自動(dòng)控制原理講稿01課件

自動(dòng)控制原理第一章導(dǎo)論本講主要內(nèi)容:

1.11.2.

1.3.

1.4.1.5.

控制的定義控制系統(tǒng)的工作原理和組成控制理論的中心問題自動(dòng)控制理論的學(xué)習(xí)內(nèi)容控制理論的歷史發(fā)展控制的本意

:為了達(dá)到某種目的對(duì)事物進(jìn)行支配、管束、管制、管理、監(jiān)督、鎮(zhèn)壓。

自動(dòng)控制:

在沒有人直接參與的情況下，利用控制裝置或控制器,使機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過程（被控對(duì)象）的某個(gè)工作狀態(tài)或參數(shù)（即被控量）自動(dòng)地按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行。Part：1.1

控制的定義例1.[鋼鐵軋制]:軋出厚度一致的高精度鐵板溫度控制,生鐵成分控制,厚度控制,張力控制,等等。例2.[程控機(jī)床]:自動(dòng)進(jìn)刀切削，加工出預(yù)期的幾何形狀直線、圓弧等各種差補(bǔ)控制，進(jìn)給量控制,等等。[動(dòng)態(tài)過程]觀測(cè)恒溫箱內(nèi)的溫度（被控制量）與要求的溫度（給定值）進(jìn)行比較得到溫度偏差的大小和方向根據(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流以調(diào)節(jié)溫度回復(fù)到要求值。[實(shí)質(zhì)]檢測(cè)偏差再糾正偏差。1.人工控制恒溫箱123Part1.2.1

控制系統(tǒng)的工作原理溫度偏差信號(hào)經(jīng)電壓、功率放大后，用以驅(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u=0,電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。[動(dòng)態(tài)過程]2.恒溫箱自動(dòng)控制系統(tǒng)恒溫箱實(shí)際溫度由熱電偶轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的電壓u2恒溫箱期望溫度由電壓u1給定，并與實(shí)際溫度u2比較得到溫度偏差信號(hào)u=u1-u2系統(tǒng)原理方塊圖[實(shí)質(zhì)]檢測(cè)偏差糾正偏差系統(tǒng)方框圖符號(hào)組成綜上所述控制系統(tǒng)的工作原理：檢測(cè)輸出量（被控制量）的實(shí)際值；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；利用偏差值產(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。

由于輸出量的反饋，系統(tǒng)能在擾動(dòng)的情況下，自動(dòng)減少系統(tǒng)的輸出量與參考輸入量（希望的狀態(tài)）之間的偏差，稱之為反饋控制。顯然：反饋控制建立在偏差基礎(chǔ)上，其控制方式是“檢測(cè)偏差再糾正偏差”。1.2.3開環(huán)控制與閉環(huán)控制

開環(huán)控制與閉環(huán)控制實(shí)際的控制系統(tǒng)根據(jù)有無反饋?zhàn)饔每煞譃槿悾洪_環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)復(fù)合控制系統(tǒng)

2.閉環(huán)控制

閉環(huán)控制系統(tǒng)特點(diǎn)：輸出端和輸入端之間存在反饋，輸出量對(duì)控制過程有直接影響。閉環(huán)的作用：利用反饋，減少偏差。優(yōu)點(diǎn)：精度較高，對(duì)外部擾動(dòng)和系統(tǒng)參數(shù)變化不敏感缺點(diǎn)：存在穩(wěn)定、振蕩、超調(diào)等問題，系統(tǒng)性能分析和設(shè)計(jì)麻煩。復(fù)合控制特點(diǎn)：按偏差控制和按擾動(dòng)補(bǔ)償相結(jié)合的控制方式稱為復(fù)合控制方式E.g.液位控制原型：古代水鐘“銅壺滴漏”Q2H1H2Q1系統(tǒng)原理方塊圖[實(shí)質(zhì)]檢測(cè)偏差糾正偏差?？刂破髡?負(fù)反饋液位控制系統(tǒng)負(fù)反饋

正反饋

l1Q1HQ2l2Q1Q2l2Hl11給定元件：產(chǎn)生給定信號(hào)或輸入信號(hào)。2反饋元件：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)通常為電信號(hào)。3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)。4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。5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。6校正元件：用以改善系統(tǒng)控制質(zhì)量的裝置。校正元件分為串聯(lián)和并聯(lián)兩種?？刂葡到y(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)稱為控制器。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)。Part1.3控制理論的中心問題穩(wěn)定性：系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程的振蕩傾向及其恢復(fù)平衡狀態(tài)的能力。穩(wěn)定的系統(tǒng)當(dāng)輸出量偏離平衡狀態(tài)時(shí)，其輸出能隨時(shí)間的增長(zhǎng)收斂并回到初始平衡狀態(tài)。穩(wěn)定性是控制系統(tǒng)正常工作的先決條件。線性控制系統(tǒng)穩(wěn)定性由系統(tǒng)結(jié)構(gòu)所決定，與外界因素?zé)o關(guān)。圖3-19小范圍穩(wěn)定系統(tǒng)dfcAAf圖3-18不穩(wěn)定系統(tǒng)

Part1.4

控制系統(tǒng)的分類按輸入量的特征分類按系統(tǒng)中傳遞信號(hào)的性質(zhì)分類線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)定常系統(tǒng)和時(shí)變系統(tǒng)*1.按輸入量的特征分類恒值控制系統(tǒng)：系統(tǒng)輸入量為恒定值。控制任務(wù)是保證在任何擾動(dòng)作用下系統(tǒng)的輸出量為恒值。如：恒溫箱控制、電網(wǎng)電壓、頻率控制等。程序控制系統(tǒng)：輸入量的變化規(guī)律預(yù)先確知，輸入裝置根據(jù)輸入的變化規(guī)律，發(fā)出控制指令，使被控對(duì)象按照指令程序的要求而運(yùn)動(dòng)。如：數(shù)控加工系統(tǒng)隨動(dòng)系統(tǒng)（伺服系統(tǒng)）：輸入量的變化規(guī)律不能預(yù)先確知，其控制要求是輸出量迅速、平穩(wěn)地跟隨輸入量的變化，并能排除各種干擾因素的影響，準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)輸入信號(hào)的變化規(guī)律。如：仿形加工系統(tǒng)、火炮自動(dòng)瞄準(zhǔn)系統(tǒng)等?？刂葡到y(tǒng)的基本類型按輸入量特征分類按傳遞信號(hào)分類按系統(tǒng)構(gòu)成分類按信號(hào)傳遞方向恒值控制連續(xù)控制開環(huán)控制前饋控制程序控制離散（數(shù)字）控制閉環(huán)控制反饋控制隨動(dòng)控制復(fù)合控制Part1.5自動(dòng)控制原理學(xué)習(xí)內(nèi)容經(jīng)典自動(dòng)控制理論

研究單輸入，單輸出的單變量系統(tǒng)線性定常系統(tǒng)

現(xiàn)代控制理論研究多輸入，多輸出的多變量非線性系統(tǒng)和時(shí)變系統(tǒng)復(fù)雜系統(tǒng)。

復(fù)雜系統(tǒng)時(shí)域分析，利用狀態(tài)變量、基于時(shí)域分析的現(xiàn)代控制理論。確定性系統(tǒng)、隨機(jī)系統(tǒng)的最佳控制，乃至復(fù)雜系統(tǒng)的自適應(yīng)和學(xué)習(xí)控制。魯棒控制、H∞控制及其相關(guān)的課題?？刂葡到y(tǒng)的數(shù)學(xué)模型時(shí)域分析法系統(tǒng)分析頻率法分析法根軌跡法綜合校正線性離散控制系統(tǒng)非線性控制系統(tǒng)分析Part1.5.1自動(dòng)控制系統(tǒng)的研究方法綜合：在已知被控對(duì)象和合定性能指標(biāo)的前提下，尋求控制規(guī)律，建立一個(gè)能使被控對(duì)象滿足性能要求的系統(tǒng)。分析：在給定系統(tǒng)的條件下，將物理系統(tǒng)抽象成數(shù)學(xué)模型，然后用已經(jīng)成熟的數(shù)學(xué)方法和先進(jìn)的計(jì)算工具來定性或定量地對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)、靜態(tài)的性能分析。自動(dòng)控制研究的三個(gè)基本問題：建立數(shù)學(xué)模型系統(tǒng)性能分析控制器設(shè)計(jì)

Part1.6

控制理論的歷史和發(fā)展前期控制(1400BC-1900)經(jīng)典控制(1935-1950)現(xiàn)代控制(1950-Now)工業(yè)機(jī)器空間技術(shù)控制理論中國(guó)，埃及和巴比倫出現(xiàn)自動(dòng)計(jì)時(shí)漏壺(1400BC-1100BC)。亞歷山大的希羅發(fā)明開閉廟門和分發(fā)圣水等自動(dòng)裝置(100年)。中國(guó)張衡發(fā)明水運(yùn)渾象，研制出自動(dòng)測(cè)量地震的候風(fēng)地動(dòng)儀(132年)。希臘Philon發(fā)明了采用浮球調(diào)節(jié)器來保持燃油液面高度的油燈。(BC250年)。前期控制（1400BC-1900）中國(guó)馬鈞研制出用齒輪傳動(dòng)的自動(dòng)指示方向的指南車(235年)中國(guó)明代宋應(yīng)星所著《天工開物》記載有程序控制思想(CNC)的提花織機(jī)結(jié)構(gòu)圖(1637年)英國(guó)J.Watt用離心式調(diào)速器控制蒸汽機(jī)的速度(1788年)英國(guó)J.C.Maxwell發(fā)表“論調(diào)速器”(OnGovernors)論文(1868年)英國(guó)E.J.Routh建立Routh判據(jù)(Routh-HurwitzStabilityCriteria)(1875年)俄國(guó)A.M.Lyapunov李雅普諾夫博士論文“論運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性的一般問題”(1892年)美國(guó)N.Minorsky研制出用于船舶駕駛的伺服結(jié)構(gòu)，提出PID控制方法(1922)。美國(guó)E.Sperry以及C.Mason研制出火炮控制器(1925)，氣壓反饋控制器(1929)。經(jīng)典控制（1935-1950）美國(guó)H.S.Black提出放大器性能的負(fù)反饋方法(NegativeFeedbackAmplifier)

(1927)現(xiàn)代控制起源于冷戰(zhàn)時(shí)期的軍備競(jìng)賽，如導(dǎo)彈(發(fā)射，操縱，指導(dǎo)及跟蹤)，衛(wèi)星，航天器和星球大戰(zhàn)，以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的出現(xiàn)現(xiàn)代控制（1950-Now）美國(guó)MIT的ServomechanismLaboratory研制出第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床(1952)美國(guó)GeorgeDevol研制出第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人樣機(jī)(1954)，兩年后，被稱為機(jī)器人之父的JosephEngelberger創(chuàng)立了第一家機(jī)器人公司，Unimation。美國(guó)的M.E.Merchant提出計(jì)算機(jī)集成制造的概念(1969)日本Fanuc公司研制出由加工中心和工業(yè)機(jī)器人組成的柔性制造單元(1976)中國(guó)批準(zhǔn)863高技術(shù)計(jì)劃，包括自動(dòng)化領(lǐng)域的計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)和智能機(jī)器人兩個(gè)主題(1986)。日本SONY公司二足步行機(jī)械人SDR-4X(2002)日本安川公司娛樂機(jī)械狗(2001)※世界第一顆人造地球衛(wèi)星(Sputnik)由蘇聯(lián)發(fā)射成功