自動控制的一般概念詳解演示文稿

1、自動控制的一般概念詳解演示文稿1第一頁，共五十一頁。（優(yōu)選）自動控制的一般概念2第二頁，共五十一頁。3第三頁，共五十一頁。哈勃望遠鏡特殊地衛(wèi)星中巴資源衛(wèi)星 人造地球衛(wèi)星控制其準確地進入預定軌道運行并回收4第四頁，共五十一頁。無人駕駛飛機按預定軌跡飛行漸露鋒芒的無人駕駛飛機5第五頁，共五十一頁。制導導彈 現(xiàn)代的高新技術(shù)讓導彈長上了“眼睛”和“大腦”，利用負反饋控制原理去緊緊盯住目標我國研制的地空導彈6第六頁，共五十一頁。雷達技術(shù) 雷達操作時，天線就要不停地轉(zhuǎn)動。天線的作用是把雷達中產(chǎn)生的無線電波按照一定的方向向外發(fā)射出去，并把被反射回來的無線電波接收下來。正因為天線所起的作用好似人的眼睛一樣，因

2、此雷達要注視和偵察整個天空的狀況，天線就要不停地轉(zhuǎn)動，用一個驅(qū)動馬達使天線作360度的旋轉(zhuǎn)，這樣它就能在360度范圍內(nèi)進行“搜索”。7第七頁，共五十一頁。 工業(yè)自動生產(chǎn)線8第八頁，共五十一頁。9第九頁，共五十一頁。現(xiàn)代化的工廠現(xiàn)代的工程技術(shù)人員和科學工作者，必須具備一定的自動控制理論基礎知識！10第十頁，共五十一頁?？刂葡到y(tǒng)發(fā)展史；自動控制、自動控制解決的基本問題；自動控制技術(shù)的作用。11第十一頁，共五十一頁。一.控制系統(tǒng)的發(fā)展史 自動控制成為一門科學是從1945發(fā)展起來的。開始多用于工業(yè)：壓力、溫度、流量、位移、濕度、粘度自動控制，后來進入軍事領域：飛機自動駕駛、火炮自動跟蹤、導彈、衛(wèi)星、宇

3、宙飛船自動控制。目前滲透到更多領域：大系統(tǒng)、交通管理、圖書管理等；生物學系統(tǒng)：生物控制論、波斯頓假肢、人造器官；經(jīng)濟系統(tǒng)：模擬經(jīng)濟管理過程、經(jīng)濟控制論 胚胎萌芽期經(jīng)典控制理論（自動控制原理）現(xiàn)代控制理論智能控制與大系統(tǒng)理論 12第十二頁，共五十一頁。中國古代自動化方面的成就公元前14世紀至前11世紀，中國、埃及和巴比倫出現(xiàn)自動計時漏壺；公元130年，張衡發(fā)明水運渾象，132年研制出自動測量地震的候風地動儀；公元235年，馬鈞研制出用齒輪傳動自動指示方向的指南車，類似按擾動補償?shù)淖钥叵到y(tǒng)；13第十三頁，共五十一頁。世界上公認的第一個自動控制系統(tǒng)1769年瓦特發(fā)明蒸汽機14第十四頁，共五十一頁。飛

4、球調(diào)節(jié)器世界上公認的第一個自動控制系統(tǒng)的最主要原因1788年瓦特發(fā)明飛球調(diào)節(jié)器，進一步推動蒸汽機的應用，促進了工業(yè)的發(fā)展，推動了社會進步。 飛球調(diào)節(jié)器有時使蒸汽機速度出現(xiàn)大幅度振蕩。其它自控系統(tǒng)也有類似現(xiàn)象。15第十五頁，共五十一頁。自動控制理論的開端1868年英國麥克斯韋爾的“論調(diào)速器”論文指出： 不應單獨研究飛球調(diào)節(jié)器，必須從整個系統(tǒng)分析控制的不穩(wěn)定，建立系統(tǒng)微分方程，分析微分方程解的穩(wěn)定性，從而分析實際系統(tǒng)是否會出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象。這樣，控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的分析，變成了判別微分方程的特征根的實部的正、負號問題。 麥克斯韋爾的這篇著名論文被公認為自動控制理論的開端。16第十六頁，共五十一頁。經(jīng)典控

5、制理論的孕育1875年，英國Routh提出代數(shù)穩(wěn)定判據(jù)。1895年，德國Hurwitz提出代數(shù)穩(wěn)定判據(jù)。1892年，俄國Lyapunov提出穩(wěn)定性定義和兩個穩(wěn)定 判據(jù)。1932年，美國Nyquist提出奈氏穩(wěn)定判據(jù)。 二戰(zhàn)中自動火炮、雷達、飛機以及通訊系統(tǒng)的控制研究直接推動了經(jīng)典控制的發(fā)展。17第十七頁，共五十一頁。經(jīng)典控制理論（自動控制原理）（20世紀4060年代） 1945年美國人Bode “網(wǎng)絡分析與放大器的設計”，奠定了控制理論的基礎。1948年，維納出版控制論，形成完整的經(jīng)典控制理論，標志控制學科的誕生。 維納成為控制論的創(chuàng)始人！維納控制論是關于怎樣把機械元件和電氣元件組合成穩(wěn)定的并

6、且具有特定性能的系統(tǒng)的科學。討論的主要問題是一個系統(tǒng)的各個不同部分間相互作用的定性性質(zhì)及整個系統(tǒng)的總體運動狀態(tài)。經(jīng)典控制理論50年代趨于成熟。以傳遞函數(shù)為數(shù)學工具，研究SISO、LTI的分析和設計。采用頻率法、根軌跡法、相平面法、描述函數(shù)法；討論系統(tǒng)穩(wěn)定性的代數(shù)和幾何判據(jù)以及校正網(wǎng)絡等。18第十八頁，共五十一頁?，F(xiàn)代控制理論二次世界大戰(zhàn)結(jié)束后，各國大力發(fā)展空間技術(shù)，提出了許多復雜控制問題，用于導彈、人造衛(wèi)星和宇宙飛船上，經(jīng)典控制理論不能滿足需要，需要研究新的控制理論。 Kalman “控制系統(tǒng)的一般理論”奠定了現(xiàn)代控制理論的基礎。空間技術(shù)促使現(xiàn)代控制理論的產(chǎn)生，現(xiàn)代控制理論促進了空間技術(shù)的發(fā)展

7、現(xiàn)代控制理論（20世紀6070年代） 以狀態(tài)空間法為基礎，研究MIMO非線性時變系統(tǒng)的分析和設計。 代表人物： 龐特里亞金（極大值原理（1961）; Bellman（動態(tài)規(guī)化（1957）; （卡爾曼濾波（1959）19第十九頁，共五十一頁。智能控制與大系統(tǒng)理論(20世紀70年代-) 現(xiàn)代控制理論在工業(yè)過程控制方面遭遇滑鐵盧，促使了智能控制技術(shù)的誕生現(xiàn)代控制理論在空間技術(shù)取得巨大成功，但由于工業(yè)過程控制中普遍存在的不確定性和干擾，難以取得預期的效果。模擬人的控制技術(shù)智能控制，雖然不能實現(xiàn)精確的控制，但對各種復雜系統(tǒng)能夠做到比較滿意的控制。 方法: 模糊規(guī)則、神經(jīng)網(wǎng)絡模型等智能方法. 20第二十頁

8、，共五十一頁。二 自動控制及解決的基本問題自動控制在沒有人直接參與的情況下，利用外加的設備或裝置（稱控制裝置或控制器），使機器、設備或生產(chǎn)過程（統(tǒng)稱被控對象）的某個工作狀態(tài)或參數(shù)（即被控量）自動地按照預定的規(guī)律運行。 如：飛機導航、制導導彈、雷達技術(shù)自動控制系統(tǒng)：由控制裝置和被控對象以某種相互依賴的方式組合成的一個有機整體。 自動控制是使一個或一些被控制的物理量按照另一個物理量即控制量的變化而變化或保持恒定，一般地說如何使控制量按照給定量的變化規(guī)律變化，就是一個控制系統(tǒng)要解決的基本問題。21第二十一頁，共五十一頁。三.自動控制技術(shù)的作用1. 自動控制技術(shù)的應用不僅使生產(chǎn)過程實現(xiàn)了自動化，極大地

9、提高了勞動生產(chǎn)率，而且減輕了人的勞動強度。2. 自動控制使工作具有高度的準確性，大大地提高了武器的命中率和戰(zhàn)斗力，例如火炮自動跟蹤系統(tǒng)必須采用計算機控制才能打下高速高空飛行的飛機。3. 某些人們不能直接參與工作的場合就更離不開自動控制技術(shù)了，例如原子能的生產(chǎn)、火炮或?qū)椀闹茖У鹊取?2第二十二頁，共五十一頁。 討論的對象： 因果系統(tǒng) 、工程系統(tǒng) 系統(tǒng)的廣義性： 經(jīng)濟、社會、工程、生物、環(huán)境、醫(yī)學 課程特點： 研究系統(tǒng)的共性問題 數(shù)學模型實際系統(tǒng)物理模型方法（系統(tǒng)組成分析、設計）課程的性質(zhì)和特點23第二十三頁，共五十一頁。本課程與其它課程的關系：自動控制理論電路理論電機與拖動大學物理信號與系統(tǒng)復

10、變函數(shù)拉氏變換模擬電子技術(shù)線性代數(shù)微積分各 類專業(yè)課線性系統(tǒng)現(xiàn)代控制理論教學要求 通過學習要求系統(tǒng)掌握自動控制的理論基礎，培養(yǎng)對簡單系統(tǒng)進行定性分析、定量估算和動態(tài)仿真（模擬仿真和數(shù)字仿真）的能力，為專業(yè)課學習和參加控制工程實踐打下必要的基礎。24第二十四頁，共五十一頁。 自動控制的一般概念第一章自動控制的基本原理與方式；自動控制系統(tǒng)示例；自動控制的分類；自動控制的基本要求；課程主要內(nèi)容及關系；典型輸入信號。25第二十五頁，共五十一頁。一、自動控制基本方式反饋控制反饋控制原理：在系統(tǒng)存在擾動的情況下，力圖減小系統(tǒng)的輸出量與參考輸入量（也稱參據(jù)量）之間的偏差，實現(xiàn)控制裝置對被控對象的控制。 如人

11、取桌上書的過程：手臂,手（被控對象）人眼輸入信號書位置（輸入量）大腦人眼輸出信號手位置（被控量）用自動裝置代替人工操作26第二十六頁，共五十一頁。家用電冰箱溫控系統(tǒng) 控制器設定溫度與冰箱比較，產(chǎn)生偏差值，當偏差電壓達到使繼電器接通時，壓縮機工作，將蒸發(fā)器中高溫低壓氣態(tài)制冷液送制冷卻器散熱，降溫后的低溫低壓制冷液壓縮成高壓液態(tài)進入蒸發(fā)器，急速降壓擴散成氣體，吸收箱體內(nèi)熱量，使冰箱溫度下降，如此循環(huán)操作，使箱體溫度達到希望溫度，此時繼電器斷開，壓縮機停止工作。恒溫系統(tǒng)的方框圖27第二十七頁，共五十一頁?？刂迫蝿眨壕S持水箱內(nèi)水位恒定；控制裝置：氣動閥門、控制器；受控對象：水箱、供水系統(tǒng)；被控量：水箱

12、內(nèi)水位的高度；28第二十八頁，共五十一頁。給定值：控制器刻度盤指針標定的預定水位高度；測量裝置：浮子；比較裝置：控制器刻度盤；干擾：水的流出量和流入量的變化都將破壞水位保持恒定；水位測量與變送執(zhí)行器控制器給定控制器執(zhí)行器水箱系統(tǒng)傳感器h29第二十九頁，共五十一頁。典型的反饋控制系統(tǒng)基本組成框圖：反饋控制方式具有抑制擾動對被控量產(chǎn)生影響的能力和較高的控制精度。30第三十頁，共五十一頁。給定環(huán)節(jié)：產(chǎn)生給定輸入信號（即參據(jù)量）的環(huán)節(jié)。測量環(huán)節(jié)：用于檢測被控制量的裝置。比較環(huán)節(jié)：其功能是將給定的輸入信號與測量環(huán)節(jié)得到的被控制量的實際值加以比較，求出偏差。執(zhí)行環(huán)節(jié)：按控制環(huán)節(jié)的控制決策，具體實施對控制對

13、象的操作。放大元件：偏差信號的放大，用以推動執(zhí)行元件校正元件：也叫補償元件以改善系統(tǒng)性能。其結(jié)構(gòu)和參數(shù)便于調(diào)整。反饋控制系統(tǒng)的基本組成31第三十一頁，共五十一頁。控制器與被控對象間只有順向作用而無反向聯(lián)系的控制過程。自動售貨機，自動報警器，自動流水線等。 自動控制方式開環(huán)控制工作機械的恒速控制（如穩(wěn)定刀具轉(zhuǎn)速）以及電源系統(tǒng)的穩(wěn)壓，穩(wěn)頻控制。特點：（1）輸出不影響輸入，對輸出不需要測量，易實現(xiàn)；（2）組成系統(tǒng)的元部件精度高，系統(tǒng)的精度才能高；（3）系統(tǒng)的穩(wěn)定性不是主要問題；32第三十二頁，共五十一頁。自動控制方式-復合控制方式 按偏差控制和按擾動控制相結(jié)合的控制方式。實質(zhì)上，它是在閉環(huán)控制回路的

14、基礎上，附加了一個輸入信號或擾動作用的順饋通路，來提高系統(tǒng)的控制精度?？刂蒲b置被控對象 CR補償裝置a.按輸入作用補償b.按擾動作用補償n控制裝置被控對象 CR補償裝置33第三十三頁，共五十一頁。蒸汽機速度控制系統(tǒng) 定值控制系統(tǒng)方框圖 二、自動控制系統(tǒng)示例34第三十四頁，共五十一頁。水溫復合控制系統(tǒng)35第三十五頁，共五十一頁。程序控制系統(tǒng)放大整形計算機D/ASCR電阻爐反饋元件比較元件 放大整形電路 功率放大器 A/D被控對象 測量元件 80C196單片機 36第三十六頁，共五十一頁。三、自動控制系統(tǒng)的分類開環(huán)控制閉環(huán)控制(反饋控制)復合控制（1）按控制方式分機械、電氣、機電、液壓和生物系統(tǒng)等

15、（2）按元件類型分（3）按系統(tǒng)功用分溫度控制系統(tǒng)壓力控制系統(tǒng)位置控制系統(tǒng) 37第三十七頁，共五十一頁。線性、非線性系統(tǒng)連續(xù)、離散系統(tǒng)定常系統(tǒng)、時變系統(tǒng)確定性系統(tǒng)、不確定性系統(tǒng)（4）按系統(tǒng)性能分恒值控制系統(tǒng)（自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)） 過程控制系統(tǒng)隨動系統(tǒng)（跟蹤系統(tǒng)） 伺服系統(tǒng)程序控制系統(tǒng)（5）按參據(jù)量變化規(guī)律分38第三十八頁，共五十一頁。線性連續(xù)控制系統(tǒng) 系數(shù)a0， ， an，b0, bn是常數(shù)時，稱為定常系統(tǒng)；系數(shù)a0，an，b0, bn隨時間變化時，稱為時變系統(tǒng)。線性定常連續(xù)系統(tǒng)按其輸入量的變化規(guī)律又可分為恒值控制系統(tǒng)、隨動系統(tǒng)和程序控制系統(tǒng)。線性離散控制系統(tǒng)39第三十九頁，共五十一頁。四、對自動控制

16、系統(tǒng)的基本要求 已知系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、參數(shù)，在某種典型輸入信號下，被控量變化的全過程要求為穩(wěn)定性（長期穩(wěn)定性）、準確性（精度）和快速性（相對穩(wěn)定性）。 穩(wěn) 準 快 穩(wěn)定性： 穩(wěn)定性是對系統(tǒng)的基本要求，不穩(wěn)定的系統(tǒng)不能實現(xiàn)預定任務。穩(wěn)定性通常由系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)決定與外界因素無關。“穩(wěn)”與“快”是說明系統(tǒng)動態(tài)（過渡過程）品質(zhì)。 “準”是說明系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)（靜態(tài)）品質(zhì)。 40第四十頁，共五十一頁。穩(wěn) 指動態(tài)過程的平穩(wěn)性控制系統(tǒng)動態(tài)過程曲線如上圖，系統(tǒng)在外作用作用下，輸出逐漸與期望值一致，則系統(tǒng)穩(wěn)定的，如曲線所示；反之，輸出如曲線所示，則系統(tǒng)是不穩(wěn)定的。41第四十一頁，共五十一頁?？?指動態(tài)過程的快速性快速性即動態(tài)過

17、程進行的時間的長短。過程時間越短，說明系統(tǒng)快速性越好，反之說明系統(tǒng)響應遲鈍。如曲線所示。穩(wěn)和快反映了系統(tǒng)過渡過程的性能的好壞。既快又穩(wěn)，表明系統(tǒng)的動態(tài)精度高；42第四十二頁，共五十一頁。快速性：對過渡過程的形式和快慢提出要求，一般稱為動態(tài)性能。穩(wěn)定高射炮射角隨動系統(tǒng)，雖然炮身最終能跟蹤目標，但如果目標變動迅速，而炮身行動遲緩，仍然抓不住目標。準確性：用穩(wěn)態(tài)誤差來表示。在參考輸入信號作用下，當系統(tǒng)達到穩(wěn)態(tài)后，其穩(wěn)態(tài)輸出與參考輸入所要求的期望輸出之差叫做給定穩(wěn)態(tài)誤差。顯然，這種誤差越小，表示系統(tǒng)的輸出跟隨參考輸入的精度越高。43第四十三頁，共五十一頁。五.課程的主要內(nèi)容及其相互關系自動控制是實現(xiàn)各

18、種復雜的控制任務，首先要將控制對象和控制裝置按照一定方式連接起來，組成一個有機的總體，即自動控制系統(tǒng)。本課程主要介紹經(jīng)典控制理論的分析方法，以線性控制系統(tǒng)為主要分析對象，同時簡單介紹了非線性系統(tǒng)的一般分析方法及離散系統(tǒng)的基礎理論。本課程的主要內(nèi)容及相互之間的關系如圖 所示。44第四十四頁，共五十一頁。課程的主要內(nèi)容及相互之間的關系45第四十五頁，共五十一頁?？刂葡到y(tǒng)設計過程(補充)1、確立控制目標2、確定控制變量3、給定各變量控制要求（設計指標）4、確定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、選擇執(zhí)行機構(gòu)5、建立對象、執(zhí)行機構(gòu)和傳感器模型6、建立控制器模型，選擇關鍵待調(diào)參數(shù)7、優(yōu)化系統(tǒng)參數(shù)，分析系統(tǒng)性能若性能滿足設計要求，設計工作結(jié)束不滿足 46第四十六頁，共五十一頁。六.典型的外作用 為了便于用統(tǒng)一的方法研究和比較控制系統(tǒng)的性能，通常選用幾種確定性函數(shù)作為典型外作用。 可選作典型外作用的函數(shù)應具備以下條件： 1) 這種函數(shù)在現(xiàn)場或?qū)嶒炇抑腥菀椎玫剑?2) 控制系統(tǒng)在這種函數(shù)作用下的性能應代表在實際工作條件下的性能。 3) 這種函數(shù)的數(shù)學表達式簡單，便于理論計算。 47第四十七頁，共五十一頁。典型輸入作用 脈沖函數(shù)： 理想單位脈沖函數(shù)：定義： ，且 ，其積分面積