第一章绪论20110226.ppt

在工农业生产、交通运输、国防建设、科学研究及日常生活等各个领域，自动控制技术的应用非常广泛。 第一节 控制论的基本含义 控制（Control）：是指由人或用控制装置使受控对象按照一定目的来动作所进行的操作。 例：用微型计算机控制热处理炉的炉温使之保持某个恒定值或按一定规律变化，其中，热处理炉就是受控对象（Controlled Object）。温度为被控量(Controlled Variable)。要求被控量保持的数值或变化规律，称为被控量的期望值。而操作或控制的任务就是使受控对象的被控量等于或按一定精度符合期望值。 任何实际运行的物理系统都是因果系统，输出(Output Variable)（或称响应）是输入（Input- Variable）（或称激励）引起的后果。 自动控制系统的输入称为给定量(Reference- Variable)或称参考输入量，输出就是被控量。 二、控制论 控制论（Cybernetics）的任务：对各类系统中的信息传递与转换关系进行定量分析，然后根据这些定量关系预见整个系统的行为。 在理论的研究中，广泛地利用了各种数学工具例如： （一）控制理论的基础观念 控制理论观念的重要性，在于它提供了一个有力的工具来定量地描述、解决复杂问题的过程。 三、工程控制论 工程控制论研究以工程技术为对象的控制论问题。具体地讲，是研究在这一工程领域中广义系统的动力学问题，也就是研究系统及其输入、输出三者之间的动态关系。 例如，在机床数控技术中，调整到一定状态的数控机床就是系统，数控指令就是输入，而数控机床有关的运动就是输出。 人用手取桌子上的书，就是一个负反馈系统。这个负反馈控制系统的基本组成及工作原理可以用一个闭环的方框图表示。 简易数控机床的进给系统，其方框图如图1-2-6所示。 三、开环与闭环控制系统的比较 闭环控制系统的优点是采用了反馈，系统中真正起调节作用的信号是偏差信号。所以闭环系统的响应对外部干扰和内部系统的参数变化不敏感。 从稳定性的角度出发，开环控制系统比较容易建立。闭环系统可能出现超调误差，从而导致系统做等幅振荡或变幅振荡。 复合控制实质上是在闭环控制回路的基础上，附加一个输入信号（给定信号或扰动信号）的顺馈通路，对该输入信号实行加强或补偿，以达到精确的控制效果。常见的方式有以下两种： （一）附加给定输入补偿的复合控制 图1-2-9给出了附加给定输入补偿复合控制方框图。通常，附加的补偿装置可提供一个顺馈控制信号，与原输入信号一起对被控对象进行控制，以提高系统的跟踪能力。 （二）附加扰动输入补偿的复合控制 图1-2-10给出了附加扰动输入补偿的复合控制方框图。附加的补偿装置所提供的控制作用，主要起到对扰动影响“防患未然”的效果。 第三节 反馈控制系统的基本组成 四、按系统的输入/输出信号的数量来分类 在实际系统中，由于总是存在着不同性质的储能元件，当输入突然改变时，相应的输出需经过一个渐变的过渡过程，即具有“惯性”,从控制的任务看，我们希望响应曲线越逼近期望值越好，响应的动态过程越短越好，响应过程越平稳越好。工程上通常以系统的响应曲线情况来评价系统的性能。 第六节 自动控制的应用举例 大多数自动控制系统都是应用反馈控制原理控制某一个受控对象（例如机床工作台，锅炉，机械手臂，火箭体等），或是一个生产过程（例如切削过程，加热过程，位置监测过程等）的控制工程实例。 上述的信息传递关系可用图1-6-2的闭环系统来表示。这样，对于切削过程的动态特性，切削自激振动的分析，完全可以应用控制理论有关稳定性理论进行分析，从而找到控制切削过程、抑制切削振动的有效途径。 例1-2 锅炉液位控制系统。 例1-4 工业机器人。 图1-6-7所示工业机器人要完成将工件放入指定孔中的任务，其基本的控制方框图如图1-6-8所示。 第七节 MATLAB在控制系统中的应用 MATLAB既是一种语言，又是一种编程环境。MATLAB提供了很多方便用户的工具，用于管理变量、输入输出数据以及生成和管理M文件。其强大的功能在控制工程仿真中起到越来越重要的作用。本书后续各章节中也都使用MATLAB实现控制系统的计算和绘图等功能。 MATLAB当中的控制系统工具箱，提供了若干用于控制工程的函数。这些函数大多数为M文件函数，可用于控制系统设计