(一)【自控原理】自动控制的一般概念
作者：互联网
文章目录
<1> 自动控制原理
- 无人直接参与
- 机器、设备或生产过程的工作状态或参数
- 自动实现某种规律运行。
- 经典控制：单输入、单输出。
- 现代控制：多输入、多输出 。
- 反馈：（控制思想的精髓，知己知彼）
<2> 应用例子：
- 数控机床按照规定程序自动地切削工件。
- 化学反应炉自动地维持温度或压力的恒定。
- 导弹发射和制导系统自动地把导弹引向敌方目标。
- 人造卫星准确地进入预定轨道并回收。
<3> 自动控制原理发展概况
<4> 反馈控制（又称为闭环控制）
例子1：
眼睛作为视觉感官看一下书在哪里并告诉大脑，大脑思考之后让手臂带动手作为执行机构去取书，然后手距离书位置情况，再眼睛反馈给大脑手与书的距离。经过多次反馈，手到达了书的位置，把书取了。
例子2：龙门刨床
最左侧：滑动变阻器。放大器（FD）将偏差信号
Δ
u
\Delta u
Δu放大，放大后，将信号传送给触发器CF，触发器输出到晶闸管KZ，KZ输出合适的电量给直流电机供电，直流电机产生转速，通过轴传递转速经过一个测速发电机TG把转速测出来，将非电信号（角速度）转化为电信号（电位差），再反馈回输入端，得到一个新的
Δ
u
\Delta u
Δu。
如果负载
M
M
M变为增大，这将导致转速
n
w
n_w
nw降低，测速发电机发出的电压
u
t
e
s
t
u_test
utest变小，输入端电位差
Δ
u
\Delta u
Δu增大，则CE，KZ输出的电压增大，导致给电动机供电的电压
u
s
m
u_{sm}
usm增大。（即负载变重，转速变小，导致直流电机供电的电压增大，转速提高。）
<5>控制系统方框图
- 测量元件
- 给定元件
- 比较元件
- 放大元件
- 执行元件
- 校正元件
<6> 基本控制方式
- 反馈控制系统：闭环控制系统
- 开环控制系统：按给定控制、按优化<干扰、噪声>控制
- 复合控制系统：兼顾反馈、开环（按扰动）控制系统
<7> 电动机——电机，是自动控制系统中的常用部件。
定性的讲：
- 当负载 M L M_L ML一定时，电压U增大>>》转速n提高；
- 当电压U一定时，负载 M L M_L ML增大>>》转速n减小。
当负载变化时，要想保持转速恒定，应该怎么办?下面看一龙门刨自动调速系统。
<8>控制方案1（开环控制控制系统）：
输出量受控于输入量，而对控制量不能反施影响的一类系统。
- 系统方框图：
- 结构特征：信息单向传递，没有形成闭合回路
- 系统特点：控制系统结构简单，成本低廉；控制精度差，抗干扰能力差。
- 使用场合：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，全自动洗衣机。
- 龙门刨自动调速系统：
其中：
- U r U_r Ur——控制量（输入量之一）
- ω \omega ω——被控量（输出量）
- M L M_L ML——扰动量（输入量之二）
- 工作原理：被控对象——电动机。没有TG,当硬件退化、或者加重载时，由于没有反馈装置，所以无法保持转速横定。
<9>控制方案2（闭环（反馈）控制系统）
系统方框图：
- 结构特征：信息循环往复传递，按偏差进行控制；
- 系统特点：按偏差控制（因此必须有输出量的测量装置）；抗干扰性好，控制精度高；系统较复杂，有稳定性问题。
- 使用场合：多用于系统结构参数不稳定和扰动信号较强的场合。
- 龙门刨自动调速系统：
<9>复合控制系统
系统方框图：下部的环为闭环（如果扰动产生的信号从前向通道经过测量装置反馈到前向通道上，这种封闭的取法称为闭环。）上部的环为开环（输入量为扰动量M，方向不封闭）
<10>常用术语
<1>函数记录仪器原理
系统方框图：
<2>飞机自动驾驶仪器系统原理图
- 垂直陀螺仪：测量仰角，俯角
- 系统方框图：
<3>电阻炉温度微机控制系统
热电偶：将温度转化为电信号，温度的变化在热电偶两端产生电位差。通过发大滤波，让它驱动A/D变换器（计算机只能处理数字电信号），然后通过D/A变化器转换为模拟信号，再通过触发器，晶闸管来调节电阻丝的供电。
<4>锅炉液位控制系统
C.a 线性定常连续系统
a
0
d
n
d
t
n
c
(
t
)
+
a
1
d
n
−
1
d
t
n
−
1
c
(
t
)
+
.
.
.
+
a
n
c
(
t
)
=
b
0
d
m
d
t
m
r
(
t
)
+
b
1
d
m
−
1
d
t
m
−
1
r
(
t
)
+
.
.
.
+
b
m
r
(
t
)
a_0\frac{d^n}{dt^n}c(t)+a_1\frac{d^{n-1}}{dt^{n-1}}c(t)+...+a_nc(t)=b_0\frac{d^m}{dt^m}r(t)+b_1\frac{d^{m-1}}{dt^{m-1}}r(t)+...+b_mr(t)
a0dtndnc(t)+a1dtn−1dn−1c(t)+...+anc(t)=b0dtmdmr(t)+b1dtm−1dm−1r(t)+...+bmr(t)
其中：
c
(
t
)
c(t)
c(t)——系统输入；
r
(
t
)
r(t)
r(t)——系统输入
特点：
- 各变量[ r ( t ) , c ( t ) r(t),c(t) r(t),c(t)]及其导数以一次幂形式出现，且无交叉相乘；——线性
- 各系数 a i ( i = 0 ) → n , b i ( i = 0 → m ) a_i(i=0)\to n,b_i(i=0\to m) ai(i=0)→n,bi(i=0→m)都是常数——定常（非时变）
- 系统中各信号随着时间连续变化——连续
线性定常连续系统包括：
- 恒值控制系统（龙门刨床：恒定转速；锅炉系统：恒定温度）
- 随动系统，包括伺服系统（伺服系统指的是以位置作为输入）
- 程序控制系统（数控机床雕塑）
后两种系统的被控对象一直在发生变化。随动系统的被控量是无法预知的，程序控制的则是已知的。
C.b线性定常离散控制系统
a
0
c
(
k
+
n
)
+
a
1
c
(
k
+
n
−
1
)
+
.
.
.
+
a
n
−
1
c
k
+
1
+
a
n
c
(
k
)
=
b
0
r
(
k
+
m
)
+
b
1
r
(
k
+
m
−
1
)
+
.
.
.
+
b
m
−
1
r
(
k
+
1
)
+
b
m
r
(
k
)
(
m
≤
n
)
a_0c(k+n)+a_1c(k+n-1)+...+a_{n-1}c_{k+1}+a_nc(k)\\=b_0r(k+m)+b_1r(k+m-1)+...+b_{m-1}r(k+1)+b_mr(k )\qquad (m\le n)
a0c(k+n)+a1c(k+n−1)+...+an−1ck+1+anc(k)=b0r(k+m)+b1r(k+m−1)+...+bm−1r(k+1)+bmr(k)(m≤n)
r:输入采样序列；c:输出采样序列
总结:C.a、C.b线性系统具有齐次性、叠加性
C.c 非线性控制系统
系数与变量有关
d
2
y
(
t
)
d
t
2
+
y
(
t
)
d
y
(
t
)
d
t
+
y
2
(
t
)
=
r
(
t
)
\frac{d^2y(t)}{dt^2}+y(t)\frac{dy(t)}{dt}+y^2(t)=r(t)
dt2d2y(t)+y(t)dtdy(t)+y2(t)=r(t)
- 按控制方式：开环控制、闭环控制、复合控制
- 按元件类型：机械、电气、机电、液压、气动、生物
- 按系统功用：速度控制系统、随动控制系统、程序控制系统…
- 按参据量变化规律：恒值控制系统、压力控制系统、温度控制系统、位置控制系统…
- 按系统性能：
线性系统——系统中所有元件的特性都是线性的。；非线性系统.（大于等于一个元件是非线性的）
定常（时不变）系统——系统的结构和参数不随时间变化；时变系统（大于等于一个元件是时变的）
连续系统——系统中各部分信号随着时间连续变化；离散系统（大于等于一个元件是离散的）
确定性系统；不确定性系统（大于等于一个元件是不确定的）
- 稳定性：由系统结构决定，与系统输入输出无关。
- 快速性： 动态（暂态）特性
- 准确性：静态（稳态）特性
典型外作用（信号）：
- 阶跃信号
-
斜坡信号
-
脉冲信号
-
正弦信号
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