自动化第1章 绪论课件

第一章绪论第1节引言从总体来说，自动控制包括开关量控制和反馈控制。一、开关量控制的发展过程在1804年Jacquard发明了穿孔带式纺织机1824年Sturgeon发明了电磁铁1836年Henry发明了电磁继电器1847年Bool提出了布尔代数在20世纪40年代，基本上形成了操作者─控制柜─被控对象的控制模式。在20世纪50年代，由于远距离监控技术的引入，基本上形成了操作者─操作台─控制柜─被控对象的控制模式。1968年美国通用汽车公司（GM）公开招标，要求研制新型的控制器。1969年可编程控制器（PLC）由美国数字设备公司（DEC）首先研制成功。在20世纪70年代中期，微处理器开始被用作PLC的中央处理单元，PLC的功能大大提高。在20世纪70年代末，出现了分别采用16位微处理器、单片式微处理器和多个微处理器的PLC。在20世纪80年代及以后，随着PLC的通讯功能更加完善，开关量控制逐步实现网络化

1788年：J.Watt发明蒸汽机调速器

1000多年前：铜壶滴漏、指南针、各种天文仪器

1868年：J.C.Maxwell发表《调速器》，提出反馈控制的概念及稳定性条件。

1884年：E.J.Routh提出劳斯稳定性判据。二、反馈控制的发展过程

1895年：A.Hurwifz提出赫尔维茨稳定性判据。

1932年：H.Nyquist提出奈奎斯特稳定性判据。

1892年：A.M.Lyapunov提出李雅普诺夫稳定性理论。

1945年：H.W.Bode提出反馈放大器的一般设计方法

1948年：N.Wiener发表《控制论》，标志着经典控制理论基本形成；

1950年：W.R.Evans提出根轨迹法，进一步充实了经典控制理论；

1954年：钱学森发表《工程控制论》；

50年代末60年代初：现代控制理论形成；

1956年：蓬特里亚金（Pontryagin）提出极大值原理

1957年：R.I.Bellman提出动态规划理论

1960年：R.E.Kalman提出卡尔曼滤波理论

1960～1980年：确定性系统的最优控制、随机系统的最优控制、复杂系统的自适应和自学习控制

1980迄今：鲁棒控制、H控制、非线性控制、智能控制等一、人工控制与自动控制

自动控制在没有人直接参与的情况下，利用外加的装置（称为控制器），使设备（称为被控对象）的某个参数（即被控量）自动地按照预定的规律运行。第2节自动控制的基本概念

人工控制加热电阻丝~220V调压器人工控制的恒温箱

温度计人工控制恒温箱的过程：

观测恒温箱内的温度（被控量）

与要求的温度（给定值）进行比较，得到偏差的大小和方向

根据偏差的大小和方向，调节调压器，控制加热电阻丝的电流，使温度恢复到要求值。人工控制过程的实质：检测偏差再纠正偏差。加热电阻丝~220V调压器热电偶给定信号比较电压放大器功率放大器

电动机减速器u2u1++u恒温箱自动控制系统

自动控制恒温箱自动控制系统工作原理：恒温箱实际温度由热电偶转换成电压u2

恒温箱期望温度由电压u1给定，并与实际温度

u2比较得到偏差信号u＝u1

u2偏差信号经电压、功率放大后，用以驱动电动机，并通过传动机构拖动调压器动触头。当温度偏高时，动触头向减小电流的方向运动，反之加大电流，直到恒温箱内温度达到给定值为止，此时，偏差u＝0，电机停止转动。给定信号电压功率放大器电机减速器调压器恒温箱(控制对象)热电偶u1u2uu3nvu温度t被控量扰动综上所述，自动控制系统的工作原理：检测被控量的实际值将被控量的实际值与给定值进行比较得出偏差；

用偏差产生控制作用去消除偏差。特点：系统仅受输入量控制；输出端和输入端之间不存在反馈通路；输出量对系统的控制不产生任何影响。

输入装置指令系统输入控制装置驱动装置工作台工作台

位置系统输出二、开环控制优点：简单、成本低。若组成系统的元件的参数比较稳定，且外界干扰较小，开环控制能够保持一定的精度。缺点：精度通常较低、无自动纠偏能力控制器被控对象输入量输出量特点：输出端和输入端之间存在反馈通路，输出量对控制过程有直接影响。

优点：精度较高，对外界扰动和系统参数变化

不敏感

缺点：系统性能分析和设计麻烦，成本较高。三、闭环控制控制器被控对象输入量输出量测量元件反馈量给定元件+串联校正元件放大元件执行元件控制对象_+_并联校正元件局部反馈反馈元件主反馈控制部分比较元件比较元件输入信号

xi偏差信号

e主反馈信号

xb扰动信号输出

xo第3节自动控制系统的组成

给定元件

产生给定信号。

反馈元件

测量被控量，产生反馈信号。

为便于传输，反馈信号通常为电信号。

注意：在机械、液压、气动等系统中存在着内在反馈，这种反馈无须专门的反馈元件，是系统内部各参数相互作用产生的。

比较元件

将给定信号和反馈信号进行比较，产生偏差信号；

放大元件

对偏差信号进行放大，使之有足够的能量驱动执行元件实现控制功能。

执行元件

直接对被控对象进行操纵的元件，如电动机等；

校正元件

用来改善系统的控制质量。第4节自动控制系统的分类一、按输入量的特征分类

恒值控制系统

程序控制系统

随动系统（伺服系统）二、按系统中传递的信号分类

连续控制系统

离散（数字）控制系统

线性系统与非线性系统可以用线性微分方程描述的系统。如果微分方程的系数为常数，则为线性定常系统；如果微分方程的系数是时间t的函数，则为线性时变系统；

线性系统线性是指系统满足叠加原理，即：

可加性：

齐次性：三