第1章 自動控制系統(tǒng)的基本概念

自動控制原理

昆明理工大學(xué)信息工程與自動化學(xué)院1昆明理工大學(xué)信息工程與自動化學(xué)院自動化系課程性質(zhì)《自動控制原理》是與所有工程技術(shù)相關(guān)的技術(shù)基礎(chǔ)課—工程中的數(shù)學(xué)。基礎(chǔ)課技術(shù)基礎(chǔ)課未來工作知識學(xué)習(xí)能力培養(yǎng)工作能力2昆明理工大學(xué)信息工程與自動化學(xué)院自動化系課程任務(wù)任務(wù)：掌握控制系統(tǒng)的基本理論掌握控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計方法3昆明理工大學(xué)信息工程與自動化學(xué)院自動化系課程基本內(nèi)容控制系統(tǒng)基本概念物理系統(tǒng)建模方法時域分析方法復(fù)域分析方法頻域分析方法系統(tǒng)校正其他4昆明理工大學(xué)信息工程與自動化學(xué)院自動化系教材及主要參考書《自動控制原理》李玉惠晉帆主編向鳳紅主審清華大學(xué)出版社2008參考書《自動控制原理》陳玉宏向鳳紅主編重慶大學(xué)出版社2002《自動控制原理》王建輝主編清華大學(xué)出版社2006《自動控制理論與設(shè)計》上海交大出版社徐薇莉等《AutomaticControlSystem》BenjaminC.Kuo（高教出版社）《現(xiàn)代控制工程》第四版。美KatsuhikoOgata著，盧伯英、于海勛等譯，電子工業(yè)出版社，2003.75昆明理工大學(xué)信息工程與自動化學(xué)院自動化系第1章自動控制系統(tǒng)的基本概念1.1引言1.2開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)1.3自動控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成1.4自動控制系統(tǒng)的分類和應(yīng)用1.5對自動控制系統(tǒng)的基本要求6昆明理工大學(xué)信息工程與自動化學(xué)院自動化系1.1引言

自動控制的自然系統(tǒng)和人造系統(tǒng)自動控制理論發(fā)展簡史自動控制中的常用術(shù)語7昆明理工大學(xué)信息工程與自動化學(xué)院自動化系自動控制的自然系統(tǒng)和人造系統(tǒng)人體自然系統(tǒng)

體溫控制系統(tǒng)心跳控制系統(tǒng)眼球聚焦系統(tǒng)新陳代謝系統(tǒng)血液系統(tǒng)呼吸系統(tǒng)腎肝肺系統(tǒng)

這些系統(tǒng)持續(xù)的自動控制是我們保持健康的基本條件。這些系統(tǒng)是在人們非有意識干預(yù)的情況下自動運行的。8昆明理工大學(xué)信息工程與自動化學(xué)院自動化系天體自然系統(tǒng)銀河系的恒星運動9昆明理工大學(xué)信息工程與自動化學(xué)院自動化系

季節(jié)自然系統(tǒng)四季氣候變更10昆明理工大學(xué)信息工程與自動化學(xué)院自動化系人造系統(tǒng)全自動洗衣機電冰箱電飯煲電梯控制系統(tǒng)溫度控制系統(tǒng)水位控制系統(tǒng)速度控制系統(tǒng)剎車防抱死系統(tǒng)11昆明理工大學(xué)信息工程與自動化學(xué)院自動化系自動控制理論發(fā)展簡史

古希臘水鐘原理圖（公元前300年-公元前1年）

浮塞V1V2V312昆明理工大學(xué)信息工程與自動化學(xué)院自動化系公元前我國的自動計時漏壺公元132年張衡研制出自動測量地震的候風(fēng)地動儀13昆明理工大學(xué)信息工程與自動化學(xué)院自動化系公元235年馬鈞研制出能自動指示方向的指南車14昆明理工大學(xué)信息工程與自動化學(xué)院自動化系V1V2

1787年，JamesWatt為控制蒸汽機速度設(shè)計的離心調(diào)節(jié)器，是自動控制領(lǐng)域的第一項重大成果。15昆明理工大學(xué)信息工程與自動化學(xué)院自動化系但瓦特離心調(diào)速器在調(diào)速過程中存在不穩(wěn)定現(xiàn)象（“設(shè)備變得發(fā)狂！”），當(dāng)時并沒有理論指導(dǎo)，所有的努力都集中在改進調(diào)速器本身（重量、彈簧、摩擦）。J.C.Maxwell把調(diào)節(jié)器跟調(diào)節(jié)對象合在一起，看作一個系統(tǒng)，1868年在論文“論調(diào)節(jié)器”中首先解釋了Watt速度控制系統(tǒng)中出現(xiàn)的不穩(wěn)定問題，通過線性常微分方程的建立和分析，指出了振蕩現(xiàn)象的出現(xiàn)與從系統(tǒng)導(dǎo)出的一個代數(shù)方程根的分布有密切的關(guān)系，開辟了用數(shù)學(xué)方法研究控制系統(tǒng)運動特性的途徑。

僅有實踐是不夠的！16昆明理工大學(xué)信息工程與自動化學(xué)院自動化系1877年E.J.Routh和1895年A.Hurwitz分別獨立地建立了直接根據(jù)代數(shù)方程的系數(shù)判別系統(tǒng)穩(wěn)定性的準(zhǔn)則。1892年A.M.Lyapunov用嚴(yán)格的數(shù)學(xué)分析方法全面地論述了穩(wěn)定性問題,Lyapunov穩(wěn)定性理論至今仍然是分析系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要方法。1922年，Minorsky研制出船舶操縱自動控制器，并證明了從系統(tǒng)的微分方程確定系統(tǒng)的穩(wěn)定性的方法。17昆明理工大學(xué)信息工程與自動化學(xué)院自動化系1925年英國電氣工程師O.亥維賽把拉普拉斯變換應(yīng)用到求解電路網(wǎng)絡(luò)的問題上，創(chuàng)立了運算微積分，隨后被應(yīng)用到分析自動控制系統(tǒng)的問題上，并取得了顯著的成就。早期的載波電話失真嚴(yán)重，解決放大器的非線性累積和無序振蕩，成為電話遠程傳輸?shù)年P(guān)鍵。1927年8月，貝爾實驗室的電氣工程師布萊克(H.S.Black)在輪渡上的靈光一現(xiàn)，催生了最實用的負(fù)反饋控制裝置。負(fù)反饋信號放大器獲得了極好的線性度，解決電子管放大器失真問題和自激振蕩問題，極大地促進了電話的廣泛應(yīng)用。

靈感來自于長期的思考!18昆明理工大學(xué)信息工程與自動化學(xué)院自動化系1932年，Nyquist提出了一種根據(jù)系統(tǒng)的開環(huán)頻率響應(yīng)(對穩(wěn)態(tài)正弦輸入)，確定閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定性的方法。隨后,H.W.Bode和N.B.Nichols等在20世紀(jì)30年代末和40年代初進一步發(fā)展了頻率響應(yīng)法。1934年，Hezen提出了用于位置控制系統(tǒng)的伺服機構(gòu)的概念，討論了可以精確跟蹤變化的輸入信號的機電伺服機構(gòu)。19昆明理工大學(xué)信息工程與自動化學(xué)院自動化系早期的防空火炮控制，一般需要3個人來實施伺服控制，（一個方位角，一個高低角，還有一個引信）。1940年，同樣來自貝爾實驗室的年輕的工程師帕金森用反饋控制方法，解決了這個問題。當(dāng)時，他是一個低職位的工程師，讓他承擔(dān)的任務(wù)是繞電位計，就在1940年春天的一個晚上，他做了一個夢。他夢到既然用電位計可以控制電壓記錄筆，那么，它也應(yīng)該可以控制火炮的發(fā)射。他的這個夢，同樣促進了自動控制技術(shù)的發(fā)展。

教育的目的應(yīng)該使每個人都充滿夢想！火炮隨動控制20昆明理工大學(xué)信息工程與自動化學(xué)院自動化系高炮的控制系統(tǒng)（1945年）21昆明理工大學(xué)信息工程與自動化學(xué)院自動化系到了二十世紀(jì)40年代，尼可爾斯深入研究了PID（Proportion,Integral,Differential）調(diào)節(jié)問題。他在MIT僅有的一臺模擬機（又叫微分分析儀）上做了大量的仿真實驗，最后列出來了PID的整定表?？刂乒こ讨校幸豁椆ぷ鳉v經(jīng)60多年，至今還在使用的，就是尼可爾斯編排的這個PID整定表。22昆明理工大學(xué)信息工程與自動化學(xué)院自動化系1948年，美國科學(xué)家W.R.Evans提出了有名的根軌跡的分析方法，并于1950年進一步應(yīng)用于反饋控制系統(tǒng)的設(shè)計，形成了與頻率響應(yīng)方法相對應(yīng)的另一核心方法——根軌跡法。1954年，中國科學(xué)家錢學(xué)森全面地歸納總結(jié)了經(jīng)典控制理論，在美國出版了國際上第一本經(jīng)典控制理論的著作《工程控制論》。

1956年，前蘇聯(lián)科學(xué)家L.S.Pontryagin提出極大值原理。同年美國數(shù)學(xué)家R.Bellman創(chuàng)立動態(tài)規(guī)劃。極大值原理和動態(tài)規(guī)劃為最優(yōu)控制提供了理論工具。1959年美國數(shù)學(xué)家R.E.Kalman提出了著名的卡爾曼濾波器，1960年又提出能控性和能觀測性的概念。23昆明理工大學(xué)信息工程與自動化學(xué)院自動化系19世紀(jì)60年代，數(shù)字計算機的出現(xiàn)為復(fù)雜系統(tǒng)的基于時域分析的現(xiàn)代控制理論提供了可能。從1960年到1980，確定性系統(tǒng)、隨機系統(tǒng)的最佳控制，及復(fù)雜系統(tǒng)的自適應(yīng)和學(xué)習(xí)控制，都得到充分的研究。從1980年到現(xiàn)在，現(xiàn)代控制理論進展集中于魯棒控制、H∞控制及其相關(guān)課題。24昆明理工大學(xué)信息工程與自動化學(xué)院自動化系經(jīng)典控制理論現(xiàn)代控制理論大系統(tǒng)理論智能控制理論25昆明理工大學(xué)信息工程與自動化學(xué)院自動化系經(jīng)典控制理論以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ),研究單輸入—單輸出一類定?？刂葡到y(tǒng)的分析與設(shè)計問題。

如：調(diào)節(jié)電壓改變電機的速度；調(diào)整方向盤改變汽車的運動軌跡等。這些理論發(fā)展較早，現(xiàn)已臻成熟。現(xiàn)代控制理論以狀態(tài)空間法為基礎(chǔ)，研究多輸入—多輸出、時變、非線性一類控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計問題。如：汽車看成是一個具有兩個輸入（駕駛盤和加速踏板）和兩個輸出（方向和速度）的控制系統(tǒng)。

計算機科學(xué)的發(fā)展，極大地促進了控制科學(xué)的發(fā)展。26昆明理工大學(xué)信息工程與自動化學(xué)院自動化系經(jīng)典控制理論與現(xiàn)代控制理論比較

項目經(jīng)典控制理論現(xiàn)代控制理論研究對象線性定常系統(tǒng)（單輸入、單輸出）線性、非線性、定常、時變系統(tǒng)（多輸入、多輸出）描述方法傳遞函數(shù)（輸入、輸出描述）向量空間（狀態(tài)空間描述）研究辦法根軌跡法和頻率法狀態(tài)空間法研究目標(biāo)系統(tǒng)分析及給定輸入、輸出情況下的系統(tǒng)綜合揭示系統(tǒng)的內(nèi)在規(guī)律，實現(xiàn)在一定意義下的最優(yōu)控制與設(shè)計27昆明理工大學(xué)信息工程與自動化學(xué)院自動化系大系統(tǒng)控制理論大系統(tǒng)控制理論是一種過程控制與信息處理相結(jié)合的動態(tài)系統(tǒng)工程理論，研究的對象具有規(guī)模龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功能綜合、目標(biāo)多樣、因素眾多等特點。它是一個多輸入、多輸出、多干擾、多變量的系統(tǒng)。如：人體，我們就可以看作為一個大系統(tǒng)，其中有體溫的控制、情感的控制、人體血液中各種成分的控制等等。大系統(tǒng)控制理論目前仍處于發(fā)展階段。

28昆明理工大學(xué)信息工程與自動化學(xué)院自動化系智能控制

這是近年來新發(fā)展起來的一種控制技術(shù)，是人工智能在控制上的應(yīng)用。它的指導(dǎo)思想是依據(jù)人的思維方式和處理問題的技巧，解決那些目前需要人的智能才能解決的復(fù)雜的控制問題。

學(xué)派：結(jié)構(gòu)派和功能派它是一門新興的控制學(xué)科，有些問題尚存有爭議，然而由于它實用性強，能運用人們的經(jīng)驗與技巧解決許多以往控制中難以解決的棘手問題（如建模等），因此得到了人們極大的重視。

29昆明理工大學(xué)信息工程與自動化學(xué)院自動化系自動控制中的常用術(shù)語(1)控制對于人-機系統(tǒng)，為使某一機器、設(shè)備或過程處于希望的狀態(tài)而對其進行的操作，稱為控制。人工控制在人直接參與下完成的控制，稱為人工控制。自動控制指在無人直接干預(yù)下，利用物理裝置使被控對象或生產(chǎn)過程的某一物理量（如溫度、壓力、pH值等）按照預(yù)期的規(guī)律運行。例如礦井提升機速度的控制、水泥回轉(zhuǎn)窯濕度的控制、造紙廠紙漿濃度的控制、軋鋼廠加熱爐溫度的控制、物料傳輸機速度的控制、火炮和導(dǎo)彈的自動跟蹤與自動發(fā)射等等。30昆明理工大學(xué)信息工程與自動化學(xué)院自動化系信息化戰(zhàn)爭：奪取信息優(yōu)勢是戰(zhàn)爭勝負(fù)的決定因素重要原則：發(fā)現(xiàn)即摧毀31昆明理工大學(xué)信息工程與自動化學(xué)院自動化系控制發(fā)現(xiàn)即摧毀32昆明理工大學(xué)信息工程與自動化學(xué)院自動化系控制：通俗地說，控制就是使被控對象按照我們預(yù)定的方式工作33昆明理工大學(xué)信息工程與自動化學(xué)院自動化系自動控制中的常用術(shù)語(2)控制裝置

這種能代替人對生產(chǎn)設(shè)備和工藝過程施加控制作用的裝置，稱為自動控制裝置或控制器。受控對象

被控制的機器、設(shè)備或過程稱為受控對象、被控對象或?qū)ο?。如提升機、回轉(zhuǎn)窯、加熱爐等等。被控量

被控制的物理量稱為被控量或輸出量。被控量是表征受控對象工作狀態(tài)的物理量，即速度、濕度、濃度、爐溫、電壓等。34昆明理工大學(xué)信息工程與自動化學(xué)院自動化系被控對象舉例：35昆明理工大學(xué)信息工程與自動化學(xué)院自動化系36昆明理工大學(xué)信息工程與自動化學(xué)院自動化系自動控制中的常用術(shù)語(3)給定量

決定被控量的物理量稱為給定量或參考輸入。給定量表征被控量的期望值或受控對象的期望狀態(tài)。擾動量

妨礙給定量對被控量進行正常控制的所有因素稱為擾動量。如果擾動量產(chǎn)生在系統(tǒng)內(nèi)部稱為內(nèi)擾；擾動量產(chǎn)生在系統(tǒng)外部稱為外擾。給定量和擾動量都是自動控制系統(tǒng)的輸入量。37昆明理工大學(xué)信息工程與自動化學(xué)院自動化系自動控制中的常用術(shù)語(4)系統(tǒng)

由一些相互聯(lián)系和相互制約的環(huán)節(jié)組成并具有特定功能的整體稱為系統(tǒng)。在工業(yè)生產(chǎn)中，一臺機器、一套設(shè)備或任意工藝過程，如加熱爐、軋鋼機、化學(xué)反應(yīng)釜、核反應(yīng)堆等都稱為系統(tǒng)。38昆明理工大學(xué)信息工程與自動化學(xué)院自動化系自動控制中的常用術(shù)語(5)自動控制系統(tǒng)

為實現(xiàn)某一控制目標(biāo)所需要的所有物理部件的有效組合體。自動控制系統(tǒng)由自動控制裝置與受控對象組成?？刂葡到y(tǒng)一般按被控量命名，如速度控制系統(tǒng)、壓力控制系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)等。39昆明理工大學(xué)信息工程與自動化學(xué)院自動化系1.2開環(huán)控制和閉環(huán)控制系統(tǒng)開環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)復(fù)合控制系統(tǒng)

40昆明理工大學(xué)信息工程與自動化學(xué)院自動化系電風(fēng)扇的控制電機（執(zhí)行機構(gòu)）風(fēng)扇葉片

（控制對象）開關(guān)或程序控制器開環(huán)控制系統(tǒng)控制電壓41昆明理工大學(xué)信息工程與自動化學(xué)院自動化系開環(huán)控制系統(tǒng)

電加熱爐溫開環(huán)控制系統(tǒng)控制目的：提高爐溫受控對象（物理實體）：爐子受控量（輸出物理量）：爐溫控制裝置：開關(guān)K和電熱絲，對受控量起控制作用。

圖1.1開環(huán)控制的電加熱爐原理圖42昆明理工大學(xué)信息工程與自動化學(xué)院自動化系控制任務(wù)爐溫保持恒定工作原理

調(diào)壓器電壓→加熱電阻電流→加熱爐溫度

43昆明理工大學(xué)信息工程與自動化學(xué)院自動化系控制結(jié)構(gòu)

存在從左到右的信號傳遞通道—前向通道圖1.2開環(huán)控制的電加熱爐方框圖

44昆明理工大學(xué)信息工程與自動化學(xué)院自動化系特點

系統(tǒng)的輸出端與輸入端不存在反饋回路，輸出量對系統(tǒng)的控制作用不發(fā)生影響的系統(tǒng)。只有從輸入端到輸出端的信號前向通道，不存在由輸出端到輸入端的信號反饋通路。按給定值控制，無抗擾動能力，精度低。

環(huán)節(jié)簡單，容易實現(xiàn)，穩(wěn)定性好。

45昆明理工大學(xué)信息工程與自動化學(xué)院自動化系開環(huán)控制有兩種形式

１按給定值控制２按擾動補償

圖1.3兩種開環(huán)控制形式方框圖

46昆明理工大學(xué)信息工程與自動化學(xué)院自動化系應(yīng)用

目前國民經(jīng)濟各部門都廣泛應(yīng)用開環(huán)控制系統(tǒng)，如自動售貨機、自動洗衣機、產(chǎn)品自動生產(chǎn)流水線及交通指揮的紅綠燈轉(zhuǎn)換等。47昆明理工大學(xué)信息工程與自動化學(xué)院自動化系閉環(huán)控制系統(tǒng)

開環(huán)控制系統(tǒng)難以保持爐溫恒定。如果無論是否出現(xiàn)擾動都要使?fàn)t溫保持恒定，就需人工干預(yù)。閉環(huán)控制是在開環(huán)控制基礎(chǔ)上引入人工干預(yù)過程演變而來的

48昆明理工大學(xué)信息工程與自動化學(xué)院自動化系人工爐溫控制

圖1.4(a)手動控制電加熱爐

49昆明理工大學(xué)信息工程與自動化學(xué)院自動化系人工干預(yù)過程１用眼觀察溫度計測量爐溫２大腦中比較實際與給定溫度圖1.4(b)手動控制電加熱爐方框圖

３相應(yīng)調(diào)整(增加或減小)電壓

50昆明理工大學(xué)信息工程與自動化學(xué)院自動化系

反饋是控制的精髓。運用反饋的例子也是比比皆是。例：調(diào)節(jié)容器內(nèi)液面位置的人工閉環(huán)控制系統(tǒng)液位控制示意圖51昆明理工大學(xué)信息工程與自動化學(xué)院自動化系分析決策腦執(zhí)行工作對象手觀察觀察干擾或激勵眼預(yù)期目標(biāo)實際結(jié)果眼液體的流入和流出液位液位控制人工職能圖52昆明理工大學(xué)信息工程與自動化學(xué)院自動化系例：汽車方向控制系統(tǒng)

汽車方向控制系統(tǒng)53昆明理工大學(xué)信息工程與自動化學(xué)院自動化系汽車方向控制人工職能圖駕車人汽車預(yù)期行駛路線實際行駛路線比較器視覺測量+-偏差方向盤54昆明理工大學(xué)信息工程與自動化學(xué)院自動化系控制器駕車人汽車預(yù)期速度實際速度比較器視覺測量偏差油門剎車汽車速度控制系統(tǒng)55昆明理工大學(xué)信息工程與自動化學(xué)院自動化系人工控制作用

人工的關(guān)鍵性作用是使系統(tǒng)的輸出量參與了系統(tǒng)的控制，形成了信號傳遞的閉環(huán)回路。系統(tǒng)一旦出現(xiàn)偏差，就調(diào)整控制量，從而保證了輸出量的恒定。人工控制系統(tǒng)也叫做人工反饋系統(tǒng)，或叫人工閉環(huán)控制系統(tǒng)。

用自動控制裝置來取代人工操作功能，就變成自動控制系統(tǒng)，或叫閉環(huán)控制系統(tǒng)。56昆明理工大學(xué)信息工程與自動化學(xué)院自動化系電加熱爐溫閉環(huán)控制系統(tǒng)

圖1.5閉環(huán)控制的電加熱爐原理圖57昆明理工大學(xué)信息工程與自動化學(xué)院自動化系控制任務(wù)爐溫保持恒定工作原理

58昆明理工大學(xué)信息工程與自動化學(xué)院自動化系控制結(jié)構(gòu)

圖1.6閉環(huán)控制的電加熱爐方框圖

59昆明理工大學(xué)信息工程與自動化學(xué)院自動化系特點系統(tǒng)的輸出端與輸入端存在反饋回路，輸出量對系統(tǒng)的控制作用發(fā)生影響的系統(tǒng)。存在從輸入端到輸出端的信號前向通道和從輸出端到輸入端的信號反饋通路，形成一個閉合的回路。按偏差控制，有抗擾動能力，精度高。結(jié)構(gòu)復(fù)雜，穩(wěn)定性降低，實現(xiàn)較困難。60昆明理工大學(xué)信息工程與自動化學(xué)院自動化系應(yīng)用

廣泛應(yīng)用各行業(yè)控制器設(shè)定溫度Td(t)室內(nèi)溫度T(t)比較器室內(nèi)溫度

測量空調(diào)壓縮機閉環(huán)例：空調(diào)控制系統(tǒng)61昆明理工大學(xué)信息工程與自動化學(xué)院自動化系現(xiàn)代化的工廠62昆明理工大學(xué)信息工程與自動化學(xué)院自動化系棉紡廠63昆明理工大學(xué)信息工程與自動化學(xué)院自動化系復(fù)合控制系統(tǒng)

兩種基本形式

1按參考輸入前饋補償2按擾動前饋補償

圖1.7復(fù)合控制系統(tǒng)

64昆明理工大學(xué)信息工程與自動化學(xué)院自動化系1.3自動控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成

圖1.8閉環(huán)控制系統(tǒng)的一般構(gòu)成65昆明理工大學(xué)信息工程與自動化學(xué)院自動化系反饋的多樣性：負(fù)反饋、正反饋例：已知鈾235原子核在一個中子的撞擊下，可發(fā)生核裂變反應(yīng)，放出大量的能量，同時釋放大約2.5個中子，放出的中子有可能再與鈾235原子核發(fā)生核反應(yīng)，這就是所謂核裂變的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。66昆明理工大學(xué)信息工程與自動化學(xué)院自動化系核裂變反應(yīng)式初始中子實際中子數(shù)有效中子率++有效中子數(shù)正反饋例：核爆能量67昆明理工大學(xué)信息工程與自動化學(xué)院自動化系負(fù)反饋例子：核電站控制電流i石墨棒電離室反應(yīng)堆石墨反應(yīng)堆示意圖68昆明理工大學(xué)信息工程與自動化學(xué)院自動化系功率測量值功率控制器反應(yīng)堆設(shè)定功率輸出功率傳感器+-偏差E(t)輸入變量r(t)輸出變量y(t)被測變量=反應(yīng)堆中子數(shù)69昆明理工大學(xué)信息工程與自動化學(xué)院自動化系1.4自動控制系統(tǒng)的分類和應(yīng)用按控制方式

開環(huán)控制閉環(huán)控制(反饋控制)復(fù)合控制

70昆明理工大學(xué)信息工程與自動化學(xué)院自動化系機械系統(tǒng)——恒張力系統(tǒng)電氣系統(tǒng)機電系統(tǒng)——全自動照相機，光機電結(jié)合液壓系統(tǒng)——伺服液壓缸，汽車發(fā)動機，大型的仿真模擬臺氣動系統(tǒng)生物系統(tǒng)按元件類型分71昆明理工大學(xué)信息工程與自動化學(xué)院自動化系按系統(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)72昆明理工大學(xué)信息工程與自動化學(xué)院自動化系線性系統(tǒng)非線性系統(tǒng)連續(xù)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)按系統(tǒng)性能分離散系統(tǒng)73昆明理工大學(xué)信息工程與自動化學(xué)院自動化系線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)組成系統(tǒng)元器件的特性均為線性的,可用一個或一組線性微分方程來描述系統(tǒng)輸入和輸出之間的關(guān)系。線性系統(tǒng)的主要特征是具有齊次性和疊加性。

1.線性系統(tǒng)

2.非線性系統(tǒng)

在系統(tǒng)中只要有一個元器件的特性不能用線性微分方程描述其輸入和輸出關(guān)系,則稱為非線性系統(tǒng)。非線性系統(tǒng)還沒有一種完整、成熟、統(tǒng)一的分析法。通常對于非線性程度不很嚴(yán)重,或做近似分析時,均可用線性系統(tǒng)理論和方法來處理。非線性系統(tǒng)分析將在第八章專門討論。

74昆明理工大學(xué)信息工程與自動化學(xué)院自動化系連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)1.連續(xù)系統(tǒng)

系統(tǒng)中所有元件的信號都是隨時間連續(xù)變化的,信號的大小均是可任意取值的模擬量,稱為連續(xù)系統(tǒng)。

2.離散系統(tǒng)

離散系統(tǒng)是指系統(tǒng)中有一處或數(shù)處的信號是脈沖序列或數(shù)碼。若系統(tǒng)中采用了采樣開關(guān),將連續(xù)信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡x散的脈沖形式的信號,此類系統(tǒng)稱為采樣控制系統(tǒng)或脈沖控制系統(tǒng)。若采用數(shù)字計算機或數(shù)字控制器,其離散信號是以數(shù)碼形式傳遞的,此類系統(tǒng)稱為數(shù)字控制系統(tǒng)。75昆明理工大學(xué)信息工程與自動化學(xué)院自動化系定常系統(tǒng)和時變系統(tǒng)

1.定常系統(tǒng)

如果描述系統(tǒng)特性的微分方程中各項系數(shù)都是與時間無關(guān)的常數(shù),則稱為定常系統(tǒng)。該類系統(tǒng)只要輸入信號的形式不變,在不同時間輸入下的輸出響應(yīng)形式是相同的。

2.時變系統(tǒng)

如果描述系統(tǒng)特性的微分方程中只要有一項系數(shù)是時間的函數(shù),此系統(tǒng)稱為時變系統(tǒng)。

76昆明理工大學(xué)信息工程與自動化學(xué)院自動化系按輸入量變化規(guī)律

恒值控制系統(tǒng)

輸入信號是一個恒定的數(shù)值。如：工業(yè)生產(chǎn)中的恒溫、恒壓等自動控制系統(tǒng)。

隨動系統(tǒng)

輸入信號是一個未知函數(shù)。要求控制系統(tǒng)的輸出量跟隨輸入信號變化。如：火炮自動跟蹤系統(tǒng)。

程序控制系統(tǒng)

輸入信號是一個已知的函數(shù)。系統(tǒng)的控制過程按預(yù)定的程序進行，要求被控量能迅速準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)輸入，如化工中的壓力、溫度、流量控制。恒值控制系統(tǒng)可看成輸入等于常值的程序控制系統(tǒng)。

77昆明理工大學(xué)信息工程與自動化學(xué)院自動化系恒值控制系統(tǒng)調(diào)速系統(tǒng)

圖1.9調(diào)速系統(tǒng)原理圖圖1.10調(diào)速系統(tǒng)方框圖

78昆明理工大學(xué)信息工程與自動化學(xué)院自動化系隨動控制系統(tǒng)位置伺服系統(tǒng)

圖1.11位置伺服系統(tǒng)工作原理圖

79昆明理工大學(xué)信息工程與自動化學(xué)院自動化系

圖1.12位置伺服系統(tǒng)方框圖

80昆明理工大學(xué)信息工程與自動化學(xué)院自動化系程序控制系統(tǒng)數(shù)控機床系統(tǒng)

數(shù)控機床開環(huán)系統(tǒng)方框圖

81昆明理工大學(xué)信息工程與自動化學(xué)院自動化系

圖1.13數(shù)控機床閉環(huán)系統(tǒng)方框圖

82昆明理工大學(xué)信息工程與自動化學(xué)院自動化系1913年美國建成最早的汽車裝配流水線1926年美國建成第一條汽車自動生產(chǎn)線

現(xiàn)代自動化工廠生產(chǎn)線（國產(chǎn)）奇瑞、長安汽車沖壓生產(chǎn)線長春汽車焊接生產(chǎn)線83昆明理工大學(xué)信息工程與自動化學(xué)院自動化系1952年美國MIT研制出第一臺數(shù)控機床

現(xiàn)代高速大型數(shù)控中心（沈陽第一機床廠）84昆明理工大學(xué)信息工程與自動化學(xué)院自動化系1954年第一臺工業(yè)機器人國產(chǎn)100公斤點焊機器人85昆明理工大學(xué)信息工程與自動化學(xué)院自動化系2005年我國成功發(fā)射載人飛船（神舟6號）1981年美國“哥倫比亞”號航天飛機首次發(fā)射成功86昆明理工大學(xué)信息工程與自動化學(xué)院自動化系采松果機器人挖樹根機器人87昆明理工大學(xué)信息工程與自動化學(xué)院自動化系嫁接機器人采摘機器人88昆明理工大學(xué)信息工程與自動化學(xué)院自動化系壁面清洗機器人擦玻璃機器人89昆明理工大學(xué)信息工程與自動化學(xué)院自動化系飛機清洗機器人90昆明理工大學(xué)信息工程與自動化學(xué)院自動化系汽車加油機器人91昆明理工大學(xué)信息工程與自動化學(xué)院自動化系家用清潔機器人92昆明理工大學(xué)信息工程與自動化學(xué)院自動化系高壓輸電線維修（遙操作）機器人93昆明理工大學(xué)信息工程與自動化學(xué)院自動化系醫(yī)用機器人94昆明理工大學(xué)信息工程與自動化學(xué)院自動化系中國骨科機器人系統(tǒng)95昆明理工大學(xué)信息工程與自動化學(xué)院自動化系法國遠程醫(yī)療機器人96昆明理工大學(xué)信息工程與自動化學(xué)院自動化系各種軍用機器人97昆明理工大學(xué)信息工程與自動化學(xué)院自動化系98昆明理工大學(xué)信息工程與自動化學(xué)院自動化系國產(chǎn)反恐機器人99昆明理工大學(xué)信息工程與自動化學(xué)院自動化系空間艙外艙內(nèi)機器人100昆明理工大學(xué)信息工程與自動化學(xué)院自動化系

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