認(rèn)識(shí)自動(dòng)控制系統(tǒng)課件教學(xué)

3.1認(rèn)識(shí)自動(dòng)控制系統(tǒng)《機(jī)電一體化技術(shù)與實(shí)訓(xùn)》主要內(nèi)容控制理論的發(fā)展過程和自動(dòng)控制結(jié)構(gòu)

自動(dòng)控制系統(tǒng)分類、性能指標(biāo)自動(dòng)控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)概念:自動(dòng)控制是指在無人直接參與的情況下，利用控制裝置，使被控對(duì)象的被控量準(zhǔn)確地按照預(yù)期的規(guī)律變化。3.1.1控制理論的發(fā)展過程和自動(dòng)控制結(jié)構(gòu)1.控制理論的發(fā)展過程1945年之前，屬于控制理論的萌芽期。1945年，美國人伯德（Bode）的“網(wǎng)絡(luò)分析與放大器的設(shè)計(jì)”奠定了控制理論的基礎(chǔ)，至此進(jìn)入經(jīng)典控制理論時(shí)期，此時(shí)已形成完整的自動(dòng)控制理論體系。經(jīng)典控制理論的研究對(duì)象是單輸入單輸出系統(tǒng)，研究背景是二站軍工技術(shù)，研究目標(biāo)是反饋控制系統(tǒng)的穩(wěn)定，采用基本方法有傳遞函數(shù)、頻率法、PID。3.1.1控制理論的發(fā)展過程和自動(dòng)控制結(jié)構(gòu)1.控制理論的發(fā)展過程二十世紀(jì)六十年代初，用于導(dǎo)彈、衛(wèi)星和宇宙飛船上的“控制系統(tǒng)的一般理論”（卡爾曼Kalman）奠定了現(xiàn)代控制理論的基礎(chǔ)。現(xiàn)代控制理論主要研究多輸入-多輸出、多參數(shù)系統(tǒng)，高精度復(fù)雜系統(tǒng)的控制問題，研究背景是冷戰(zhàn)時(shí)期空間技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)，研究目標(biāo)是最優(yōu)控制，主要采用的方法是以狀態(tài)空間模型為基礎(chǔ)的狀態(tài)方程。3.1.1控制理論的發(fā)展過程和自動(dòng)控制結(jié)構(gòu)1.控制理論的發(fā)展過程七十年代以后，各學(xué)科相互滲透，要分析的系統(tǒng)越來越大，越來越復(fù)雜，自動(dòng)控制理論繼續(xù)發(fā)展，進(jìn)入了大系統(tǒng)和智能控制時(shí)期。主要的研究對(duì)象有專家系統(tǒng)、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)前研究的熱點(diǎn)研究對(duì)象:大系統(tǒng)理論、魯棒控制、非線性控制。例如智能機(jī)器人的出現(xiàn)（例如AlphaGo阿爾法狗），就是以人工智能、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、信息論、仿生學(xué)等為基礎(chǔ)的自動(dòng)控制取得的很大進(jìn)展。3.1.1控制理論的發(fā)展過程和自動(dòng)控制結(jié)構(gòu)1.控制理論的發(fā)展過程以水箱恒水位控制系統(tǒng)為例，說明自動(dòng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)3.1.1控制理論的發(fā)展過程和自動(dòng)控制結(jié)構(gòu)2.自動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)任務(wù)1

被控對(duì)象：水箱，其中水箱液位是被控對(duì)象中的被控量。

檢測(cè)及轉(zhuǎn)換裝置：浮子及電位器，它將水箱實(shí)際液位高度轉(zhuǎn)換為電壓。

比較環(huán)節(jié)：浮子的位置轉(zhuǎn)換的實(shí)際電壓與給定電壓（對(duì)應(yīng)要求的液位高度）通過差動(dòng)放大器比較產(chǎn)生偏差。

控制裝置：根據(jù)偏差的大小、極性，通過放大器和電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生控制信號(hào)作用在進(jìn)水閥上。

執(zhí)行機(jī)構(gòu)：進(jìn)水閥根據(jù)控制信號(hào)產(chǎn)生動(dòng)作，改變水箱液位高度，從而自動(dòng)控制水箱液位，使其滿足給定值的要求。3.1.1控制理論的發(fā)展過程和自動(dòng)控制結(jié)構(gòu)2.自動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1.自動(dòng)控制的分類（1）開環(huán)系統(tǒng)

例如，一般洗衣機(jī)就是一個(gè)開環(huán)控制系統(tǒng)，其浸濕、洗滌、漂清和脫水過程都是依設(shè)定的時(shí)間程序依次進(jìn)行的，而無需對(duì)輸出量(如衣服清潔程度、脫水程度等)進(jìn)行測(cè)量，而有一種智能控制的模糊洗衣機(jī)能檢測(cè)衣服的潔凈程度自動(dòng)控制洗滌時(shí)間屬閉環(huán)控制。

自動(dòng)控制系統(tǒng)按照不同的標(biāo)準(zhǔn)有多種分類，按照系統(tǒng)環(huán)節(jié)連接形式可分為開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。3.1.2自動(dòng)控制系統(tǒng)分類、性能指標(biāo)（1）開環(huán)系統(tǒng)1.自動(dòng)控制的分類3.1.2自動(dòng)控制系統(tǒng)分類、性能指標(biāo)（2）閉環(huán)系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)是指在控制器與被控對(duì)象之間不僅有正向控制作用，而且輸出量通過反饋環(huán)節(jié)返回來作用于控制部分，形成閉合環(huán)路。1.自動(dòng)控制的分類3.1.2自動(dòng)控制系統(tǒng)分類、性能指標(biāo)（2）閉環(huán)系統(tǒng)

現(xiàn)在的許多制造設(shè)備和具有智能的機(jī)電一體化產(chǎn)品都選擇閉環(huán)控制方式，如數(shù)控機(jī)床、加工中心、機(jī)器人、雷達(dá)、無人駕駛的汽車等。1.自動(dòng)控制的分類3.1.2自動(dòng)控制系統(tǒng)分類、性能指標(biāo)2.自動(dòng)控制的性能指標(biāo)（1）穩(wěn)定性所謂穩(wěn)定性，一般指當(dāng)系統(tǒng)受到外部作用后，其動(dòng)態(tài)過程的振蕩傾向和能否恢復(fù)平衡狀態(tài)的能力。3.1.2自動(dòng)控制系統(tǒng)分類、性能指標(biāo)（2）準(zhǔn)確性——穩(wěn)態(tài)誤差準(zhǔn)確性是對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)（靜態(tài)）性能指標(biāo)。對(duì)一個(gè)穩(wěn)定的系統(tǒng)而言，當(dāng)系統(tǒng)從一個(gè)穩(wěn)態(tài)過渡到新的穩(wěn)態(tài)，或系統(tǒng)受擾動(dòng)作用又重新平衡后，系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)偏差，這種偏差稱為穩(wěn)態(tài)誤差。3.1.2自動(dòng)控制系統(tǒng)分類、性能指標(biāo)2.自動(dòng)控制的性能指標(biāo)（3）快速性——?jiǎng)討B(tài)性能指標(biāo)快速性是指在系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下，系統(tǒng)通過自身調(diào)節(jié)，最終消除輸出量與給定值之間偏差的快慢程度。3.1.2自動(dòng)控制系統(tǒng)分類、性能指標(biāo)2.自動(dòng)控制的性能指標(biāo)

在控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)中，對(duì)已知結(jié)構(gòu)和參數(shù)的系統(tǒng)通過建立的數(shù)學(xué)模型，可利用時(shí)域響應(yīng)、頻域響應(yīng)等方法，進(jìn)行動(dòng)態(tài)和靜態(tài)分析。

下面簡述在生產(chǎn)過程自動(dòng)控制的發(fā)展歷程中歷史最久、生命力最強(qiáng)的PID控制（ProportionalIntegralDifferential比例積分微分）。3.1.3自動(dòng)控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)3.1.3自動(dòng)控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)PID控制一、控制理論的發(fā)展經(jīng)過了萌芽期、經(jīng)典控制理論時(shí)期、現(xiàn)代控制理論時(shí)期，現(xiàn)在進(jìn)入大系統(tǒng)和智能控制時(shí)期。二、自動(dòng)控制系統(tǒng)主要由被控對(duì)象、檢測(cè)及轉(zhuǎn)換裝置、比較環(huán)節(jié)、控制裝置、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等結(jié)構(gòu)構(gòu)成。三、自動(dòng)控制系統(tǒng)按照系統(tǒng)環(huán)節(jié)連接形式可分為開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。四、自動(dòng)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)有：穩(wěn)