2023學(xué)年完整公開課版控制系統(tǒng)

項目二：認(rèn)識自動機的機電系統(tǒng)內(nèi)容任務(wù)一：認(rèn)識自動機的控制系統(tǒng)任務(wù)二：認(rèn)識自動機的傳動控制系統(tǒng)任務(wù)三：認(rèn)識自動機的檢測裝置任務(wù)四：認(rèn)識工業(yè)機械手與機器人任務(wù)五：案例分析子任務(wù)1：控制系統(tǒng)分類任務(wù)一:認(rèn)識自動機的控制系統(tǒng)子任務(wù)1：控制系統(tǒng)分類1.1現(xiàn)代控制理論

1.

經(jīng)典控制理論:40-50年代形成/SISO系統(tǒng)基于：二戰(zhàn)軍工技術(shù)目標(biāo)：反饋控制系統(tǒng)的穩(wěn)定基本方法：傳遞函數(shù)，根軌跡法，頻率法，PID調(diào)節(jié)器(頻域)子任務(wù)1：控制系統(tǒng)分類

2.現(xiàn)代控制理論

60-70年代形成MIMO系統(tǒng)基于:冷戰(zhàn)時期空間技術(shù)，計算機技術(shù)目標(biāo):最優(yōu)控制基本方法:狀態(tài)方程（時域）子任務(wù)1：控制系統(tǒng)分類

3.智能控制技術(shù)

90年代開始發(fā)展，主要是基于專家系統(tǒng)、模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等智能領(lǐng)域的控制技術(shù)4.正在發(fā)展的各個領(lǐng)域近年來，現(xiàn)代控制理論的進展主要集中于自適應(yīng)控制、大系統(tǒng)理論、H∞魯棒控制、非線性控制(微分幾何，混沌，變結(jié)構(gòu))及相關(guān)課題。子任務(wù)1：控制系統(tǒng)分類1.2自動控制與自動控制系統(tǒng)自動控制：在無人直接參加的情況下，利用控制裝置使被控對象和過程自動地按預(yù)定規(guī)律變化的控制過程。1.什么叫自動控制2、自動控制系統(tǒng)：是由控制裝置和被控對象所組成，它們以某種相互依賴的的方式組合成為一個有機整體，并對被控對象進行自動控制。子任務(wù)1：控制系統(tǒng)分類被控對象控制裝置被控量（輸出量）測量元件（輸入量）給定量-偏差子任務(wù)1：控制系統(tǒng)分類子任務(wù)1：控制系統(tǒng)分類3.自動控制系統(tǒng)的方框圖

在研究自動控制系統(tǒng)時，為了便于分析并直觀的表示系統(tǒng)各個組成部分（環(huán)節(jié)）間的相互影響和信號傳遞關(guān)系，一般采用方框圖表示。子任務(wù)1：控制系統(tǒng)分類4.示例-液位自動控制系統(tǒng)的方框圖方塊稱為環(huán)節(jié)，系統(tǒng)最基本的環(huán)節(jié)是控制器、執(zhí)行器、傳感器和被控對象。帶箭頭的有向線條代表信息傳遞的方向，流入環(huán)節(jié)為輸入信號，流出環(huán)節(jié)為輸出信號。圖中帶箭頭的作用線表示信號的傳遞方向擾動子任務(wù)1：控制系統(tǒng)分類儲水槽的液位控制要求：靜態(tài)時，流出量等于流入量，儲水槽的液位穩(wěn)定在一定高度不變。

為克服擾動，維持液位高度不變，需實時調(diào)整閥門開度。調(diào)整的方法：液位高于預(yù)定高度，增大出口閥門開度；液位低于預(yù)定高度，減小出口閥門開度。子任務(wù)1：控制系統(tǒng)分類液位人工控制的信息轉(zhuǎn)換和傳遞過程眼流入量腦液位相對高低變化信號手閥門開閉及大小信號動作方向及強度信號子任務(wù)1：控制系統(tǒng)分類液位自動控制系統(tǒng)的組成測量流入量控制器液位高度信號執(zhí)行器動作方向及強度信號閥門開閉及大小信號高度設(shè)定信號偏差子任務(wù)1：控制系統(tǒng)分類1.3自動控制系統(tǒng)的分類按系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式分類按給定值的變化形式分類按系統(tǒng)的特性（數(shù)學(xué)模型）分類按系統(tǒng)信號流的形式分類按系統(tǒng)變量的多少分類1.按系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式分

（1）開環(huán)控制系統(tǒng)

輸出不影響輸入，對輸出不需要測量，通常容易實現(xiàn)；組成系統(tǒng)的元部件精度高，系統(tǒng)的精度才能高；系統(tǒng)的穩(wěn)定性不是主要問題；主要特點：開環(huán)控制系統(tǒng)：就是控制量與輸出量之間僅有前向通路而無反饋通路（即輸出量不能對控制量產(chǎn)生影響）。子任務(wù)1：控制系統(tǒng)分類控制方式：

按給定值操縱。信號由給定值至輸出量單向傳遞。一定的給定值對應(yīng)一定的輸出量。系統(tǒng)的控制精度取決于系統(tǒng)事先的調(diào)整精度。子任務(wù)1：控制系統(tǒng)分類子任務(wù)1：控制系統(tǒng)分類直流電動機轉(zhuǎn)速系統(tǒng)開環(huán)控制系統(tǒng)的優(yōu)點

結(jié)構(gòu)簡單、維護容易、成本低、不存在穩(wěn)定性問題。多用于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)穩(wěn)定和擾動信號較弱的場合,如自動售貨機，自動報警器，自動流水線等。開環(huán)控制系統(tǒng)的缺點對元器件要求較高、抗干擾能力差，無法自動補償系統(tǒng)干擾對被控量帶來的影響。子任務(wù)1：控制系統(tǒng)分類（2）閉環(huán)控制系統(tǒng)

輸出影響輸入，所以能削弱或抑制干擾；低精度元件可組成高精度系統(tǒng)；因為可能發(fā)生超調(diào)，振蕩，所以穩(wěn)定性很重要。主要特點：閉環(huán)控制：是指系統(tǒng)的信息傳遞形成閉合回路。也稱反饋控制系統(tǒng)。子任務(wù)1：控制系統(tǒng)分類控制方式：反饋控制，反饋按反饋極性的不同分成兩種形式：正反饋，負(fù)反饋。我們所講述的反饋系統(tǒng)如果無特殊說明，一般都指負(fù)反饋。子任務(wù)1：控制系統(tǒng)分類子任務(wù)1：控制系統(tǒng)分類帶速度反饋的直流電動機轉(zhuǎn)速系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)的優(yōu)點

閉環(huán)控制系統(tǒng)由于存在反饋通道，系統(tǒng)總是力圖維持系統(tǒng)輸出（被控量）等于給定值，因此對干擾具有極強的補償和修正作用。閉環(huán)控制系統(tǒng)的缺點

控制作用對干擾作用有時間滯后。控制過程可能產(chǎn)生振蕩。結(jié)構(gòu)復(fù)雜、維護不易、可能存在穩(wěn)定性問題。子任務(wù)1：控制系統(tǒng)分類子任務(wù)1：控制系統(tǒng)分類示例溫控系統(tǒng)-人工控制控制目標(biāo)：要求爐子的溫度恒定在期望的數(shù)值上。子任務(wù)1：控制系統(tǒng)分類溫控系統(tǒng)—自動控制（3）復(fù)合控制系統(tǒng)能夠抑止強干擾；結(jié)構(gòu)復(fù)雜主要特點：

復(fù)合控制：是指把按偏差控制和按擾動控制相結(jié)合的控制系統(tǒng)。子任務(wù)1：控制系統(tǒng)分類控制方式：同時采用反饋控制(按偏差控制)和開環(huán)控制(按擾動控制)兩種控制形式。控制器被控對象補償器檢測裝置干擾被控量給定值－子任務(wù)1：控制系統(tǒng)分類子任務(wù)1：控制系統(tǒng)分類示例——溫控系統(tǒng)控制任務(wù)：保持爐溫T恒定。受控對象：加熱爐

干擾：燃油壓力波動、環(huán)境溫度變化

控制部件：燃油管閥門

測量元件：溫度檢測計，流量檢測器反饋控制的作用可補償環(huán)節(jié)的轉(zhuǎn)換誤差及非主要擾動的影響。前饋控制是一種開環(huán)控制，它能在主要擾動發(fā)生的同時立即產(chǎn)生相應(yīng)的控制作用。物料加熱對象溫度檢測燃油閥門TC-+物料加熱設(shè)定溫度物料溫度FTFY+物料流量擾動子任務(wù)1：控制系統(tǒng)分類子任務(wù)1：控制系統(tǒng)分類2.按給定值的變化形式分類（1）定值控制系統(tǒng)

定值控制系統(tǒng)也稱恒值控制系統(tǒng)，輸出量以一定的精度等于給定值。Timer（t）

c（t）＝r（t）＝const子任務(wù)1：控制系統(tǒng)分類（2）隨動控制系統(tǒng)隨動系統(tǒng)：輸出量能以一定精度跟隨給定值變化的系統(tǒng)稱隨動系統(tǒng)，又稱為跟蹤系統(tǒng)。Timer（t）r（t）為未知時間函數(shù)。

c（t）＝r（t）子任務(wù)1：控制系統(tǒng)分類（3）程序控制系統(tǒng)

程序控制系統(tǒng)：自動控制系統(tǒng)的被控制量如果是根據(jù)預(yù)先編好的程序進行控制的系統(tǒng)稱程序控制系統(tǒng)。Timer（t）t1t2

c（t）＝r（t）r（t）為已知時間函數(shù)。子任務(wù)1：控制系統(tǒng)分類3.按系統(tǒng)的特性（數(shù)學(xué)模型）分類

（1）線性控制系統(tǒng)如果系統(tǒng)的特性都呈線性關(guān)系，則稱此系統(tǒng)為線性控制系統(tǒng)。TfcdtdcJ=+

線性系統(tǒng)的主要特征是滿足疊加原理，即：當(dāng)系統(tǒng)在輸入信號r1(t)的作用下產(chǎn)生系統(tǒng)的輸出c1(t)，當(dāng)系統(tǒng)在輸入信號r2(t)的作用下產(chǎn)生系統(tǒng)的輸出c2(t)。如果系統(tǒng)的輸入信號為

ar1(t)+br2(t)則系統(tǒng)的輸出滿足

ac1(t)+bc2(t)系數(shù)a、b可以是常數(shù)，也可以是時變參數(shù)。這樣的系統(tǒng)稱為線性系統(tǒng)。子任務(wù)1：控制系統(tǒng)分類子任務(wù)1：控制系統(tǒng)分類（2）非線性控制系統(tǒng)

當(dāng)系統(tǒng)中存在非線性特性的組成環(huán)節(jié)或元件，系統(tǒng)的特性就由非線性方程描述，這種系統(tǒng)即為非線性系統(tǒng)。非線性系統(tǒng)不具備疊加性。子任務(wù)1：控制系統(tǒng)分類4.按系統(tǒng)信號流的形式分類（1）連續(xù)控制系統(tǒng)系統(tǒng)中個部分的信號都是時間變量的連續(xù)函數(shù)。用模擬式儀表實現(xiàn)自動化的過程控制系統(tǒng)均屬此類系統(tǒng)。子任務(wù)1：控制系統(tǒng)分類（2）離散控制系統(tǒng)系統(tǒng)某處或多處的信號為時間上離散的脈沖序列或數(shù)碼