第一章-自動控制的一般概念 1

1、Dept. of Control Engineering, ChengDu University of Information Technology,自動控制原理講 述 人： 付克昌聯(lián)系方式：自動化教研室（科教樓102室）Email： kcfucx@cuit.edu.cn教師課件：付克昌 密 碼： abc123,College of Automatic Control Engineering , CUIT,關(guān)于本課

2、程,課程的性質(zhì)和地位 專業(yè)基礎(chǔ)課，自動化類專業(yè)的核心課程。 自動控制原理與現(xiàn)代控制理論兩門課程，分兩學(xué)期教學(xué)。（后者為選修） 64學(xué)時（理論教學(xué)56學(xué)時，實驗8學(xué)時）加32學(xué)時（24+8）。 課程特點與教學(xué) 理論性與實踐性。（理論教學(xué)加實驗，反饋理論與線性系統(tǒng)理論） 工程背景與應(yīng)用性。（工程上的物理實體，解決工程控制問題） 以工程應(yīng)用為導(dǎo)向?qū)W習(xí)理論與方法。 知識型作業(yè)，工程應(yīng)用型作業(yè)和計算機仿真作業(yè)。

3、 CDIO改革試點課程。,College of Automatic Control Engineering , CUIT,作業(yè)：每周上交一次實驗：安排３個必做實驗和部分選做實驗，1人/1組，獨立完成，書寫實驗報告成績評定：考試60%（閉卷考試），考勤10%平時作業(yè)10%，實驗20%。,課程導(dǎo)論,College of Automatic Control Engineering , CUIT,本課程與其它課程關(guān)系,College of

4、 Automatic Control Engineering , CUIT,課堂學(xué)習(xí)：聽課與思維（綜合前修課程知識、生活體驗）資料閱讀與資料查閱（教材與參考書、其它資料）實習(xí)與實驗（計劃內(nèi)外實驗，工礦企業(yè)、校內(nèi)實驗室參觀） 完成作業(yè)討論交流,學(xué)習(xí)方法與要求,College of Automatic Control Engineering , CUIT,教學(xué)參考資料,網(wǎng)址：http://jpkc.cuit.edu.cn/mysy

5、/cxy/che.asp?cid=48教材： Richard C.Dorf 《現(xiàn)代控制系統(tǒng)》（第8版） 高教出版社參考書： 胡壽松主編 《自動控制原理》（第5版） 科學(xué)出版社 王劃一主編 《自動控制原理》 國防工業(yè)出版社 胡壽松主編 《自動控制原理習(xí)題集》（第2版） 科學(xué)出版社 黃忠霖著 《控制系統(tǒng)MATLAB計算及仿真》 國防工業(yè)出版社 劉坤主編 《MATLAB自動控制原理習(xí)題精解》國

6、防工業(yè)出版社,College of Automatic Control Engineering , CUIT,第一章 控制系統(tǒng)導(dǎo)論（Introduction to control systems）,,,,,,,1.1 自動控制一般概念1.2 自動控制的發(fā)展簡史1.3 控制工程實踐1.4 現(xiàn)代控制系統(tǒng)舉例1.5 自動裝配和機器人1.6 控制系統(tǒng)的未來發(fā)展補 對控制系統(tǒng)的基本要求與研究內(nèi)容1.7

7、 工程設(shè)計1.8 設(shè)計實例1：轉(zhuǎn)臺速度控制 設(shè)計實例2：磁盤驅(qū)動器讀取系統(tǒng),College of Automatic Control Engineering , CUIT,回答的問題：什么是自動控制？為什么要做自動控制？如何實現(xiàn)自動控制？有哪些種類的自動控制系統(tǒng)？等等,1.1 自動控制的一般概念,一、自動控制與自動控制系統(tǒng),例1.恒溫箱,1.幾個例子,例2.液位控制,College of Automatic C

8、ontrol Engineering , CUIT,例3. 火力發(fā)電廠,College of Automatic Control Engineering , CUIT,2.自動控制 (Automatic control) 在沒有人直接參與的情況下，利用外加的設(shè)備或裝置（稱自動控制裝置）,使機器、設(shè)備或生產(chǎn)過程（統(tǒng)稱被控對象）的工作狀態(tài)或參數(shù)（稱為被控量）自動地按照預(yù)定的規(guī)律運行。,例4. 火箭與導(dǎo)彈,3. 自動控制系統(tǒng) (Contr

9、ol systems) 是由各部件互聯(lián)而形成的一個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并能夠提供所期望的響應(yīng)。它就是一個完整的信息系統(tǒng)。,College of Automatic Control Engineering , CUIT,自動控制系統(tǒng)的功能（The function of control systems） 通過控制裝置使被控對象的被控量按照預(yù)定的規(guī)律變化。自動控制理論學(xué)科以及本課程具有下列兩個特點： 自動控制理論研究

10、的是自動控制系統(tǒng)運動的一般規(guī)律和分析、設(shè)計的基本方法； 自動控制理論討論的中心問題是控制系統(tǒng)的性能經(jīng)典控制理論（Classical control theory） 一個函數(shù)：傳遞函數(shù) 兩種方法：頻率響應(yīng)法，根軌跡法,College of Automatic Control Engineering , CUIT,二、 自動控制系統(tǒng)的組成和工作原理,開環(huán)控制系統(tǒng)采用控制器或控制執(zhí)行

11、機構(gòu)來實現(xiàn)期望的響應(yīng),,1. 開環(huán)控制系統(tǒng) (open loop control system),College of Automatic Control Engineering , CUIT,[人工控制過程]觀測恒溫箱內(nèi)的溫度（被控制量）與要求的溫度（給定值）進行比較得到溫度偏差的大小和方向根據(jù)偏差大小和方向調(diào)節(jié)調(diào)壓器，控制加熱電阻絲的電流以調(diào)節(jié)溫度回復(fù)到要求值。,[實質(zhì)] 檢測偏差再糾正偏差。,（1）恒溫箱控制,,2.

12、閉環(huán)控制系統(tǒng)(closed-feedback control system),College of Automatic Control Engineering , CUIT,溫度偏差信號經(jīng)電壓、功率放大后，驅(qū)動執(zhí)行電動機，并通過傳動機構(gòu)拖動調(diào)壓器動觸頭。當(dāng)溫度偏高時，動觸頭向減小電流的方向運動，反之加大電流，直到溫度達到給定值為止，此時，偏差?u=0,電機停止轉(zhuǎn)動。,[實施過程],恒溫箱自動控制系統(tǒng),College of Automat

13、ic Control Engineering , CUIT,系統(tǒng)原理方塊圖,[實質(zhì)]檢測偏差糾正偏差,College of Automatic Control Engineering , CUIT,（2）轉(zhuǎn)臺速度控制,閉環(huán)控制系統(tǒng)增加了對實際輸出測量的裝置，并將其與期望的輸出響應(yīng)進行比較。實際輸出的測量稱為反饋信號(feedback signal)。反饋控制系統(tǒng)對輸出進行測量，將此測量信號反饋，并與預(yù)期的輸入（參考或指令輸入）進行比

14、較，按偏差大小實施控制，使系統(tǒng)變量之間保持預(yù)定關(guān)系的控制系統(tǒng)。,College of Automatic Control Engineering , CUIT,綜上所述,反饋（閉環(huán)）控制系統(tǒng)的工作原理：檢測輸出量（被控制量）的實際值；將輸出量的實際值與給定值（輸入量）進行比較得出偏差；用偏差值產(chǎn)生控制調(diào)節(jié)作用去消除偏差，使得輸出量維持期望的輸出。,College of Automatic Control Engineering ,

15、 CUIT,,,元部件 方框（塊） 信號（物理量）及傳遞方向中的符號 比較點 引出點 表示負(fù)反饋,控制系統(tǒng)的框圖表示,College of Automati

16、c Control Engineering , CUIT,三、 閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成,典型閉環(huán)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成,College of Automatic Control Engineering , CUIT,3．比較元件： 對給定信號和反饋信號進行比較，產(chǎn)生偏差信號。4．放大元件： 對偏差信號進行放大，使之有足夠的能量驅(qū)動執(zhí)行元件實現(xiàn)控制功能。5．執(zhí)行元件： 直接對受控對象進行操縱的元件，如電動機、液壓馬達等。,

17、一些基本術(shù)語,College of Automatic Control Engineering , CUIT,6.校正元件： 用以改善系統(tǒng)控制質(zhì)量的裝置。 校正元件分為串聯(lián)和并聯(lián)兩種。 控制系統(tǒng)中比較元件、放大元件、執(zhí)行元件和反饋元件等共同起控制作用，統(tǒng)稱為自動控制裝置。 實際的控制系統(tǒng)中，擾動總是不可避免的。 擾動分為內(nèi)部擾動和外部擾動。,College of Automatic Control Eng

18、ineering , CUIT,反饋控制方式（閉環(huán)控制）開環(huán)控制方式復(fù)合控制方式,,四、 控制系統(tǒng)的控制方式,College of Automatic Control Engineering , CUIT,1．反饋控制（閉環(huán)控制、按偏差控制）：,輸出端和輸入端之間存在反饋回路，輸出量對控制過程有直接影響。閉環(huán)的作用：應(yīng)用反饋，減少偏差。,College of Automatic Control Engineering , CUIT,

19、2．開環(huán)控制：,控制器與被控對象間只有順序作用而無反向聯(lián)系且控制單方向進行的過程。,數(shù)控機床的開環(huán)控制系統(tǒng)方塊圖,兩種組成方式：按給定量控制按擾動控制,College of Automatic Control Engineering , CUIT,按給定量控制：信號由給定值至輸出量單向傳遞。,按擾動控制：通過對擾動信號的測量產(chǎn)生控制作用， 以補償擾動對輸出量的影響。,College of Auto

20、matic Control Engineering , CUIT,1）輸出影響輸入，所以能削弱或抑制干擾；2）低精度元件可組成高精度系統(tǒng)；3）因為可能發(fā)生超調(diào)，振蕩，所以穩(wěn)定性很重要。,,閉環(huán)控制,1）輸出不影響輸入，對輸出不需要測量，通常容易實現(xiàn)；2）組成系統(tǒng)的元部件精度高，系統(tǒng)的精度才能高；3）系統(tǒng)的穩(wěn)定性不是主要問題；,,開環(huán)控制,College of Automatic Control Engineering , CUI

21、T,3. 復(fù)合控制方式,其它新控制方式：最優(yōu)控制、預(yù)測控制、自適應(yīng)控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等。,College of Automatic Control Engineering , CUIT,,五、 控制系統(tǒng)的分類,,思考？？,開環(huán)控制、閉環(huán)控制、復(fù)合控制在結(jié)構(gòu)、工作機理、性能、成本上有何差別,College of Automatic Control Engineering , CUIT,機械系統(tǒng)電氣系統(tǒng)機電系統(tǒng)液壓系統(tǒng)氣動

22、系統(tǒng) 生物系統(tǒng),,2．按元件類?型分,College of Automatic Control Engineering , CUIT,,College of Automatic Control Engineering , CUIT,,,College of Automatic Control Engineering , CUIT,College of Automatic Control Engineering

23、, CUIT,1.2 自動控制的發(fā)展簡史,,1.3 控制工程實踐,1.4 現(xiàn)代控制系統(tǒng)舉例,1.5 自動裝配和機器人,1.6 控制系統(tǒng)的未來發(fā)展,自行閱讀教材P3—P14,思考： 將人駕駛汽車的過程與閉環(huán)控制系統(tǒng)相對應(yīng)，人實現(xiàn)了自動控制系統(tǒng)的哪些環(huán)節(jié)？人的哪些器官分別對應(yīng)自動控制系統(tǒng)的哪個環(huán)節(jié)？ 如果設(shè)計一個全自動汽車駕駛系統(tǒng)，需要加設(shè)哪些裝備？,College of Automatic Control Engin

24、eering , CUIT,1、穩(wěn)定性：基本要求 要求系統(tǒng)要穩(wěn)定,一、 基本要求：“穩(wěn)、準(zhǔn)、快、壯、省”,輸入信號,響應(yīng),補： 對控制系統(tǒng)的基本要求與研究內(nèi)容,College of Automatic Control Engineering , CUIT,2、準(zhǔn)確性：穩(wěn)態(tài)要求,不穩(wěn)定系統(tǒng)，沒有必要討論準(zhǔn)確性,,偏差：0,,偏差：0.5,,,系統(tǒng)響應(yīng)達到穩(wěn)態(tài)時，輸出跟蹤精度要高,College of Automatic Contr

25、ol Engineering , CUIT,不穩(wěn)定系統(tǒng)，沒有必要討論快速性,,緩慢收斂，穩(wěn)定,,快速收斂，穩(wěn)定,,3、快速性：動態(tài)要求 系統(tǒng)階躍響應(yīng)的過渡過程平穩(wěn)，快速,College of Automatic Control Engineering , CUIT,注意： “穩(wěn)、準(zhǔn)、快”相互制約，不同性質(zhì)的系統(tǒng)，對穩(wěn)、準(zhǔn)和快的要求各有側(cè)重，如：恒值系統(tǒng)對“穩(wěn)、準(zhǔn)”要求嚴(yán)格，隨動系統(tǒng)對“快”要求嚴(yán)格，具體設(shè)計時要折中考慮。,

26、綜上所述，對自動控制系統(tǒng)的要求，在時域中一般可歸納為：,要求系統(tǒng)絕對穩(wěn)定且有一定的穩(wěn)定裕量；瞬態(tài)響應(yīng)過程具有一定的快速和平穩(wěn)性；系統(tǒng)最終響應(yīng)的準(zhǔn)確度在工程允許的范圍內(nèi)。,College of Automatic Control Engineering , CUIT,二、研究內(nèi)容：,單變量時不變連續(xù)系統(tǒng) 分析與設(shè)計,College of Automatic Control Engineering , CUIT,1.7 工程設(shè)計,一、

27、工程與工程設(shè)計,1. 工程與控制工程的關(guān)系,工程是人們了解自然，利用自然和改造自然，以便造福人類的過程。工程師是這一過程的領(lǐng)航者。 控制工程是工程的重要組成部分，控制工程師通過理解和控制他們周邊環(huán)境中的某些部分，常稱為系統(tǒng)（system），以便為社會提供經(jīng)濟實用的產(chǎn)品。,2. 控制工程涉及的學(xué)科和領(lǐng)域,控制工程涉及多學(xué)科的理論知識：反饋理論、線性系統(tǒng)分析、網(wǎng)絡(luò)理論、通信理論等。涉及的領(lǐng)域包括宇航、化工、機械、土木環(huán)境、電

28、氣工程等基礎(chǔ)工程和社會經(jīng)濟各領(lǐng)域。,College of Automatic Control Engineering , CUIT,3. 工程設(shè)計,工程設(shè)計就是為達到特定的目的，構(gòu)思或創(chuàng)建系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、組成和技術(shù)細(xì)節(jié)的過程。創(chuàng)新和分析在其中占據(jù)著重要的地位。,設(shè)計是一項創(chuàng)新活動：工程師創(chuàng)造性地運用所擁有的知識和材料，確定系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能和物理構(gòu)成。,設(shè)計的主要步驟： 明確用戶需求：包括政府的公共政策到普通消費者在內(nèi)的各個社會群體的需求。

29、 論證設(shè)計要求：詳細(xì)確定應(yīng)該有什么樣的解決方案以及怎樣才能滿足用戶需求。 開發(fā)設(shè)計方案：設(shè)計多種滿足要求的解決方案。 設(shè)計與實現(xiàn)：選定解決方案并加以詳細(xì)設(shè)計和技術(shù)實現(xiàn)。,College of Automatic Control Engineering , CUIT,(1) 影響設(shè)計工作的主要因素是時間限制，設(shè)計不可能理想，只能足夠好。,(2) 設(shè)計工程師面臨的主要挑戰(zhàn)之一----撰寫技術(shù)產(chǎn)品的設(shè)計規(guī)范：即對裝置或系統(tǒng)將是什么和

30、將能做什么的簡潔而明確的說明。,設(shè)計工作應(yīng)注意的幾個重要問題,（3）設(shè)計的復(fù)雜性：源于設(shè)計的多樣性。,（4）折中處理：在兩個所期望的但又彼此沖突的性能指標(biāo)或設(shè)計準(zhǔn)則之間，為達成某種協(xié)調(diào)而作出決策。如系統(tǒng)的快速性與穩(wěn)定性，高性能與低成本等。,（5）設(shè)計差異：最終產(chǎn)品常常不能與原先設(shè)計和想象完全一致。它是工程的固有屬性。,（6）設(shè)計風(fēng)險：源于設(shè)計的不可預(yù)見性。,（7）設(shè)計的思維模式：分析和綜合。通過分析確定設(shè)計的改進方向，運用綜合構(gòu)建新的方

31、案或系統(tǒng)。,（8）設(shè)計工作的主要方法：參數(shù)分析和參數(shù)優(yōu)化。,College of Automatic Control Engineering , CUIT,二、控制系統(tǒng)設(shè)計,控制系統(tǒng)的性能規(guī)范： 穩(wěn)定性 準(zhǔn)確性 快速性 魯棒性 抗干擾能力,College of Automatic Control Engineering , CUIT,1.8 設(shè)計實例,CD機，計算機磁盤驅(qū)動器等的轉(zhuǎn)盤在工作中保持恒定轉(zhuǎn)速。,實例1 轉(zhuǎn)盤速度控

32、制,控制目標(biāo)：轉(zhuǎn)盤速度恒定，被控變量：轉(zhuǎn)速 。開環(huán)控制方案,College of Automatic Control Engineering , CUIT,閉環(huán)控制方案,College of Automatic Control Engineering , CUIT,實例2. 磁盤驅(qū)動讀取系統(tǒng),完成1—4步：確立控制目標(biāo)，確定控制變量，初步確定設(shè)計指標(biāo)，初步確定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。,College of Automatic Control Engi

33、neering , CUIT,確立控制目標(biāo)：定位讀取頭，以便讀取存儲在磁盤某一磁道上的數(shù)據(jù)；確定控制變量：讀取頭的位置；擬定對變量的設(shè)計要求：定位精度為1微米，讀取頭移動時間為50毫秒；選擇執(zhí)行機構(gòu)：采用的傳感器、執(zhí)行機構(gòu)、控制處理器和反饋控制，建立初步系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。,College of Automatic Control Engineering , CUIT,習(xí)題1-2 p16，說明工作原理并畫出方框圖：,College of A

34、utomatic Control Engineering , CUIT,工作原理：閉環(huán)控制當(dāng)合上開門開關(guān)時，電位器橋式測量電路產(chǎn)生偏差電壓，經(jīng)放大器放大后，驅(qū)動伺服電動機帶動絞盤轉(zhuǎn)動，使大門向上提起，與此同時，與大門連在一起的電位器電刷上移，直到橋式電路達到平衡，電動機停止轉(zhuǎn)動，開門開關(guān)自動斷開；反之，當(dāng)合上關(guān)門開關(guān)時，伺服電機反向轉(zhuǎn)動，帶動絞盤使大門關(guān)閉，從而實現(xiàn)了遠距離自動控制大門開閉的要求。,College of Automa

35、tic Control Engineering , CUIT,實驗室介紹--控制原理實驗室 6111,實際運行情況：自動控制原理課程實驗、Matlab仿真類實驗,College of Automatic Control Engineering , CUIT,實驗室介紹--運動控制實驗室 6112,倒立擺控制系統(tǒng)是一個復(fù)雜的、不穩(wěn)定的、非線性系統(tǒng)對象：倒立擺（單級、二級）檢測元件：光電編碼器執(zhí)行器：伺服電機控制器：運動控制卡

36、實際運行情況：演示實驗、畢業(yè)設(shè)計,College of Automatic Control Engineering , CUIT,實驗室介紹--運動控制實驗室 6112,College of Automatic Control Engineering , CUIT,運動控制實驗室 6112,實驗室介紹--運動控制實驗室 6112,College of Automatic Control Engineering , CUIT,實驗室介紹

37、--過程控制實驗室 6110,College of Automatic Control Engineering , CUIT,是工業(yè)現(xiàn)場控制的縮影對象：液位控制：線性（單容水箱、雙容水箱，非線性（圓形水箱）；溫度控制：（鍋爐）檢測元件：流量計、壓力傳感器執(zhí)行器：電磁閥、變頻器控制器：儀表、DDC、 PLC、現(xiàn)場總線,實驗室介紹--過程控制實驗室 6110,College of Automatic

38、 Control Engineering , CUIT,實驗室介紹--過程控制實驗室 6110,實際運行情況：過程控制類實驗、畢業(yè)設(shè)計,College of Automatic Control Engineering , CUIT,實驗室介紹--機器人創(chuàng)新實驗室,College of Automatic Control Engineering , CUIT,實際運行情況：機器人競賽類： 國際FIRA、ROBOCUP 足球機器