jīng)典控制(1935 --1950) 空間技術(shù)

  • 美國(guó) N. Minorsky 研制出用于船舶駕駛的伺服結(jié)構(gòu)，提出PID控制方法 (1922)；
  • 美國(guó) E. Sperry以及C. Mason 研制出火炮控制器(1925)，氣壓反饋控制器 (1929)；

  經(jīng)典控制理論階段（以傳遞函數(shù)作為系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型）
  1868年麥克斯韋爾（J.C.Maxwell）基于微分方程描述從理論上給出了它的穩(wěn)定性條件。
  1877年勞斯（E.J.Routh）,1895年霍爾維茨（A. Hurwitz）分別獨(dú)立給出了高階線性系統(tǒng)的穩(wěn)定性判據(jù)；
  1892年，李雅普諾夫（A.M.Lyapunov）給出了非線性系統(tǒng)的穩(wěn)定性判據(jù)。
  在同一時(shí)期，維什哥熱斯基（I.A.Vyshnegreskii）也用一種正規(guī)的數(shù)學(xué)理論描述了這種理論。
  1922年，米羅斯基(N.Minorsky)給出了位置控制系統(tǒng)的分析，并對(duì)PID三作用控制給出了控制規(guī)律公式。
  1942年，齊格勒（J.G.Zigler）和尼科爾斯(N.B.Nichols) 又給出了PID控制器的最優(yōu)參數(shù)整定法。
  上述方法基本上是時(shí)域方法。
  1932年柰奎斯特(Nyquist)提出了負(fù)反饋系統(tǒng)的頻率域穩(wěn)定性判據(jù)。
  1940年，波德(Bode)進(jìn)一步研究通信系統(tǒng)頻域方法，提出了頻域響應(yīng)的對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖描述方法。頻域分析法主要用于描述反饋放大器的帶寬和其他頻域指標(biāo)。
  1943年，霍爾(A.C.Hall)利用傳遞函數(shù)（復(fù)數(shù)域模型）和方框圖，把通信工程的頻域響應(yīng)方法和機(jī)械工程的時(shí)域方法統(tǒng)一起來(lái)，人們稱(chēng)此方法為復(fù)域方法。
  1948年伊文斯（W.Evans）又進(jìn)一步提出了屬于經(jīng)典方法的根軌跡設(shè)計(jì)法，它給出了系統(tǒng)參數(shù)變換與時(shí)域性能變化之間的關(guān)系。

  總結(jié)：經(jīng)典控制理論的分析方法為復(fù)數(shù)域方法,以傳遞函數(shù)作為系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型。
  優(yōu)點(diǎn):可通過(guò)試驗(yàn)方法建立數(shù)學(xué)模型，物理概念清晰。
  缺點(diǎn):只適應(yīng)單變量線性定常系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)缺少了解。

• 現(xiàn)代控制(1950 --Now) 控制理論 （以狀態(tài)空間表達(dá)式為模型）
  現(xiàn)代頻域方法，自適應(yīng)控制理論和方法、魯棒控制方法等
  狀態(tài)空間方法屬于時(shí)域方法，其核心是最優(yōu)化技術(shù)。它以狀態(tài)空間描述（實(shí)質(zhì)上是一階微分或差分方程組）作為數(shù)學(xué)模型，適應(yīng)于多變量、非線性、時(shí)變系統(tǒng)

大系統(tǒng)控制理論階段

20世紀(jì)70年代，隨著控制理論應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，人們開(kāi)始了對(duì)大系統(tǒng)理論的研究。 大系統(tǒng)理論是過(guò)程控制與信息處理相結(jié)合的綜合自動(dòng)化理論基礎(chǔ)，是動(dòng)態(tài)的系統(tǒng)工程理論，具有規(guī)模龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功能綜合、目標(biāo)多樣、因素眾多等特點(diǎn)。 它是一個(gè)多輸入、多輸出、多干擾、多變量的系統(tǒng)。 大系統(tǒng)理論目前仍處于發(fā)展和開(kāi)創(chuàng)性階段。

智能控制階段

依據(jù)人的思維方式和處理問(wèn)題的技巧，解決那些目前需要人的智能才能解決的復(fù)雜的控制問(wèn)題。

• 被控對(duì)象的復(fù)雜性體現(xiàn)為:模型的不確定性，高度非線性，分布式的傳感器和執(zhí)行器，動(dòng)態(tài)突變，多時(shí)間標(biāo)度，復(fù)雜的信息模式，龐大的數(shù)據(jù)量，以及嚴(yán)格的特性指標(biāo)等。
• 環(huán)境的復(fù)雜性則表現(xiàn)為變化的不確定性和難以辨識(shí)。
  • 試圖用傳統(tǒng)的控制理論和方法去解決復(fù)雜的對(duì)象，復(fù)雜的環(huán)境和復(fù)雜的任務(wù)是不可能的。
  • 智能控制的方法包括模糊控制，神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)控制，專(zhuān)家控制等方法。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的通俗易懂的自动控制原理 # 绪论的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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