樓宇自動(dòng)控制系統(tǒng)-01概述.ppt

1、課程：樓宇自控原理教材：樓宇自動(dòng)化原理,智能建筑自動(dòng)化系統(tǒng)概要 自動(dòng)控制原理 基礎(chǔ) 自動(dòng)控制原理 華中科技大學(xué)出版社 胡燕 自動(dòng)控制原理(非自動(dòng)化類(lèi)) 高等教育出版社 孟慶明 朱向平,前言 學(xué)習(xí)要求 0.1 智能建筑 0.2 自動(dòng)化系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù) 0.3 自動(dòng)控制原理,0.1 智能建筑,智能建筑的定義 智能建筑的發(fā)展 智能建筑的組成和功能,智能建筑的定義,2006年12月,我國(guó)建設(shè)部正式頒布了 GB/T50314-2006智能建筑設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)， 對(duì)智能建筑定義如下： 智能建筑是以建筑為平臺(tái)，兼?zhèn)湫畔⒃O(shè)施系統(tǒng)、信息化應(yīng)用系統(tǒng)、建筑設(shè)備管理系統(tǒng)，集結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)、服務(wù)、管理及其優(yōu)化組合為一體，向人們提供安全

2、、高效、便捷、節(jié)能、環(huán)保、健康的建筑環(huán)境。,智能建筑的發(fā)展,世界上第一座智能大廈是1984年1月在美國(guó)康涅狄格州（Connecticut）哈特福德市（Hartford）誕生的。它是由美國(guó)聯(lián)合技術(shù)建筑系統(tǒng)公司（UTBS）將一幢舊金融大廈進(jìn)行改造，定名為“都市大廈”（City Place Building）。38層高，總建筑面積達(dá)10萬(wàn)多m2 。隨后，智能建筑得到蓬勃發(fā)展。 據(jù)統(tǒng)計(jì)，美國(guó)的智能建筑超過(guò)數(shù)萬(wàn)幢，日本新建大樓中60%以上是智能建筑。 我國(guó)智能建筑起步較晚。 始于1990年，北京發(fā)展大廈(18F)雛形； 1993年，廣東國(guó)際大廈 首座。 另?yè)?jù)世界銀行預(yù)測(cè)，在21世紀(jì)，全世界智能大廈的50

3、%將興建在中國(guó)的各大城市里。,智能建筑的組成和功能,三大基本組成要素:3A系統(tǒng),BAS建筑(樓宇)設(shè)備自動(dòng)化系統(tǒng) (Building Automation System) CN(A)S通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng) (Communication Network System) OAS辦公自動(dòng)化系統(tǒng) (Office Automation System)。,要實(shí)現(xiàn)智能建筑的系統(tǒng)集成，還需要有一套標(biāo)準(zhǔn)的布線系統(tǒng)作為建筑物或建筑群內(nèi)部的傳輸網(wǎng)絡(luò)，它既能連接建筑物內(nèi)的各類(lèi)通信設(shè)備，又能使這些設(shè)備與外部通信網(wǎng)絡(luò)相連接，這就是綜合布線系統(tǒng)（GCS，PDS）,IBMS智能建筑管理集成系統(tǒng) (Integrated Buildin

4、g Management System) 所謂系統(tǒng)集成，就是將智能建筑中從屬于不同子系統(tǒng)和技術(shù)領(lǐng)域的所有分離的設(shè)備、功能和信息有機(jī)地結(jié)合成為一個(gè)實(shí)現(xiàn)信息匯集、功能優(yōu)化、綜合管理、資源共享的相互關(guān)聯(lián)、統(tǒng)一協(xié)調(diào)的整體。,CAS,BAS,OAS,GCS,Office Automation System辦公自動(dòng)化系統(tǒng),Generic Cabling System 結(jié)構(gòu)化布線系統(tǒng),Communication Automation System 通信自動(dòng)化系統(tǒng),Building Automation System建筑自動(dòng)化系統(tǒng),SIC,System Integrated Center 系統(tǒng)集成中心,0.2

5、 自動(dòng)化系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù),技術(shù)支撐(核心技術(shù)): 3C計(jì)算機(jī)/通訊/控制 數(shù)據(jù)通信技術(shù) 智能建筑中的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò) 樓宇自動(dòng)控制基本原理及測(cè)控設(shè)備 樓宇電氣控制及PLC基礎(chǔ) 智能建筑中的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) 數(shù)據(jù)庫(kù)基礎(chǔ),A+4C 現(xiàn)代建筑技術(shù)(Architecture) 現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)(Computer) 現(xiàn)代控制技術(shù)(Control) 現(xiàn)代通信技術(shù)(Communication) 現(xiàn)代圖像顯示技術(shù)(CRT),建筑設(shè)備自動(dòng)控制基本原理及其測(cè)控設(shè)備 自動(dòng)控制系統(tǒng) 常用傳感器 調(diào)節(jié)閥、調(diào)節(jié)風(fēng)閥與執(zhí)行器 調(diào)節(jié)器控制規(guī)律選擇與參數(shù)整定,智能建筑中的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展 BAS中的通信標(biāo)準(zhǔn)與通信協(xié)議 典

6、型樓宇自控產(chǎn)品,0.3 自動(dòng)控制原理,發(fā)展歷史 學(xué)習(xí)內(nèi)容 學(xué)習(xí)目的,自動(dòng)控制理論的發(fā)展,第一階段古典（經(jīng)典）控制理論 第二階段現(xiàn)代控制理論 第三階段大系統(tǒng)理論 第四階段智能控制理論,經(jīng)典控制理論,控制理論的發(fā)展初期，是以反饋理論為基礎(chǔ)的自動(dòng)調(diào)節(jié)原理，主要用于工業(yè)控制。第二次世界大戰(zhàn)期間，為了設(shè)計(jì)和制造飛機(jī)及船用自動(dòng)駕駛儀、火炮定位系統(tǒng)、雷達(dá)跟蹤系統(tǒng)等基于反饋原理的軍用裝備，進(jìn)一步促進(jìn)和完善了自動(dòng)控制理論的發(fā)展。,1868年，馬克斯威爾（J.C.Maxwell）提出了低階系統(tǒng)的穩(wěn)定性代數(shù)判據(jù) 。 1875年和1896年，數(shù)學(xué)家勞斯（Routh）和赫爾威茨（Hurwitz）分別獨(dú)立地提出了高階系統(tǒng)

7、的穩(wěn)定性判據(jù)，即Routh和Hurwitz判據(jù)。 二戰(zhàn)期間（1938-1945年）奈奎斯特（H.Nyquist）提出了頻率響應(yīng)理論 1948年，伊萬(wàn)斯（W.R.Evans）提出了根軌跡法。至此，控制理論發(fā)展的第一階段基本完成，形成了以頻率法和根軌跡法為主要方法的經(jīng)典控制理論。,經(jīng)典控制理論的基本特征,（1）主要用于線性定常系統(tǒng)的研究，即用于常系數(shù)線性微分方程描述的系統(tǒng)的分析與綜合； （2）只用于單輸入，單輸出的反饋控制系統(tǒng)； （3）只討論系統(tǒng)輸入與輸出之間的關(guān)系，而忽視系統(tǒng)的內(nèi)部狀態(tài)，是一種對(duì)系統(tǒng)的外部描述方法。 基本方法：時(shí)域法，根軌跡法，頻率法，PID調(diào)節(jié)器,反饋控制是一種最基本最重要的控

8、制方式，引入反饋信號(hào)后，系統(tǒng)對(duì)來(lái)自?xún)?nèi)部和外部干擾的響應(yīng)變得十分遲鈍，從而提高了系統(tǒng)的抗干擾能力和控制精度。與此同時(shí)，反饋?zhàn)饔糜謳?lái)了系統(tǒng)穩(wěn)定性問(wèn)題，正是這個(gè)曾一度困擾人們的系統(tǒng)穩(wěn)定性問(wèn)題激發(fā)了人們對(duì)反饋控制系統(tǒng)進(jìn)行深入研究的熱情，推動(dòng)了自動(dòng)控制理論的發(fā)展與完善。因此從某種意義上講，古典控制理論是伴隨著反饋控制技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展而逐漸完善和成熟起來(lái)的。,現(xiàn)代控制理論,經(jīng)典控制理論只適用于單輸入、單輸出的線性定常系統(tǒng)，只注重系統(tǒng)的外部描述而忽視系統(tǒng)的內(nèi)部狀態(tài)。在實(shí)際應(yīng)用中有很大局限性。 隨著航天事業(yè)和計(jì)算機(jī)的發(fā)展，20世紀(jì)60年代初，在經(jīng)典控制理論的基礎(chǔ)上，以線性代數(shù)理論和狀態(tài)空間分析法為基礎(chǔ)的現(xiàn)代

9、控制理論迅速發(fā)展起來(lái)。 1954年貝爾曼（R.Belman)提出動(dòng)態(tài)規(guī)劃理論 1956年龐特里雅金（L.S.Pontryagin）提出極大值原理 1960年卡爾曼（R.K.Kalman)提出多變量最優(yōu)控制和最優(yōu)濾波理論 在數(shù)學(xué)工具、理論基礎(chǔ)和研究方法上不僅能提供系統(tǒng)的外部信息（輸出量和輸入量），而且還能提供系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)變量的信息。它無(wú)論對(duì)線性系統(tǒng)或非線性系統(tǒng)，定常系統(tǒng)或時(shí)變系統(tǒng)，單變量系統(tǒng)或多變量系統(tǒng)，都是一種有效的分析方法。 基本方法：狀態(tài)方程 （時(shí)域）,大系統(tǒng)理論,20世紀(jì)70年代開(kāi)始，現(xiàn)代控制理論繼續(xù)向深度和廣度發(fā)展，出現(xiàn)了一些新的控制方法和理論。如（1）現(xiàn)代頻域方法 以傳遞函數(shù)矩陣為數(shù)

10、學(xué)模型，研究線性定常多變量系統(tǒng)；（2）自適應(yīng)控制理論和方法 以系統(tǒng)辨識(shí)和參數(shù)估計(jì)為基礎(chǔ)，在實(shí)時(shí)辨識(shí)基礎(chǔ)上在線確定最優(yōu)控制規(guī)律；（3）魯棒控制方法 在保證系統(tǒng)穩(wěn)定性和其它性能基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)不變的魯棒控制器，以處理數(shù)學(xué)模型的不確定性。 隨著控制理論應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，從個(gè)別小系統(tǒng)的控制，發(fā)展到若干個(gè)相互關(guān)聯(lián)的子系統(tǒng)組成的大系統(tǒng)進(jìn)行整體控制，從傳統(tǒng)的工程控制領(lǐng)域推廣到包括經(jīng)濟(jì)管理、生物工程、能源、運(yùn)輸、環(huán)境等大型系統(tǒng)以及社會(huì)科學(xué)領(lǐng)域。 大系統(tǒng)理論是過(guò)程控制與信息處理相結(jié)合的系統(tǒng)工程理論，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(diǎn)。它是一個(gè)多輸入、多輸出、多干擾、多變量的系統(tǒng)。大系統(tǒng)理論目前

11、仍處于發(fā)展和開(kāi)創(chuàng)性階段。,智能控制,是近年來(lái)新發(fā)展起來(lái)的一種控制技術(shù)，是人工智能在控制上的應(yīng)用。智能控制的概念和原理主要是針對(duì)被控對(duì)象、環(huán)境、控制目標(biāo)或任務(wù)的復(fù)雜性提出來(lái)的，它的指導(dǎo)思想是依據(jù)人的思維方式和處理問(wèn)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(wèn)題。被控對(duì)象的復(fù)雜性體現(xiàn)為:模型的不確定性，高度非線性，分布式的傳感器和執(zhí)行器，動(dòng)態(tài)突變，多時(shí)間標(biāo)度，復(fù)雜的信息模式，龐大的數(shù)據(jù)量，以及嚴(yán)格的特性指標(biāo)等。智能控制是驅(qū)動(dòng)智能機(jī)器自主地實(shí)現(xiàn)其目標(biāo)的過(guò)程。 智能控制是從“仿人”的概念出發(fā)的。其方法包括學(xué)習(xí)控制、模糊控制、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)控制和專(zhuān)家控制等方法。,經(jīng)典控制理論與現(xiàn)代控制理論比較,

12、自動(dòng)控制理論的發(fā)展,1、經(jīng)典控制理論 研究的主要對(duì)象是單輸入、單輸出單變量系統(tǒng)。 如：調(diào)節(jié)電壓改變電機(jī)的速度；調(diào)整方向盤(pán)改變汽車(chē) 的運(yùn)動(dòng)軌跡等。 2、現(xiàn)代控制理論 研究的主要對(duì)象是多輸入、多輸出多變量系統(tǒng)。 如，汽車(chē)看成是一個(gè)具有兩個(gè)輸入（駕駛盤(pán)和加速踏 板）和兩個(gè)輸出（方向和速度）的控制系統(tǒng)。 計(jì)算機(jī)科學(xué)地發(fā)展，極大地促進(jìn)了控制科學(xué)地發(fā)展,自動(dòng)控制理論的發(fā)展,3、大系統(tǒng)控制理論 大系統(tǒng)控制理論是一種過(guò)程控制與信息處理相結(jié)合的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)工程理論，研究的對(duì)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(diǎn)。它是一個(gè)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(gè)大系

13、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。,自動(dòng)控制理論的發(fā)展,4、智能控制 這是近年來(lái)新發(fā)展起來(lái)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(wèn)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(wèn)題。 學(xué)派：結(jié)構(gòu)派和功能派 它是一門(mén)新興的控制學(xué)科，有些問(wèn)題尚存有爭(zhēng)議，然而由于它實(shí)用性強(qiáng)，能運(yùn)用人們的經(jīng)驗(yàn)與技巧解決許多以往控制中難以解決的棘手問(wèn)題（如建模等），因此得到了人們極大的重視。,自動(dòng)控制理論的發(fā)展,控制理論發(fā)展的歷史,現(xiàn)狀及前景,經(jīng)典控制理論,經(jīng)典控制理論，以單變量控制，隨動(dòng)/調(diào)節(jié)為主要內(nèi)容，

14、以微分方程和傳遞函數(shù)為數(shù)學(xué)模型，所用的方法主要以頻率響應(yīng)法為主。數(shù)學(xué)工具： 微分方程， 復(fù)變函數(shù),第一階段：經(jīng)典控制理論,(一)、經(jīng)典控制理論階段 閉環(huán)的自動(dòng)控制裝置的應(yīng)用，可以追溯到1788年瓦特（J.Watt）發(fā)明的飛錘調(diào)速器的研究。然而最終形成完整的自動(dòng)控制理論體系，是在20世紀(jì)40年代末。 最先使用反饋控制裝置的是希臘人在公元前300年到1年中使用的浮子調(diào)節(jié)器。凱特斯比斯（Kitesibbios）在油燈中使用了浮子調(diào)節(jié)器以保持油面高度穩(wěn)定。,第一階段：經(jīng)典控制理論,19世紀(jì)60年代期間是控制系統(tǒng)高速發(fā)展的時(shí)期，1868年麥克斯韋爾（J.C.Maxwell）基于微分方程描述從理論上給出了

15、它的穩(wěn)定性條件。1877年勞斯（E.J.Routh）,1895年霍爾維茨（A.Hurwitz）分別獨(dú)立給出了高階線性系統(tǒng)的穩(wěn)定性判據(jù)；另一方面，1892年，李雅普諾夫（A.M.Lyapunov）給出了非線性系統(tǒng)的穩(wěn)定性判據(jù)。在同一時(shí)期，維什哥熱斯基（I.A.Vyshnegreskii）也用一種正規(guī)的數(shù)學(xué)理論描述了這種理論。 1922年米羅斯基(N.Minorsky)給出了位置控制系統(tǒng)的分析，并對(duì)PID三作用控制給出了控制規(guī)律公式。 1942年，齊格勒（J.G.Zigler）和尼科爾斯(N.B.Nichols)又給出了PID控制器的最優(yōu)參數(shù)整定法。上述方法基本上是時(shí)域方法。,第一階段：經(jīng)典控制理

16、論,1932年柰奎斯特(Nyquist)提出了負(fù)反饋系統(tǒng)的頻率域穩(wěn)定性判據(jù)，這種方法只需利用頻率響應(yīng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。1940年，波德(H.Bode)進(jìn)一步研究通信系統(tǒng)頻域方法，提出了頻域響應(yīng)的對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖描述方法。1943年，霍爾(A.C.Hall)利用傳遞函（復(fù)數(shù)域模型）和方框圖，把通信工程的頻域響應(yīng)方法和機(jī)械工程的時(shí)域方法統(tǒng)一起來(lái)，人們稱(chēng)此方法為復(fù)域方法。 頻域分析法主要用于描述反饋放大器的帶寬和其他頻域指標(biāo)。 第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束時(shí)，經(jīng)典控制技術(shù)和理論基本建立。1948年伊文斯（W.Evans）又進(jìn)一步提出了屬于經(jīng)典方法的根軌跡設(shè)計(jì)法，它給出了系統(tǒng)參數(shù)變換與時(shí)域性能變化之間的關(guān)系。至此,復(fù)數(shù)域與

17、頻率域的方法進(jìn)一步完善。,第一階段：經(jīng)典控制理論,總結(jié):經(jīng)典控制理論的分析方法為復(fù)數(shù)域方法,以傳遞函數(shù)作為系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，常利用圖表進(jìn)行分析設(shè)計(jì)，比求解微分方程簡(jiǎn)便。 優(yōu)點(diǎn):可通過(guò)試驗(yàn)方法建立數(shù)學(xué)模型，物理概念清晰，得到廣泛的工程應(yīng)用。 缺點(diǎn):只適應(yīng)單變量線性定常系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)缺少了解，且復(fù)數(shù)域方法研究時(shí)域特性，得不到精確的結(jié)果。,控制理論發(fā)展的歷史,現(xiàn)狀及前景,現(xiàn)代控制理論、后現(xiàn)代控制理論, 現(xiàn)代控制理論 20世紀(jì)60年代初形成并迅速發(fā)展起來(lái)的 現(xiàn)代控制理論是在航天、航空、導(dǎo)彈等軍事尖端技術(shù)的發(fā)展，對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)提出越來(lái)越高的要求的推動(dòng)下發(fā)展起來(lái)的。要求設(shè)計(jì)高精度、快速響應(yīng)、低消耗、低代

18、價(jià)的控制系統(tǒng)；被控制對(duì)象越來(lái)越大型、復(fù)雜、綜合化，從單個(gè)局部自動(dòng)化發(fā)展成綜合集成自動(dòng)化,現(xiàn)代控制理論、后現(xiàn)代控制理論,后現(xiàn)代控制理論 20世紀(jì)80年代以后，控制理論向廣度與深度發(fā)展 大系統(tǒng)，是指規(guī)模大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜變量眾多的信息與控制系統(tǒng)。在系統(tǒng)理論中，采用狀態(tài)方程和代數(shù)方程相結(jié)合的數(shù)學(xué)模型，狀態(tài)空間，運(yùn)籌學(xué)等相結(jié)合的數(shù)學(xué)方法。 智能控制 ，是具有某些仿人智能的工程控制與信息處理系統(tǒng)，其中最典型的是智能機(jī)器人， 智能主體等。 21世紀(jì) 網(wǎng)絡(luò)、通訊、人機(jī)交互為代表的信息自動(dòng)化 集成的理論與技術(shù)。,第二階段：現(xiàn)代控制理論,20世紀(jì)60年代初，在原有“經(jīng)典控制理論”的基礎(chǔ)上，形成了所謂的“現(xiàn)代控制理論”

19、 。 為現(xiàn)代控制理論的狀態(tài)空間法的建立作出貢獻(xiàn)的有，1954年貝爾曼(R.Bellman)的動(dòng)態(tài)規(guī)劃理論，1956年龐特里雅金(L.S.Pontryagin)的極大值原理，和1960年卡爾曼（R.E.Kalman）的多變量最優(yōu)控制和最優(yōu)濾波理論。 頻域分析法在二戰(zhàn)后持續(xù)占著主導(dǎo)地位，特別是拉普拉斯變換和傅里葉變換的發(fā)展。在20世紀(jì)50年代，控制工程的發(fā)展的重點(diǎn)是復(fù)平面和根軌跡的發(fā)展。進(jìn)而在20世紀(jì)80年代，數(shù)字計(jì)算機(jī)在控制系統(tǒng)中的使用變得普遍起來(lái)，這些新控制部件的使用使得控制精確、快速。,第三階段：大系統(tǒng)控制,20世紀(jì)70年代開(kāi)始，出現(xiàn)了一些新的控制方法和理論。如 （1）現(xiàn)代頻域方法，該方法以

20、傳遞函數(shù)矩陣為數(shù)學(xué)模型，研究線性定常多變量系統(tǒng)； （2）自適應(yīng)控制理論和方法，該方法以系統(tǒng)辨識(shí)和參數(shù)估計(jì)為基礎(chǔ)，處理被控對(duì)象不確定和緩時(shí)變，在實(shí)時(shí)辨識(shí)基礎(chǔ)上在線確定最優(yōu)控制規(guī)律； （3）魯棒控制方法，該方法在保證系統(tǒng)穩(wěn)定性和其它性能基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)不變的魯棒控制器，以處理數(shù)學(xué)模型的不確定性； （4）預(yù)測(cè)控制方法，該方法為一種計(jì)算機(jī)控制算法，在預(yù)測(cè)模型的基礎(chǔ)上采用滾動(dòng)優(yōu)化和反饋校正，可以處理多變量系統(tǒng)。,第四階段：智能控制,智能控制的指導(dǎo)思想是依據(jù)人的思維方式和處理問(wèn)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(wèn)題。被控對(duì)象的復(fù)雜性體現(xiàn)為:模型的不確定性，高度非線性，分布式的傳感器和執(zhí)行器

21、，動(dòng)態(tài)突變，多時(shí)間標(biāo)度，復(fù)雜的信息模式，龐大的數(shù)據(jù)量，以及嚴(yán)格的特性指標(biāo)等。而環(huán)境的復(fù)雜性則表現(xiàn)為變化的不確定性和難以辨識(shí)。 試圖用傳統(tǒng)的控制理論和方法去解決復(fù)雜的對(duì)象，復(fù)雜的環(huán)境和復(fù)雜的任務(wù)是不可能的。 智能控制的方法包括模糊控制，神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)控制，專(zhuān)家控制等方法。,目前的發(fā)展趨勢(shì),我國(guó)控制理論的教學(xué),1949. 上海交大 張鐘俊 伺服系統(tǒng) 1950 清華大學(xué) 鐘士模 自動(dòng)調(diào)節(jié)原理 5060年代 隨動(dòng)系統(tǒng)，自動(dòng)調(diào)節(jié)原理 70年代末80年代 現(xiàn)代控制理論，最優(yōu)控制 ，自適應(yīng)控制，系統(tǒng)辨識(shí)， 隨機(jī)控制，大系統(tǒng)理論（運(yùn)籌學(xué)），魯棒控制 90年代 模糊控制， 智能控制，系統(tǒng)集成 新世紀(jì) 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，生物

22、信息技術(shù)，嵌入式系統(tǒng)信息自動(dòng)化 要求：厚基礎(chǔ) 寬口徑 學(xué)科交叉 科學(xué)思維方法 勇于實(shí)踐和探索,第一章自動(dòng)控制原理,第一節(jié) 概述 自動(dòng)控制和自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念 自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類(lèi) 典型輸入信號(hào)及自動(dòng)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo) 小結(jié),課 題: 一. 自動(dòng)控制和自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念,目的、要求: 了解人工控制與自動(dòng)控制的基本概念 掌握自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念與常用術(shù)語(yǔ) 理解自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成方框圖 難點(diǎn): 概念:被控量,擾動(dòng) 方框圖,日常生活過(guò)程中的控制系統(tǒng)例子-,水箱水位控制系統(tǒng),被控對(duì)象：水箱 被控量：水箱水位 控制裝置：杠桿 檢測(cè)元件：浮球 控制手段：進(jìn)水閥,工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中受壓容器的人工控制,人工

23、控制的三大職能,眼睛了解情況 大腦比較、判斷與決策 手足執(zhí)行操作,工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中受壓容器的自動(dòng)控制,受壓容器水位自動(dòng)控制系統(tǒng),被控對(duì)象：受壓容器 被控量： 水位 控制裝置：自動(dòng)控制器 檢測(cè)元件：平衡容器和差壓變送器 執(zhí)行器： 電動(dòng)執(zhí)行器 控制手段：給水控制閥,自動(dòng)控制的三大主要設(shè)備及功能,測(cè)量變送器了解情況 自動(dòng)控制器比較、運(yùn)算、指揮 執(zhí)行器接受命令、執(zhí)行操作,自動(dòng)控制的概念,1自動(dòng)控制: 指在無(wú)人的直接干預(yù)下，利用自動(dòng)控制裝置（簡(jiǎn)稱(chēng)控制器）使被控對(duì)象的工作狀態(tài)按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行.,2自動(dòng)控制系統(tǒng): 實(shí)現(xiàn)上述控制目的，由相互制約的各部分按一定規(guī)律組成的具有特定功能的整體.,3（被控）對(duì)象 指被

24、控制的生產(chǎn)過(guò)程或設(shè)備?？墒且粋€(gè)設(shè)備，它是由一些機(jī)器零件有機(jī)地組合在一起的，其作用是完成一個(gè)特定的動(dòng)作。在下面的討論中，稱(chēng)任何被控物體（如受壓容器、加熱爐、化學(xué)反應(yīng)器或宇宙飛船）為對(duì)象。,4 被控量 指表征生產(chǎn)過(guò)程是否正常進(jìn)行而需要加以控制的物理量。通常也稱(chēng)為被調(diào)量。,自動(dòng)控制的概念,自動(dòng)控制的概念,5控制量 由控制機(jī)構(gòu)改變的使被控量恢復(fù)到給定值的物理量。,6給定值（參考量）是指根據(jù)生產(chǎn)工藝要求被控量應(yīng)保持的數(shù)值。,7 擾動(dòng),8 反饋控制,引起被控量偏離給定值的各種因素。擾動(dòng)是一種對(duì)系統(tǒng)的輸出產(chǎn)生不利影響的信號(hào)。如果擾動(dòng)產(chǎn)生在系統(tǒng)內(nèi)部稱(chēng)為內(nèi)擾；擾動(dòng)產(chǎn)生在系統(tǒng)外部，則稱(chēng)為外擾。外擾是系統(tǒng)的輸入量。

25、,反饋控制是指在存在擾動(dòng)的情況下，力圖減小系統(tǒng)的輸出量與參考輸入量（也稱(chēng)參據(jù)量）（或者任意變化的希望的狀態(tài)）之間的偏差，的一種控制過(guò)程。,自動(dòng)控制的概念,自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念,反饋控制系統(tǒng)的中所用到的術(shù)語(yǔ)： 給定值（參考輸入值） 控制量 被控量 擾動(dòng)量(內(nèi)擾,外擾) 自動(dòng)控制裝置 = 傳感器 + 控制器 + 給定器 + 執(zhí)行器 受控過(guò)程（受控對(duì)象） 控制系統(tǒng) = 受控過(guò)程控制裝置,自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成,自動(dòng)控制系統(tǒng)組成方框圖,自動(dòng)控制系統(tǒng)方框圖的概念,能直觀地表達(dá)自動(dòng)控制系統(tǒng)中各設(shè)備之間相互作用與信號(hào)傳遞關(guān)系的示意圖稱(chēng)為自動(dòng)控制系統(tǒng)的方塊圖。,自動(dòng)控制系統(tǒng)方框圖,方框圖的四要素：,自動(dòng)控制系統(tǒng)

26、方框圖的特點(diǎn),方框圖中的信號(hào)只能沿箭頭方向傳遞，具有單向性。 方框圖具有不唯一性，不同的輸入/輸出信號(hào)，其因果關(guān)系是不一樣的，因此方框圖具有不唯一性。,課題: 二. 自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類(lèi),目的、要求: 掌握自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類(lèi) 重點(diǎn): 開(kāi)環(huán)、閉環(huán)控制系統(tǒng), 前饋、反饋控制系統(tǒng) 串級(jí)控制系統(tǒng),設(shè)定器,控制器,被控對(duì)象,擾動(dòng),被控量,設(shè)定器,被控過(guò)程,傳感器,控制器,（一）按控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)不同分類(lèi),2.閉環(huán)控制系統(tǒng) :,1.開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)：,開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng),定義,如果系統(tǒng)的輸出量與輸入量間不存在反饋的通道，這種控制方式稱(chēng)為開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)。,閉環(huán)（反饋）控制系統(tǒng),(1) 反饋,把取出的輸出量送回輸入端，并與輸

27、入信號(hào)相比較產(chǎn)生偏差信號(hào)的過(guò)程，稱(chēng)為反饋。若反饋的信號(hào)與輸入信號(hào)相減，使產(chǎn)生的偏差越來(lái)越小，則稱(chēng)為負(fù)反饋；反之，則稱(chēng)為正反饋。,能對(duì)輸入量與輸出量進(jìn)行比較，并且將它們的偏差作為控制手段，以保持兩者之間預(yù)定關(guān)系的系統(tǒng)，稱(chēng)為反饋控制系統(tǒng)。由于引入了被反饋量的反饋信息，整個(gè)控制過(guò)程成為閉合的，因此反饋控制也稱(chēng)為閉環(huán)控制。,(2) 閉環(huán)控制系統(tǒng),閉環(huán)控制系統(tǒng)方框圖,開(kāi)環(huán)與閉環(huán)控制系統(tǒng)的比較,開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 信號(hào)從輸入到輸出無(wú)反饋,單向傳遞.只有順向作用，沒(méi)有反向的聯(lián)系，沒(méi)有修正偏差能力，抗擾動(dòng)性較差，控制精度不高,無(wú)法抑制擾動(dòng)。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)整方便、成本低。 閉環(huán)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 有反饋回路，

28、根據(jù)偏差進(jìn)行控制;可以抑制內(nèi)、外擾動(dòng)對(duì)被控制量產(chǎn)生的影響?？刂凭雀?自動(dòng)糾偏；結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)計(jì)、分析麻煩。,閉環(huán)控制系統(tǒng)與反饋控制系統(tǒng)的關(guān)系,閉環(huán)控制系統(tǒng):系統(tǒng)輸出信號(hào)與輸入端之間存在反饋回路的系統(tǒng)。 閉環(huán)控制系統(tǒng)也叫反饋控制系統(tǒng)。“閉環(huán)”即應(yīng)用反饋?zhàn)饔脕?lái)減小系統(tǒng)誤差。,3.復(fù)合（前饋-反饋）控制系統(tǒng),復(fù)合控制系統(tǒng)，即前饋-反饋控制系統(tǒng) 復(fù)合控制:閉環(huán)控制和開(kāi)環(huán)控制結(jié)合的一種方式。它是在閉環(huán)控制等基礎(chǔ)上增加一個(gè)干擾信號(hào)的補(bǔ)償控制，以提高控制系統(tǒng)的抗干擾能力。 增加干擾信號(hào)的補(bǔ)償控制作用，可以在干擾對(duì)被控量產(chǎn)生不利影響同時(shí)及時(shí)提供控制作用以抵消此不利影響。純閉環(huán)控制則要等待該不利影響反映到被控信

29、號(hào)之后才引起控制作用，對(duì)干擾的反應(yīng)較慢。,若按控制依據(jù)信號(hào)性質(zhì)來(lái)分類(lèi)，也可以將閉環(huán)、開(kāi)環(huán)、復(fù)合控制系統(tǒng)稱(chēng)作為以下三種類(lèi)型：即,控制器,被控過(guò)程,控制器,被控過(guò)程,控制器,被控過(guò)程,反饋控制系統(tǒng),前饋控制系統(tǒng),前饋反饋 控制系統(tǒng),1.定值控制系統(tǒng)（或稱(chēng)恒值系統(tǒng)） 特點(diǎn)：輸入信號(hào)是一個(gè)恒定的數(shù)值。恒值控制系統(tǒng)主要研究各種干擾對(duì)系統(tǒng)輸出的影響以及如何克服這些干擾 2.隨動(dòng)控制系統(tǒng)（或稱(chēng)伺服系統(tǒng)） 特點(diǎn)：輸入信號(hào)是一個(gè)未知函數(shù)，要求輸出量跟隨給定量變化。 3.程序控制系統(tǒng) 特點(diǎn)：輸入信號(hào)是一個(gè)已知的時(shí)間函數(shù)，系統(tǒng)的控制過(guò)程按預(yù)定的程序進(jìn)行，要求被控量能迅速準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)。,（二）按給定值變化規(guī)律分類(lèi),（三

30、）按控制系統(tǒng)閉合回路數(shù)目分類(lèi),1.單回路控制系統(tǒng) 只有一個(gè)被控量反饋到調(diào)節(jié)器的輸入端，只形成一個(gè)閉合回路，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，單回路控制系統(tǒng)也稱(chēng)單級(jí)控制系統(tǒng)。 2.多回路控制系統(tǒng) 為了改善系統(tǒng)控制性能，可引入局部反饋，閉合回路數(shù)不只一個(gè)，這就形成了多回路控制系統(tǒng)。也稱(chēng)為串級(jí)控制系統(tǒng)。,（四）按輸入量于輸出量之間的關(guān)系分類(lèi),1.線性控制系統(tǒng) 輸入與輸出成正比，可用疊加原理， 用線性數(shù)學(xué)模型描述 2.非線性控制系統(tǒng) 輸入與輸出不成正比，不可用疊加原理， 用非線性數(shù)學(xué)模型描述,非線性系統(tǒng):在構(gòu)成系統(tǒng)的環(huán)節(jié)中有一個(gè)或一個(gè)以上的非線性環(huán)節(jié),典型非線性特性:飽和特性、死區(qū)性、間隙特性、繼電特性、磁滯特性等。,（五）按傳輸信號(hào)對(duì)時(shí)間的關(guān)系分類(lèi),1.連續(xù)