《學(xué)習(xí)包-自動控制與模塊機器人》 教學(xué)課件

自動控制基本知識什么是自動控制?

自動控制學(xué)科由自動控制技術(shù)和自動控制理論兩部分組成。

無須人的直接參與，通過控制裝置，使機器、設(shè)備、生產(chǎn)過程等按照預(yù)定的規(guī)律運行，完成要求的任務(wù)，就叫自動控制。近幾十年來，自動控制技術(shù)正在迅猛的發(fā)展，并在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運輸、國防建設(shè)和航空航天事業(yè)等領(lǐng)域中獲得廣泛應(yīng)用。比如：人造地球衛(wèi)星的發(fā)射成功與安全返回。導(dǎo)彈的準確擊中目標(biāo)，雷達系統(tǒng)的準確跟蹤目標(biāo)；交通系統(tǒng)：安全、快捷、舒適、準點鋼鐵生產(chǎn)制造系統(tǒng)：數(shù)控機床加工生產(chǎn)線自動碼垛機器人自動包裝機器人家用電器：電扇：控制轉(zhuǎn)速電冰箱、空調(diào)、電飯煲：控制溫度洗衣機：控制水位、強弱、時間等智能建筑：通信電梯供水通風(fēng)空調(diào)安防抄表…工業(yè)機器人：拉提琴靈巧手排爆步行吹笛足球比賽其他機器人：自動控制的應(yīng)用領(lǐng)域軍事工業(yè)航空航天制造業(yè)機器人流程工業(yè)

電子工業(yè)家用電器交通系統(tǒng)，樓宇系統(tǒng)，經(jīng)濟系統(tǒng)，社會系統(tǒng)…鋼鐵、石化、造紙、制藥等隨著生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，自動控制技術(shù)可以說已滲透到各種學(xué)科領(lǐng)域，成為促進當(dāng)代生產(chǎn)發(fā)展和科學(xué)技術(shù)進步的重要因素。事實上，任何技術(shù)設(shè)備、工作機械或生產(chǎn)過程都必須按要求運行。例如：要使火炮能自動跟蹤并命中飛行目標(biāo)，炮身就必須按照指揮儀的命令而作方位角和俯仰角的變動；要把數(shù)噸重人造衛(wèi)星送入數(shù)百公里高空的軌道，使其所攜帶的各種儀器能長期使用、準確地工作，就必須保持衛(wèi)星的正確姿態(tài)，使它的太陽能電池一直朝向太陽，無線電發(fā)射天線一直指向地球；

要使數(shù)控機床能加工出高精度的工件，就必須保證其工作臺或刀架的進給量準確地按照程序指令的設(shè)定值變化；要想使輪船安全順利的航行，就必須按照領(lǐng)航員的命令改變尾舵的方向；所有這一切都是以高水平的自動控制技術(shù)為前提的。要使煉鋼爐提供優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品，就必須嚴格控制爐溫……等等。自動控制技術(shù)的應(yīng)用，推動了控制理論的發(fā)展；而自動控制理論的發(fā)展，又指導(dǎo)了控制技術(shù)的應(yīng)用，使其進一步完善。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，自動控制技術(shù)及理論已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于機械、冶金、石油、化工、電子、電力、航空、航海、航天、核反應(yīng)等各個學(xué)科領(lǐng)域。近年來，控制科學(xué)的應(yīng)用范圍還擴展到生物、醫(yī)學(xué)、環(huán)境、經(jīng)濟管理和其他許多社會生活領(lǐng)域，并為各學(xué)科之間的相互滲透起了促進作用?？梢院敛豢鋸埖卣f，自動控制技術(shù)和理論已經(jīng)成為現(xiàn)代化社會不可缺少的組成部分。自動控制技術(shù)的應(yīng)用，不僅使生產(chǎn)過程實現(xiàn)自動化，從而提高了勞動生產(chǎn)率和生活質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本，提高經(jīng)濟效益，改善勞動條件，而且在人類征服大自然、探索新能源、發(fā)展空間技術(shù)和創(chuàng)造人類文明等方面都具有十分重要的意義。作為現(xiàn)代的工程技術(shù)人員和科學(xué)工作者，都必須具備一定的自動控制理論基礎(chǔ)知識。1.2.1自動控制的基本概念

1、人工控制：控制系統(tǒng)可以由人工控制，也可以采用自動控制。若要求在出水量隨意的條件下，保持水位高度不變：操作人員需先測實際水位，并在腦子中與要求的水位進行比較。若低于要求的水位，則需開大進水閥門。否則應(yīng)關(guān)小進水閥門。若兩者正好相等，則進水閥門不動。人工控制（續(xù)）

2、自動控制：該水池若改為由自動控制裝置代替操作人員：由浮子測出實際水位，與要求的水位比較。然后得出偏差再由調(diào)節(jié)元件根據(jù)偏差的大小和正負產(chǎn)生控制信號。最后由執(zhí)行元件根據(jù)信號產(chǎn)生控制作用。在此：浮子測水位，由連桿和電位器進行比較：浮子低則電位器上得到正電壓，經(jīng)放大后使電機向進水閥門開大的方向旋轉(zhuǎn)；反之，當(dāng)浮子高時，電位器上得到負電壓，電機向閥門關(guān)小的方向旋轉(zhuǎn)；若水位正好，則電位器上電壓為零，電機不轉(zhuǎn)，閥門不動。自動控制（續(xù)）

2.自動控制的基本職能元件自動控制的實現(xiàn),實際上是由自動控制裝置來代替人的基本功能，從而實現(xiàn)自動控制的。畫出以上人工控制與自動控制的功能方框圖進行對照。水箱流出流入h水箱流出流入h控制器浮子

眼睛

浮子

大腦

自動控制器肌肉、手執(zhí)行元件比較兩圖可以看出，自動控制實現(xiàn)人工控制的功能，存在必不可少的三種代替人的職能的基本元件：氣動閥門希望液位實際液位浮子控制器水箱肌肉和閥門希望液位實際液位大腦水箱眼睛執(zhí)行元件參考輸入輸出測量變送元件控制器對象擾動輸入測量元件與變送器（代替眼睛）；自動控制器（代替大腦）；執(zhí)行元件（代替肌肉、手）。這些基本元件與被控對象相連接，一起構(gòu)成一個自動控制系統(tǒng)。下圖是典型控制系統(tǒng)方框圖。3、控制系統(tǒng)中的常用術(shù)語(1)自動控制—在沒有人直接參與的情況下，利用外加的設(shè)備或裝置使整個生產(chǎn)過程或工作機械自動的按預(yù)定規(guī)律運行、或使其某個參數(shù)按要求變化。(2)控制裝置—外加的設(shè)備或裝置，亦叫控制器。(3)受控對象—被控制的機器或物體。(4)被控量—表征被控對象工作狀態(tài)的物理參量，也叫輸出量。(4)給定量—要求被控量所應(yīng)保持的數(shù)值。也叫輸入量或叫參考輸入。(5)干擾量—系統(tǒng)不希望的外作用，也叫擾動輸入。(9)自動控制系統(tǒng)：由受控對象和控制器按一定方式連接起來的、完成一定自動控制任務(wù)的總體。如圖1－5所示。圖1－5自動控制系統(tǒng)給定量控制器被控量干擾量自控系統(tǒng)受控對象(7)反饋量：由系統(tǒng)輸出端取出并反向送回系統(tǒng)輸入端的信號。反饋有主反饋和局部反饋之分。(8)偏差量：給定量與主反饋信號之差。自動控制的任務(wù)—利用控制器操縱受控對象，使其被控量按技術(shù)要求變化。若r(t)—給定量，c(t)—被控量，則自控的任務(wù)之?dāng)?shù)學(xué)表達式為：使被控量滿足c(t)≈r(t)。自控系統(tǒng)的組成如1-6圖所示。1.2.2自動控制系統(tǒng)的基本組成<1>給定元件：其職能是給出與期望的被控量相對應(yīng)的系統(tǒng)輸入量。一般為電位器。<2>比較元件：其職能是把測量到的被控量實際值與給定元件給出的輸入量進行比較，求出他們之間的偏差。常用的有差動放大器、機械差動裝置、電橋電路、計算機等。<3>測量元件：其職能是檢測被控制量的物理量。如測速機、熱電偶、自整角機、電位器、旋轉(zhuǎn)變壓器、浮子等?；窘M成（續(xù)）<4>放大元件：其職能是將比較元件給出的偏差信號進行放大，用來推動執(zhí)行元件去控制受控對象。如：晶體管、集成電路、晶閘管等組成的電壓、功率放大器。<5>執(zhí)行元件：其職能是直接推動受控對象，使其被控量發(fā)生變化。如：閥門、電機、液壓馬達等?；窘M成（續(xù)）自控系統(tǒng)的特點：<1>從信號傳送看：c(t)經(jīng)測量后回到輸入端，構(gòu)成閉環(huán)，具有反饋形式，且為負反饋。<2>從控制作用的產(chǎn)生看：由偏差產(chǎn)生的控制作用使系統(tǒng)沿減小或消除偏差的方向運動—偏差控制。<6>校正元件：也叫補償元件，它是結(jié)構(gòu)或參數(shù)便于調(diào)整的元件。用串聯(lián)或并聯(lián)（反饋）的方式連接于系統(tǒng)中，以改善系統(tǒng)的性能。如：電阻、電容組成的無源或有源網(wǎng)絡(luò)，還有計算機?；窘M成（續(xù)）1.2.3自動控制的基本方式一、開環(huán)控制系統(tǒng)：定義：開環(huán)控制——控制器與被控對象之間只有順向作用而沒有反向聯(lián)系的控制過程。特點：被控量對系統(tǒng)的控制作用不產(chǎn)生影響，需要控制的是c(t)，而測量的只是r(t).給定電壓放大后得到電樞電壓ua，從而控制轉(zhuǎn)速n。改變ug→ua改變→n改變，ug與n一一對應(yīng)。但是，當(dāng)負載變化時（干擾量），會使n改變，即使ug不變，n

也改變。∴ua（ug）與n的關(guān)系不精確，抗擾動能力差，系統(tǒng)控制精度難以保證，應(yīng)用少。開環(huán)控制系統(tǒng)（續(xù)）二、閉環(huán)控制系統(tǒng)：定義：閉環(huán)控制——被控量與給定值比較后用其偏差對系統(tǒng)進行控制。亦稱反饋控制。特點：不論什么原因使被控量偏離期望值而出現(xiàn)偏差時，必定會產(chǎn)生一個相應(yīng)的控制作用去減小或消除這個偏差，使被控量與期望值趨于一致。需要控制的是c(t)、而測量的是c(t)對r(t)的偏差。只要c(t)出現(xiàn)偏差，系統(tǒng)就自行糾正。3.例如：直流電機閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)如圖1－8所示?！?.3自動控制系統(tǒng)的分類1.3.1從信號傳送的特點或系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點分類可以將控制系統(tǒng)分為開環(huán)控制系統(tǒng)、閉環(huán)控制系統(tǒng)和復(fù)合控制系統(tǒng)三大類，前已述及，故不贅述。一、恒值系統(tǒng)：定義——r(t)為常值的系統(tǒng)。目的——保證c(t)恒定。例如：調(diào)速系統(tǒng)（當(dāng)ug不變時），水池水位控制系統(tǒng)，空調(diào)、冰箱、恒溫箱及爐溫控制系統(tǒng)等。1.3.2按給定值的特點分：如圖1－12所示為電阻爐微機溫度控制系統(tǒng)，電阻絲通過晶閘管主電路加熱，爐溫期望值用計算機鍵盤預(yù)先設(shè)置，實際爐溫由熱電偶檢測，并轉(zhuǎn)換成電壓（mv），經(jīng)放大濾波后，由模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（A/D）將模擬信號→數(shù)字信號送入計算機。在計算機中與所設(shè)置的期望值比較后產(chǎn)生偏差信號。計算機便根據(jù)預(yù)定的控制算法（即控制規(guī)律）計算相應(yīng)的控制量，再經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換變?yōu)楹阒迪到y(tǒng)（續(xù)）4.優(yōu)點:計算機溫度控制系統(tǒng)，具有精度高、功能強、經(jīng)濟性好、無噪聲、顯示醒目、讀數(shù)直觀、打印存檔方便、操作簡單、靈活性和適應(yīng)性好等一系列優(yōu)點。0—10mA的電流，通過觸發(fā)器控制晶閘管的控制角α，從而改變晶閘管的整流電壓，也就改變了電阻絲中電流的大小，達到控制爐溫的目的。恒值系統(tǒng)（續(xù)）第一章自動控制概論例如：跟蹤目標(biāo)的雷達系統(tǒng)、火炮群控制系統(tǒng)、導(dǎo)彈制導(dǎo)系統(tǒng)、參數(shù)的自動檢驗系統(tǒng)、X-Y記錄儀、船舶駕駛舵位跟蹤系統(tǒng)、飛機自動駕駛儀等等。

如圖1－13所示為船舶駕駛舵角位置跟蹤系統(tǒng)。

定義：給定值隨意變化而事先無法知道的系統(tǒng)。目的：使c(t)按一定精度跟蹤r(t)的變化。二、隨動系統(tǒng)三、程控系統(tǒng)：定義：給定值或指令輸入信號按預(yù)定程序變化的系統(tǒng)。目的：c(t)按預(yù)定的程序去運行。例如：順序控制器、數(shù)控機床、仿形機床等。如圖1－16所示為數(shù)控機床，將輸入處理，插補計算和控制功能可由邏輯電路實現(xiàn)，也可由計算機來完成。一般都將加工軌跡編好程序。并轉(zhuǎn)換成脈沖輸入，再將工作臺移動軌跡也換算成脈沖側(cè)出來與輸入脈沖比較后再換算成模擬信號用以控制SM?？煞譃榫€性控制系統(tǒng)和非線性控制系統(tǒng)

①線性系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述：線性函數(shù)，如線性微分方程、線性差分方程、線性代數(shù)方程。線性系統(tǒng)具有齊次性和疊加性，其優(yōu)點是數(shù)學(xué)處理簡便，理論體系完整。②非線性控制系統(tǒng)：用非線性方程描述的系統(tǒng)，不滿足疊加原理。1.3.3按數(shù)學(xué)描述分類1.3.4按時間信號的性質(zhì)分類可分為連續(xù)控制系統(tǒng)和離散控制系統(tǒng)：①連續(xù)控制系統(tǒng)：系統(tǒng)中各變量均對時間連續(xù)。離散控制系統(tǒng)：系統(tǒng)中一處或幾處的變量為離散信號，如計算機控制系統(tǒng)或采樣控制系統(tǒng)。0t連續(xù)信號0t離散信號①定常系統(tǒng)：系統(tǒng)的參數(shù)不隨時間變化的系統(tǒng)。描述其動態(tài)特性的微分方程或差分方程的系數(shù)為常數(shù)。②時變系統(tǒng)：系統(tǒng)的參數(shù)隨時間而變化。描述其動態(tài)特性的微分方程或差分方程的系數(shù)不為常數(shù)。可分為定常系統(tǒng)與時變系統(tǒng)1.3.5按系統(tǒng)參數(shù)是否隨時間變化分類§1.4自動控制理論概要系統(tǒng)有各種各樣，對每個系統(tǒng)也都有不同的特殊要求，但對于各類系統(tǒng)來說，在已知系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)時，研究的和感興趣的卻是系統(tǒng)在某種典型輸入信號下，其被控量變化的全過程。也就是說，研究的內(nèi)容和方法都是相同或相似的，如：恒值系統(tǒng)研究擾動作用引起被控量變化的全過程；隨動系統(tǒng)研究被控量如何克服擾動影響并跟隨給定量的變化過程。所以對于各種控制系統(tǒng)的要求可歸納為：系統(tǒng)的c(t)必須迅速、準確的按輸入量的變化而變化，克服擾動影響。1.4.1自動控制系統(tǒng)的基本要求<一>穩(wěn)定性穩(wěn)定性指動態(tài)過程的振蕩傾向和系統(tǒng)重新恢復(fù)平衡狀態(tài)的能力。穩(wěn)定性是保證控制系統(tǒng)正常工作的先決條件，一個穩(wěn)定的系統(tǒng)，其c(t)偏離期望值的初始偏差應(yīng)隨t的延長逐漸減小或趨于零。(如曲線①和②)一個不穩(wěn)定的系統(tǒng)，其c(t)偏離期望值的初始偏差將隨著t的增長而發(fā)散。無法實現(xiàn)預(yù)定的任務(wù)。（如曲線③）第一章自動控制概論<二>快速性

快速性指動態(tài)過程進行的時間長短。T過長：系統(tǒng)長久出現(xiàn)大偏差，難以復(fù)現(xiàn)快速變化的指令信號。（例