天津大學(xué)自動化原理 第一章 緒論

1、課程性質(zhì)、地位和任務(wù)：課程性質(zhì)、地位和任務(wù)：自動控制原理自動控制原理解決控制系統(tǒng)分析解決控制系統(tǒng)分析和設(shè)計中最一般的規(guī)律和方法問題，并不深入涉及具體的控制和設(shè)計中最一般的規(guī)律和方法問題，并不深入涉及具體的控制系統(tǒng)設(shè)計，是控制工程研究設(shè)計者必修的技術(shù)基礎(chǔ)課。系統(tǒng)設(shè)計，是控制工程研究設(shè)計者必修的技術(shù)基礎(chǔ)課。 技術(shù)基礎(chǔ)課未來工作基礎(chǔ)課知識知識學(xué)習(xí)學(xué)習(xí)能力能力培養(yǎng)培養(yǎng)工作工作能力能力自動控制原理自動控制原理Theories of Automatic Control 1-11-1控制系統(tǒng)的組成和基本結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)的組成和基本結(jié)構(gòu)自動控制：在無人直接參與的情況下，使被控對象按預(yù)定的規(guī)律運行?？刂频膶嵸|(zhì)：控制

2、的實質(zhì)是使系統(tǒng)能穩(wěn)妥地保持預(yù)定的工作狀態(tài)，在各種不利因素的影響下不至于動搖不定、不聽指揮?？刂葡到y(tǒng)：為完成某一特定任務(wù)，由一些有特定功能且相互聯(lián)系相互影響的環(huán)節(jié)組成的一個整體。其中的主要環(huán)節(jié)有：被控對象某一臺機器或設(shè)備，某一個生產(chǎn)或工藝過程等。執(zhí)行機構(gòu)功率放大器、執(zhí)行電機、閥門等。給定環(huán)節(jié)電位器、指令開關(guān)、旋轉(zhuǎn)變壓器等。測量裝置測速發(fā)電機、旋轉(zhuǎn)變壓器、熱電偶、電位器等。比較元件差動放大器、機械差動裝置、電橋電路等。校正裝置由無源或有源器件組成的電路，單片機和計算機等。第一章第一章 緒緒 論論開環(huán)控制系統(tǒng)：自動控制的任務(wù)：根據(jù)參考輸入決定控制作用并施加在被控對象上，使被控對象的輸出等于參考輸入規(guī)

3、定的數(shù)值。自動控制系統(tǒng)有開環(huán)控制和閉環(huán)控制兩種基本的控制方式。開環(huán)控制的特點：由輸入到輸出信號是單方向傳遞的。反饋控制系統(tǒng)（閉環(huán)控制）：在反饋控制系統(tǒng)中被控對象的輸出信號反方向引到控制系統(tǒng)的輸入端，與參考輸入相比較并參與控制，信號沿前向通路和反饋通路閉路傳輸。反饋控制是控制系統(tǒng)最基本的控制方式，它具有下述特點：1、可以有效地克服擾動對系統(tǒng)的影響，降低系統(tǒng)對前向通道中各環(huán)節(jié)特性參數(shù)變化的靈敏度。2、對反饋通道測量裝置的要求高。3、因為被控對象對控制輸入的響應(yīng)要有一個過程，存在時間的延遲不適當(dāng)?shù)目刂撇呗詴瓜到y(tǒng)出現(xiàn)振蕩甚至不穩(wěn)定，無法完成預(yù)定的控制任務(wù)。復(fù)合控制：在控制工程中，閉環(huán)控制系統(tǒng)響應(yīng)的快

4、速性、控制精度、抗干擾能力與系統(tǒng)的穩(wěn)定性往往是一對矛盾。在某些情況下，將開環(huán)控制方式和閉環(huán)控制方式相結(jié)合，往往可以達到好的控制效果。上圖給出的復(fù)合控制的原理框圖體現(xiàn)了這一設(shè)計思想，其中控制作用是與誤差有關(guān)的反饋控制、與擾動有關(guān)的補償控制、與參考輸入有關(guān)的前饋控制三項的和。 經(jīng)典控制理論的研究內(nèi)容：單輸入單輸出反饋控制系統(tǒng)的分析和綜合。其中，對被控對象的分析是第一步，主要包括控制系統(tǒng)及各組成部分的描述，響應(yīng)特性分析和穩(wěn)定性分析。在分析的基礎(chǔ)上，進行控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計、控制器設(shè)計或控制算法設(shè)計，即系統(tǒng)綜合。經(jīng)典控制理論的研究方法：基于傳遞函數(shù)描述的根軌跡法（時域法）和頻率特性方法（頻域法）。1-2

5、1-2自動控制理論的內(nèi)容和發(fā)展自動控制理論的內(nèi)容和發(fā)展自動控制理論經(jīng)典控制理論現(xiàn)代控制理論最優(yōu)控制系統(tǒng)辨識自適應(yīng)控制.公元前公元前300年公元前年公元前1年年 古希臘古希臘 浮球調(diào)節(jié)裝置浮球調(diào)節(jié)裝置 1681 Dennis Papin 鍋爐壓力調(diào)節(jié)器鍋爐壓力調(diào)節(jié)器 1769 James Watt 飛球離心調(diào)節(jié)器飛球離心調(diào)節(jié)器 1868 Maxwell 蒸汽機調(diào)節(jié)器的數(shù)學(xué)模型蒸汽機調(diào)節(jié)器的數(shù)學(xué)模型1927 Black 負(fù)反饋放大器負(fù)反饋放大器1932 Nyquist 系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析方法系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析方法1948 Evans 根軌跡法根軌跡法經(jīng)典控制理論形成于20世紀(jì)三、四十年代，以三項理論性

6、成果為標(biāo)志：1、奈奎斯特(Nyquist)關(guān)于反饋控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的結(jié)果。2、伯德(Bode)引入的對數(shù)增益圖和線性相位圖即伯德圖。3、伊萬思(Evans)提出的根軌跡法。經(jīng)典控制理論的應(yīng)用在第二次世界大戰(zhàn)期間取得了巨大的成功，其中，自動火炮跟蹤系統(tǒng)和V2火箭自動導(dǎo)航系統(tǒng)是最為突出的范例?，F(xiàn)代控制理論的研究內(nèi)容：多輸入多輸出（MIMO）復(fù)雜系統(tǒng)分析和綜合的理論和方法。二次大戰(zhàn)結(jié)束后，在20世紀(jì)50年代蓬勃興起的航天技術(shù)需求推動下，1960年前后，控制理論開始了從經(jīng)典理論到現(xiàn)代理論的過渡，到70年代現(xiàn)代控制理論的基本框架已經(jīng)形成，研究結(jié)果在上世紀(jì)60年代初至70年代初美國組織實施的載人登月工程中取

7、得了輝煌成就。1950s Bellman 狀態(tài)空間法狀態(tài)空間法 動態(tài)規(guī)劃法動態(tài)規(guī)劃法 龐德李亞金龐德李亞金 極大值原理極大值原理1960s Kalman 能控性、能觀性能控性、能觀性 濾波濾波1970 Rosenbrok 線性多變量頻域法線性多變量頻域法1980 Robust 控制系統(tǒng)設(shè)計控制系統(tǒng)設(shè)計按輸入信號的特征分為恒值控制系統(tǒng)、程序控制系統(tǒng)、隨動控制系統(tǒng)（伺服系統(tǒng)）；按信號傳輸過程是否連續(xù)分為連續(xù)控制系統(tǒng)、離散控制系統(tǒng)；按系統(tǒng)構(gòu)成元件是否線性分為線性控制系統(tǒng)、非線性控制系統(tǒng)等。被控對象： 電加熱爐被控量：爐溫測量裝置：熱電偶給定裝置：電位器執(zhí)行機構(gòu)：電機、齒輪箱功率放大M熱電偶電爐絲22

8、0VACurute=ur-ut電加熱爐電加熱爐溫控制系統(tǒng)1-31-3反饋控制系統(tǒng)示例反饋控制系統(tǒng)示例速度（恒速）控制系統(tǒng)速度（恒速）控制系統(tǒng)被控對象：發(fā)動機系統(tǒng)輸出量：發(fā)動機轉(zhuǎn)速執(zhí)行機構(gòu)：閥門和動力油缸給定、測量和調(diào)節(jié)裝置：離心機燃料閥門開關(guān)高壓油動力油缸發(fā)動機負(fù)載瓦特式發(fā)動機速度控制系統(tǒng)如下圖所示。離心式速度調(diào)節(jié)裝置數(shù)控機床是數(shù)字控制機床的簡稱，是一種數(shù)控機床是數(shù)字控制機床的簡稱，是一種裝有程序控制系統(tǒng)的自動化機床。裝有程序控制系統(tǒng)的自動化機床。與普通機床相比，數(shù)控機床有如下特點：1、加工精度高，具有穩(wěn)定的加工質(zhì)量； 2、可進行多坐標(biāo)的聯(lián)動，能加工形狀復(fù)雜的零件；3、加工零件改變時，一般只需

9、要更改數(shù)控程序，可節(jié)省生產(chǎn)準(zhǔn)備時間；4、生產(chǎn)率高； 5、機床自動化程度高，可以減輕勞動強度。數(shù)控加工中心數(shù)控加工中心數(shù)控車床數(shù)控車床五軸聯(lián)動加工五軸聯(lián)動加工程序控制系統(tǒng)程序控制系統(tǒng)機器人技術(shù)是機器人技術(shù)是20世紀(jì)人類偉大發(fā)明之一。在世紀(jì)人類偉大發(fā)明之一。在制造業(yè)中，工業(yè)機器人甚至已成為不可少的制造業(yè)中，工業(yè)機器人甚至已成為不可少的核心裝備，世界上有近百萬臺工業(yè)機器人正核心裝備，世界上有近百萬臺工業(yè)機器人正與工人朋友并肩戰(zhàn)斗在各條戰(zhàn)線上。與工人朋友并肩戰(zhàn)斗在各條戰(zhàn)線上。裝配機器人裝配機器人焊接機器人焊接機器人程序控制系統(tǒng)程序控制系統(tǒng)函數(shù)記錄儀位置隨動控制系統(tǒng)函數(shù)記錄儀位置隨動控制系統(tǒng)97E234

10、856U17urt函數(shù)記錄儀原理示意圖1放大器 2伺服機 3測速發(fā)電機 4減速器 5電位器 6滑線變阻器 7線輪 8紙帶機 9輸入函數(shù)導(dǎo)彈發(fā)射架方位隨動控制系統(tǒng)導(dǎo)彈發(fā)射架方位隨動控制系統(tǒng)導(dǎo)彈發(fā)射架方位隨動控制系統(tǒng)原理圖被控對象發(fā)射架，被控量發(fā)射架的旋轉(zhuǎn)角，執(zhí)行機構(gòu)功率放大裝置、電機和齒輪傳動機構(gòu)，給定、測量和比較裝置同位儀制導(dǎo)武器通過某種制導(dǎo)手段隨時測定它與目標(biāo)之間的相對位置和相對運動，根據(jù)偏差的大小形成控制信號，控制制導(dǎo)武器的運動軌道，使之最終命中目標(biāo)。制導(dǎo)武器系統(tǒng)的制導(dǎo)技術(shù)有自主式自主式、尋的式尋的式、遙控遙控式式和復(fù)合式復(fù)合式等四種。 制導(dǎo)技術(shù)是按照一定規(guī)律控制武器的飛行方向、姿態(tài)、高度

11、制導(dǎo)技術(shù)是按照一定規(guī)律控制武器的飛行方向、姿態(tài)、高度和速度，引導(dǎo)其準(zhǔn)確攻擊敵方目標(biāo)的軍用技術(shù)。和速度，引導(dǎo)其準(zhǔn)確攻擊敵方目標(biāo)的軍用技術(shù)。 智能電網(wǎng)把分散的大型和小型發(fā)電商和電力用戶都整合到一個總體結(jié)構(gòu)中，具有很高的透明度和靈活性，允許最終用戶作為產(chǎn)消合一的“生產(chǎn)消費者”參與能源市場的活動。中國擁有世界上增長最快的風(fēng)電市場，到2020年，中國國內(nèi)風(fēng)電廠運行中的總裝機容量有望達到15萬兆瓦，電力供給不穩(wěn)定問題要靠儲能和協(xié)調(diào)調(diào)度控制來解決。串聯(lián)式并聯(lián)式混聯(lián)式EV(電動汽車)PEV（純電動）HEV(混合動力車)FCV(燃料電池汽車)HEV(混合動力車)電動汽車是解決交通工具多能源和環(huán)境問題的技術(shù)途徑，電動汽車的移動能源儲存器作用，是智能電網(wǎng)的最佳補充，電動交通和可再生能源結(jié)合在一起，可最大程度地減少污染?？刂葡到y(tǒng)的性能主要由系統(tǒng)的穩(wěn)定性、控制精度、快速性和抗擾性能來衡量，不同的性能指標(biāo)往往是相互矛盾制約的。1-41-4控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)控制系統(tǒng)對階躍指令的響應(yīng)控制系統(tǒng)對階躍擾動的響應(yīng)參考書籍：自動控制原理，胡壽松，科學(xué)出版社自動控制原理，孫虎章，中央廣播電視大學(xué)出版社現(xiàn)代控制工程，尾形克彥，盧伯英等譯，電子工業(yè)出版社MATLAB在自動控制中的應(yīng)用，吳曉燕，張雙選，西安電子科技大學(xué)出版社教材的主要內(nèi)容：第1章 緒論（反饋控制系統(tǒng)簡介，控