第三章：自动化基本原理
3.1自动化与自动控制
自动化
作为一种行为和一种状态，它是通过自动控制系统实现的。
“系统”
是由相互作用、相互联系的若干个组成部分结合而成的、具有特定功能的有机整体。
自动控制系统
指能够实现“自动化”任务的“系统”。一般指人造系统，而且是工程技术领域的人造系统。自动控制系统通常由控制部分和控制对象组成。
一个典型的自动控制系统由下列基本部分组成：
(1)被控对象 控制系统所要控制的设备或过程
(2)测量环节 随时将被控制量检测出来的装置
(3)控制器
给定环节： 产生给定输入信号的环节
比较环节： 其功能是将给定的输入信号（被控制量的希望值）与测量环节得到的被控制量实际值加以比较
控制环节：它的功能是根据偏差信号，决策如何去操作被控对象，使被控量达到所希望的目标
(4)执行环节 按控制环节的控制决策，具体实施对控制对象的操作
自动控制理论的发展历程
(1)经典控制理论 --- 20世纪30－40年代开始
用常微分方程或传递函数来描述系统的动态行为。其中有根轨迹法、频率法等方法，它适用于单输入-单输出的线性定常系统模型。
(3)大系统理论和智能控制技术 --- 20世纪70年代—— 至今
大系统理论 --- 控制理论向广度发展
智能控制技术 --- 控制理论向深度发展
3.2 自动控制系统的描述与模型构建
3.2.1 被控对象的类型
控制系统数学模型：（抛开了系统的物理属性）， 用来描述控制系统的输入-输出变量（以及系统内部各个变量）之间相互关系的数学表达式。
工程技术领域的被控对象不同的分类法
（1）按被控对象的特性可分为 线性和非线性系统
（2）按被控对象结构参数可分为 定常和时变 系统
（3）按系统传输信号的性质可分为 连续系统和离散系统
（4）按系统期望输出信号的变化规律还可分为恒值控制系统和随动控制系统 （* 不应该归入被控对象分类）
1）线性和非线性对象
线性对象： 同时满足 叠加性 和 齐次性（比例性）
不具备线性特性的对象被称作非线性对象
2）定常和时变对象
定常对象： 对象系数均为不随时间变化的常数
时变对象： 对象系数是随时间变化的
连续系统和离散系统
连续系统：
离散系统：
3.2.2 建立被控对象数学模型的基本方法
控制系统数学模型： 用来描述控制系统的输入-输出变量（以及系统内部各个变量）之间相互关系的数学表达式。
建立被控对象数学模型的方法主要有解析法和实验法两种。
解析法——通过对对象的内部机理分析，建立起输入与输出之间的因果关系。
实验法——把需建模的对象看成为一个“黑箱”，只测试其输入、输出信号，
通过辨识的方法，建立数学模型。
复杂系统的建模，会存在更多的困难：
⑴ 对于大范围变化或非线性特性强烈的对象，不能进行线性近似，必须用精确非线性的数学表达式去描述。
⑵ 对于变量多的系统，其数学模型将是高阶微分方程或大维数的状态方程。
⑶ 实际系统的参数经常不是固定不变的，系统的模型应为变参数微分方程。
⑷ 实际系统的参数往往是分布的，这时要用偏微分方程描述。
3.3 自动控制的基本原理
3.3.1 开环控制与闭环控制
开环控制和闭环控制是按信号的传递路径来区分的两种不同的控制形式。
开环控制系统最大的特征：信号流是开环的， 即： 某个信号，其变化不会反过来影响自己
2. 闭环控制系统
闭环系统特征：信号流有封闭环，或叫“反馈”
闭环控制系统——自动控制最基本的形式，将被控量测量出来，反馈至控制系统的输入端与给定信号进行比较得出偏差信号，然后根据偏差作用于被控量，达到消除或减少偏差的目的。
按负反馈原理组成的闭环控制系统才是真正意义上的自动控制系统，反馈控制是自动控制最基本的形式。
但反馈控制会带来“稳定性”问题。自动控制理论主要就是围绕反馈控制来研究自动控制系统的。
3.3.2 控制系统的基本性能要求
一个自动控制系统从原来的平衡状态过渡到一个新的平衡状态，两个平衡状态之间的过渡过程称为 动态；处于平衡状态时称为 静态。
自动控制系统动态过程的常见形式：
⑴单调收敛过程 ⑵单调发散过程
⑶衰减振荡过程 ⑷等幅振荡过程
⑸发散振荡过程
3.3.3 单回路控制与多回路控制
单回路控制——具有一个闭合环路的控制
多回路控制——具有多个控制器、多个反馈闭合环路
3.3.4 单变量控制与多变量控制
单变量控制系统——只有一个输入量和一个输出量的控制系统
多变量控制系统——有多于一个输入量或多于一个输出量的控制系统
解耦控制常用于解决多变量控制系统的耦合问题
多变量控制系统常用状态空间方法描述；
相应控制系统直接设计为多变量控制器，但实际应用较复杂
3.3.5 基本控制规则
控制规则（或称控制算法）——根据控制器输入计算获得控制器输出的计算方法。
如图单回路系统，具体来说，就是从偏差 e(t)如何决定控制器输出 u(t)的策略。
控制算法像是控制系统的“灵魂”。显然，它的“智慧”程度主要决定着控制系统的性能。它一直是控制系统理论研究方面的重要课题
常用（且经典）的控制算法有 --- PID控制算法
（ 比例 Proportional 积分 Integral 微分 Derivative ）
注意PID控制算法简单而朴素的辩证思想
3.3.6 非线性系统控制及其困难
非线性系统是指含有非线性元件的系统，需用非线性微分方程或状态方程描述。
典型非线性特性
饱和特性 死区特性 带滞环的继电特性
非线性控制系统与线性系统相比的特点：
⑴线性系统的稳定性完全取决于系统的结构及其参数，与系统的初始条件以及外加输入无关。非线性系统则不然。
⑵ 对于非线性系统，其稳定性除与系统自身结构及其参数有关外，还与系统的初始条件以及外加输入有关。这使得非线性系统的分析和设计难度大大增加。非线性系统的自激振荡在信号发生器等场合得以有效应用。
非线性控制系统分析和综合方面常用的方法
非线性控制系统的分析方面：
相平面法、描述函数法
在非线性系统的综合方面：
基于微分几何方法的反馈线性化方法、基于微分代数的代数方法
各种智能控制方法
3.4 数字控制及计算机控制系统
3.4.1 从模拟量到数字量
绝大多数实际控制系统的被控量是连续时间信号
计算机等数字运算装置只能处理数字信号
连续信号变换为离散信号的采样过程
3.4.2 计算机控制
A/D（模-数转换）和D/A（数-模转换）构成了计算机与自动控制系统其它部分联系的桥梁，一个采用计算机控制的典型自动控制系统可以表示成下图。
数字计算机的工作需要硬件和软件两大支撑条件，一个计算机控制系统也必须包括硬件和软件两部分。
硬件组成
计算机主机
由中央处理器(CPU)、存储器和接口组成的主机是控制系统的核心，它根据输入设备送来的反映设备或过程工作状态的信息，以及既定的控制规则(算法)，进行运算处理，并将处理结果通过输出设备向设备或过程发送控制命令。另外，主机还要接受来自操作台的操作命令。
输入输出设备
A/D、D/A是模拟量输入输出设备。除此之外，还有开关量输入输出设备，负责将设备或过程的开关、触点等开关量信号送入主机，将主机关于通/断的控制命令传至设备或过程。
人机接口设备
除了通用的CRT显示器、键盘和打印机外，还包括专用的操作显示面板或操作显示台，主要用于操作员发操作命令、设置控制系统参数、显示工作状态等。
二、软件组成
软件是计算机控制系统的神经中枢，负责指挥计算机控制系统的活动。软件主要有系统软件和应用软件两部分。
系统软件指为用户使用、管理、维护计算机所提供的计算机程序，一般包括操作系统、算法语言、数据库、诊断程序等。
应用软件指为完成具体对象的自动控制任务而编制的专用软件，通常包括数据采集及处理程序、控制程序、过程监视程序、打印制表程序等。
3.4.3 数字调节原理
数字调节器：一般直接为计算机，或由计算机核心部件构成的专用控制器
数字调节器内部进行的都是数字计算
数字计算可以更方便地实现进行各种数据信息处理，实现各种复杂的控制算法
各种控制算法都必须采用数字算式 （如PID算法须采用数字PID算式）
许多复杂的控制算法、智能控制算法原本就是数字算式
3.4.4 实时控制与实时系统
实时系统
指那些产生输出的时刻极其重要的系统
任何一个对于外界的激励计算机都能给出及时响应的系统就是一个实时系统
显然，能实现良好控制的计算机控制系统都必须是实时系统；
软硬件都要达到一定的要求才能成为实时系统。
基于网络的控制系统其实时性尤为凸显
自动控制理论：
为实现自动控制的目的，控制器（或控制系统）需要遵循一定的控制规律。
如何分析系统特性，设计有效的控制策略，则是自动控制理论所要研究的主要内容。它是自动控制技术的理论基础。
自动控制理论从三个方面对自动控制系统进行研究和阐述：
⑴ 系统的模型
（数学模型：抛开了系统的物理属性，对其输入变量与输出变量之间关系进行描述的一种数学表达式）（如水槽模型）
⑵ 系统的分析
对已有系统，分析其特性
⑶ 控制系统的综合
根据性能要求，理论上设计控制系统
3.5智能科学与技术
3.6智能控制的基本原理
1.模糊控制
利用模糊数学方法将被控对象模糊化，将其与知识库信息模糊对比推理得到相关信息，再进行清晰化处理，给被控对象提供控制信息。
2.神经网络控制
神经网络对控制领域有吸引力的特征：
(1)能逼近任意L2范数上的非线性函数；
(2)信息的并行分布式处理与存储；
(3)可以多输入、多输出；
(4)便于用超大规模集成电路（VLSI）或光学集成电路系统实现，或用现有的计算机实现；
(5)能进行学习，以适应环境的变化。
神经网络对在控制领域的主要应用：
(1)将常用神经网络作为系统的辨识模型；或利用神经网络的非线性特性，可建立非线性系统的静态、动态及逆动态模型
(2)用作实时控制器，以满足系统要求的动静态特性；
(3)与其它控制方法相结合，如模糊神经网络控制等；
(4)优化计算;(5)控制系统的故障诊断。
3.专家控制
将行业内控制工程师专家的经验和知识体系进行规范化，将其导入控制系统的知识库中，继而由推理机、解析机制和知识获取系统共同作用的专家系统完成专家控制。
3.7 无人机的飞行原理
机翼上部空气流速快，压强小，下部空气流速小，压强大，机翼上下表面的气流速差产生压力差，即机翼上下表面的气流速差产生压力差使得飞行器获得上升力。