1-1人工控制和自動(dòng)控制解析

1、主要內(nèi)容：1.人工控制與自動(dòng)控制 2.開(kāi)環(huán)控制 3.閉環(huán)控制 4.自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成 5.自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類231.1.1 1.1.1 自動(dòng)控制問(wèn)題的提出自動(dòng)控制問(wèn)題的提出 一個(gè)簡(jiǎn)單的水箱液面，因生產(chǎn)和生活需要，希望一個(gè)簡(jiǎn)單的水箱液面，因生產(chǎn)和生活需要，希望液面高度液面高度h 維持恒定。當(dāng)水的流入量與流出量平衡時(shí)，維持恒定。當(dāng)水的流入量與流出量平衡時(shí)，水箱的液面高度維持在預(yù)定的高度上。水箱的液面高度維持在預(yù)定的高度上。水箱水箱流出流出流入流入h 當(dāng)水的流出量當(dāng)水的流出量增大或流入量減增大或流入量減小，平衡則被破小，平衡則被破壞，液面的高度壞，液面的高度不能自然地維持不能自然地維持恒定。恒定。4

2、 這種出水量與進(jìn)水量的不平衡現(xiàn)象必然要經(jīng)常發(fā)這種出水量與進(jìn)水量的不平衡現(xiàn)象必然要經(jīng)常發(fā)生的。這使得這種生的。這使得這種“水位恒定的要求水位恒定的要求”變得難以實(shí)現(xiàn)變得難以實(shí)現(xiàn)了。了。 所謂所謂控制控制就是強(qiáng)制性地改變某些物理量（進(jìn)水就是強(qiáng)制性地改變某些物理量（進(jìn)水量），而使另外某些特定的物理量（如被控量液面高量），而使另外某些特定的物理量（如被控量液面高度度h）維持在某種特定的標(biāo)準(zhǔn)上。人工控制的例子。）維持在某種特定的標(biāo)準(zhǔn)上。人工控制的例子。水箱水箱（控制對(duì)象）（控制對(duì)象）流出流出流入流入h 這 種 人 為這 種 人 為地強(qiáng)制性地改地強(qiáng)制性地改變進(jìn)水量，而變進(jìn)水量，而使液面（被控使液面（被控量

3、）高度維持量）高度維持恒定的過(guò)程，恒定的過(guò)程，即是人工控制即是人工控制過(guò)程。過(guò)程。51.2.2 1.2.2 自動(dòng)控制的定義及基本職能元件自動(dòng)控制的定義及基本職能元件 1. 1.自動(dòng)控制的定義自動(dòng)控制的定義 自動(dòng)控制就是在沒(méi)有人直接參與的情況下，利用自動(dòng)控制就是在沒(méi)有人直接參與的情況下，利用控制器使被控對(duì)象（或過(guò)程）的某些物理量（或狀態(tài)）控制器使被控對(duì)象（或過(guò)程）的某些物理量（或狀態(tài)）自動(dòng)地按預(yù)先給定的規(guī)律去運(yùn)行。自動(dòng)地按預(yù)先給定的規(guī)律去運(yùn)行。水水箱箱流出流出流入流入h控制控制器器浮子浮子 當(dāng)出水與進(jìn)水的當(dāng)出水與進(jìn)水的平衡被破壞時(shí)，水箱平衡被破壞時(shí)，水箱水位下降水位下降( (或上升或上升) )，

4、出現(xiàn)偏差。這偏差由出現(xiàn)偏差。這偏差由浮子檢測(cè)出來(lái)，自動(dòng)浮子檢測(cè)出來(lái)，自動(dòng)控制器在偏差的作用控制器在偏差的作用下，控制閥門開(kāi)下，控制閥門開(kāi)大大(或或關(guān)小關(guān)小)，對(duì)偏差進(jìn)行修，對(duì)偏差進(jìn)行修正，從而保持液面高正，從而保持液面高度不變。度不變。6 2. 2. 自動(dòng)控制的基本職能元件自動(dòng)控制的基本職能元件 自動(dòng)控制的實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的實(shí)現(xiàn), ,實(shí)際上是由自動(dòng)控制裝置來(lái)代替人實(shí)際上是由自動(dòng)控制裝置來(lái)代替人的基本功能，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的。畫出以上人工控制的基本功能，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的。畫出以上人工控制與自動(dòng)控制的功能方框圖進(jìn)行對(duì)照。與自動(dòng)控制的功能方框圖進(jìn)行對(duì)照。水箱水箱流出流出流入流入h水箱水箱流出流出流入流

5、入h控制器控制器浮子浮子 眼睛眼睛 浮子浮子 大腦大腦 自動(dòng)控制器自動(dòng)控制器 肌肉、手肌肉、手 執(zhí)行元件執(zhí)行元件7 比較兩圖可以看出，自動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)人工控制的功能，比較兩圖可以看出，自動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)人工控制的功能，存在必不可少的三種代替人的職能的基本元件：存在必不可少的三種代替人的職能的基本元件：氣氣 動(dòng)動(dòng)閥閥 門門希望液位希望液位實(shí)際液位實(shí)際液位浮浮 子子控制器控制器水水 箱箱肌肉和肌肉和閥門閥門希望液位希望液位實(shí)際液位實(shí)際液位大大 腦腦水水 箱箱眼眼 睛睛8執(zhí)執(zhí) 行行元元 件件參考輸入?yún)⒖驾斎胼敵鲚敵鰷y(cè)量變測(cè)量變送元件送元件控制器控制器對(duì)對(duì) 象象擾動(dòng)輸入擾動(dòng)輸入 測(cè)量元件與變送器（代替眼睛）；測(cè)

6、量元件與變送器（代替眼睛）； 自動(dòng)控制器（代替大腦）；自動(dòng)控制器（代替大腦）； 執(zhí)行元件（代替肌肉、手）。執(zhí)行元件（代替肌肉、手）。 這些基本元件與被控對(duì)象相連接，一起構(gòu)成一個(gè)自這些基本元件與被控對(duì)象相連接，一起構(gòu)成一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)。下圖是典型控制系統(tǒng)方框圖動(dòng)控制系統(tǒng)。下圖是典型控制系統(tǒng)方框圖。 自動(dòng)調(diào)溫空調(diào) 10調(diào)節(jié)風(fēng)調(diào)節(jié)風(fēng)門門希望溫度希望溫度實(shí)際溫度實(shí)際溫度溫度傳感溫度傳感器器控制器控制器空調(diào)空調(diào) 人工控制 自動(dòng)控制 控制量和被控對(duì)象 自動(dòng)控制的基本元件11 電飯煲 131.2 1.2 開(kāi)環(huán)控制開(kāi)環(huán)控制 開(kāi)環(huán)控制是最簡(jiǎn)單的一種控制方式，我們可以給開(kāi)環(huán)控制是最簡(jiǎn)單的一種控制方式，我們可以給出

7、開(kāi)環(huán)控制的一般定義：出開(kāi)環(huán)控制的一般定義： 定義：控制量與被控量之間只有順向作用而沒(méi)有定義：控制量與被控量之間只有順向作用而沒(méi)有反向聯(lián)系。反向聯(lián)系。 開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)的典型方框圖如圖所示。開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)的典型方框圖如圖所示?？刂破骺刂破鞅豢貙?duì)象被控對(duì)象控制量控制量被控量被控量 交通指揮紅綠燈，自動(dòng)洗衣機(jī)，自動(dòng)售貨機(jī)，產(chǎn)品交通指揮紅綠燈，自動(dòng)洗衣機(jī)，自動(dòng)售貨機(jī)，產(chǎn)品自動(dòng)生產(chǎn)線，數(shù)控車床等等。自動(dòng)生產(chǎn)線，數(shù)控車床等等。14電動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速滑臂位置滑臂位置功率功率放大器放大器電位器電位器下圖是一個(gè)直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)。下圖是一個(gè)直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)。 當(dāng)調(diào)節(jié)電位器滑臂位置時(shí)，改變功率放大器的輸入電

8、壓，當(dāng)調(diào)節(jié)電位器滑臂位置時(shí)，改變功率放大器的輸入電壓，從而改變電動(dòng)機(jī)的電樞電壓，最終改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。以上的從而改變電動(dòng)機(jī)的電樞電壓，最終改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。以上的控制過(guò)程，用方框圖簡(jiǎn)單直觀地表示出來(lái)?？刂七^(guò)程，用方框圖簡(jiǎn)單直觀地表示出來(lái)。 15 開(kāi)環(huán)控制的特點(diǎn)：開(kāi)環(huán)控制的特點(diǎn)： （1 1）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)整方便、成本低。）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)整方便、成本低。 （2 2）給定一個(gè)輸入，有相應(yīng)的一個(gè)輸出。）給定一個(gè)輸入，有相應(yīng)的一個(gè)輸出。 （3 3）在系統(tǒng)方框圖中，作用信號(hào)是單方向傳遞的，）在系統(tǒng)方框圖中，作用信號(hào)是單方向傳遞的，形成開(kāi)環(huán)。形成開(kāi)環(huán)。 （4 4）輸出不影響輸入。）輸出不影響輸入。 （5 5）若

9、系統(tǒng)有外界擾動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)輸出量不可能有準(zhǔn)）若系統(tǒng)有外界擾動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)輸出量不可能有準(zhǔn)確的數(shù)值，即開(kāi)環(huán)控制精度不高，或抗干擾能力差。確的數(shù)值，即開(kāi)環(huán)控制精度不高，或抗干擾能力差。1.3 1.3 閉環(huán)控制閉環(huán)控制 定義：凡是系統(tǒng)輸出信號(hào)對(duì)控制作用有直接影響的定義：凡是系統(tǒng)輸出信號(hào)對(duì)控制作用有直接影響的系統(tǒng)，都叫做閉環(huán)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)，都叫做閉環(huán)控制系統(tǒng)。16 在控制系統(tǒng)中，控制裝置對(duì)被控對(duì)象所施加的在控制系統(tǒng)中，控制裝置對(duì)被控對(duì)象所施加的控控制作用，若能取自被控量的反饋信息，即根據(jù)實(shí)際輸制作用，若能取自被控量的反饋信息，即根據(jù)實(shí)際輸出來(lái)修正控制作用，實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制的任務(wù)，出來(lái)修正控制作用，實(shí)現(xiàn)對(duì)

10、被控對(duì)象進(jìn)行控制的任務(wù)，這種控制原理稱為反饋控制原理。正是由于引入了反這種控制原理稱為反饋控制原理。正是由于引入了反饋信息，使整個(gè)控制過(guò)程成為閉合的。因此，按反饋饋信息，使整個(gè)控制過(guò)程成為閉合的。因此，按反饋原理建立起來(lái)的控制系統(tǒng)，叫做閉環(huán)控制系統(tǒng)。在閉原理建立起來(lái)的控制系統(tǒng)，叫做閉環(huán)控制系統(tǒng)。在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，其控制作用的基礎(chǔ)是被控量與給定值環(huán)控制系統(tǒng)中，其控制作用的基礎(chǔ)是被控量與給定值之間的偏差。之間的偏差。 人本身人本身就是一個(gè)具有高度復(fù)雜控制能力的閉環(huán)系就是一個(gè)具有高度復(fù)雜控制能力的閉環(huán)系統(tǒng)。比如，人可以用手拿到放在桌上的書等物，體現(xiàn)統(tǒng)。比如，人可以用手拿到放在桌上的書等物，體現(xiàn)了閉環(huán)

11、控制的原理。了閉環(huán)控制的原理。 直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制的例子。直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制的例子。17電動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速給定給定位置位置功率功率放大器放大器電位器電位器+-負(fù)載負(fù)載擾動(dòng)擾動(dòng)測(cè)速發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)速發(fā)動(dòng)機(jī)ufureuaM功率功率放大器放大器電動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)負(fù)載負(fù)載電電位位器器F測(cè)速發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)速發(fā)動(dòng)機(jī)18 閉環(huán)控制的特點(diǎn)：閉環(huán)控制的特點(diǎn)： 控制作用不是直接來(lái)自給定輸入，而是系統(tǒng)的偏控制作用不是直接來(lái)自給定輸入，而是系統(tǒng)的偏差信號(hào)，由偏差產(chǎn)生對(duì)系統(tǒng)被控量的控制；差信號(hào)，由偏差產(chǎn)生對(duì)系統(tǒng)被控量的控制； 系統(tǒng)被控量的反饋信息又反過(guò)來(lái)影響系統(tǒng)的偏差系統(tǒng)被控量的反饋信息又反過(guò)來(lái)影響系統(tǒng)的偏差信號(hào)，即影響控制作用

12、的大小。這種自成循環(huán)的控制作用，信號(hào)，即影響控制作用的大小。這種自成循環(huán)的控制作用，使信息的傳遞路徑形成了一個(gè)閉合的環(huán)路，稱為閉環(huán)。使信息的傳遞路徑形成了一個(gè)閉合的環(huán)路，稱為閉環(huán)。 提高了控制精度。提高了控制精度。 閉環(huán)控制系統(tǒng)的典型方框圖如圖所示。閉環(huán)控制系統(tǒng)的典型方框圖如圖所示。 控制器控制器被控對(duì)象被控對(duì)象反饋元件反饋元件輸入輸入輸出輸出+-偏差偏差19三三. .開(kāi)環(huán)與閉環(huán)控制系統(tǒng)的比較開(kāi)環(huán)與閉環(huán)控制系統(tǒng)的比較 閉環(huán)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是采用了反饋，因而使系統(tǒng)的響閉環(huán)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是采用了反饋，因而使系統(tǒng)的響應(yīng)對(duì)外部干擾和內(nèi)部系統(tǒng)的參數(shù)變化均相當(dāng)不敏感。應(yīng)對(duì)外部干擾和內(nèi)部系統(tǒng)的參數(shù)變化均相當(dāng)不敏感。這樣，對(duì)于給定的控制對(duì)象，有可能采用不太精密且這樣，對(duì)于給定的控制對(duì)象，有可能采用不太精密且成本較低的元件構(gòu)成精密的控制系統(tǒng)。在開(kāi)環(huán)情況下，成本較低的元件構(gòu)成精密的控制系統(tǒng)。在開(kāi)環(huán)情況下，就不可能做到這一點(diǎn)。就不可能做到這一點(diǎn)。 從穩(wěn)定性的觀點(diǎn)出發(fā)，開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)比較容易建從穩(wěn)定性的觀點(diǎn)出發(fā)，開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)比較容易建造，因?yàn)閷?duì)開(kāi)環(huán)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，不存在穩(wěn)定性的問(wèn)題。但造，因?yàn)閷?duì)開(kāi)環(huán)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，不存在穩(wěn)定性的問(wèn)題。但是在閉環(huán)