自動控制原理講稿01課件

自動控制原理第一章導論本講主要內容:

1.11.2.

1.3.

1.4.1.5.

控制的定義控制系統的工作原理和組成控制理論的中心問題自動控制理論的學習內容控制理論的歷史發(fā)展控制的本意

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

自動控制:

在沒有人直接參與的情況下，利用控制裝置或控制器,使機器、設備或生產過程（被控對象）的某個工作狀態(tài)或參數（即被控量）自動地按照預定的規(guī)律運行。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.[程控機床]:自動進刀切削，加工出預期的幾何形狀直線、圓弧等各種差補控制，進給量控制,等等。[動態(tài)過程]觀測恒溫箱內的溫度（被控制量）與要求的溫度（給定值）進行比較得到溫度偏差的大小和方向根據偏差大小和方向調節(jié)調壓器，控制加熱電阻絲的電流以調節(jié)溫度回復到要求值。[實質]檢測偏差再糾正偏差。1.人工控制恒溫箱123Part1.2.1

控制系統的工作原理溫度偏差信號經電壓、功率放大后，用以驅動執(zhí)行電動機，并通過傳動機構拖動調壓器動觸頭。當溫度偏高時，動觸頭向減小電流的方向運動，反之加大電流，直到溫度達到給定值為止，此時，偏差u=0,電機停止轉動。[動態(tài)過程]2.恒溫箱自動控制系統恒溫箱實際溫度由熱電偶轉換為對應的電壓u2恒溫箱期望溫度由電壓u1給定，并與實際溫度u2比較得到溫度偏差信號u=u1-u2系統原理方塊圖[實質]檢測偏差糾正偏差系統方框圖符號組成綜上所述控制系統的工作原理：檢測輸出量（被控制量）的實際值；將輸出量的實際值與給定值（輸入量）進行比較得出偏差；利用偏差值產生控制調節(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，系統能在擾動的情況下，自動減少系統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上，其控制方式是“檢測偏差再糾正偏差”。1.2.3開環(huán)控制與閉環(huán)控制

開環(huán)控制與閉環(huán)控制實際的控制系統根據有無反饋作用可分為三類：開環(huán)控制系統閉環(huán)控制系統復合控制系統

2.閉環(huán)控制

閉環(huán)控制系統特點：輸出端和輸入端之間存在反饋，輸出量對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：精度較高，對外部擾動和系統參數變化不敏感缺點：存在穩(wěn)定、振蕩、超調等問題，系統性能分析和設計麻煩。復合控制特點：按偏差控制和按擾動補償相結合的控制方式稱為復合控制方式E.g.液位控制原型：古代水鐘“銅壺滴漏”Q2H1H2Q1系統原理方塊圖[實質]檢測偏差糾正偏差?？刂破髡?負反饋液位控制系統負反饋

正反饋

l1Q1HQ2l2Q1Q2l2Hl11給定元件：產生給定信號或輸入信號。2反饋元件：測量被控制量（輸出量），產生反饋信號。為便于傳輸，反饋信號通常為電信號。3比較元件：對給定信號和反饋信號進行比較，產生偏差信號。4放大元件：對偏差信號進行放大，使之有足夠的能量驅動執(zhí)行元件實現控制功能。5執(zhí)行元件：直接對受控對象進行操縱的元件，如電動機、液壓馬達等。6校正元件：用以改善系統控制質量的裝置。校正元件分為串聯和并聯兩種?？刂葡到y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，統稱為控制器。實際的控制系統中，擾動總是不可避免的，擾動分為內部擾動和外部擾動。Part1.3控制理論的中心問題穩(wěn)定性：系統動態(tài)過程的振蕩傾向及其恢復平衡狀態(tài)的能力。穩(wěn)定的系統當輸出量偏離平衡狀態(tài)時，其輸出能隨時間的增長收斂并回到初始平衡狀態(tài)。穩(wěn)定性是控制系統正常工作的先決條件。線性控制系統穩(wěn)定性由系統結構所決定，與外界因素無關。圖3-19小范圍穩(wěn)定系統dfcAAf圖3-18不穩(wěn)定系統

Part1.4

控制系統的分類按輸入量的特征分類按系統中傳遞信號的性質分類線性系統和非線性系統定常系統和時變系統*1.按輸入量的特征分類恒值控制系統：系統輸入量為恒定值?？刂迫蝿帐潜ＷC在任何擾動作用下系統的輸出量為恒值。如：恒溫箱控制、電網電壓、頻率控制等。程序控制系統：輸入量的變化規(guī)律預先確知，輸入裝置根據輸入的變化規(guī)律，發(fā)出控制指令，使被控對象按照指令程序的要求而運動。如：數控加工系統隨動系統（伺服系統）：輸入量的變化規(guī)律不能預先確知，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，準確地復現輸入信號的變化規(guī)律。如：仿形加工系統、火炮自動瞄準系統等?？刂葡到y的基本類型按輸入量特征分類按傳遞信號分類按系統構成分類按信號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（數字）控制閉環(huán)控制反饋控制隨動控制復合控制Part1.5自動控制原理學習內容經典自動控制理論

研究單輸入，單輸出的單變量系統線性定常系統

現代控制理論研究多輸入，多輸出的多變量非線性系統和時變系統復雜系統。

復雜系統時域分析，利用狀態(tài)變量、基于時域分析的現代控制理論。確定性系統、隨機系統的最佳控制，乃至復雜系統的自適應和學習控制。魯棒控制、H∞控制及其相關的課題?？刂葡到y的數學模型時域分析法系統分析頻率法分析法根軌跡法綜合校正線性離散控制系統非線性控制系統分析Part1.5.1自動控制系統的研究方法綜合：在已知被控對象和合定性能指標的前提下，尋求控制規(guī)律，建立一個能使被控對象滿足性能要求的系統。分析：在給定系統的條件下，將物理系統抽象成數學模型，然后用已經成熟的數學方法和先進的計算工具來定性或定量地對系統進行動、靜態(tài)的性能分析。自動控制研究的三個基本問題：建立數學模型系統性能分析控制器設計

Part1.6

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

(1927)現代控制起源于冷戰(zhàn)時期的軍備競賽，如導彈(發(fā)射，操縱，指導及跟蹤)，衛(wèi)星，航天器和星球大戰(zhàn)，以及計算機技術的出現現代控制（1950-Now）美國MIT的ServomechanismLaboratory研制出第一臺數控機床(1952)美國GeorgeDevol研制出第一臺工業(yè)機器人樣機(1954)，兩年后，被稱為機器人之父的JosephEngelberger創(chuàng)立了第一家機器人公司，Unimation。美國的M.E.Merchant提出計算機集成制造的概念(1969)日本Fanuc公司研制出由加工中心和工業(yè)機器人組成的柔性制造單元(1976)中國批準863高技術計劃，包括自動化領域的計算機集成制造系統和智能機器人兩個主題(1986)。日本SONY公司二足步行機械人SDR-4X(2002)日本安川公司娛樂機械狗(2001)※世界第一顆人造地球衛(wèi)星(Sputnik)由蘇聯發(fā)射成功