自動(dòng)化第1章 緒論課件

第一章緒論第1節(jié)引言從總體來(lái)說(shuō)，自動(dòng)控制包括開(kāi)關(guān)量控制和反饋控制。一、開(kāi)關(guān)量控制的發(fā)展過(guò)程在1804年Jacquard發(fā)明了穿孔帶式紡織機(jī)1824年Sturgeon發(fā)明了電磁鐵1836年Henry發(fā)明了電磁繼電器1847年Bool提出了布爾代數(shù)在20世紀(jì)40年代，基本上形成了操作者─控制柜─被控對(duì)象的控制模式。在20世紀(jì)50年代，由于遠(yuǎn)距離監(jiān)控技術(shù)的引入，基本上形成了操作者─操作臺(tái)─控制柜─被控對(duì)象的控制模式。1968年美國(guó)通用汽車公司（GM）公開(kāi)招標(biāo)，要求研制新型的控制器。1969年可編程控制器（PLC）由美國(guó)數(shù)字設(shè)備公司（DEC）首先研制成功。在20世紀(jì)70年代中期，微處理器開(kāi)始被用作PLC的中央處理單元，PLC的功能大大提高。在20世紀(jì)70年代末，出現(xiàn)了分別采用16位微處理器、單片式微處理器和多個(gè)微處理器的PLC。在20世紀(jì)80年代及以后，隨著PLC的通訊功能更加完善，開(kāi)關(guān)量控制逐步實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化

1788年：J.Watt發(fā)明蒸汽機(jī)調(diào)速器

1000多年前：銅壺滴漏、指南針、各種天文儀器

1868年：J.C.Maxwell發(fā)表《調(diào)速器》，提出反饋控制的概念及穩(wěn)定性條件。

1884年：E.J.Routh提出勞斯穩(wěn)定性判據(jù)。二、反饋控制的發(fā)展過(guò)程

1895年：A.Hurwifz提出赫爾維茨穩(wěn)定性判據(jù)。

1932年：H.Nyquist提出奈奎斯特穩(wěn)定性判據(jù)。

1892年：A.M.Lyapunov提出李雅普諾夫穩(wěn)定性理論。

1945年：H.W.Bode提出反饋放大器的一般設(shè)計(jì)方法

1948年：N.Wiener發(fā)表《控制論》，標(biāo)志著經(jīng)典控制理論基本形成；

1950年：W.R.Evans提出根軌跡法，進(jìn)一步充實(shí)了經(jīng)典控制理論；

1954年：錢學(xué)森發(fā)表《工程控制論》；

50年代末60年代初：現(xiàn)代控制理論形成；

1956年：蓬特里亞金（Pontryagin）提出極大值原理

1957年：R.I.Bellman提出動(dòng)態(tài)規(guī)劃理論

1960年：R.E.Kalman提出卡爾曼濾波理論

1960～1980年：確定性系統(tǒng)的最優(yōu)控制、隨機(jī)系統(tǒng)的最優(yōu)控制、復(fù)雜系統(tǒng)的自適應(yīng)和自學(xué)習(xí)控制

1980迄今：魯棒控制、H控制、非線性控制、智能控制等一、人工控制與自動(dòng)控制

自動(dòng)控制在沒(méi)有人直接參與的情況下，利用外加的裝置（稱為控制器），使設(shè)備（稱為被控對(duì)象）的某個(gè)參數(shù)（即被控量）自動(dòng)地按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行。第2節(jié)自動(dòng)控制的基本概念

人工控制加熱電阻絲~220V調(diào)壓器人工控制的恒溫箱

溫度計(jì)人工控制恒溫箱的過(guò)程：

觀測(cè)恒溫箱內(nèi)的溫度（被控量）

與要求的溫度（給定值）進(jìn)行比較，得到偏差的大小和方向

根據(jù)偏差的大小和方向，調(diào)節(jié)調(diào)壓器，控制加熱電阻絲的電流，使溫度恢復(fù)到要求值。人工控制過(guò)程的實(shí)質(zhì)：檢測(cè)偏差再糾正偏差。加熱電阻絲~220V調(diào)壓器熱電偶給定信號(hào)比較電壓放大器功率放大器

電動(dòng)機(jī)減速器u2u1++u恒溫箱自動(dòng)控制系統(tǒng)

自動(dòng)控制恒溫箱自動(dòng)控制系統(tǒng)工作原理：恒溫箱實(shí)際溫度由熱電偶轉(zhuǎn)換成電壓u2

恒溫箱期望溫度由電壓u1給定，并與實(shí)際溫度

u2比較得到偏差信號(hào)u＝u1

u2偏差信號(hào)經(jīng)電壓、功率放大后，用以驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，并通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)拖動(dòng)調(diào)壓器動(dòng)觸頭。當(dāng)溫度偏高時(shí)，動(dòng)觸頭向減小電流的方向運(yùn)動(dòng)，反之加大電流，直到恒溫箱內(nèi)溫度達(dá)到給定值為止，此時(shí)，偏差u＝0，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。給定信號(hào)電壓功率放大器電機(jī)減速器調(diào)壓器恒溫箱(控制對(duì)象)熱電偶u1u2uu3nvu溫度t被控量擾動(dòng)綜上所述，自動(dòng)控制系統(tǒng)的工作原理：檢測(cè)被控量的實(shí)際值將被控量的實(shí)際值與給定值進(jìn)行比較得出偏差；

用偏差產(chǎn)生控制作用去消除偏差。特點(diǎn)：系統(tǒng)僅受輸入量控制；輸出端和輸入端之間不存在反饋通路；輸出量對(duì)系統(tǒng)的控制不產(chǎn)生任何影響。

輸入裝置指令系統(tǒng)輸入控制裝置驅(qū)動(dòng)裝置工作臺(tái)工作臺(tái)

位置系統(tǒng)輸出二、開(kāi)環(huán)控制優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單、成本低。若組成系統(tǒng)的元件的參數(shù)比較穩(wěn)定，且外界干擾較小，開(kāi)環(huán)控制能夠保持一定的精度。缺點(diǎn)：精度通常較低、無(wú)自動(dòng)糾偏能力控制器被控對(duì)象輸入量輸出量特點(diǎn)：輸出端和輸入端之間存在反饋通路，輸出量對(duì)控制過(guò)程有直接影響。

優(yōu)點(diǎn)：精度較高，對(duì)外界擾動(dòng)和系統(tǒng)參數(shù)變化

不敏感

缺點(diǎn)：系統(tǒng)性能分析和設(shè)計(jì)麻煩，成本較高。三、閉環(huán)控制控制器被控對(duì)象輸入量輸出量測(cè)量元件反饋量給定元件+串聯(lián)校正元件放大元件執(zhí)行元件控制對(duì)象_+_并聯(lián)校正元件局部反饋反饋元件主反饋控制部分比較元件比較元件輸入信號(hào)

xi偏差信號(hào)

e主反饋信號(hào)

xb擾動(dòng)信號(hào)輸出

xo第3節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成

給定元件

產(chǎn)生給定信號(hào)。

反饋元件

測(cè)量被控量，產(chǎn)生反饋信號(hào)。

為便于傳輸，反饋信號(hào)通常為電信號(hào)。

注意：在機(jī)械、液壓、氣動(dòng)等系統(tǒng)中存在著內(nèi)在反饋，這種反饋無(wú)須專門(mén)的反饋元件，是系統(tǒng)內(nèi)部各參數(shù)相互作用產(chǎn)生的。

比較元件

將給定信號(hào)和反饋信號(hào)進(jìn)行比較，產(chǎn)生偏差信號(hào)；

放大元件

對(duì)偏差信號(hào)進(jìn)行放大，使之有足夠的能量驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件實(shí)現(xiàn)控制功能。

執(zhí)行元件

直接對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行操縱的元件，如電動(dòng)機(jī)等；

校正元件

用來(lái)改善系統(tǒng)的控制質(zhì)量。第4節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類一、按輸入量的特征分類

恒值控制系統(tǒng)

程序控制系統(tǒng)

隨動(dòng)系統(tǒng)（伺服系統(tǒng)）二、按系統(tǒng)中傳遞的信號(hào)分類

連續(xù)控制系統(tǒng)

離散（數(shù)字）控制系統(tǒng)

線性系統(tǒng)與非線性系統(tǒng)可以用線性微分方程描述的系統(tǒng)。如果微分方程的系數(shù)為常數(shù)，則為線性定常系統(tǒng)；如果微分方程的系數(shù)是時(shí)間t的函數(shù)，則為線性時(shí)變系統(tǒng)；

線性系統(tǒng)線性是指系統(tǒng)滿足疊加原理，即：

可加性：

齊次性：三