自控第1章2015课件

1《自动控制原理》多媒体课件主讲：刘海燕

2第一章绪论

本章主要内容：一、自动控制理论发展史简介二、自动控制系统的一般概念三、开环系统与闭环系统四、自动控制系统分类五、对控制系统性能的要求和本课程的任务3

第一节自动控制理论发展史简介

18世纪中叶，瓦特设计离心调节器控制蒸汽机车的速度，研制了世界上最早的自动控制系统。

1932年，乃奎斯特提出了几何稳定判据，后证实，这个判据同样适用于控制系统。

1945年，伯德提出了反馈放大器的一般设计方法，并编著了《网络分析与反馈放大器的设计》一书。

1947年，美国出版了当时世界上第一本控制方面的教材《伺服机原理》。

1948年，美国麻省理工学院完成了一系列自动控制的实践工程。

1954年，钱学森在美国出版专著《工程控制理论》，并于1958年译成中文。

1954年，天津大学教授刘豹编著《自动控制原理》。

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经典控制理论（20世纪60年代以前）：主要解决单输入单输出问题，所研究的系统多半是线性定常系统。现代控制理论：20世纪60年代，随着高精度数字计算机的诞生，为解决复杂控制系统提供了实现上的可能性。现代控制理论涉及多变量控制系统、最优控制理论、系统辨识与模式识别、最优估计、自适应控制、自学习控制、模糊控制、专家系统、神经元及其网络控制等等。51自动控制：2自动控制系统：在没有人直接参与的条件下，通过控制器使被控对象或过程自动地按要求的规律运行。能够完成自动控制功能的基本体系，称为自动控制系统。3自动控制理论：分析与综合自动控制系统的理论称为自动控制理论。4应用：自动控制技术已经应用在工程、军事和科学技术等各个领域，包括：航空、航天、航海、冶金、机械、能源、电子、生物、医疗、化工、石油、建筑等。第二节自动控制系统的一般概念一、自动控制技术及其应用6航空及航天飞行器在预定轨道上速度、加速度、飞行距离、高度、陀螺仪、阳光、星光、地磁、周围环境、内部设备监控、本身状态、气压等的检测。飞行器：控制在预定轨道上速度、加速度、飞行距离测量、周围环境、内部设备监控、本身状态参数的测量。陀螺仪、阳光传感器、星光传感器、地磁传感器789“勇气号”火星探测器10“好奇号”火星探测器11美国宇航局机器人检修太空设备

美国宇航局探索机器人

美军排雷机器人

月球车12电影《泰坦尼克》中用于水下探测的“邓肯”号机器人采矿机器人美国“水下龙虾”机器人

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雷达（Radar，即radiodetectingandranging），意为无线电搜索和测距。它是运用各种无线电定位方法，探测、识别各种目标，测定目标坐标和其它情报的装置。按用途可分为：目标探测雷达、侦察雷达、武器控制雷达、飞行保障雷达、气象雷达、导航雷达等。141516北人集团机械加工车间17大型机器人全自动化大冲生产线18

日前，我国重卡领域首条大型机器人全自动化大冲生产线在中国重型汽车集团公司全线调试成功并正式投入使用。她的研制成功，一举打破了自动化冲压线仅应用于轿车行业的历史，是国产重型卡车产品技术的一次重大飞跃。（2009.02.02，太平洋汽车网）中国重汽自动化大冲线集合了目前国内、国际一流的自动化控制技术，无论是系统的复杂性，还是设计理念的先进性都是目前国际一流的水准。自动化送料系统环节由七台ABB冲压专用机器人、德国先进清洗、涂油系统组成，确保了钢板拆包、清洗、均匀涂油等冲压作业前处理工序流程通畅；液压金属打包系统则采用地坑式结构，五台压力机产生的工艺废料直接滑入地坑输送带至打包机压实打包，清运出场。整条生产线先进的控制系统使上下料更智能、轨迹更柔和、运动精度更高。配置了ABB公司专门为冲压自动化开发的全线监控系统，在保证设备PLC程序安全的同时，可实现压力机、机器人的自动化并行作业；自动化大冲线产品件的一次成型和稳定的控制系统，对产品质量有着不可小窥的优势，不但消除了半成品件周转存储时带来的诸多问题，而且完全杜绝了传统单机生产受操作者主观情绪的影响。1920

传统：行驶速度、距离、发动机旋转速度、燃料剩余量等。

安全：安全气囊系统、防盗装置、防滑控制系统、防抱死装置、电子变速控制装置、汽车“黑匣子”等。

环保：排气循环装置、电子燃料喷射装置等。2、汽车21全自动洗衣机中的传感器：衣物重量传感器，衣质传感器，水温传感器，水质传感器，透光率光传感器(洗净度)，液位传感器，电阻传感器(衣物烘干检测)。22楼宇控制与安全防护为使建筑物成为安全、健康、舒适、温馨的生活、工作环境，并能保证系统运行的经济性和管理的智能化。在楼宇中应用了许多测试技术，如闯入监测、空气监测、温度监测、电梯运行状况。

离子感烟器

明火探测器

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图示为某公司楼宇自动化系统。该系统分为：电源管理、安全监测、照明控制、空调控制、停车管理、水/废水管理和电梯监控。245、机器人工业机器人：生产用的自动机械式（加工、组装、检验）。汽车焊接机器人仓库机器人

汽车喷漆机器人25(AutomatedGuidedVehicle，简称AGV)，指装备有电磁或光学等自动导引装置，能够沿规定的导引路径行驶，具有安全保护以及各种移载功能的运输车，如，工业应用中不需驾驶员的搬运车。它里面所包含的传感器有：

超声波测距传感器、判断建筑物内人和物所在位置；红外线色彩传感器（运动轨迹）和AGV小车位置识别；条形码传感器，货品识别。香港理工AGV模型AGV自动送货车26AGV自动送货车27智能机器人：有判断能力日本喂饭机器人

瑞士“达芬奇”手术机器人

美军爆炸物处理机器人

日本营救机器人

28瑞士“达芬奇”手术机器人

29日本厨师机器人

日本丰田公司机器人乐队

德国人形机器人调制速溶茶

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“纳米”机器人可以用于医疗事业、以帮助人类识别并杀死癌细胞以达到治疗癌症的目的、还可以帮助人们完成外科手术、清理动脉血管垃圾、及组成计算机新硬件等。

31温度、湿度、土壤干燥度、CO2、光照度、土壤养分等参数的测量。农业农业32二、认识一个简单的自动控制系统1水池液面人工控制系统图中F1为出水阀，F2为进水阀，希望液面的高度为h0。问：人怎样参与该系统的控制，起哪些作用？33人工控制过程步骤1：测量实际液面的高度h1——用眼睛；步骤2：将测得实际液面的高度h1与希望的液面高度h0相比较——用大脑；步骤3：根据比较的结果，即按照偏差的正负去决定控制的动作——用手。控制动作的发出者：人人的作用：测量、比较、执行人工控制的本质：检测偏差、纠正偏差34为便于研究，一般都把实际控制系统的信号流向画成方框图的形式。液面人工控制系统的方框图如下：35人体与机器系统的对应关系362液面自动控制系统可以实现不论放水阀F1输出的流量如何变化，系统总能自动地维持其液面的高度在允许的偏差范围之内。37自动控制过程分析步骤1：测量实际液面的高度h1——用浮子；步骤2：将测得液面的高度h1所对应的电位值u1

与希望的液面高度h0所对应的电位值u0

相比较——用电位器；（这里u0=0）步骤3：把比较的结果——小偏差电压信号进行放大，驱动电动机动作，控制进水阀F2——用电动机。控制动作的发出者：机电装置自动控制的作用：自动测量、自动比较、自动执行自动控制的本质：检测偏差、纠正偏差38该系统方框图：指出：被控对象、测量元件、比较机构、放大机构和执行机构39三、方框图的画法：用方框表示系统中的各个组成部件，在每个方框中填入它所表示部件的名称或其功能函数的表达式，而不必画出它们的具体结构。根据信号在系统中的传递方向，用有向线段依次把它们连接起来，就得到整个系统的框图。控制系统的框图由以下三个基本单元组成：引出点、比较点、方框401引出点：它表示信号的引出，箭头表示信号的传递方向。2比较点：又叫相加点，表示两个或两个以上的信号在该处的相加减运算，“+”号表示信号相加，“-”号表示信号相减。3方框：输入信号置于方框的左端，方框的右端为其输出量，方框中填入部件的名称。4142

四、

位置随动系统分析：指出：被控对象、测量元件、比较机构、放大机构和执行机构43位置随动系统方框图：44第三节开环控制与闭环控制一、开环控制与闭环控制1开环控制定义：如果系统的被控制量没有与参考输入量进行比较，这种控制方式叫开环控制，该系统叫开环控制系统。例如盲人取物：例如根据经验控制进水阀门定时开闭大脑手参考输入量被控制量只告知物品位置手位置452闭环控制定义：如果把系统的被控制量反馈到它的输入端，并与参考输入进行比较，这种控制方式叫闭环控制，该系统叫闭环控制系统。例如正常人取物：例如根据实际水位来控制进水开关的开闭大脑手输入信号输出信号（只告知物品位置）（手位置）眼睛46用来做高温烧结、稀有金属熔炼、各种高温检测实验等等。3开环和闭环炉温控制系统47开环炉温控制系统原理方框图（1）开环炉温控制系统触头位置48（2）闭环炉温控制系统被控对象、测量元件、比较机构、放大机构、执行机构49闭环炉温控制系统方框图：放大器电动机减速器电加热丝给定温度T0给定电压U0误差UUd温度T测温热电偶Uf炉膛-外界干扰50开环控制系统框图：执行机构参考输入控制变量被控制量扰动量被控对象控制器闭环控制系统框图：执行机构参考输入控制变量被控制量扰动量被控对象控制器测量元件偏差放大环节反馈信号514开环控制系统的特点

优点：结构简单，所用器件少，成本低，调试容易，系统一般也容易稳定。缺点：抗干扰能力差。但一旦系统受到干扰后，被控制量就会偏离原有的平衡状态，系统没有消除或减小误差的功能，这是开环系统的一个致命缺点。正是这个缺点，大大限制了开环系统的应用范围。52

优点：控制准确，精度高，反应灵敏、迅速，稳定性好。缺点：结构复杂，成本高。当受到来自系统内部和外部的干扰时，能自动消除或削弱干扰信号对被控制量的影响。由于闭环控制系统有良好的抗扰动功能，因而它在控制工程中得到了广泛的应用。5

闭环控制系统的特点536反馈在闭环控制系统中，信号的传递有一个闭合的回路。被控制量直接或经过反馈环节后，反作用到系统的输入端，并和给定信号作比较运算，利用所得的误差信号对系统进行控制。通常，我们把取出输出量送回到输入端，并与输入信号相比较产生偏差信号的过程，称为反馈。若反馈信号与输入信号相减，使产生的偏差越来越小，称为负反馈。反之，称为正反馈。有的系统直接将被测量接入比较环节，称为单位反馈。

54自动控制系统框图的一般形式自动控制系统的框图557几个概念：r(t)-----系统的参考输入(简称输入量或给定量)c(t)-----系统的被控制量(又简称输出量)b(t)-----系统的主反馈量

e(t)-----系统的误差e(t)＝r(t)－b(t)d(t)-----系统的干扰,它是一种对系统输出产生不利的信号56给定环节-----产生参考输入信号的元件。如:浮子、电位器、测温热电偶等。控制器-----它的输入是系统的误差信号,经其变换或相关的运算后,产生期望的控制信号去控制被控对象。被控对象-----系统控制的对象,它受控制器输出量的控制,其输出量就是被控量。反馈环节-----将被控制量转换为主反馈信号的装置,这个装置一般为检测元件。57例题1：以液面自动控制系统为例，分析系统结构。

被控对象：被控制量：扰动量：给定环节：比较环节：放大环节：反馈环节：执行环节：水池实际水位出水量浮子、电位器电位器放大器浮子电动机、进水阀门58例题2：分析闭环直流电机调速系统的工作原理、系统结构，画方框图。59自动调节的过程：系统方框图：60可以从不同角度分类：1.按照数学模型的性质：线性和非线性，时变和非时变2.按照参考输入信号的变化规律：恒值控制、随动控制系统3.按照系统内部传输信号的性质：连续控制、离散控制4.按照组成系统的元件种类：机电控制系统、液压控制系统、气动控制系统、生物控制系统5、按照被控量的名称：温度控制系统、转速控制系统、张力控制系统第四节自动控制系统的分类61

下面从系统特性角度分类。一、按系统构成元件是否线性分类1线性控制系统由线性元件构成的系统是线性控制系统。或者说，如果系统满足叠加原理，则称其为线性系统。2非线性控制系统在控制系统中，如果有一个以上的元件具有非线性，则称这个系统为非线性控制系统。或者说，如果不能应用叠加原理，则系统是非线性的。严格地说，绝对的线性控制系统是不存在的。为了简化，在一定条件下，可以对某些非线性特性作线性化处理。这样，非线性控制系统就可以近似为线性控制系统。62二、按输入信号的变化规律分类1恒值控制系统：给定输入量是一个常数，要求被控制量也是个恒定值。当有扰动信号作用时，能克服扰动的影响，使被控量维持恒值不变。这种系统在过程控制中应用最为普遍。如温度控制系统、转速控制系统、电压频率控制系统等。其特点是输入量为一定值。2随动控制系统：又名伺服控制系统。其给定输入是变化规律未知的函数。要求被控量能够迅速准确地随输入量而变。这种系统在军事上应用最为普遍。如导弹发射架控制系统、雷达天线控制系统等。现在医学上的先进技术刀手术、机械手也是典型的随动系统。其特点是输入量未知。63三、按信号传输过程是否连续分类1连续控制系统系统中各处传输的信号均是时间t的连续函数，这类控制系统称为连续控制系统。2离散控制系统在系统中传输的信号中，只要有一个信号是时间t的离散信号，则称这种系统为离散控制系统。计算机控制系统的方框图64四、按系统参数是否随时间变化分类1定常控制系统系统参数不随时间变化的系统是定常控制系统。该系统的微分方程或差分方程的系数为常数。线性定常系统：可以用线性定常（常系数）微分方程描述的系统称为线性定常系统。2时变控制系统系统参数随时间变化的系统是时变控制系统。该系统的微分方程或差分方程的系数是时间的函数。线性时变系统：如果描述系统的微分方程的系数是时间的函数，则这类系统为线性时变系统。

宇宙飞船控制系统就是时变控制的一个例子（宇宙飞船的质量随着燃料的消耗而变化）。本课程主要研究线性定常控制系统。65第五节对控制系统性能的要求和本课程的任务控制系统的性能一般从以下三方面来评价一、稳定性当系统受到某一扰动作用后，使被控制量偏离了原来的平衡状态，但经过一定的时间，如果系统仍能回到原有的平衡状态，则称系统是稳定的。稳定是系统能正常运行的必要条件。控制系统动态过程曲线66

快速性即动态过程进行的时间的长短。过程时间越短，说明系统快速性越好，反之说明系统响应迟钝。曲线２好。

要求系统的输出响应具有一定的快速性，它是系统的一个重要性能指标。二、快速性控制系统动态过程曲线67三、准确性

控制系统的稳态精度通常是用它的稳态误差来表示，稳态误差越小，系统的控制精度就越高。

以上分析的稳、快、准三方面的性能指标由于被控对象的具体情况不同，各系统要求有所侧重。而且同一个系统的稳、快、准的要求是相互制约的。68对于一个具体的控制系统，如何从理论上对它的动态性能和稳定精度进行定性的分析和定量的计算。根据对系统性能的要求，如何合理地设计校正装置，使系统的性能能全面地满足技术上的要求。本课程要研究两大课题69练习：导弹发射架方位随动控制系统1原理图70该系统属于离散的随动控制系统控制任务：控制导弹发射架的转角，使转角随着输入的雷达信号而变化。被控量：导弹发射架的转角2给定输入：来自雷达的转角信号1对应的电压信号ur比较环节：单片机放大环节：放大器反馈环节：光电码盘（把角度信号2转化成数字量形式的电信号，送回比较环节）偏差量：ur-uf执行元件：直流伺服电动机、减速器712系统方框图3调节过程72第一章小结本章首先介绍了自动控制理论发展的历史，讲解了自动控制系统的基本概念、组成和分类，以及绘制结构框图的方法。最后指明了自动控制的研究对象、内容、性质和任务。本章作业：1-3、1-473练习：一电机调速控制系统1原理图74分析该系统属于非线性的恒值控制系统控制任务：控制直流电动机的转速，使转速为恒值。被控对象