第一章_自動(dòng)控制一般概念

1、Dept. of Control Engineering, ChengDu University of Information Technology講講 述述 人：人： 付克昌付克昌聯(lián)系方式：自動(dòng)化教研室（科教樓聯(lián)系方式：自動(dòng)化教研室（科教樓102102室）室）EmailEmail： 教師課件：付克昌教師課件：付克昌 密密 碼：碼： abc123abc123 College of Automatic Control Engineering , CUIT關(guān)于本課程關(guān)于本課程課程的性質(zhì)和地位課程的性質(zhì)和地位p 專業(yè)基礎(chǔ)課，自動(dòng)化類專業(yè)的核心課程。專業(yè)基礎(chǔ)課，自動(dòng)化類專業(yè)的核心課程。p 自動(dòng)控制原理

2、自動(dòng)控制原理與現(xiàn)代控制理論與現(xiàn)代控制理論兩門課程，分兩學(xué)期教學(xué)。兩門課程，分兩學(xué)期教學(xué)。（后者為選修后者為選修）p 64學(xué)時(shí)（學(xué)時(shí)（理論教學(xué)理論教學(xué)56學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)8學(xué)時(shí)學(xué)時(shí)）加加32學(xué)時(shí)（學(xué)時(shí)（24+8）。）。 課程特點(diǎn)與教學(xué)課程特點(diǎn)與教學(xué)p 理論性與實(shí)踐性。（理論性與實(shí)踐性。（理論教學(xué)加實(shí)驗(yàn)，反饋理論與線性系統(tǒng)理論理論教學(xué)加實(shí)驗(yàn)，反饋理論與線性系統(tǒng)理論）p 工程背景與應(yīng)用性。（工程背景與應(yīng)用性。（工程上的物理實(shí)體，解決工程控制問題工程上的物理實(shí)體，解決工程控制問題）p 以工程應(yīng)用為導(dǎo)向?qū)W習(xí)理論與方法。以工程應(yīng)用為導(dǎo)向?qū)W習(xí)理論與方法。p 知識(shí)型作業(yè)，工程應(yīng)用型作業(yè)和計(jì)算機(jī)仿真作業(yè)。知

3、識(shí)型作業(yè)，工程應(yīng)用型作業(yè)和計(jì)算機(jī)仿真作業(yè)。p CDIO改革試點(diǎn)課程。改革試點(diǎn)課程。 College of Automatic Control Engineering , CUIT作業(yè)：每周上交一次作業(yè)：每周上交一次實(shí)驗(yàn)：安排個(gè)必做實(shí)驗(yàn)和部分選做實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)：安排個(gè)必做實(shí)驗(yàn)和部分選做實(shí)驗(yàn)，1 1人人/1/1組，組，獨(dú)立完成，書寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告獨(dú)立完成，書寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告成績(jī)?cè)u(píng)定：考試成績(jī)?cè)u(píng)定：考試60%60%（閉卷考試），考勤（閉卷考試），考勤10%10%平時(shí)作業(yè)平時(shí)作業(yè)10%10%，實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)20%20%。課程導(dǎo)論課程導(dǎo)論 College of Automatic Control Engineering ,

4、 CUIT本課程與其它課程關(guān)系本課程與其它課程關(guān)系 College of Automatic Control Engineering , CUITo課堂學(xué)習(xí)：聽課與思維（課堂學(xué)習(xí)：聽課與思維（綜合前修課程知識(shí)、生活體驗(yàn)綜合前修課程知識(shí)、生活體驗(yàn)）p資料閱讀與資料查閱（資料閱讀與資料查閱（教材與參考書、其它資料教材與參考書、其它資料）p實(shí)習(xí)與實(shí)驗(yàn)（實(shí)習(xí)與實(shí)驗(yàn)（計(jì)劃內(nèi)外實(shí)驗(yàn)，工礦企業(yè)、校內(nèi)實(shí)驗(yàn)室參觀計(jì)劃內(nèi)外實(shí)驗(yàn)，工礦企業(yè)、校內(nèi)實(shí)驗(yàn)室參觀）p 完成作業(yè)完成作業(yè)p討論交流討論交流 學(xué)習(xí)方法與要求學(xué)習(xí)方法與要求 College of Automatic Control Engineering , CUI

5、T教學(xué)參考資料教學(xué)參考資料網(wǎng)址：網(wǎng)址：http:/ Richard C.Dorf Richard C.Dorf 現(xiàn)代控制系統(tǒng)現(xiàn)代控制系統(tǒng)（第（第8 8版）版） 高教出版社高教出版社參考書：參考書： 胡壽松主編胡壽松主編 自動(dòng)控制原理自動(dòng)控制原理（第（第5版）版） 科學(xué)出版社科學(xué)出版社 王劃一主編王劃一主編 自動(dòng)控制原理自動(dòng)控制原理 國防工業(yè)出版社國防工業(yè)出版社 胡壽松主編胡壽松主編 自動(dòng)控制原理習(xí)題集自動(dòng)控制原理習(xí)題集（第（第2 2版）版） 科學(xué)出版社科學(xué)出版社 黃忠霖著黃忠霖著 控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)MATLABMATLAB計(jì)算及仿真計(jì)算及仿真 國防工業(yè)出版社國防工業(yè)出版社 劉坤主編劉坤主編 MA

6、TLABMATLAB自動(dòng)控制原理習(xí)題精解自動(dòng)控制原理習(xí)題精解國防工業(yè)出版社國防工業(yè)出版社 College of Automatic Control Engineering , CUIT1.1 自動(dòng)控制一般概念自動(dòng)控制一般概念1.2 自動(dòng)控制的發(fā)展簡(jiǎn)史自動(dòng)控制的發(fā)展簡(jiǎn)史1.3 控制工程實(shí)踐控制工程實(shí)踐1.4 現(xiàn)代控制系統(tǒng)舉例現(xiàn)代控制系統(tǒng)舉例1.5 自動(dòng)裝配和機(jī)器人自動(dòng)裝配和機(jī)器人1.6 控制系統(tǒng)的未來發(fā)展控制系統(tǒng)的未來發(fā)展補(bǔ)補(bǔ) 對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求與研究?jī)?nèi)對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求與研究?jī)?nèi)容容1.7 工程設(shè)計(jì)工程設(shè)計(jì)1.8 設(shè)計(jì)實(shí)例設(shè)計(jì)實(shí)例1：轉(zhuǎn)臺(tái)速度控制：轉(zhuǎn)臺(tái)速度控制 設(shè)計(jì)實(shí)例設(shè)計(jì)實(shí)例2：磁盤驅(qū)動(dòng)器

7、讀取系統(tǒng)磁盤驅(qū)動(dòng)器讀取系統(tǒng) College of Automatic Control Engineering , CUIT回答的問題：回答的問題：什么是自動(dòng)控制？為什么要做自動(dòng)控制？如何什么是自動(dòng)控制？為什么要做自動(dòng)控制？如何實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制？有哪些種類的自動(dòng)控制系統(tǒng)？等等實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制？有哪些種類的自動(dòng)控制系統(tǒng)？等等1.11.1一、自動(dòng)控制與自動(dòng)控制系統(tǒng)一、自動(dòng)控制與自動(dòng)控制系統(tǒng)例例1.1.恒溫箱恒溫箱1.1.幾個(gè)例子幾個(gè)例子例例2.2.液位控制液位控制 College of Automatic Control Engineering , CUIT例例3. 火力發(fā)電廠火力發(fā)電廠 College o

8、f Automatic Control Engineering , CUIT2.2.自動(dòng)控制自動(dòng)控制 (Automatic control) 在沒有人直接參與的情況下，在沒有人直接參與的情況下，利用外加的設(shè)備或裝置（稱利用外加的設(shè)備或裝置（稱自動(dòng)自動(dòng)控制裝置控制裝置）, ,使機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)使機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過程（統(tǒng)稱過程（統(tǒng)稱被控對(duì)象被控對(duì)象）的工作狀）的工作狀態(tài)或參數(shù)（稱為態(tài)或參數(shù)（稱為被控量被控量）自動(dòng)地）自動(dòng)地按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行。按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行。例例4. 4. 火箭與導(dǎo)彈火箭與導(dǎo)彈 3. 自動(dòng)控制系統(tǒng)自動(dòng)控制系統(tǒng) (Control systems) 是由各部件互聯(lián)而形成的一個(gè)是由各

9、部件互聯(lián)而形成的一個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并能夠提供所期望的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并能夠提供所期望的響應(yīng)。它就是一個(gè)完整的信息系響應(yīng)。它就是一個(gè)完整的信息系統(tǒng)。統(tǒng)。 College of Automatic Control Engineering , CUITo自動(dòng)控制系統(tǒng)的功能自動(dòng)控制系統(tǒng)的功能（The function of control systems） 通過控制裝置使被控對(duì)象的被控量按照預(yù)定的規(guī)律變化。通過控制裝置使被控對(duì)象的被控量按照預(yù)定的規(guī)律變化。o自動(dòng)控制理論學(xué)科以及本課程具有下列兩個(gè)特點(diǎn)：自動(dòng)控制理論學(xué)科以及本課程具有下列兩個(gè)特點(diǎn)： 自動(dòng)控制理論研究的是自動(dòng)控制系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的一般規(guī)律和自動(dòng)控制理論研究的

10、是自動(dòng)控制系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的一般規(guī)律和分析、設(shè)計(jì)的基本方法；分析、設(shè)計(jì)的基本方法； 自動(dòng)控制理論討論的中心問題是控制系統(tǒng)的性能自動(dòng)控制理論討論的中心問題是控制系統(tǒng)的性能o經(jīng)典控制理論經(jīng)典控制理論（Classical control theory） 一個(gè)函數(shù)：傳遞函數(shù)一個(gè)函數(shù)：傳遞函數(shù) 兩種方法：頻率響應(yīng)法，根軌跡法兩種方法：頻率響應(yīng)法，根軌跡法 College of Automatic Control Engineering , CUIT二、二、開環(huán)控制系統(tǒng)采用控制器或控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)期望的響應(yīng)開環(huán)控制系統(tǒng)采用控制器或控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)期望的響應(yīng)1. 1. 開環(huán)控制系統(tǒng)開環(huán)控制系統(tǒng) (open lo

11、op control system) College of Automatic Control Engineering , CUIT 人工控制過程人工控制過程 觀測(cè)恒溫箱內(nèi)的溫度（被控觀測(cè)恒溫箱內(nèi)的溫度（被控制量）制量） 與要求的溫度（給定值）進(jìn)與要求的溫度（給定值）進(jìn)行比較得到溫度偏差的大小行比較得到溫度偏差的大小和方向和方向 根據(jù)偏差大小和方向調(diào)節(jié)調(diào)根據(jù)偏差大小和方向調(diào)節(jié)調(diào)壓器，控制加熱電阻絲的電壓器，控制加熱電阻絲的電流以調(diào)節(jié)溫度回復(fù)到要求值。流以調(diào)節(jié)溫度回復(fù)到要求值。 實(shí)質(zhì)實(shí)質(zhì) 檢測(cè)偏差再糾正偏差。檢測(cè)偏差再糾正偏差。（1 1）恒溫箱控制）恒溫箱控制1 12 23 32. 2. 閉環(huán)控

12、制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)(closed-feedback control system) College of Automatic Control Engineering , CUIT溫度偏差信號(hào)經(jīng)電壓、功率放大后，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行電動(dòng)機(jī)，并通過溫度偏差信號(hào)經(jīng)電壓、功率放大后，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行電動(dòng)機(jī)，并通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)拖動(dòng)調(diào)壓器動(dòng)觸頭。當(dāng)溫度偏高時(shí)，動(dòng)觸頭向減小電傳動(dòng)機(jī)構(gòu)拖動(dòng)調(diào)壓器動(dòng)觸頭。當(dāng)溫度偏高時(shí)，動(dòng)觸頭向減小電流的方向運(yùn)動(dòng)，反之加大電流，直到溫度達(dá)到給定值為止，此流的方向運(yùn)動(dòng)，反之加大電流，直到溫度達(dá)到給定值為止，此時(shí)，偏差時(shí)，偏差 u=0,u=0,電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。 實(shí)施過程實(shí)施過程 恒溫箱自動(dòng)控制系

13、統(tǒng)恒溫箱自動(dòng)控制系統(tǒng)恒溫箱實(shí)際溫度由熱電偶恒溫箱實(shí)際溫度由熱電偶轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的電壓轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的電壓u u2 2恒溫箱期望溫度由電壓恒溫箱期望溫度由電壓u u1 1給定，并與實(shí)際溫度給定，并與實(shí)際溫度u u2 2比比較得到溫度偏差信號(hào)較得到溫度偏差信號(hào) u=uu=u1 1-u-u2 2 College of Automatic Control Engineering , CUIT 實(shí)質(zhì)實(shí)質(zhì) 檢測(cè)偏差糾正偏差檢測(cè)偏差糾正偏差 College of Automatic Control Engineering , CUIT（2 2）轉(zhuǎn)臺(tái)速度控制）轉(zhuǎn)臺(tái)速度控制閉環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)增加了對(duì)實(shí)際輸出測(cè)量的

14、裝置，并將其與期望的輸出響應(yīng)進(jìn)行增加了對(duì)實(shí)際輸出測(cè)量的裝置，并將其與期望的輸出響應(yīng)進(jìn)行比較。實(shí)際輸出的測(cè)量稱為反饋信號(hào)比較。實(shí)際輸出的測(cè)量稱為反饋信號(hào)(feedback signal)(feedback signal)。反饋控制系統(tǒng)反饋控制系統(tǒng)對(duì)輸出進(jìn)行測(cè)量，將此測(cè)量信號(hào)反饋，并與預(yù)期的輸入（參考對(duì)輸出進(jìn)行測(cè)量，將此測(cè)量信號(hào)反饋，并與預(yù)期的輸入（參考或指令輸入）進(jìn)行比較，按偏差大小實(shí)施控制，使系統(tǒng)變量之間保持預(yù)定關(guān)或指令輸入）進(jìn)行比較，按偏差大小實(shí)施控制，使系統(tǒng)變量之間保持預(yù)定關(guān)系的控制系統(tǒng)。系的控制系統(tǒng)。 College of Automatic Control Engineering ,

15、CUIT綜上所述綜上所述反饋（閉環(huán)）控制系統(tǒng)的工作原理：反饋（閉環(huán)）控制系統(tǒng)的工作原理：檢測(cè)輸出量（被控制量）的實(shí)際值；檢測(cè)輸出量（被控制量）的實(shí)際值；將輸出量的實(shí)際值與給定值（輸入量）進(jìn)行比較得出偏差；將輸出量的實(shí)際值與給定值（輸入量）進(jìn)行比較得出偏差；用偏差值產(chǎn)生控制調(diào)節(jié)作用去消除偏差，使得輸出量維持期用偏差值產(chǎn)生控制調(diào)節(jié)作用去消除偏差，使得輸出量維持期望的輸出。望的輸出。 College of Automatic Control Engineering , CUIT 元部件元部件 方框（塊）方框（塊） 信號(hào)（物理量）及傳遞方向中信號(hào)（物理量）及傳遞方向中的符號(hào)的符號(hào) 比較點(diǎn)比較點(diǎn) 引出點(diǎn)

16、引出點(diǎn) 表示負(fù)反饋表示負(fù)反饋控制系統(tǒng)的框圖表示控制系統(tǒng)的框圖表示 College of Automatic Control Engineering , CUIT三、三、典型閉環(huán)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成典型閉環(huán)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成 College of Automatic Control Engineering , CUIT1 1給定元件：給定元件： 產(chǎn)生給定信號(hào)或輸入信號(hào)、期望信號(hào)。產(chǎn)生給定信號(hào)或輸入信號(hào)、期望信號(hào)。2 2反饋元件：反饋元件： 測(cè)量被控制量（輸出量），產(chǎn)生反測(cè)量被控制量（輸出量），產(chǎn)生反饋信號(hào)。為便于傳輸，反饋信號(hào)通常為饋信號(hào)。為便于傳輸，反饋信號(hào)通常為電信號(hào)。電信號(hào)。3 3比較元件：

17、比較元件： 對(duì)給定信號(hào)和反饋信號(hào)進(jìn)行比較，產(chǎn)生偏差信號(hào)。對(duì)給定信號(hào)和反饋信號(hào)進(jìn)行比較，產(chǎn)生偏差信號(hào)。4 4放大元件：放大元件： 對(duì)偏差信號(hào)進(jìn)行放大，使之有足夠的能量驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件實(shí)現(xiàn)控制功能。對(duì)偏差信號(hào)進(jìn)行放大，使之有足夠的能量驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件實(shí)現(xiàn)控制功能。5 5執(zhí)行元件：執(zhí)行元件： 直接對(duì)受控對(duì)象進(jìn)行操縱的元件，如電動(dòng)機(jī)、液壓馬達(dá)等。直接對(duì)受控對(duì)象進(jìn)行操縱的元件，如電動(dòng)機(jī)、液壓馬達(dá)等。一些基本術(shù)語一些基本術(shù)語 College of Automatic Control Engineering , CUIT6.6.校正元件：校正元件： 用以改善系統(tǒng)控制質(zhì)用以改善系統(tǒng)控制質(zhì)量的裝置。量的裝置。 校正元件

18、分為串聯(lián)和并聯(lián)兩種。校正元件分為串聯(lián)和并聯(lián)兩種。 控制系統(tǒng)中比較元件、放大元件、執(zhí)行元件和反饋元件等控制系統(tǒng)中比較元件、放大元件、執(zhí)行元件和反饋元件等共同起控制作用，統(tǒng)稱為自動(dòng)控制裝置。共同起控制作用，統(tǒng)稱為自動(dòng)控制裝置。 實(shí)際的控制系統(tǒng)中，擾動(dòng)總是不可避免的。實(shí)際的控制系統(tǒng)中，擾動(dòng)總是不可避免的。 擾動(dòng)分為內(nèi)部擾動(dòng)和外部擾動(dòng)。擾動(dòng)分為內(nèi)部擾動(dòng)和外部擾動(dòng)。 College of Automatic Control Engineering , CUIT反饋控制方式（閉環(huán)控制）反饋控制方式（閉環(huán)控制）開環(huán)控制方式開環(huán)控制方式復(fù)合控制方式復(fù)合控制方式四、四、 控制系統(tǒng)的控制方式控制系統(tǒng)的控制方式 C

19、ollege of Automatic Control Engineering , CUIT1 1反饋控制（閉環(huán)控制、按偏差控制）：反饋控制（閉環(huán)控制、按偏差控制）：輸出端和輸入端之間存在反饋回路，輸出量輸出端和輸入端之間存在反饋回路，輸出量對(duì)控制過程有直接影響。閉環(huán)的作用：應(yīng)用反饋，對(duì)控制過程有直接影響。閉環(huán)的作用：應(yīng)用反饋，減少偏差。減少偏差。 College of Automatic Control Engineering , CUIT2 2開環(huán)控制：開環(huán)控制：控制器與被控對(duì)象間只有順序作用而無反向聯(lián)系且控控制器與被控對(duì)象間只有順序作用而無反向聯(lián)系且控制單方向進(jìn)行的過程。制單方向進(jìn)行的過

20、程。數(shù)控機(jī)床的開環(huán)控制系統(tǒng)方塊圖數(shù)控機(jī)床的開環(huán)控制系統(tǒng)方塊圖兩種組成方式兩種組成方式：按給定量控制按給定量控制按擾動(dòng)控制按擾動(dòng)控制 College of Automatic Control Engineering , CUIT輸出量輸出量給定值給定值控制器控制器被控對(duì)象被控對(duì)象按給定量控制按給定量控制：信號(hào)由給定值至輸出量單向傳遞。：信號(hào)由給定值至輸出量單向傳遞。按擾動(dòng)控制按擾動(dòng)控制：通過對(duì)擾動(dòng)信號(hào)的測(cè)量產(chǎn)生控制作用，：通過對(duì)擾動(dòng)信號(hào)的測(cè)量產(chǎn)生控制作用， 以補(bǔ)償擾動(dòng)對(duì)輸出量的影響。以補(bǔ)償擾動(dòng)對(duì)輸出量的影響?？刂破骺刂破鞅豢貙?duì)象被控對(duì)象測(cè)量環(huán)節(jié)測(cè)量環(huán)節(jié)擾動(dòng)擾動(dòng)輸出量輸出量 College of

21、Automatic Control Engineering , CUIT1 1）輸出影響輸入，所以能削弱或抑制干擾；）輸出影響輸入，所以能削弱或抑制干擾；2 2）低精度元件可組成高精度系統(tǒng)；）低精度元件可組成高精度系統(tǒng)；3 3）因?yàn)榭赡馨l(fā)生超調(diào)，振蕩，所以穩(wěn)定性很重要。）因?yàn)榭赡馨l(fā)生超調(diào)，振蕩，所以穩(wěn)定性很重要。閉環(huán)控制閉環(huán)控制1 1）輸出不影響輸入，對(duì)輸出不需要測(cè)量，通常容易實(shí)現(xiàn)；）輸出不影響輸入，對(duì)輸出不需要測(cè)量，通常容易實(shí)現(xiàn)；2 2）組成系統(tǒng)的元部件精度高，系統(tǒng)的精度才能高；）組成系統(tǒng)的元部件精度高，系統(tǒng)的精度才能高；3 3）系統(tǒng)的穩(wěn)定性不是主要問題；）系統(tǒng)的穩(wěn)定性不是主要問題；開環(huán)控制

22、開環(huán)控制 College of Automatic Control Engineering , CUIT3. 3. 復(fù)合控復(fù)合控制方式制方式 其它新控制方式：最優(yōu)控制、預(yù)測(cè)控制、自適應(yīng)控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)其它新控制方式：最優(yōu)控制、預(yù)測(cè)控制、自適應(yīng)控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等。絡(luò)控制等。 College of Automatic Control Engineering , CUIT開環(huán)控制開環(huán)控制閉環(huán)控制閉環(huán)控制( (反饋控制反饋控制) )復(fù)合控制復(fù)合控制 1 1按控制方式分按控制方式分五、五、 控制控制系統(tǒng)的分類系統(tǒng)的分類思考？思考？開環(huán)控制、閉環(huán)控制、復(fù)合控制在結(jié)構(gòu)、開環(huán)控制、閉環(huán)控制、

23、復(fù)合控制在結(jié)構(gòu)、工作機(jī)理、性能、成本上有何差別工作機(jī)理、性能、成本上有何差別 College of Automatic Control Engineering , CUIT機(jī)械系統(tǒng)機(jī)械系統(tǒng)電氣系統(tǒng)電氣系統(tǒng)機(jī)電系統(tǒng)機(jī)電系統(tǒng)液壓系統(tǒng)液壓系統(tǒng)氣動(dòng)系統(tǒng)氣動(dòng)系統(tǒng) 生物系統(tǒng)生物系統(tǒng)2 2按按元元件件類類型型分分 College of Automatic Control Engineering , CUIT3 3按系統(tǒng)功用分按系統(tǒng)功用分溫度控制系統(tǒng)溫度控制系統(tǒng)壓力控制系統(tǒng)壓力控制系統(tǒng)流量控制系統(tǒng)流量控制系統(tǒng)位置控制系統(tǒng)位置控制系統(tǒng)成分控制系統(tǒng)成分控制系統(tǒng) College of Automatic Contr

24、ol Engineering , CUIT線性系統(tǒng)線性系統(tǒng)/ /非線性系統(tǒng)非線性系統(tǒng)連續(xù)系統(tǒng)連續(xù)系統(tǒng)/ /離散系統(tǒng)離散系統(tǒng)定常系統(tǒng)定常系統(tǒng)/ /時(shí)變系統(tǒng)時(shí)變系統(tǒng)確定性系統(tǒng)確定性系統(tǒng)/ /不確定性系統(tǒng)不確定性系統(tǒng)4 4按系統(tǒng)性能分按系統(tǒng)性能分 College of Automatic Control Engineering , CUIT恒值控制系統(tǒng)恒值控制系統(tǒng)隨動(dòng)系統(tǒng)隨動(dòng)系統(tǒng)程序控制系統(tǒng)程序控制系統(tǒng)按給定量變化規(guī)律分按給定量變化規(guī)律分 College of Automatic Control Engineering , CUIT1.2 1.2 自動(dòng)控制的發(fā)展簡(jiǎn)史自動(dòng)控制的發(fā)展簡(jiǎn)史1.3 1.3

25、控制工程實(shí)踐控制工程實(shí)踐1.4 1.4 現(xiàn)代控制系統(tǒng)舉例現(xiàn)代控制系統(tǒng)舉例1.5 1.5 自動(dòng)裝配和機(jī)器人自動(dòng)裝配和機(jī)器人1.6 1.6 控制系統(tǒng)的未來發(fā)展控制系統(tǒng)的未來發(fā)展自行閱讀教材自行閱讀教材P3P14思考：思考： 將人駕駛汽車的過將人駕駛汽車的過程與閉環(huán)控制系統(tǒng)相對(duì)程與閉環(huán)控制系統(tǒng)相對(duì)應(yīng)，人實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)控制應(yīng)，人實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)控制系統(tǒng)的哪些環(huán)節(jié)？人的系統(tǒng)的哪些環(huán)節(jié)？人的哪些器官分別對(duì)應(yīng)自動(dòng)哪些器官分別對(duì)應(yīng)自動(dòng)控制系統(tǒng)的哪個(gè)環(huán)節(jié)？控制系統(tǒng)的哪個(gè)環(huán)節(jié)？ 如果設(shè)計(jì)一個(gè)全自動(dòng)如果設(shè)計(jì)一個(gè)全自動(dòng)汽車駕駛系統(tǒng)，需要加汽車駕駛系統(tǒng)，需要加設(shè)哪些裝備？設(shè)哪些裝備？ College of Automatic C

26、ontrol Engineering , CUIT1 1、穩(wěn)定性：、穩(wěn)定性：基本要求基本要求 要求系統(tǒng)要穩(wěn)定要求系統(tǒng)要穩(wěn)定 一、一、 基本要求基本要求：“穩(wěn)、準(zhǔn)、快穩(wěn)、準(zhǔn)、快、壯、省、壯、省”輸輸入入信信號(hào)號(hào)響響應(yīng)應(yīng)補(bǔ)：補(bǔ)： 對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求與研究?jī)?nèi)容對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求與研究?jī)?nèi)容 College of Automatic Control Engineering , CUIT2 2、準(zhǔn)確性：、準(zhǔn)確性：穩(wěn)態(tài)要求穩(wěn)態(tài)要求不穩(wěn)定系統(tǒng)，沒有必要討論準(zhǔn)確性不穩(wěn)定系統(tǒng)，沒有必要討論準(zhǔn)確性偏差：偏差：0 0偏差：偏差：0.50.5系統(tǒng)響應(yīng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，輸出跟蹤精度要高系統(tǒng)響應(yīng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，輸出跟蹤精度要高

27、College of Automatic Control Engineering , CUIT不穩(wěn)定系統(tǒng)，沒有必要討論快速性不穩(wěn)定系統(tǒng)，沒有必要討論快速性緩慢收斂，穩(wěn)定緩慢收斂，穩(wěn)定快速收斂，穩(wěn)定快速收斂，穩(wěn)定3 3、快速性：、快速性：動(dòng)態(tài)要求動(dòng)態(tài)要求 系統(tǒng)階躍響應(yīng)的過渡過程平穩(wěn)，快速系統(tǒng)階躍響應(yīng)的過渡過程平穩(wěn)，快速 College of Automatic Control Engineering , CUIT注意：注意： “ “穩(wěn)、準(zhǔn)、快穩(wěn)、準(zhǔn)、快”相互制約，不同性質(zhì)的系統(tǒng)，對(duì)相互制約，不同性質(zhì)的系統(tǒng)，對(duì)穩(wěn)、準(zhǔn)和快的要求各有側(cè)重，如：恒值系統(tǒng)對(duì)穩(wěn)、準(zhǔn)和快的要求各有側(cè)重，如：恒值系統(tǒng)對(duì)“穩(wěn)、穩(wěn)

28、、準(zhǔn)準(zhǔn)”要求嚴(yán)格，隨動(dòng)系統(tǒng)對(duì)要求嚴(yán)格，隨動(dòng)系統(tǒng)對(duì)“快快”要求嚴(yán)格，具體設(shè)要求嚴(yán)格，具體設(shè)計(jì)時(shí)要折中考慮。計(jì)時(shí)要折中考慮。綜上所述，對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的要求，在時(shí)域中綜上所述，對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的要求，在時(shí)域中一般可歸納為：一般可歸納為：要求系統(tǒng)絕對(duì)穩(wěn)定且有一定的穩(wěn)定裕量；瞬態(tài)要求系統(tǒng)絕對(duì)穩(wěn)定且有一定的穩(wěn)定裕量；瞬態(tài)響應(yīng)過程具有一定的快速和平穩(wěn)性；系統(tǒng)最終響應(yīng)的響應(yīng)過程具有一定的快速和平穩(wěn)性；系統(tǒng)最終響應(yīng)的準(zhǔn)確度在工程允許的范圍內(nèi)。準(zhǔn)確度在工程允許的范圍內(nèi)。 College of Automatic Control Engineering , CUIT二、研究?jī)?nèi)容二、研究?jī)?nèi)容：?jiǎn)巫兞繒r(shí)不變連續(xù)系統(tǒng)單變量

29、時(shí)不變連續(xù)系統(tǒng) 分析與設(shè)計(jì)分析與設(shè)計(jì) College of Automatic Control Engineering , CUIT1.7 1.7 工程設(shè)計(jì)工程設(shè)計(jì)一、工程與工程設(shè)計(jì)一、工程與工程設(shè)計(jì)1. 工程與控制工程的關(guān)系工程與控制工程的關(guān)系 工程是人們了解自然，利用自然和改造自然，以便造福人類的過程。工程是人們了解自然，利用自然和改造自然，以便造福人類的過程。工程師是這一過程的領(lǐng)航者。工程師是這一過程的領(lǐng)航者。 控制工程是工程的重要組成部分，控制工程師通過控制工程是工程的重要組成部分，控制工程師通過理解和控制理解和控制他們周邊他們周邊環(huán)境中的某些部分，常稱為系統(tǒng)（環(huán)境中的某些部分，常稱為

30、系統(tǒng)（systemsystem），以便為社會(huì)提供經(jīng)濟(jì)實(shí)用的產(chǎn)），以便為社會(huì)提供經(jīng)濟(jì)實(shí)用的產(chǎn)品。品?？刂乒こ坦こ?. 控制工程涉及的學(xué)科和領(lǐng)域控制工程涉及的學(xué)科和領(lǐng)域控制工程涉及多學(xué)科的理論知識(shí)：反饋理論、線性控制工程涉及多學(xué)科的理論知識(shí)：反饋理論、線性系統(tǒng)分析、網(wǎng)絡(luò)理論、通信理論等。系統(tǒng)分析、網(wǎng)絡(luò)理論、通信理論等。涉及的領(lǐng)域包括宇航、化工、機(jī)械、土木環(huán)境、電涉及的領(lǐng)域包括宇航、化工、機(jī)械、土木環(huán)境、電氣工程等基礎(chǔ)工程和社會(huì)經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域。氣工程等基礎(chǔ)工程和社會(huì)經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域。 College of Automatic Control Engineering , CUIT3. 工程設(shè)計(jì)工程設(shè)計(jì) 工程設(shè)計(jì)

31、就是為達(dá)到特定的目的，構(gòu)思或創(chuàng)建系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、組成和技工程設(shè)計(jì)就是為達(dá)到特定的目的，構(gòu)思或創(chuàng)建系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、組成和技術(shù)細(xì)節(jié)的過程。術(shù)細(xì)節(jié)的過程。創(chuàng)新創(chuàng)新和和分析分析在其中占據(jù)著重要的地位。在其中占據(jù)著重要的地位。 設(shè)計(jì)是一項(xiàng)創(chuàng)新活動(dòng)：工程師創(chuàng)造性地運(yùn)用所擁有的知識(shí)和材料，確設(shè)計(jì)是一項(xiàng)創(chuàng)新活動(dòng)：工程師創(chuàng)造性地運(yùn)用所擁有的知識(shí)和材料，確定系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能和物理構(gòu)成。定系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能和物理構(gòu)成。設(shè)計(jì)的主要步驟：設(shè)計(jì)的主要步驟： 明確用戶需求明確用戶需求：包括政府的公共政策到普通消費(fèi)者在內(nèi)的各個(gè)社會(huì)群：包括政府的公共政策到普通消費(fèi)者在內(nèi)的各個(gè)社會(huì)群體的需求。體的需求。 論證設(shè)計(jì)要求論證設(shè)計(jì)要求：詳細(xì)確定

32、應(yīng)該有什么樣的解決方案以及怎樣才能滿足：詳細(xì)確定應(yīng)該有什么樣的解決方案以及怎樣才能滿足用戶需求。用戶需求。 開發(fā)設(shè)計(jì)方案開發(fā)設(shè)計(jì)方案：設(shè)計(jì)多種滿足要求的解決方案。：設(shè)計(jì)多種滿足要求的解決方案。 設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)：選定解決方案并加以詳細(xì)設(shè)計(jì)和技術(shù)實(shí)現(xiàn)。：選定解決方案并加以詳細(xì)設(shè)計(jì)和技術(shù)實(shí)現(xiàn)。 College of Automatic Control Engineering , CUIT (1) 影響設(shè)計(jì)工作的主要因素是影響設(shè)計(jì)工作的主要因素是時(shí)間限制時(shí)間限制，設(shè)計(jì)不可能理想，只能足夠好。，設(shè)計(jì)不可能理想，只能足夠好。(2) 設(shè)計(jì)工程師面臨的主要挑戰(zhàn)之一設(shè)計(jì)工程師面臨的主要挑戰(zhàn)之一-撰寫技術(shù)產(chǎn)

33、品的撰寫技術(shù)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)規(guī)范設(shè)計(jì)規(guī)范：即對(duì)裝：即對(duì)裝置或系統(tǒng)將是什么和將能做什么的簡(jiǎn)潔而明確的說明。置或系統(tǒng)將是什么和將能做什么的簡(jiǎn)潔而明確的說明。設(shè)計(jì)工作應(yīng)注意的幾個(gè)重要問題設(shè)計(jì)工作應(yīng)注意的幾個(gè)重要問題（3）設(shè)計(jì)的復(fù)雜性：源于設(shè)計(jì)的多樣性。）設(shè)計(jì)的復(fù)雜性：源于設(shè)計(jì)的多樣性。（4）折中處理：在兩個(gè)所期望的但又彼此沖突的性能指標(biāo)或設(shè)計(jì)準(zhǔn)則之間，）折中處理：在兩個(gè)所期望的但又彼此沖突的性能指標(biāo)或設(shè)計(jì)準(zhǔn)則之間，為達(dá)成某種協(xié)調(diào)而作出決策。如系統(tǒng)的快速性與穩(wěn)定性，高性能與低成本等。為達(dá)成某種協(xié)調(diào)而作出決策。如系統(tǒng)的快速性與穩(wěn)定性，高性能與低成本等。（5）設(shè)計(jì)差異：最終產(chǎn)品常常不能與原先設(shè)計(jì)和想象完全一致。

34、它是工程）設(shè)計(jì)差異：最終產(chǎn)品常常不能與原先設(shè)計(jì)和想象完全一致。它是工程的固有屬性。的固有屬性。（6）設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)：源于設(shè)計(jì)的不可預(yù)見性。）設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)：源于設(shè)計(jì)的不可預(yù)見性。（7）設(shè)計(jì)的思維模式：分析和綜合。通過分析確定設(shè)計(jì)的改進(jìn)方向，運(yùn)用）設(shè)計(jì)的思維模式：分析和綜合。通過分析確定設(shè)計(jì)的改進(jìn)方向，運(yùn)用綜合構(gòu)建新的方案或系統(tǒng)。綜合構(gòu)建新的方案或系統(tǒng)。（8）設(shè)計(jì)工作的主要方法：參數(shù)分析和參數(shù)優(yōu)化。）設(shè)計(jì)工作的主要方法：參數(shù)分析和參數(shù)優(yōu)化。 College of Automatic Control Engineering , CUIT二、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)二、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的性能規(guī)范：控制系統(tǒng)的性能規(guī)范：

35、穩(wěn)定性穩(wěn)定性 準(zhǔn)確性準(zhǔn)確性 快速性快速性 魯棒性魯棒性 抗干擾能力抗干擾能力 College of Automatic Control Engineering , CUIT1.8 1.8 設(shè)計(jì)實(shí)例設(shè)計(jì)實(shí)例CDCD機(jī)，計(jì)算機(jī)磁盤驅(qū)動(dòng)器等的轉(zhuǎn)盤在工作中機(jī)，計(jì)算機(jī)磁盤驅(qū)動(dòng)器等的轉(zhuǎn)盤在工作中保持恒定轉(zhuǎn)速。保持恒定轉(zhuǎn)速。實(shí)例實(shí)例1 1 轉(zhuǎn)盤速度控制轉(zhuǎn)盤速度控制 控制目標(biāo)：轉(zhuǎn)盤速度恒定，被控變量：轉(zhuǎn)速控制目標(biāo)：轉(zhuǎn)盤速度恒定，被控變量：轉(zhuǎn)速 。開環(huán)控制方案開環(huán)控制方案 College of Automatic Control Engineering , CUIT閉環(huán)控制方案閉環(huán)控制方案 College of

36、 Automatic Control Engineering , CUIT實(shí)例實(shí)例2. 2. 磁盤驅(qū)動(dòng)讀取系統(tǒng)磁盤驅(qū)動(dòng)讀取系統(tǒng)完成完成1414步：確立控制目標(biāo)，確定控制變量，初步確定設(shè)計(jì)指標(biāo)，初步確步：確立控制目標(biāo)，確定控制變量，初步確定設(shè)計(jì)指標(biāo)，初步確定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。 College of Automatic Control Engineering , CUITo確立控制目標(biāo)：定位讀取頭，以便確立控制目標(biāo)：定位讀取頭，以便讀取存儲(chǔ)在磁盤某一磁道上的數(shù)據(jù)；讀取存儲(chǔ)在磁盤某一磁道上的數(shù)據(jù)；o確定控制變量：讀取頭的位置；確定控制變量：讀取頭的位置；o擬定對(duì)變量的設(shè)計(jì)要求：定位精度擬定對(duì)變量

37、的設(shè)計(jì)要求：定位精度為為1 1微米，讀取頭移動(dòng)時(shí)間為微米，讀取頭移動(dòng)時(shí)間為5050毫秒；毫秒；o選擇執(zhí)行機(jī)構(gòu)：采用的傳感器、執(zhí)選擇執(zhí)行機(jī)構(gòu)：采用的傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、控制處理器和反饋控制，行機(jī)構(gòu)、控制處理器和反饋控制，建立初步系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。建立初步系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。 College of Automatic Control Engineering , CUIT習(xí)題習(xí)題1-2 p161-2 p16，說明工作原理并畫出方框圖：，說明工作原理并畫出方框圖： College of Automatic Control Engineering , CUIT工作原理：工作原理：閉環(huán)閉環(huán)控制控制當(dāng)合上開當(dāng)合上開門門開關(guān)開關(guān)時(shí)時(shí)， ，電電位器位器橋橋式式測(cè)測(cè)量量電電路路產(chǎn)產(chǎn)生偏差生偏差電壓電壓， ，經(jīng)經(jīng)放大器放大后，放大器放大后，驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)伺服伺服電動(dòng)電動(dòng)機(jī)機(jī)帶動(dòng)絞盤轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)絞盤轉(zhuǎn)動(dòng)，使大，使大門門向上提起，與此同向上提起，與此同時(shí)時(shí)，與大，與大門連門連在一起的在一起的電電位器位器電電刷刷上移，直到上移，直到橋橋式式電電路達(dá)到平衡，路達(dá)到平衡，電動(dòng)電動(dòng)機(jī)停止機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)，開，開門門開開關(guān)自關(guān)自動(dòng)動(dòng)斷開；反之，當(dāng)合上關(guān)斷開；反之，當(dāng)合上關(guān)門門開關(guān)開關(guān)時(shí)時(shí)，伺服，伺服電電機(jī)反向機(jī)反向轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)， ，帶動(dòng)絞盤帶動(dòng)絞盤使大使大門門關(guān)關(guān)閉閉，從而，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)了了遠(yuǎn)遠(yuǎn)距離自距離自動(dòng)動(dòng)控制控制大大門門開開閉閉