自動(dòng)控制系統(tǒng)概述課件

第一章

自動(dòng)控制系統(tǒng)概述第一章自動(dòng)控制系統(tǒng)概述一、基本概念第一、二次工業(yè)革命，為能源、動(dòng)力的革命，導(dǎo)致了機(jī)械化。1946年﹐美國(guó)福特公司的機(jī)械工程師D.S.哈德最先提出“自動(dòng)化”一詞﹐并用來(lái)描述發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸的自動(dòng)傳送和加工的過(guò)程《朗文當(dāng)代英語(yǔ)辭典》：automationtheuseofmachinesinsteadofpeopletodoajoborindustrialprocess《自動(dòng)化（專業(yè)）概論》：所謂自動(dòng)化(Automation)，是指機(jī)器或裝置在無(wú)人干預(yù)的情況下按規(guī)定的程序或指令自動(dòng)的進(jìn)行操作或運(yùn)行。廣義地講，自動(dòng)化還包括模擬或再現(xiàn)人的智能活動(dòng)?！蹲詣?dòng)化科學(xué)與技術(shù)學(xué)科的內(nèi)容、地位與體系》：簡(jiǎn)言之，“Automation”包含了①設(shè)備、過(guò)程或系統(tǒng)的自動(dòng)化；②自動(dòng)化技術(shù)或設(shè)備；③自動(dòng)化狀態(tài)。清華大學(xué)：熊光楞教授

一般的自動(dòng)化的定義：自動(dòng)化是指人把命令（即控制的信息）授給“控制機(jī)（或控制系統(tǒng)）”，使它按信息的要求，自動(dòng)控制機(jī)器，而機(jī)器再去運(yùn)作工具于工件。自動(dòng)化是分析、組織和控制生產(chǎn)過(guò)程的一種手段。

自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)人類勞動(dòng)模式的轉(zhuǎn)換：“人—工具”的勞動(dòng)模式、“人—機(jī)器—工具”的勞動(dòng)模式、“人—控制機(jī)—機(jī)器—工具”的勞動(dòng)模式。2第頁(yè)重慶郵電學(xué)院自動(dòng)化學(xué)院第一章自動(dòng)控制系統(tǒng)概述“自動(dòng)化”理論

控制論：經(jīng)典的反饋控制理論，現(xiàn)代控制理論，狀態(tài)空間理論，自適應(yīng)控制理論…

信息論：信息處理、壓縮、轉(zhuǎn)換、傳輸…

系統(tǒng)論：從各組成部分間的相互作用、相互影響的角度來(lái)考慮整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行、控制的問(wèn)題，

協(xié)同論：研究多個(gè)系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)、相互作用、相互影響。關(guān)系：控制論<工程控制論<自動(dòng)控制原理控制論的建立是20世紀(jì)最偉大的科學(xué)成就之一﹐現(xiàn)代社會(huì)的許多新概念和新技術(shù)往往與控制論有著密切的聯(lián)系。英文cybernetics(控制論)一詞來(lái)源于希臘文﹐原意為“掌舵人”﹐轉(zhuǎn)意是“管理人的藝術(shù)”。法國(guó)物理學(xué)家和數(shù)學(xué)家A.M.安培于1834年用控制論這一名詞稱呼管理國(guó)家的科學(xué)。控制論的奠基人美國(guó)數(shù)學(xué)家維納﹐N.1948年為控制論所下定義是:“研究動(dòng)物和機(jī)器中控制和通信的科學(xué)”。70年代以來(lái)﹐計(jì)算機(jī)得到廣泛的應(yīng)用﹐控制論的應(yīng)用范圍逐漸擴(kuò)大到社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)﹐控制論的定義也因之?dāng)U展。中國(guó)科學(xué)家錢學(xué)森創(chuàng)立了工程控制論﹐并于1954年在美國(guó)出版了《工程控制論》的專著。他提出﹐工程控制論的對(duì)象是控制論這門學(xué)科能夠直接應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)的那些部分。以后又出現(xiàn)了生物控制論、經(jīng)濟(jì)控制論、社會(huì)控制論等。4第頁(yè)重慶郵電學(xué)院自動(dòng)化學(xué)院第一章自動(dòng)控制系統(tǒng)概述是自動(dòng)化類、信息類的必修課，主干課，將具體元件根據(jù)自動(dòng)控制原理組成、針對(duì)具體控制對(duì)象的系統(tǒng)，包括：1.研究一般規(guī)律：通過(guò)分析、研究各種具體系統(tǒng)的一般規(guī)律，控制本身是一種工具，它不局限于某個(gè)系統(tǒng)，控制理論作為自動(dòng)控制的基礎(chǔ)理論，具有普適性，好比微積分、線性代數(shù)，任何領(lǐng)域都可拿來(lái)用從物理特性和規(guī)律出發(fā)，但不局限于物理規(guī)律，而是找出共同規(guī)律使之能更廣泛的應(yīng)用；同時(shí)又有很強(qiáng)的應(yīng)用背景，但聯(lián)系實(shí)際有具體意義，和一般數(shù)學(xué)等不同。2.提供基本方法，是方法論：通過(guò)規(guī)律的研究，提供針對(duì)具體問(wèn)題的分析，解決問(wèn)題的方法，如對(duì)實(shí)際控制系統(tǒng)，建立模型，求解，分析并解決問(wèn)題，提供一種通用的思想和方法。3.一種思想方法，不僅針對(duì)一般的物理系統(tǒng)，還可以推廣對(duì)自然科學(xué)，社會(huì)科學(xué)，如生產(chǎn)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境等問(wèn)題。如系統(tǒng)的觀點(diǎn)，全局觀念、反饋思想，這些思想是靠潛移默化，長(zhǎng)期訓(xùn)練得到的，特別是復(fù)雜的，大慣性的系統(tǒng)，如：環(huán)境、生態(tài)，人口等問(wèn)題，僅靠當(dāng)前、局部的一些思考方法和措施不能很好解決，引入這自動(dòng)控制、自動(dòng)化等思想可以提供更全面地、長(zhǎng)期的分析、解決問(wèn)題的方法。作用的同時(shí)也吸取其它學(xué)科知識(shí)。6第頁(yè)重慶郵電學(xué)院自動(dòng)化學(xué)院第一章自動(dòng)控制系統(tǒng)概述二、發(fā)展歷史：

古代有很多樸素的應(yīng)用，如車輪、弓箭飛行的穩(wěn)定性等，具有利用負(fù)反饋的思想來(lái)工作，但都未上升到理論、系統(tǒng)的高度。（一）

18世紀(jì)前，多為簡(jiǎn)單的裝備，對(duì)自動(dòng)控制的要求和研究不多，瓦特發(fā)明蒸汽機(jī)，有了強(qiáng)大的能源，開(kāi)始出現(xiàn)復(fù)雜的設(shè)備，由于機(jī)械化代替了人力，人處于操縱地位，出現(xiàn)了自動(dòng)化裝置。但這些裝置有時(shí)并不總按設(shè)計(jì)的方式工作，如駕駛汽車。因?yàn)椋簜鲃?dòng)，放大，延遲的問(wèn)題，造成系統(tǒng)指標(biāo)不滿足預(yù)期要求甚至出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象，如蒸汽機(jī)、柴油機(jī)的失速，導(dǎo)致調(diào)速器的發(fā)明。電子的發(fā)展對(duì)穩(wěn)定性提出要求，反饋的思想出現(xiàn)、船舶自動(dòng)駕駛、伺服系統(tǒng)出現(xiàn)?？刂评碚摪l(fā)展：建立數(shù)字模型——微分方程：稱為時(shí)域模型1877：勞斯-霍爾維茨：代數(shù)穩(wěn)定判據(jù),由于微分方程求解困難,進(jìn)展緩慢,少量應(yīng)用,7第頁(yè)重慶郵電學(xué)院自動(dòng)化學(xué)院（二）1932:奈氏判據(jù)1934：伺服控制系統(tǒng)、1945：波德圖1948：根軌跡法以及維納濾波理論。此時(shí)，利用拉氏變換解微分方程并分析，引入信號(hào)里的頻域分析思想，稱為頻率法以上統(tǒng)稱：經(jīng)典控制理論。此階段，經(jīng)歷了第一，二次工業(yè)革命，大工業(yè)時(shí)代，煉鋼，機(jī)械，電力等飛速發(fā)展，第一，二次大戰(zhàn)，雷達(dá)，大炮，飛機(jī)等發(fā)明和廣泛應(yīng)用更加這種飛速發(fā)展。（三）60年代以來(lái)，以極大值原理，動(dòng)態(tài)規(guī)劃，卡爾曼濾波和系統(tǒng)辯識(shí)，尤其是狀態(tài)空間法，解決復(fù)雜的多輸入、輸出問(wèn)題，直到現(xiàn)在的：非線性，最優(yōu)控制，系統(tǒng)辯識(shí)、自適應(yīng)控制等，該階段稱為現(xiàn)代控制理論；自動(dòng)控制普遍用于工業(yè)，如煉鋼，石化，發(fā)電，供電，國(guó)防，計(jì)算機(jī)出現(xiàn)為復(fù)雜問(wèn)題的時(shí)域解提供可能，自動(dòng)控制成功應(yīng)用于航空，航天、核工業(yè)、乃至社會(huì)、經(jīng)濟(jì)等尖端領(lǐng)域，自動(dòng)化發(fā)展高峰。8第頁(yè)重慶郵電學(xué)院自動(dòng)化學(xué)院第一章自動(dòng)控制系統(tǒng)概述二、發(fā)展歷史：（四）當(dāng)前，理論上未出現(xiàn)劃時(shí)代的進(jìn)展，如模糊控制，人工智能，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，混沌理論、大系統(tǒng)理論，基本上是理論的，局部的一些解決方案，而在作為技術(shù)方法層上借助計(jì)算機(jī)，通信等實(shí)現(xiàn)較多，缺少一個(gè)普遍的，實(shí)踐上有重大意義的思想或理論。特別是目前科技發(fā)展快、分工多，難以對(duì)現(xiàn)有技術(shù)和需求做全局到局部的系統(tǒng)認(rèn)識(shí)和分析。（五）我國(guó)歷史和現(xiàn)狀我國(guó)起步晚，在現(xiàn)代科學(xué)史上沒(méi)有占據(jù)一席之地。1954年錢學(xué)森所著《工程控制論》一書(shū)英文版問(wèn)世﹐第一次用這一名詞稱呼在工程設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)中能夠直接應(yīng)用的關(guān)于受控工程系統(tǒng)的理論﹑概念和方法。隨著該書(shū)的迅速傳播(俄文版1956年﹐德文版1957年﹐中文版1958年)﹐該書(shū)中給這一學(xué)科所賦予的含義和研究的范圍很快為世界科學(xué)技術(shù)界所接受。80年代普遍開(kāi)展教學(xué)和研究，但基礎(chǔ)工業(yè)落后，以原料到生產(chǎn)，各方面落后，從自動(dòng)化的材料、元件、系統(tǒng)和技術(shù)各方面都與發(fā)達(dá)國(guó)家有較大差距。9第頁(yè)重慶郵電學(xué)院自動(dòng)化學(xué)院11第頁(yè)重慶郵電學(xué)院自動(dòng)化學(xué)院（一）開(kāi)環(huán)與閉環(huán)：（結(jié)構(gòu)）第一章自動(dòng)控制系統(tǒng)概述其它如：鐳的提煉、學(xué)習(xí)過(guò)程、癌疹、核反應(yīng)等12第頁(yè)重慶郵電學(xué)院自動(dòng)化學(xué)院第一章自動(dòng)控制系統(tǒng)概述2．閉環(huán)：

13第頁(yè)重慶郵電學(xué)院自動(dòng)化學(xué)院第一章自動(dòng)控制系統(tǒng)概述三、自動(dòng)控制系統(tǒng)及分類（二）信號(hào)特征：1.程序控制：輸入量是已知的時(shí)間函數(shù)是一個(gè)狀態(tài)動(dòng)作等。順序控制：如霓虹燈。邏輯控制：連鎖，邏輯，如機(jī)械、汽車制造中的生產(chǎn)線時(shí)間控制：交通燈，洗

衣機(jī)三者往往結(jié)合，采用PLC，繼電器，等實(shí)現(xiàn)。14第頁(yè)重慶郵電學(xué)院自動(dòng)化學(xué)院2.恒值系統(tǒng)：如恒溫，速，輸入為恒定不變，稱為自動(dòng)調(diào)節(jié)。3.隨動(dòng)系統(tǒng)（伺服）：如火炮，參考值不斷變化。15第頁(yè)重慶郵電學(xué)院自動(dòng)化學(xué)院第一章自動(dòng)控制系統(tǒng)概述

四、控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

輸入信號(hào)（設(shè)定值）、偏差信號(hào)、控制量、擾動(dòng)信號(hào)、輸出量、反饋量比較器、控制器、控制對(duì)象、傳感器教材P3頁(yè)圖17第頁(yè)重慶郵電學(xué)院自動(dòng)化學(xué)院第一章自動(dòng)控制系統(tǒng)概述

五、自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

1最重要、基本的要求：穩(wěn)定，不能失控，一切其他指標(biāo)以穩(wěn)定為前提。即在擾動(dòng)作用下，系統(tǒng)不能處于一個(gè)相對(duì)固定的狀態(tài)，如單擺、倒立擺，對(duì)線性系統(tǒng)，穩(wěn)定與否是內(nèi)在的、系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定的，與輸入無(wú)關(guān)。其它：島嶼的大小與其上物種的關(guān)系，草原的生態(tài)，核能發(fā)電。穩(wěn)定是系統(tǒng)保持而不至于崩潰或回復(fù)到起初始狀態(tài)的特性。18第頁(yè)重慶郵電學(xué)院自動(dòng)化學(xué)院2一般要求：響應(yīng)快，動(dòng)態(tài)過(guò)程平穩(wěn)，跟蹤準(zhǔn)確；

為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的基本任務(wù)，必須對(duì)系統(tǒng)在控制過(guò)程中表現(xiàn)出來(lái)的行為提出要求。對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求，通常是通過(guò)系統(tǒng)對(duì)特定輸入信號(hào)的響應(yīng)來(lái)滿足的。例如，用單位階躍信號(hào)的過(guò)渡過(guò)程及穩(wěn)態(tài)的一些特征值來(lái)表示?？焖傩裕荷仙龝r(shí)間、峰值時(shí)間（動(dòng)態(tài)指標(biāo)）、調(diào)節(jié)時(shí)間（穩(wěn)態(tài)指標(biāo)）平穩(wěn)性：超調(diào)量、震蕩次數(shù)；準(zhǔn)確性：即精度要求，動(dòng)態(tài)誤差、穩(wěn)態(tài)誤差3

設(shè)計(jì)：

a.系統(tǒng)分析，建立模型，分析規(guī)律與性能。

b.設(shè)計(jì)。根據(jù)分析確定控制方法：