自控1-2講-使用版

自動(dòng)控制原理大連理工大學(xué)城市學(xué)院2012年3月《自動(dòng)控制原理》參考教材1>

《自動(dòng)控制原理》

胡壽松顧樹生、王建輝

孟華2>ModernControlEngineering課程考核72學(xué)時(shí)（64

+8），4.5學(xué)分，必修課實(shí)驗(yàn)（10%）小測(cè)驗(yàn)（10%）期中考試（10%）

期末70%：閉卷考試平時(shí)30%：3交通工具自動(dòng)控制到底有什么用？

4機(jī)電設(shè)備自動(dòng)控制到底有什么用？

5航天科技自動(dòng)控制到底有什么用？

中巴資源衛(wèi)星

哈勃望遠(yuǎn)鏡－特殊地衛(wèi)星

制導(dǎo)導(dǎo)彈

6學(xué)完這門課程后，你可以獲得什么知識(shí)或者能力？1.什么是自動(dòng)控制？

————定義，基礎(chǔ)理論2.自動(dòng)控制具有什么好處和特點(diǎn)

————

分析方法3.如何實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制？————設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)7課程內(nèi)容第1章引論第2章線性系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型第3章控制系統(tǒng)的時(shí)域分析第4章根軌跡法第5章控制系統(tǒng)的頻域分析第8章采樣控制系統(tǒng)8

引言：自動(dòng)控制理論發(fā)展概述

§1.1開環(huán)控制和閉環(huán)控制

§1.2自動(dòng)控制的組成及術(shù)語(yǔ)

§1.3自動(dòng)控制系統(tǒng)的類型

§1.4自動(dòng)控制系統(tǒng)性能的基本要求

§1.5常用的典型的輸入信號(hào)

§1.6控制系統(tǒng)實(shí)例第一章引論

9引言：自動(dòng)控制理論發(fā)展概述-發(fā)展簡(jiǎn)史經(jīng)典控制理論

(20世紀(jì)初)

時(shí)域法復(fù)域法(根軌跡法)

頻域法現(xiàn)代控制理論

(20世紀(jì)60-70年代)

線性系統(tǒng)自適應(yīng)控制最優(yōu)控制魯棒控制最佳估計(jì)容錯(cuò)控制系統(tǒng)辨識(shí)集散控制

智能控制理論

(20世紀(jì)80年代)

專家系統(tǒng)大系統(tǒng)復(fù)雜系統(tǒng)模糊控制神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)遺傳算法101.自動(dòng)化的發(fā)展歷史公元前我國(guó)的自動(dòng)計(jì)時(shí)漏壺公元132年張衡研制的候風(fēng)地動(dòng)儀11公元235年馬鈞研制出能自動(dòng)指示方向的指南車

121788年英國(guó)Watt發(fā)明的控制蒸汽機(jī)速度的離心式調(diào)速器

131954年第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人

1981年美國(guó)“哥倫比亞”號(hào)航天飛機(jī)首次發(fā)射成功14

例：儲(chǔ)水槽的液位人工控制控制任務(wù)：儲(chǔ)水槽液位穩(wěn)定不變一、引出問(wèn)題：什么是自動(dòng)控制人工直接參與15人工直接參與

和

自動(dòng)控制16

1.控制過(guò)程自動(dòng)控制過(guò)程方塊圖：172.自動(dòng)控制Automation18

在無(wú)人直接參與的情況下，利用控制裝置，使工作機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程（被控對(duì)象）的某一個(gè)或多個(gè)物理量（被控量）準(zhǔn)確地按照預(yù)定的要求規(guī)律變化。自動(dòng)控制的目的提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量；改善勞動(dòng)條件，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度；提高生活質(zhì)量等。

19國(guó)防：人造衛(wèi)星等；

工業(yè)：起重機(jī)，數(shù)控車床等；人體系統(tǒng)：體溫、心跳、眼球等；日常生活：冰箱溫度、風(fēng)扇、電梯等。

自動(dòng)控制的應(yīng)用20※3

自動(dòng)控制系統(tǒng)

Automaticcontrolsystem21為了實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的控制任務(wù)，將被控對(duì)象和控制裝置按照一定的方式連接起來(lái)，組成一個(gè)有機(jī)總體的系統(tǒng)。通過(guò)控制器使被控對(duì)象按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行的系統(tǒng)。作用：是研究自動(dòng)控制系統(tǒng)組成，進(jìn)行系統(tǒng)分析設(shè)計(jì)的一般性理論；是研究自動(dòng)控制過(guò)程共同規(guī)律的技術(shù)學(xué)科特點(diǎn)：理性，數(shù)學(xué)基礎(chǔ)二、課程的作用及特點(diǎn)22電力電子技術(shù)、模擬電路數(shù)字電路單片機(jī)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、電路、PLC電機(jī)與拖動(dòng)、電氣控制普通物理、高等數(shù)學(xué)檢測(cè)技術(shù)、信號(hào)處理整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與校正——自動(dòng)控制原理學(xué)習(xí)自動(dòng)控制需了解哪些課程？

23

1.開環(huán)控制

2.閉環(huán)控制

3.復(fù)合控制

1.1系統(tǒng)的控制方式自動(dòng)控制系統(tǒng)基本控制方式241.※開環(huán)控制（系統(tǒng)）無(wú)被控量反饋的控制系統(tǒng)—Openloopcontrol

系統(tǒng)輸出端和輸入端之間不存在反饋回路，輸出量對(duì)系統(tǒng)的控制作用沒(méi)有影響。被控對(duì)象25開環(huán)控制系統(tǒng)特點(diǎn)控制簡(jiǎn)單，成本低；無(wú)法自動(dòng)補(bǔ)償，抗干擾能力差；控制精度難以保證。26用于自動(dòng)化流水線控制，如包裝機(jī)等。生活中的開環(huán)控制實(shí)例272.※

閉環(huán)控制（反饋控制）（系統(tǒng)）系統(tǒng)的輸出信號(hào)沿反饋通道又回到系統(tǒng)的輸入端。--closedloopcontrol(feedbackcontrol)

系統(tǒng)輸出端與輸入端存在反饋回路，即輸出量對(duì)控制作用有直接影響的系統(tǒng)。28閉環(huán)控制系統(tǒng)特點(diǎn)輸出信號(hào)反饋到輸入端—閉合—結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本提高；利用偏差實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)；控制精度高。由于反饋的存在，使系統(tǒng)可能出現(xiàn)“振蕩”；29※※反饋控制原理在反饋控制系統(tǒng)中，控制器對(duì)被控對(duì)象施加的控制作用，是取自被控量的反饋信息；而反饋信息則用來(lái)不斷的修正被控量與輸入量之間的偏差，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制的目的?！羁刂?0生活中的開環(huán)和閉環(huán)控制實(shí)例對(duì)比31※開環(huán)控制和閉環(huán)控制特點(diǎn)對(duì)比閉環(huán)控制

開環(huán)控制特點(diǎn)對(duì)比精度要求有無(wú)反饋抗干擾能力

適用場(chǎng)合

有無(wú)高低差強(qiáng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)穩(wěn)定，擾動(dòng)信號(hào)較弱

沒(méi)有要求32干擾補(bǔ)償?shù)膹?fù)合控制系統(tǒng)方框圖輸入量控制器控制對(duì)象測(cè)量元件輸出量反饋回路被控量干擾量前饋補(bǔ)償開環(huán)控制和閉環(huán)控制相結(jié)合的系統(tǒng)。

33

3.復(fù)合控制(系統(tǒng))4.控制方式選擇預(yù)知輸入量的變化規(guī)律，干擾參數(shù)變化少——高精度、有干擾——復(fù)合開環(huán)、閉環(huán)控制——開環(huán)閉環(huán)復(fù)合34例:人取書的反饋控制過(guò)程方框圖以此例思考系統(tǒng)的組成351.控制任務(wù)：

例:人取書的反饋控制過(guò)程的組成2.被控量：5.測(cè)量反饋：3.被控對(duì)象：人手的位置達(dá)到書的位置人手的位置人手或者手臂人的大腦

根據(jù)控制系統(tǒng)的原理，繪制方框圖。361.2自控系統(tǒng)的組成及術(shù)語(yǔ)一、組成4.控制器：眼睛人取書的反饋控制過(guò)程的方塊圖被控對(duì)象被控量測(cè)量元件37給定量控制器1.2自控系統(tǒng)的組成及術(shù)語(yǔ)一、組成比較環(huán)節(jié)38組成要素1被控對(duì)象：控制系統(tǒng)所控制和操縱的對(duì)象。2控制器：偏差信號(hào)控制信號(hào)3放大變換環(huán)節(jié)：偏差信號(hào)控制器4校正裝置：為改善系統(tǒng)的特性而附加的裝置。5反饋環(huán)節(jié)：測(cè)被控量處理反饋信號(hào)6給定環(huán)節(jié)：產(chǎn)生輸入控制信號(hào)。7比較環(huán)節(jié)：輸入給定與反饋信號(hào)比較。轉(zhuǎn)換、計(jì)算變換39二、術(shù)語(yǔ)1輸入信號(hào)：泛指對(duì)系統(tǒng)的輸出量有直接影響的外界輸入信號(hào)。（包括給定和干擾）2輸出信號(hào)（輸出量）：被控的物理量。3反饋信號(hào)：輸出信號(hào)變換處理反饋到輸入端的信號(hào)。4偏差信號(hào)

=輸入信號(hào)-主反饋信號(hào)。5誤差信號(hào)

=輸出實(shí)際值-期望值。6擾動(dòng)信號(hào)：除控制信號(hào)外，對(duì)系統(tǒng)的輸出有影響的信號(hào)。40開環(huán)控制反饋控制(閉環(huán)控制)復(fù)合控制按信號(hào)流向

1-3自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類41自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類1

按輸入信號(hào)自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類2恒值控制系統(tǒng)（自動(dòng)鎮(zhèn)定系統(tǒng)）

隨動(dòng)系統(tǒng)（自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)）

程序控制系統(tǒng)42自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類3按系統(tǒng)中是否含有非線性元件線性系統(tǒng)非線性系統(tǒng)按系統(tǒng)參數(shù)是否隨時(shí)間變化定常系統(tǒng)時(shí)變系統(tǒng)按信號(hào)的連續(xù)性連續(xù)系統(tǒng)離散系統(tǒng)按輸入輸出變量的多少單變量系統(tǒng)多變量系統(tǒng)431.4自控系統(tǒng)性能的基本要求一、引出問(wèn)題：保溫箱、空調(diào)的溫度變化較好最好不好44（a）（b）（c）圖1-13通電后自動(dòng)控制熱水器的水溫輸出信號(hào)變化曲線如何評(píng)價(jià)系統(tǒng)的性能好壞？1.4自控系統(tǒng)性能的基本要求穩(wěn)——

準(zhǔn)——

快——

動(dòng)態(tài)要求基本要求精度要求45二、性能的要求：1穩(wěn)定性（穩(wěn)）----系統(tǒng)正常工作的首要條件。

穩(wěn)定系統(tǒng)：輸出量的過(guò)渡過(guò)程衰減變化最終與期望值一致（接近）。

不穩(wěn)定系統(tǒng)：輸出量的過(guò)渡過(guò)程持續(xù)振蕩。462穩(wěn)態(tài)精度（準(zhǔn)）：指系統(tǒng)過(guò)渡到新的平衡工作狀態(tài)以后（干擾恢復(fù)后）最終保持的精度。3動(dòng)態(tài)過(guò)程（快、好）：指系統(tǒng)的被控量在輸入信號(hào)作用下隨時(shí)間變化的全過(guò)程。1.5常用的典型輸入信號(hào)1階躍函數(shù)：r(t)tAr(t)=0,t<0A,t>0當(dāng)A=1時(shí)，稱為單位階躍函數(shù)，記為1(t)幅值為A時(shí)，也表示為A(t)或A(t-t0)當(dāng)t=t0時(shí)r(t-t0)=0,t<t0A,t>t047t02斜坡函數(shù)（等速度函數(shù)）：r(t)tAr(t)=0,t<0At,t>0當(dāng)A=1時(shí)，稱為單位斜坡函數(shù)1.5常用的典型輸入信號(hào)481.5常用的典型輸入信號(hào)3拋物線函數(shù)（等加速度函數(shù)）：r(t)t當(dāng)A=1時(shí)，稱為單位拋物線函數(shù)r(t)=0,491.5常用的典型輸入信號(hào)4脈沖函數(shù)：r(t)tr(t)=0,當(dāng)A=1時(shí)，稱為單位脈沖函數(shù)記為501.5常用的典型輸入信號(hào)5正弦函數(shù)：r(t)=0A為振幅，角頻率51裝配機(jī)器人汽車自動(dòng)焊接生產(chǎn)線1.6自動(dòng)控制系統(tǒng)（應(yīng)用舉例）52自動(dòng)控制原理月球車機(jī)器人足球比賽53機(jī)器人干活無(wú)人駕駛汽車54總結(jié)-本章重點(diǎn)理解自動(dòng)控制系統(tǒng)的概念和組成

；

理解反饋控制原理，畫出典型反饋控制系統(tǒng)的方框圖；重點(diǎn)理解閉環(huán)控