天津大學自動化原理 第一章 緒論

1、課程性質(zhì)、地位和任務：課程性質(zhì)、地位和任務：自動控制原理自動控制原理解決控制系統(tǒng)分析解決控制系統(tǒng)分析和設計中最一般的規(guī)律和方法問題，并不深入涉及具體的控制和設計中最一般的規(guī)律和方法問題，并不深入涉及具體的控制系統(tǒng)設計，是控制工程研究設計者必修的技術基礎課。系統(tǒng)設計，是控制工程研究設計者必修的技術基礎課。 技術基礎課未來工作基礎課知識知識學習學習能力能力培養(yǎng)培養(yǎng)工作工作能力能力自動控制原理自動控制原理Theories of Automatic Control 1-11-1控制系統(tǒng)的組成和基本結構控制系統(tǒng)的組成和基本結構自動控制：在無人直接參與的情況下，使被控對象按預定的規(guī)律運行?？刂频膶嵸|(zhì)：控制

2、的實質(zhì)是使系統(tǒng)能穩(wěn)妥地保持預定的工作狀態(tài)，在各種不利因素的影響下不至于動搖不定、不聽指揮?？刂葡到y(tǒng)：為完成某一特定任務，由一些有特定功能且相互聯(lián)系相互影響的環(huán)節(jié)組成的一個整體。其中的主要環(huán)節(jié)有：被控對象某一臺機器或設備，某一個生產(chǎn)或工藝過程等。執(zhí)行機構功率放大器、執(zhí)行電機、閥門等。給定環(huán)節(jié)電位器、指令開關、旋轉(zhuǎn)變壓器等。測量裝置測速發(fā)電機、旋轉(zhuǎn)變壓器、熱電偶、電位器等。比較元件差動放大器、機械差動裝置、電橋電路等。校正裝置由無源或有源器件組成的電路，單片機和計算機等。第一章第一章 緒緒 論論開環(huán)控制系統(tǒng)：自動控制的任務：根據(jù)參考輸入決定控制作用并施加在被控對象上，使被控對象的輸出等于參考輸入規(guī)

3、定的數(shù)值。自動控制系統(tǒng)有開環(huán)控制和閉環(huán)控制兩種基本的控制方式。開環(huán)控制的特點：由輸入到輸出信號是單方向傳遞的。反饋控制系統(tǒng)（閉環(huán)控制）：在反饋控制系統(tǒng)中被控對象的輸出信號反方向引到控制系統(tǒng)的輸入端，與參考輸入相比較并參與控制，信號沿前向通路和反饋通路閉路傳輸。反饋控制是控制系統(tǒng)最基本的控制方式，它具有下述特點：1、可以有效地克服擾動對系統(tǒng)的影響，降低系統(tǒng)對前向通道中各環(huán)節(jié)特性參數(shù)變化的靈敏度。2、對反饋通道測量裝置的要求高。3、因為被控對象對控制輸入的響應要有一個過程，存在時間的延遲不適當?shù)目刂撇呗詴瓜到y(tǒng)出現(xiàn)振蕩甚至不穩(wěn)定，無法完成預定的控制任務。復合控制：在控制工程中，閉環(huán)控制系統(tǒng)響應的快

4、速性、控制精度、抗干擾能力與系統(tǒng)的穩(wěn)定性往往是一對矛盾。在某些情況下，將開環(huán)控制方式和閉環(huán)控制方式相結合，往往可以達到好的控制效果。上圖給出的復合控制的原理框圖體現(xiàn)了這一設計思想，其中控制作用是與誤差有關的反饋控制、與擾動有關的補償控制、與參考輸入有關的前饋控制三項的和。 經(jīng)典控制理論的研究內(nèi)容：單輸入單輸出反饋控制系統(tǒng)的分析和綜合。其中，對被控對象的分析是第一步，主要包括控制系統(tǒng)及各組成部分的描述，響應特性分析和穩(wěn)定性分析。在分析的基礎上，進行控制系統(tǒng)的結構設計、控制器設計或控制算法設計，即系統(tǒng)綜合。經(jīng)典控制理論的研究方法：基于傳遞函數(shù)描述的根軌跡法（時域法）和頻率特性方法（頻域法）。1-2

5、1-2自動控制理論的內(nèi)容和發(fā)展自動控制理論的內(nèi)容和發(fā)展自動控制理論經(jīng)典控制理論現(xiàn)代控制理論最優(yōu)控制系統(tǒng)辨識自適應控制.公元前公元前300年公元前年公元前1年年 古希臘古希臘 浮球調(diào)節(jié)裝置浮球調(diào)節(jié)裝置 1681 Dennis Papin 鍋爐壓力調(diào)節(jié)器鍋爐壓力調(diào)節(jié)器 1769 James Watt 飛球離心調(diào)節(jié)器飛球離心調(diào)節(jié)器 1868 Maxwell 蒸汽機調(diào)節(jié)器的數(shù)學模型蒸汽機調(diào)節(jié)器的數(shù)學模型1927 Black 負反饋放大器負反饋放大器1932 Nyquist 系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析方法系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析方法1948 Evans 根軌跡法根軌跡法經(jīng)典控制理論形成于20世紀三、四十年代，以三項理論性

6、成果為標志：1、奈奎斯特(Nyquist)關于反饋控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的結果。2、伯德(Bode)引入的對數(shù)增益圖和線性相位圖即伯德圖。3、伊萬思(Evans)提出的根軌跡法。經(jīng)典控制理論的應用在第二次世界大戰(zhàn)期間取得了巨大的成功，其中，自動火炮跟蹤系統(tǒng)和V2火箭自動導航系統(tǒng)是最為突出的范例。現(xiàn)代控制理論的研究內(nèi)容：多輸入多輸出（MIMO）復雜系統(tǒng)分析和綜合的理論和方法。二次大戰(zhàn)結束后，在20世紀50年代蓬勃興起的航天技術需求推動下，1960年前后，控制理論開始了從經(jīng)典理論到現(xiàn)代理論的過渡，到70年代現(xiàn)代控制理論的基本框架已經(jīng)形成，研究結果在上世紀60年代初至70年代初美國組織實施的載人登月工程中取

7、得了輝煌成就。1950s Bellman 狀態(tài)空間法狀態(tài)空間法 動態(tài)規(guī)劃法動態(tài)規(guī)劃法 龐德李亞金龐德李亞金 極大值原理極大值原理1960s Kalman 能控性、能觀性能控性、能觀性 濾波濾波1970 Rosenbrok 線性多變量頻域法線性多變量頻域法1980 Robust 控制系統(tǒng)設計控制系統(tǒng)設計按輸入信號的特征分為恒值控制系統(tǒng)、程序控制系統(tǒng)、隨動控制系統(tǒng)（伺服系統(tǒng)）；按信號傳輸過程是否連續(xù)分為連續(xù)控制系統(tǒng)、離散控制系統(tǒng)；按系統(tǒng)構成元件是否線性分為線性控制系統(tǒng)、非線性控制系統(tǒng)等。被控對象： 電加熱爐被控量：爐溫測量裝置：熱電偶給定裝置：電位器執(zhí)行機構：電機、齒輪箱功率放大M熱電偶電爐絲22

8、0VACurute=ur-ut電加熱爐電加熱爐溫控制系統(tǒng)1-31-3反饋控制系統(tǒng)示例反饋控制系統(tǒng)示例速度（恒速）控制系統(tǒng)速度（恒速）控制系統(tǒng)被控對象：發(fā)動機系統(tǒng)輸出量：發(fā)動機轉(zhuǎn)速執(zhí)行機構：閥門和動力油缸給定、測量和調(diào)節(jié)裝置：離心機燃料閥門開關高壓油動力油缸發(fā)動機負載瓦特式發(fā)動機速度控制系統(tǒng)如下圖所示。離心式速度調(diào)節(jié)裝置數(shù)控機床是數(shù)字控制機床的簡稱，是一種數(shù)控機床是數(shù)字控制機床的簡稱，是一種裝有程序控制系統(tǒng)的自動化機床。裝有程序控制系統(tǒng)的自動化機床。與普通機床相比，數(shù)控機床有如下特點：1、加工精度高，具有穩(wěn)定的加工質(zhì)量； 2、可進行多坐標的聯(lián)動，能加工形狀復雜的零件；3、加工零件改變時，一般只需

9、要更改數(shù)控程序，可節(jié)省生產(chǎn)準備時間；4、生產(chǎn)率高； 5、機床自動化程度高，可以減輕勞動強度。數(shù)控加工中心數(shù)控加工中心數(shù)控車床數(shù)控車床五軸聯(lián)動加工五軸聯(lián)動加工程序控制系統(tǒng)程序控制系統(tǒng)機器人技術是機器人技術是20世紀人類偉大發(fā)明之一。在世紀人類偉大發(fā)明之一。在制造業(yè)中，工業(yè)機器人甚至已成為不可少的制造業(yè)中，工業(yè)機器人甚至已成為不可少的核心裝備，世界上有近百萬臺工業(yè)機器人正核心裝備，世界上有近百萬臺工業(yè)機器人正與工人朋友并肩戰(zhàn)斗在各條戰(zhàn)線上。與工人朋友并肩戰(zhàn)斗在各條戰(zhàn)線上。裝配機器人裝配機器人焊接機器人焊接機器人程序控制系統(tǒng)程序控制系統(tǒng)函數(shù)記錄儀位置隨動控制系統(tǒng)函數(shù)記錄儀位置隨動控制系統(tǒng)97E234

10、856U17urt函數(shù)記錄儀原理示意圖1放大器 2伺服機 3測速發(fā)電機 4減速器 5電位器 6滑線變阻器 7線輪 8紙帶機 9輸入函數(shù)導彈發(fā)射架方位隨動控制系統(tǒng)導彈發(fā)射架方位隨動控制系統(tǒng)導彈發(fā)射架方位隨動控制系統(tǒng)原理圖被控對象發(fā)射架，被控量發(fā)射架的旋轉(zhuǎn)角，執(zhí)行機構功率放大裝置、電機和齒輪傳動機構，給定、測量和比較裝置同位儀制導武器通過某種制導手段隨時測定它與目標之間的相對位置和相對運動，根據(jù)偏差的大小形成控制信號，控制制導武器的運動軌道，使之最終命中目標。制導武器系統(tǒng)的制導技術有自主式自主式、尋的式尋的式、遙控遙控式式和復合式復合式等四種。 制導技術是按照一定規(guī)律控制武器的飛行方向、姿態(tài)、高度

11、制導技術是按照一定規(guī)律控制武器的飛行方向、姿態(tài)、高度和速度，引導其準確攻擊敵方目標的軍用技術。和速度，引導其準確攻擊敵方目標的軍用技術。 智能電網(wǎng)把分散的大型和小型發(fā)電商和電力用戶都整合到一個總體結構中，具有很高的透明度和靈活性，允許最終用戶作為產(chǎn)消合一的“生產(chǎn)消費者”參與能源市場的活動。中國擁有世界上增長最快的風電市場，到2020年，中國國內(nèi)風電廠運行中的總裝機容量有望達到15萬兆瓦，電力供給不穩(wěn)定問題要靠儲能和協(xié)調(diào)調(diào)度控制來解決。串聯(lián)式并聯(lián)式混聯(lián)式EV(電動汽車)PEV（純電動）HEV(混合動力車)FCV(燃料電池汽車)HEV(混合動力車)電動汽車是解決交通工具多能源和環(huán)境問題的技術途徑，電動汽車的移動能源儲存器作用，是智能電網(wǎng)的最佳補充，電動交通和可再生能源結合在一起，可最大程度地減少污染。控制系統(tǒng)的性能主要由系統(tǒng)的穩(wěn)定性、控制精度、快速性和抗擾性能來衡量，不同的性能指標往往是相互矛盾制約的。1-41-4控制系統(tǒng)的性能指標控制系統(tǒng)的性能指標控制系統(tǒng)對階躍指令的響應控制系統(tǒng)對階躍擾動的響應參考書籍：自動控制原理，胡壽松，科學出版社自動控制原理，孫虎章，中央廣播電視大學出版社現(xiàn)代控制工程，尾形克彥，盧伯英等譯，電子工業(yè)出版社MATLAB在自動控制中的應用，吳曉燕，張雙選，西安電子科技大學出版社教材的主要內(nèi)容：第1章 緒論（反饋控制系統(tǒng)簡介，控