認(rèn)識自動控制系統(tǒng)課件教學(xué)

3.1認(rèn)識自動控制系統(tǒng)《機電一體化技術(shù)與實訓(xùn)》主要內(nèi)容控制理論的發(fā)展過程和自動控制結(jié)構(gòu)

自動控制系統(tǒng)分類、性能指標(biāo)自動控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計概念:自動控制是指在無人直接參與的情況下，利用控制裝置，使被控對象的被控量準(zhǔn)確地按照預(yù)期的規(guī)律變化。3.1.1控制理論的發(fā)展過程和自動控制結(jié)構(gòu)1.控制理論的發(fā)展過程1945年之前，屬于控制理論的萌芽期。1945年，美國人伯德（Bode）的“網(wǎng)絡(luò)分析與放大器的設(shè)計”奠定了控制理論的基礎(chǔ)，至此進入經(jīng)典控制理論時期，此時已形成完整的自動控制理論體系。經(jīng)典控制理論的研究對象是單輸入單輸出系統(tǒng)，研究背景是二站軍工技術(shù)，研究目標(biāo)是反饋控制系統(tǒng)的穩(wěn)定，采用基本方法有傳遞函數(shù)、頻率法、PID。3.1.1控制理論的發(fā)展過程和自動控制結(jié)構(gòu)1.控制理論的發(fā)展過程二十世紀(jì)六十年代初，用于導(dǎo)彈、衛(wèi)星和宇宙飛船上的“控制系統(tǒng)的一般理論”（卡爾曼Kalman）奠定了現(xiàn)代控制理論的基礎(chǔ)?，F(xiàn)代控制理論主要研究多輸入-多輸出、多參數(shù)系統(tǒng)，高精度復(fù)雜系統(tǒng)的控制問題，研究背景是冷戰(zhàn)時期空間技術(shù)和計算機技術(shù)，研究目標(biāo)是最優(yōu)控制，主要采用的方法是以狀態(tài)空間模型為基礎(chǔ)的狀態(tài)方程。3.1.1控制理論的發(fā)展過程和自動控制結(jié)構(gòu)1.控制理論的發(fā)展過程七十年代以后，各學(xué)科相互滲透，要分析的系統(tǒng)越來越大，越來越復(fù)雜，自動控制理論繼續(xù)發(fā)展，進入了大系統(tǒng)和智能控制時期。主要的研究對象有專家系統(tǒng)、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)前研究的熱點研究對象:大系統(tǒng)理論、魯棒控制、非線性控制。例如智能機器人的出現(xiàn)（例如AlphaGo阿爾法狗），就是以人工智能、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、信息論、仿生學(xué)等為基礎(chǔ)的自動控制取得的很大進展。3.1.1控制理論的發(fā)展過程和自動控制結(jié)構(gòu)1.控制理論的發(fā)展過程以水箱恒水位控制系統(tǒng)為例，說明自動控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)3.1.1控制理論的發(fā)展過程和自動控制結(jié)構(gòu)2.自動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)任務(wù)1

被控對象：水箱，其中水箱液位是被控對象中的被控量。

檢測及轉(zhuǎn)換裝置：浮子及電位器，它將水箱實際液位高度轉(zhuǎn)換為電壓。

比較環(huán)節(jié)：浮子的位置轉(zhuǎn)換的實際電壓與給定電壓（對應(yīng)要求的液位高度）通過差動放大器比較產(chǎn)生偏差。

控制裝置：根據(jù)偏差的大小、極性，通過放大器和電動機產(chǎn)生控制信號作用在進水閥上。

執(zhí)行機構(gòu)：進水閥根據(jù)控制信號產(chǎn)生動作，改變水箱液位高度，從而自動控制水箱液位，使其滿足給定值的要求。3.1.1控制理論的發(fā)展過程和自動控制結(jié)構(gòu)2.自動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1.自動控制的分類（1）開環(huán)系統(tǒng)

例如，一般洗衣機就是一個開環(huán)控制系統(tǒng)，其浸濕、洗滌、漂清和脫水過程都是依設(shè)定的時間程序依次進行的，而無需對輸出量(如衣服清潔程度、脫水程度等)進行測量，而有一種智能控制的模糊洗衣機能檢測衣服的潔凈程度自動控制洗滌時間屬閉環(huán)控制。

自動控制系統(tǒng)按照不同的標(biāo)準(zhǔn)有多種分類，按照系統(tǒng)環(huán)節(jié)連接形式可分為開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。3.1.2自動控制系統(tǒng)分類、性能指標(biāo)（1）開環(huán)系統(tǒng)1.自動控制的分類3.1.2自動控制系統(tǒng)分類、性能指標(biāo)（2）閉環(huán)系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)是指在控制器與被控對象之間不僅有正向控制作用，而且輸出量通過反饋環(huán)節(jié)返回來作用于控制部分，形成閉合環(huán)路。1.自動控制的分類3.1.2自動控制系統(tǒng)分類、性能指標(biāo)（2）閉環(huán)系統(tǒng)

現(xiàn)在的許多制造設(shè)備和具有智能的機電一體化產(chǎn)品都選擇閉環(huán)控制方式，如數(shù)控機床、加工中心、機器人、雷達(dá)、無人駕駛的汽車等。1.自動控制的分類3.1.2自動控制系統(tǒng)分類、性能指標(biāo)2.自動控制的性能指標(biāo)（1）穩(wěn)定性所謂穩(wěn)定性，一般指當(dāng)系統(tǒng)受到外部作用后，其動態(tài)過程的振蕩傾向和能否恢復(fù)平衡狀態(tài)的能力。3.1.2自動控制系統(tǒng)分類、性能指標(biāo)（2）準(zhǔn)確性——穩(wěn)態(tài)誤差準(zhǔn)確性是對系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)（靜態(tài)）性能指標(biāo)。對一個穩(wěn)定的系統(tǒng)而言，當(dāng)系統(tǒng)從一個穩(wěn)態(tài)過渡到新的穩(wěn)態(tài)，或系統(tǒng)受擾動作用又重新平衡后，系統(tǒng)會出現(xiàn)偏差，這種偏差稱為穩(wěn)態(tài)誤差。3.1.2自動控制系統(tǒng)分類、性能指標(biāo)2.自動控制的性能指標(biāo)（3）快速性——動態(tài)性能指標(biāo)快速性是指在系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下，系統(tǒng)通過自身調(diào)節(jié)，最終消除輸出量與給定值之間偏差的快慢程度。3.1.2自動控制系統(tǒng)分類、性能指標(biāo)2.自動控制的性能指標(biāo)

在控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計中，對已知結(jié)構(gòu)和參數(shù)的系統(tǒng)通過建立的數(shù)學(xué)模型，可利用時域響應(yīng)、頻域響應(yīng)等方法，進行動態(tài)和靜態(tài)分析。

下面簡述在生產(chǎn)過程自動控制的發(fā)展歷程中歷史最久、生命力最強的PID控制（ProportionalIntegralDifferential比例積分微分）。3.1.3自動控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計3.1.3自動控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計PID控制一、控制理論的發(fā)展經(jīng)過了萌芽期、經(jīng)典控制理論時期、現(xiàn)代控制理論時期，現(xiàn)在進入大系統(tǒng)和智能控制時期。二、自動控制系統(tǒng)主要由被控對象、檢測及轉(zhuǎn)換裝置、比較環(huán)節(jié)、控制裝置、執(zhí)行機構(gòu)等結(jié)構(gòu)構(gòu)成。三、自動控制系統(tǒng)按照系統(tǒng)環(huán)節(jié)連接形式可分為開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。四、自動控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)有：穩(wěn)