自控第1章2015課件

1《自動控制原理》多媒體課件主講：劉海燕

2第一章緒論

本章主要內(nèi)容：一、自動控制理論發(fā)展史簡介二、自動控制系統(tǒng)的一般概念三、開環(huán)系統(tǒng)與閉環(huán)系統(tǒng)四、自動控制系統(tǒng)分類五、對控制系統(tǒng)性能的要求和本課程的任務(wù)3

第一節(jié)自動控制理論發(fā)展史簡介

18世紀(jì)中葉，瓦特設(shè)計離心調(diào)節(jié)器控制蒸汽機車的速度，研制了世界上最早的自動控制系統(tǒng)。

1932年，乃奎斯特提出了幾何穩(wěn)定判據(jù)，后證實，這個判據(jù)同樣適用于控制系統(tǒng)。

1945年，伯德提出了反饋放大器的一般設(shè)計方法，并編著了《網(wǎng)絡(luò)分析與反饋放大器的設(shè)計》一書。

1947年，美國出版了當(dāng)時世界上第一本控制方面的教材《伺服機原理》。

1948年，美國麻省理工學(xué)院完成了一系列自動控制的實踐工程。

1954年，錢學(xué)森在美國出版專著《工程控制理論》，并于1958年譯成中文。

1954年，天津大學(xué)教授劉豹編著《自動控制原理》。

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經(jīng)典控制理論（20世紀(jì)60年代以前）：主要解決單輸入單輸出問題，所研究的系統(tǒng)多半是線性定常系統(tǒng)?，F(xiàn)代控制理論：20世紀(jì)60年代，隨著高精度數(shù)字計算機的誕生，為解決復(fù)雜控制系統(tǒng)提供了實現(xiàn)上的可能性?，F(xiàn)代控制理論涉及多變量控制系統(tǒng)、最優(yōu)控制理論、系統(tǒng)辨識與模式識別、最優(yōu)估計、自適應(yīng)控制、自學(xué)習(xí)控制、模糊控制、專家系統(tǒng)、神經(jīng)元及其網(wǎng)絡(luò)控制等等。51自動控制：2自動控制系統(tǒng)：在沒有人直接參與的條件下，通過控制器使被控對象或過程自動地按要求的規(guī)律運行。能夠完成自動控制功能的基本體系，稱為自動控制系統(tǒng)。3自動控制理論：分析與綜合自動控制系統(tǒng)的理論稱為自動控制理論。4應(yīng)用：自動控制技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用在工程、軍事和科學(xué)技術(shù)等各個領(lǐng)域，包括：航空、航天、航海、冶金、機械、能源、電子、生物、醫(yī)療、化工、石油、建筑等。第二節(jié)自動控制系統(tǒng)的一般概念一、自動控制技術(shù)及其應(yīng)用6航空及航天飛行器在預(yù)定軌道上速度、加速度、飛行距離、高度、陀螺儀、陽光、星光、地磁、周圍環(huán)境、內(nèi)部設(shè)備監(jiān)控、本身狀態(tài)、氣壓等的檢測。飛行器：控制在預(yù)定軌道上速度、加速度、飛行距離測量、周圍環(huán)境、內(nèi)部設(shè)備監(jiān)控、本身狀態(tài)參數(shù)的測量。陀螺儀、陽光傳感器、星光傳感器、地磁傳感器789“勇氣號”火星探測器10“好奇號”火星探測器11美國宇航局機器人檢修太空設(shè)備

美國宇航局探索機器人

美軍排雷機器人

月球車12電影《泰坦尼克》中用于水下探測的“鄧肯”號機器人采礦機器人美國“水下龍蝦”機器人

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雷達（Radar，即radiodetectingandranging），意為無線電搜索和測距。它是運用各種無線電定位方法，探測、識別各種目標(biāo)，測定目標(biāo)坐標(biāo)和其它情報的裝置。按用途可分為：目標(biāo)探測雷達、偵察雷達、武器控制雷達、飛行保障雷達、氣象雷達、導(dǎo)航雷達等。141516北人集團機械加工車間17大型機器人全自動化大沖生產(chǎn)線18

日前，我國重卡領(lǐng)域首條大型機器人全自動化大沖生產(chǎn)線在中國重型汽車集團公司全線調(diào)試成功并正式投入使用。她的研制成功，一舉打破了自動化沖壓線僅應(yīng)用于轎車行業(yè)的歷史，是國產(chǎn)重型卡車產(chǎn)品技術(shù)的一次重大飛躍。（2009.02.02，太平洋汽車網(wǎng)）中國重汽自動化大沖線集合了目前國內(nèi)、國際一流的自動化控制技術(shù)，無論是系統(tǒng)的復(fù)雜性，還是設(shè)計理念的先進性都是目前國際一流的水準(zhǔn)。自動化送料系統(tǒng)環(huán)節(jié)由七臺ABB沖壓專用機器人、德國先進清洗、涂油系統(tǒng)組成，確保了鋼板拆包、清洗、均勻涂油等沖壓作業(yè)前處理工序流程通暢；液壓金屬打包系統(tǒng)則采用地坑式結(jié)構(gòu)，五臺壓力機產(chǎn)生的工藝廢料直接滑入地坑輸送帶至打包機壓實打包，清運出場。整條生產(chǎn)線先進的控制系統(tǒng)使上下料更智能、軌跡更柔和、運動精度更高。配置了ABB公司專門為沖壓自動化開發(fā)的全線監(jiān)控系統(tǒng)，在保證設(shè)備PLC程序安全的同時，可實現(xiàn)壓力機、機器人的自動化并行作業(yè)；自動化大沖線產(chǎn)品件的一次成型和穩(wěn)定的控制系統(tǒng)，對產(chǎn)品質(zhì)量有著不可小窺的優(yōu)勢，不但消除了半成品件周轉(zhuǎn)存儲時帶來的諸多問題，而且完全杜絕了傳統(tǒng)單機生產(chǎn)受操作者主觀情緒的影響。1920

傳統(tǒng)：行駛速度、距離、發(fā)動機旋轉(zhuǎn)速度、燃料剩余量等。

安全：安全氣囊系統(tǒng)、防盜裝置、防滑控制系統(tǒng)、防抱死裝置、電子變速控制裝置、汽車“黑匣子”等。

環(huán)保：排氣循環(huán)裝置、電子燃料噴射裝置等。2、汽車21全自動洗衣機中的傳感器：衣物重量傳感器，衣質(zhì)傳感器，水溫傳感器，水質(zhì)傳感器，透光率光傳感器(洗凈度)，液位傳感器，電阻傳感器(衣物烘干檢測)。22樓宇控制與安全防護為使建筑物成為安全、健康、舒適、溫馨的生活、工作環(huán)境，并能保證系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性和管理的智能化。在樓宇中應(yīng)用了許多測試技術(shù)，如闖入監(jiān)測、空氣監(jiān)測、溫度監(jiān)測、電梯運行狀況。

離子感煙器

明火探測器

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圖示為某公司樓宇自動化系統(tǒng)。該系統(tǒng)分為：電源管理、安全監(jiān)測、照明控制、空調(diào)控制、停車管理、水/廢水管理和電梯監(jiān)控。245、機器人工業(yè)機器人：生產(chǎn)用的自動機械式（加工、組裝、檢驗）。汽車焊接機器人倉庫機器人

汽車噴漆機器人25(AutomatedGuidedVehicle，簡稱AGV)，指裝備有電磁或光學(xué)等自動導(dǎo)引裝置，能夠沿規(guī)定的導(dǎo)引路徑行駛，具有安全保護以及各種移載功能的運輸車，如，工業(yè)應(yīng)用中不需駕駛員的搬運車。它里面所包含的傳感器有：

超聲波測距傳感器、判斷建筑物內(nèi)人和物所在位置；紅外線色彩傳感器（運動軌跡）和AGV小車位置識別；條形碼傳感器，貨品識別。香港理工AGV模型AGV自動送貨車26AGV自動送貨車27智能機器人：有判斷能力日本喂飯機器人

瑞士“達芬奇”手術(shù)機器人

美軍爆炸物處理機器人

日本營救機器人

28瑞士“達芬奇”手術(shù)機器人

29日本廚師機器人

日本豐田公司機器人樂隊

德國人形機器人調(diào)制速溶茶

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“納米”機器人可以用于醫(yī)療事業(yè)、以幫助人類識別并殺死癌細胞以達到治療癌癥的目的、還可以幫助人們完成外科手術(shù)、清理動脈血管垃圾、及組成計算機新硬件等。

31溫度、濕度、土壤干燥度、CO2、光照度、土壤養(yǎng)分等參數(shù)的測量。農(nóng)業(yè)農(nóng)業(yè)32二、認(rèn)識一個簡單的自動控制系統(tǒng)1水池液面人工控制系統(tǒng)圖中F1為出水閥，F(xiàn)2為進水閥，希望液面的高度為h0。問：人怎樣參與該系統(tǒng)的控制，起哪些作用？33人工控制過程步驟1：測量實際液面的高度h1——用眼睛；步驟2：將測得實際液面的高度h1與希望的液面高度h0相比較——用大腦；步驟3：根據(jù)比較的結(jié)果，即按照偏差的正負(fù)去決定控制的動作——用手。控制動作的發(fā)出者：人人的作用：測量、比較、執(zhí)行人工控制的本質(zhì)：檢測偏差、糾正偏差34為便于研究，一般都把實際控制系統(tǒng)的信號流向畫成方框圖的形式。液面人工控制系統(tǒng)的方框圖如下：35人體與機器系統(tǒng)的對應(yīng)關(guān)系362液面自動控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)不論放水閥F1輸出的流量如何變化，系統(tǒng)總能自動地維持其液面的高度在允許的偏差范圍之內(nèi)。37自動控制過程分析步驟1：測量實際液面的高度h1——用浮子；步驟2：將測得液面的高度h1所對應(yīng)的電位值u1

與希望的液面高度h0所對應(yīng)的電位值u0

相比較——用電位器；（這里u0=0）步驟3：把比較的結(jié)果——小偏差電壓信號進行放大，驅(qū)動電動機動作，控制進水閥F2——用電動機?？刂苿幼鞯陌l(fā)出者：機電裝置自動控制的作用：自動測量、自動比較、自動執(zhí)行自動控制的本質(zhì)：檢測偏差、糾正偏差38該系統(tǒng)方框圖：指出：被控對象、測量元件、比較機構(gòu)、放大機構(gòu)和執(zhí)行機構(gòu)39三、方框圖的畫法：用方框表示系統(tǒng)中的各個組成部件，在每個方框中填入它所表示部件的名稱或其功能函數(shù)的表達式，而不必畫出它們的具體結(jié)構(gòu)。根據(jù)信號在系統(tǒng)中的傳遞方向，用有向線段依次把它們連接起來，就得到整個系統(tǒng)的框圖?？刂葡到y(tǒng)的框圖由以下三個基本單元組成：引出點、比較點、方框401引出點：它表示信號的引出，箭頭表示信號的傳遞方向。2比較點：又叫相加點，表示兩個或兩個以上的信號在該處的相加減運算，“+”號表示信號相加，“-”號表示信號相減。3方框：輸入信號置于方框的左端，方框的右端為其輸出量，方框中填入部件的名稱。4142

四、

位置隨動系統(tǒng)分析：指出：被控對象、測量元件、比較機構(gòu)、放大機構(gòu)和執(zhí)行機構(gòu)43位置隨動系統(tǒng)方框圖：44第三節(jié)開環(huán)控制與閉環(huán)控制一、開環(huán)控制與閉環(huán)控制1開環(huán)控制定義：如果系統(tǒng)的被控制量沒有與參考輸入量進行比較，這種控制方式叫開環(huán)控制，該系統(tǒng)叫開環(huán)控制系統(tǒng)。例如盲人取物：例如根據(jù)經(jīng)驗控制進水閥門定時開閉大腦手參考輸入量被控制量只告知物品位置手位置452閉環(huán)控制定義：如果把系統(tǒng)的被控制量反饋到它的輸入端，并與參考輸入進行比較，這種控制方式叫閉環(huán)控制，該系統(tǒng)叫閉環(huán)控制系統(tǒng)。例如正常人取物：例如根據(jù)實際水位來控制進水開關(guān)的開閉大腦手輸入信號輸出信號（只告知物品位置）（手位置）眼睛46用來做高溫?zé)Y(jié)、稀有金屬熔煉、各種高溫檢測實驗等等。3開環(huán)和閉環(huán)爐溫控制系統(tǒng)47開環(huán)爐溫控制系統(tǒng)原理方框圖（1）開環(huán)爐溫控制系統(tǒng)觸頭位置48（2）閉環(huán)爐溫控制系統(tǒng)被控對象、測量元件、比較機構(gòu)、放大機構(gòu)、執(zhí)行機構(gòu)49閉環(huán)爐溫控制系統(tǒng)方框圖：放大器電動機減速器電加熱絲給定溫度T0給定電壓U0誤差UUd溫度T測溫?zé)犭娕糢f爐膛-外界干擾50開環(huán)控制系統(tǒng)框圖：執(zhí)行機構(gòu)參考輸入控制變量被控制量擾動量被控對象控制器閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖：執(zhí)行機構(gòu)參考輸入控制變量被控制量擾動量被控對象控制器測量元件偏差放大環(huán)節(jié)反饋信號514開環(huán)控制系統(tǒng)的特點

優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，所用器件少，成本低，調(diào)試容易，系統(tǒng)一般也容易穩(wěn)定。缺點：抗干擾能力差。但一旦系統(tǒng)受到干擾后，被控制量就會偏離原有的平衡狀態(tài)，系統(tǒng)沒有消除或減小誤差的功能，這是開環(huán)系統(tǒng)的一個致命缺點。正是這個缺點，大大限制了開環(huán)系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。52

優(yōu)點：控制準(zhǔn)確，精度高，反應(yīng)靈敏、迅速，穩(wěn)定性好。缺點：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高。當(dāng)受到來自系統(tǒng)內(nèi)部和外部的干擾時，能自動消除或削弱干擾信號對被控制量的影響。由于閉環(huán)控制系統(tǒng)有良好的抗擾動功能，因而它在控制工程中得到了廣泛的應(yīng)用。5

閉環(huán)控制系統(tǒng)的特點536反饋在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，信號的傳遞有一個閉合的回路。被控制量直接或經(jīng)過反饋環(huán)節(jié)后，反作用到系統(tǒng)的輸入端，并和給定信號作比較運算，利用所得的誤差信號對系統(tǒng)進行控制。通常，我們把取出輸出量送回到輸入端，并與輸入信號相比較產(chǎn)生偏差信號的過程，稱為反饋。若反饋信號與輸入信號相減，使產(chǎn)生的偏差越來越小，稱為負(fù)反饋。反之，稱為正反饋。有的系統(tǒng)直接將被測量接入比較環(huán)節(jié)，稱為單位反饋。

54自動控制系統(tǒng)框圖的一般形式自動控制系統(tǒng)的框圖557幾個概念：r(t)-----系統(tǒng)的參考輸入(簡稱輸入量或給定量)c(t)-----系統(tǒng)的被控制量(又簡稱輸出量)b(t)-----系統(tǒng)的主反饋量

e(t)-----系統(tǒng)的誤差e(t)＝r(t)－b(t)d(t)-----系統(tǒng)的干擾,它是一種對系統(tǒng)輸出產(chǎn)生不利的信號56給定環(huán)節(jié)-----產(chǎn)生參考輸入信號的元件。如:浮子、電位器、測溫?zé)犭娕嫉取？刂破?----它的輸入是系統(tǒng)的誤差信號,經(jīng)其變換或相關(guān)的運算后,產(chǎn)生期望的控制信號去控制被控對象。被控對象-----系統(tǒng)控制的對象,它受控制器輸出量的控制,其輸出量就是被控量。反饋環(huán)節(jié)-----將被控制量轉(zhuǎn)換為主反饋信號的裝置,這個裝置一般為檢測元件。57例題1：以液面自動控制系統(tǒng)為例，分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

被控對象：被控制量：擾動量：給定環(huán)節(jié)：比較環(huán)節(jié)：放大環(huán)節(jié)：反饋環(huán)節(jié)：執(zhí)行環(huán)節(jié)：水池實際水位出水量浮子、電位器電位器放大器浮子電動機、進水閥門58例題2：分析閉環(huán)直流電機調(diào)速系統(tǒng)的工作原理、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，畫方框圖。59自動調(diào)節(jié)的過程：系統(tǒng)方框圖：60可以從不同角度分類：1.按照數(shù)學(xué)模型的性質(zhì)：線性和非線性，時變和非時變2.按照參考輸入信號的變化規(guī)律：恒值控制、隨動控制系統(tǒng)3.按照系統(tǒng)內(nèi)部傳輸信號的性質(zhì)：連續(xù)控制、離散控制4.按照組成系統(tǒng)的元件種類：機電控制系統(tǒng)、液壓控制系統(tǒng)、氣動控制系統(tǒng)、生物控制系統(tǒng)5、按照被控量的名稱：溫度控制系統(tǒng)、轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)、張力控制系統(tǒng)第四節(jié)自動控制系統(tǒng)的分類61

下面從系統(tǒng)特性角度分類。一、按系統(tǒng)構(gòu)成元件是否線性分類1線性控制系統(tǒng)由線性元件構(gòu)成的系統(tǒng)是線性控制系統(tǒng)?；蛘哒f，如果系統(tǒng)滿足疊加原理，則稱其為線性系統(tǒng)。2非線性控制系統(tǒng)在控制系統(tǒng)中，如果有一個以上的元件具有非線性，則稱這個系統(tǒng)為非線性控制系統(tǒng)?；蛘哒f，如果不能應(yīng)用疊加原理，則系統(tǒng)是非線性的。嚴(yán)格地說，絕對的線性控制系統(tǒng)是不存在的。為了簡化，在一定條件下，可以對某些非線性特性作線性化處理。這樣，非線性控制系統(tǒng)就可以近似為線性控制系統(tǒng)。62二、按輸入信號的變化規(guī)律分類1恒值控制系統(tǒng)：給定輸入量是一個常數(shù)，要求被控制量也是個恒定值。當(dāng)有擾動信號作用時，能克服擾動的影響，使被控量維持恒值不變。這種系統(tǒng)在過程控制中應(yīng)用最為普遍。如溫度控制系統(tǒng)、轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)、電壓頻率控制系統(tǒng)等。其特點是輸入量為一定值。2隨動控制系統(tǒng)：又名伺服控制系統(tǒng)。其給定輸入是變化規(guī)律未知的函數(shù)。要求被控量能夠迅速準(zhǔn)確地隨輸入量而變。這種系統(tǒng)在軍事上應(yīng)用最為普遍。如導(dǎo)彈發(fā)射架控制系統(tǒng)、雷達天線控制系統(tǒng)等?，F(xiàn)在醫(yī)學(xué)上的先進技術(shù)刀手術(shù)、機械手也是典型的隨動系統(tǒng)。其特點是輸入量未知。63三、按信號傳輸過程是否連續(xù)分類1連續(xù)控制系統(tǒng)系統(tǒng)中各處傳輸?shù)男盘柧菚r間t的連續(xù)函數(shù)，這類控制系統(tǒng)稱為連續(xù)控制系統(tǒng)。2離散控制系統(tǒng)在系統(tǒng)中傳輸?shù)男盘栔校灰幸粋€信號是時間t的離散信號，則稱這種系統(tǒng)為離散控制系統(tǒng)。計算機控制系統(tǒng)的方框圖64四、按系統(tǒng)參數(shù)是否隨時間變化分類1定?？刂葡到y(tǒng)系統(tǒng)參數(shù)不隨時間變化的系統(tǒng)是定常控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)的微分方程或差分方程的系數(shù)為常數(shù)。線性定常系統(tǒng)：可以用線性定常（常系數(shù)）微分方程描述的系統(tǒng)稱為線性定常系統(tǒng)。2時變控制系統(tǒng)系統(tǒng)參數(shù)隨時間變化的系統(tǒng)是時變控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)的微分方程或差分方程的系數(shù)是時間的函數(shù)。線性時變系統(tǒng)：如果描述系統(tǒng)的微分方程的系數(shù)是時間的函數(shù)，則這類系統(tǒng)為線性時變系統(tǒng)。

宇宙飛船控制系統(tǒng)就是時變控制的一個例子（宇宙飛船的質(zhì)量隨著燃料的消耗而變化）。本課程主要研究線性定?？刂葡到y(tǒng)。65第五節(jié)對控制系統(tǒng)性能的要求和本課程的任務(wù)控制系統(tǒng)的性能一般從以下三方面來評價一、穩(wěn)定性當(dāng)系統(tǒng)受到某一擾動作用后，使被控制量偏離了原來的平衡狀態(tài)，但經(jīng)過一定的時間，如果系統(tǒng)仍能回到原有的平衡狀態(tài)，則稱系統(tǒng)是穩(wěn)定的。穩(wěn)定是系統(tǒng)能正常運行的必要條件?？刂葡到y(tǒng)動態(tài)過程曲線66

快速性即動態(tài)過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(yīng)遲鈍。曲線２好。

要求系統(tǒng)的輸出響應(yīng)具有一定的快速性，它是系統(tǒng)的一個重要性能指標(biāo)。二、快速性控制系統(tǒng)動態(tài)過程曲線67三、準(zhǔn)確性

控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度通常是用它的穩(wěn)態(tài)誤差來表示，穩(wěn)態(tài)誤差越小，系統(tǒng)的控制精度就越高。

以上分析的穩(wěn)、快、準(zhǔn)三方面的性能指標(biāo)由于被控對象的具體情況不同，各系統(tǒng)要求有所側(cè)重。而且同一個系統(tǒng)的穩(wěn)、快、準(zhǔn)的要求是相互制約的。68對于一個具體的控制系統(tǒng)，如何從理論上對它的動態(tài)性能和穩(wěn)定精度進行定性的分析和定量的計算。根據(jù)對系統(tǒng)性能的要求，如何合理地設(shè)計校正裝置，使系統(tǒng)的性能能全面地滿足技術(shù)上的要求。本課程要研究兩大課題69練習(xí)：導(dǎo)彈發(fā)射架方位隨動控制系統(tǒng)1原理圖70該系統(tǒng)屬于離散的隨動控制系統(tǒng)控制任務(wù)：控制導(dǎo)彈發(fā)射架的轉(zhuǎn)角，使轉(zhuǎn)角隨著輸入的雷達信號而變化。被控量：導(dǎo)彈發(fā)射架的轉(zhuǎn)角2給定輸入：來自雷達的轉(zhuǎn)角信號1對應(yīng)的電壓信號ur比較環(huán)節(jié)：單片機放大環(huán)節(jié)：放大器反饋環(huán)節(jié)：光電碼盤（把角度信號2轉(zhuǎn)化成數(shù)字量形式的電信號，送回比較環(huán)節(jié)）偏差量：ur-uf執(zhí)行元件：直流伺服電動機、減速器712系統(tǒng)方框圖3調(diào)節(jié)過程72第一章小結(jié)本章首先介紹了自動控制理論發(fā)展的歷史，講解了自動控制系統(tǒng)的基本概念、組成和分類，以及繪制結(jié)構(gòu)框圖的方法。最后指明了自動控制的研究對象、內(nèi)容、性質(zhì)和任務(wù)。本章作業(yè)：1-3、1-473練習(xí)：一電機調(diào)速控制系統(tǒng)1原理圖74分析該系統(tǒng)屬于非線性的恒值控制系統(tǒng)控制任務(wù)：控制直流電動機的轉(zhuǎn)速，使轉(zhuǎn)速為恒值。被控對象