认识自动控制系统课件教学

3.1认识自动控制系统《机电一体化技术与实训》主要内容控制理论的发展过程和自动控制结构

自动控制系统分类、性能指标自动控制系统的分析和设计概念:自动控制是指在无人直接参与的情况下，利用控制装置，使被控对象的被控量准确地按照预期的规律变化。3.1.1控制理论的发展过程和自动控制结构1.控制理论的发展过程1945年之前，属于控制理论的萌芽期。1945年，美国人伯德（Bode）的“网络分析与放大器的设计”奠定了控制理论的基础，至此进入经典控制理论时期，此时已形成完整的自动控制理论体系。经典控制理论的研究对象是单输入单输出系统，研究背景是二站军工技术，研究目标是反馈控制系统的稳定，采用基本方法有传递函数、频率法、PID。3.1.1控制理论的发展过程和自动控制结构1.控制理论的发展过程二十世纪六十年代初，用于导弹、卫星和宇宙飞船上的“控制系统的一般理论”（卡尔曼Kalman）奠定了现代控制理论的基础。现代控制理论主要研究多输入-多输出、多参数系统，高精度复杂系统的控制问题，研究背景是冷战时期空间技术和计算机技术，研究目标是最优控制，主要采用的方法是以状态空间模型为基础的状态方程。3.1.1控制理论的发展过程和自动控制结构1.控制理论的发展过程七十年代以后，各学科相互渗透，要分析的系统越来越大，越来越复杂，自动控制理论继续发展，进入了大系统和智能控制时期。主要的研究对象有专家系统、模糊控制、神经网络，当前研究的热点研究对象:大系统理论、鲁棒控制、非线性控制。例如智能机器人的出现（例如AlphaGo阿尔法狗），就是以人工智能、神经网络、信息论、仿生学等为基础的自动控制取得的很大进展。3.1.1控制理论的发展过程和自动控制结构1.控制理论的发展过程以水箱恒水位控制系统为例，说明自动控制系统的结构3.1.1控制理论的发展过程和自动控制结构2.自动控制系统结构任务1

被控对象：水箱，其中水箱液位是被控对象中的被控量。

检测及转换装置：浮子及电位器，它将水箱实际液位高度转换为电压。

比较环节：浮子的位置转换的实际电压与给定电压（对应要求的液位高度）通过差动放大器比较产生偏差。

控制装置：根据偏差的大小、极性，通过放大器和电动机产生控制信号作用在进水阀上。

执行机构：进水阀根据控制信号产生动作，改变水箱液位高度，从而自动控制水箱液位，使其满足给定值的要求。3.1.1控制理论的发展过程和自动控制结构2.自动控制系统结构1.自动控制的分类（1）开环系统

例如，一般洗衣机就是一个开环控制系统，其浸湿、洗涤、漂清和脱水过程都是依设定的时间程序依次进行的，而无需对输出量(如衣服清洁程度、脱水程度等)进行测量，而有一种智能控制的模糊洗衣机能检测衣服的洁净程度自动控制洗涤时间属闭环控制。

自动控制系统按照不同的标准有多种分类，按照系统环节连接形式可分为开环控制系统和闭环控制系统。3.1.2自动控制系统分类、性能指标（1）开环系统1.自动控制的分类3.1.2自动控制系统分类、性能指标（2）闭环系统闭环控制系统是指在控制器与被控对象之间不仅有正向控制作用，而且输出量通过反馈环节返回来作用于控制部分，形成闭合环路。1.自动控制的分类3.1.2自动控制系统分类、性能指标（2）闭环系统

现在的许多制造设备和具有智能的机电一体化产品都选择闭环控制方式，如数控机床、加工中心、机器人、雷达、无人驾驶的汽车等。1.自动控制的分类3.1.2自动控制系统分类、性能指标2.自动控制的性能指标（1）稳定性所谓稳定性，一般指当系统受到外部作用后，其动态过程的振荡倾向和能否恢复平衡状态的能力。3.1.2自动控制系统分类、性能指标（2）准确性——稳态误差准确性是对系统稳态（静态）性能指标。对一个稳定的系统而言，当系统从一个稳态过渡到新的稳态，或系统受扰动作用又重新平衡后，系统会出现偏差，这种偏差称为稳态误差。3.1.2自动控制系统分类、性能指标2.自动控制的性能指标（3）快速性——动态性能指标快速性是指在系统稳定的前提下，系统通过自身调节，最终消除输出量与给定值之间偏差的快慢程度。3.1.2自动控制系统分类、性能指标2.自动控制的性能指标

在控制系统的分析和设计中，对已知结构和参数的系统通过建立的数学模型，可利用时域响应、频域响应等方法，进行动态和静态分析。

下面简述在生产过程自动控制的发展历程中历史最久、生命力最强的PID控制（ProportionalIntegralDifferential比例积分微分）。3.1.3自动控制系统的分析和设计3.1.3自动控制系统的分析和设计PID控制一、控制理论的发展经过了萌芽期、经典控制理论时期、现代控制理论时期，现在进入大系统和智能控制时期。二、自动控制系统主要由被控对象、检测及转换装置、比较环节、控制装置、执行机构等结构构成。三、自动控制系统按照系统环节连接形式可分为开环控制系统和闭环控制系统。四、自动控制系统的性能指标有：稳