第一章緒論自動控制理論

1、2022-5-21第一章 緒論1自動控制理論主講 張軍沈陽航空工業(yè)學(xué)院北方科技學(xué)院2022-5-21第一章 緒論2第一章 概論1-1 控制理論在 工程中的應(yīng)用發(fā)展2022-5-21第一章 緒論3 控制理論是在產(chǎn)業(yè)革命的背景控制理論是在產(chǎn)業(yè)革命的背景下，在生產(chǎn)和軍事需求的刺激下，下，在生產(chǎn)和軍事需求的刺激下，自動控制、電子技術(shù)、計算機(jī)科學(xué)自動控制、電子技術(shù)、計算機(jī)科學(xué)等多種學(xué)科相互交叉發(fā)展的產(chǎn)物。等多種學(xué)科相互交叉發(fā)展的產(chǎn)物。2022-5-21第一章 緒論4 從二十世紀(jì)以來，特別是第二次世界從二十世紀(jì)以來，特別是第二次世界大戰(zhàn)以后，自動控制和自動化科學(xué)得到了大戰(zhàn)以后，自動控制和自動化科學(xué)得到了迅

2、速的發(fā)展。迅速的發(fā)展。 工業(yè)生產(chǎn)的自動化，改善了勞動條件，工業(yè)生產(chǎn)的自動化，改善了勞動條件，增加了產(chǎn)量，提高了質(zhì)量。在軍事裝備上，增加了產(chǎn)量，提高了質(zhì)量。在軍事裝備上，自動控制技術(shù)大大地提高了武器的威力和自動控制技術(shù)大大地提高了武器的威力和精度。近年來，由于計算機(jī)的廣泛應(yīng)用和精度。近年來，由于計算機(jī)的廣泛應(yīng)用和控制理論的發(fā)展，使得自動控制技術(shù)所能控制理論的發(fā)展，使得自動控制技術(shù)所能完成的任務(wù)更加復(fù)雜、應(yīng)用的領(lǐng)域也越來完成的任務(wù)更加復(fù)雜、應(yīng)用的領(lǐng)域也越來越廣泛。越廣泛。2022-5-21第一章 緒論5 全球矚目的中國載人太空船神舟全球矚目的中國載人太空船神舟5號于號于2003年年10月月15日上

3、午順利發(fā)射成功。日上午順利發(fā)射成功。從這一天起，中國成為繼俄羅斯和美國從這一天起，中國成為繼俄羅斯和美國之后，第三個獨(dú)立成功將人類送上太空之后，第三個獨(dú)立成功將人類送上太空的國家。的國家。 神舟神舟6號于號于2005年年10月月12日上午日上午9:00在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射升空在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射升空;2022-5-21第一章 緒論6v北京時間北京時間2008年年 9月月25日日 21點(diǎn)點(diǎn)10分分04秒，秒，我國第三艘載人飛船神舟我國第三艘載人飛船神舟7號成功發(fā)射，三名號成功發(fā)射，三名航天員翟志剛、劉伯明、景海鵬順利升空。航天員翟志剛、劉伯明、景海鵬順利升空。 v27日，翟志剛身著我國研制的

4、日，翟志剛身著我國研制的“飛天飛天”艙外艙外航天服，在身著俄羅斯航天服，在身著俄羅斯“海鷹海鷹”艙外航天服艙外航天服的劉伯明的輔助下，進(jìn)行了的劉伯明的輔助下，進(jìn)行了19分分35秒的出艙秒的出艙活動。中國隨之成為世界上第三個掌握空間活動。中國隨之成為世界上第三個掌握空間出艙活動技術(shù)的國家。出艙活動技術(shù)的國家。 v2008年年9月月28日傍晚時分，神舟七號飛船在日傍晚時分，神舟七號飛船在順利完成空間出艙活動和一系列空間科學(xué)試順利完成空間出艙活動和一系列空間科學(xué)試驗任務(wù)后，成功降落在內(nèi)蒙古中部阿木古朗驗任務(wù)后，成功降落在內(nèi)蒙古中部阿木古朗草原上。草原上。 2022-5-21第一章 緒論7 載人宇宙飛

5、船為確保載人安全載人宇宙飛船為確保載人安全以及為保持航天員高效率工作，需以及為保持航天員高效率工作，需要很復(fù)雜的特設(shè)系統(tǒng)，例如，用于要很復(fù)雜的特設(shè)系統(tǒng)，例如，用于空氣更新、廢水處理和再生、通風(fēng)、空氣更新、廢水處理和再生、通風(fēng)、溫度和濕度控制等的環(huán)境控制和生溫度和濕度控制等的環(huán)境控制和生命保障系統(tǒng)；報話通信系統(tǒng)、儀表命保障系統(tǒng)；報話通信系統(tǒng)、儀表和照明系統(tǒng)、航天服、載人機(jī)動裝和照明系統(tǒng)、航天服、載人機(jī)動裝置和逃逸救生系統(tǒng)等。置和逃逸救生系統(tǒng)等。2022-5-21第一章 緒論8 載人宇宙飛船除了要使飛載人宇宙飛船除了要使飛船在返回過程中的制動過載限制船在返回過程中的制動過載限制在人的耐受范圍內(nèi)，還

6、應(yīng)使其落在人的耐受范圍內(nèi)，還應(yīng)使其落點(diǎn)精度比返回式衛(wèi)星更高，從而點(diǎn)精度比返回式衛(wèi)星更高，從而及時發(fā)現(xiàn)和營救航天員。目前，及時發(fā)現(xiàn)和營救航天員。目前，掌握航天器返回技術(shù)的國家只有掌握航天器返回技術(shù)的國家只有美國、俄羅斯和中國。美國、俄羅斯和中國。2022-5-21第一章 緒論9 在工業(yè)中，機(jī)電工業(yè)是我國最重在工業(yè)中，機(jī)電工業(yè)是我國最重要的支柱產(chǎn)業(yè)之一，而傳統(tǒng)的機(jī)電產(chǎn)要的支柱產(chǎn)業(yè)之一，而傳統(tǒng)的機(jī)電產(chǎn)品正在向機(jī)電一體化（品正在向機(jī)電一體化（mechatrnicsmechatrnics）方向發(fā)展。機(jī)電一體化產(chǎn)品或系統(tǒng)的方向發(fā)展。機(jī)電一體化產(chǎn)品或系統(tǒng)的顯著特點(diǎn)是控制自動化。機(jī)電控制型顯著特點(diǎn)是控制自動化

7、。機(jī)電控制型產(chǎn)品技術(shù)含量高，附加值大，在國內(nèi)產(chǎn)品技術(shù)含量高，附加值大，在國內(nèi)外市場上具有很強(qiáng)的競爭優(yōu)勢，形成外市場上具有很強(qiáng)的競爭優(yōu)勢，形成機(jī)電一體化產(chǎn)品發(fā)展的主流。機(jī)電一體化產(chǎn)品發(fā)展的主流。2022-5-21第一章 緒論10 當(dāng)前國內(nèi)外機(jī)電結(jié)合型產(chǎn)品，諸當(dāng)前國內(nèi)外機(jī)電結(jié)合型產(chǎn)品，諸如典型的工業(yè)機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床、自動如典型的工業(yè)機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床、自動導(dǎo)引車等都廣泛地應(yīng)用了控制理論。導(dǎo)引車等都廣泛地應(yīng)用了控制理論。 自動控制技術(shù)已經(jīng)成為生產(chǎn)（電力、自動控制技術(shù)已經(jīng)成為生產(chǎn)（電力、機(jī)械、冶金、化工機(jī)械、冶金、化工）、軍事、科研、）、軍事、科研、企業(yè)管理等幾乎一切領(lǐng)域中必不可少企業(yè)管理等幾乎一切領(lǐng)域

8、中必不可少的手段。因此，各個領(lǐng)域的科學(xué)工作的手段。因此，各個領(lǐng)域的科學(xué)工作者和工程技術(shù)人員都必須具備一定的者和工程技術(shù)人員都必須具備一定的自動控制工程知識。自動控制工程知識。2022-5-21第一章 緒論11 根據(jù)自動控制理論的內(nèi)容和發(fā)展根據(jù)自動控制理論的內(nèi)容和發(fā)展的不同階段，控制理論可分為的不同階段，控制理論可分為“經(jīng)典控經(jīng)典控制理論制理論”和和“現(xiàn)代控制理論現(xiàn)代控制理論”兩大部分。兩大部分。 “經(jīng)典控制理論經(jīng)典控制理論”的內(nèi)容是以傳遞的內(nèi)容是以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)，以頻率法和根軌跡法作函數(shù)為基礎(chǔ)，以頻率法和根軌跡法作為分析和綜合系統(tǒng)的基本方法，主要為分析和綜合系統(tǒng)的基本方法，主要研究單輸入、單輸

9、出這類控制系統(tǒng)的研究單輸入、單輸出這類控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計問題。分析和設(shè)計問題。2022-5-21第一章 緒論12 “現(xiàn)代控制理論現(xiàn)代控制理論”是在是在 “經(jīng)典控經(jīng)典控制理論制理論”的基礎(chǔ)上，于的基礎(chǔ)上，于20世紀(jì)世紀(jì)60年代年代以后發(fā)展起來的。它的主要內(nèi)容是以以后發(fā)展起來的。它的主要內(nèi)容是以狀態(tài)空間法為基礎(chǔ)，研究多輸入、多狀態(tài)空間法為基礎(chǔ)，研究多輸入、多輸出、時變參數(shù)、分布參數(shù)、隨機(jī)參輸出、時變參數(shù)、分布參數(shù)、隨機(jī)參數(shù)、非線性等控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計數(shù)、非線性等控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計問題。問題。 最優(yōu)控制、最優(yōu)濾波、系統(tǒng)辨識、最優(yōu)控制、最優(yōu)濾波、系統(tǒng)辨識、自適應(yīng)控制等理論都是這一領(lǐng)域重要自適應(yīng)控

10、制等理論都是這一領(lǐng)域重要的分支，近年來現(xiàn)代控制理論在大系的分支，近年來現(xiàn)代控制理論在大系統(tǒng)理論和人工智能控制等諸多領(lǐng)域有統(tǒng)理論和人工智能控制等諸多領(lǐng)域有重大發(fā)展。重大發(fā)展。2022-5-21第一章 緒論13 半個多世紀(jì)以來，控制理論從主要依靠半個多世紀(jì)以來，控制理論從主要依靠手工計算的經(jīng)典控制理論發(fā)展到依賴計算機(jī)手工計算的經(jīng)典控制理論發(fā)展到依賴計算機(jī)的現(xiàn)代控制理論，發(fā)展了最優(yōu)控制、自適應(yīng)的現(xiàn)代控制理論，發(fā)展了最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制、智能控制。智能控制中，學(xué)習(xí)控制技控制、智能控制。智能控制中，學(xué)習(xí)控制技術(shù)從簡單的參數(shù)學(xué)習(xí)向較為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)、術(shù)從簡單的參數(shù)學(xué)習(xí)向較為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)、環(huán)境學(xué)習(xí)和復(fù)雜對

11、象學(xué)習(xí)的方向發(fā)展；并發(fā)環(huán)境學(xué)習(xí)和復(fù)雜對象學(xué)習(xí)的方向發(fā)展；并發(fā)展了神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯、進(jìn)化算法、專展了神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯、進(jìn)化算法、專家系統(tǒng)、魯棒控制與家系統(tǒng)、魯棒控制與 控制等技術(shù)。同時控制等技術(shù)。同時還發(fā)展了還發(fā)展了MATLAB等控制系統(tǒng)計算機(jī)輔助等控制系統(tǒng)計算機(jī)輔助設(shè)計工具，使控制理論在工程上的應(yīng)用更加設(shè)計工具，使控制理論在工程上的應(yīng)用更加方便。方便。 H2022-5-21第一章 緒論141-2 自動控制系統(tǒng)的基本概念2022-5-21第一章 緒論15自動控制：自動控制： 在沒有人直接參與的條件在沒有人直接參與的條件下，利用控制器使被控對象（如下，利用控制器使被控對象（如機(jī)器、設(shè)備或生

12、產(chǎn)過程）的某些機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過程）的某些物理量（或工作狀態(tài)）能自動地物理量（或工作狀態(tài)）能自動地按照預(yù)定的規(guī)律變化（或運(yùn)行）。按照預(yù)定的規(guī)律變化（或運(yùn)行）。2022-5-21第一章 緒論16如：人造衛(wèi)星按指定的軌道運(yùn)行，如：人造衛(wèi)星按指定的軌道運(yùn)行，并始終保持正確的姿態(tài)，使它的并始終保持正確的姿態(tài)，使它的太陽能電池一直朝向太陽，無線太陽能電池一直朝向太陽，無線電天線一直指向地球電天線一直指向地球 ； 數(shù)控加工中心、焊接機(jī)器人、數(shù)控加工中心、焊接機(jī)器人、溫度控制系統(tǒng)等溫度控制系統(tǒng)等2022-5-21第一章 緒論17如溫度、壓力、力、如溫度、壓力、力、流量、電壓、轉(zhuǎn)數(shù)、流量、電壓、轉(zhuǎn)數(shù)、位移、角

13、度等。位移、角度等。一個共同點(diǎn)：一個共同點(diǎn)： 一個或一些被控物理量一個或一些被控物理量按給定量的變化而變化按給定量的變化而變化。 2022-5-21第一章 緒論18 一般地說，如何使被控量一般地說，如何使被控量按給定量的變化規(guī)律而變化，按給定量的變化規(guī)律而變化，是控制系統(tǒng)所要解決的基本任是控制系統(tǒng)所要解決的基本任務(wù)。務(wù)。2022-5-21第一章 緒論19一、液位控制系統(tǒng)一、液位控制系統(tǒng)2022-5-21第一章 緒論202022-5-21第一章 緒論212022-5-21第一章 緒論22 測量元件測量元件-浮子浮子 被控對象被控對象-水池水池 比較機(jī)構(gòu)比較機(jī)構(gòu)-求浮子的希望位置與實際位置之差求浮

14、子的希望位置與實際位置之差 放大機(jī)構(gòu)放大機(jī)構(gòu)-當(dāng)誤差信號不足以使執(zhí)行元件動作時，一般都當(dāng)誤差信號不足以使執(zhí)行元件動作時，一般都需要加放大元件，以提高系統(tǒng)的控制精度需要加放大元件，以提高系統(tǒng)的控制精度 執(zhí)行元件執(zhí)行元件-驅(qū)動被控對象，以改變被控制的量驅(qū)動被控對象，以改變被控制的量2022-5-21第一章 緒論232022-5-21第一章 緒論242022-5-21第一章 緒論25二、隨動控制系統(tǒng)二、隨動控制系統(tǒng)2022-5-21第一章 緒論262022-5-21第一章 緒論272022-5-21第一章 緒論282022-5-21第一章 緒論291-3v開環(huán)控制開環(huán)控制2022-5-21第一章 緒

15、論302022-5-21第一章 緒論312022-5-21第一章 緒論32v閉環(huán)控制閉環(huán)控制2022-5-21第一章 緒論33nuuuuuunuTdkfngfnl)(2022-5-21第一章 緒論34v三種常用的分類方法三種常用的分類方法1-42022-5-21第一章 緒論35如液位控制系統(tǒng)、恒溫系統(tǒng)等；如液位控制系統(tǒng)、恒溫系統(tǒng)等；如轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)，位置隨動系統(tǒng)等。如轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)，位置隨動系統(tǒng)等。2022-5-21第一章 緒論362022-5-21第一章 緒論371-5v控制系統(tǒng)的性能一般從以下三方面來評價控制系統(tǒng)的性能一般從以下三方面來評價2022-5-21第一章 緒論382022-5-21第一章 緒論39UiRcBG2R2BG1 UeUwUbR3R4UoRfzP9 圖1-11 晶 體管穩(wěn)壓電源要明確：要明確： 1、被控量、被控量