自動控制原理大連理工大學(xué)城市學(xué)院2012年3月《自動控制原理》參考教材1>

《自動控制原理》

胡壽松顧樹生、王建輝

孟華2>ModernControlEngineering課程考核72學(xué)時（64

+8），4.5學(xué)分，必修課實(shí)驗(yàn)（10%）小測驗(yàn)（10%）期中考試（10%）

期末70%：閉卷考試平時30%：3交通工具自動控制到底有什么用？

4機(jī)電設(shè)備自動控制到底有什么用？

5航天科技自動控制到底有什么用？

中巴資源衛(wèi)星

哈勃望遠(yuǎn)鏡－特殊地衛(wèi)星

制導(dǎo)導(dǎo)彈

6學(xué)完這門課程后，你可以獲得什么知識或者能力？1.什么是自動控制？

————定義，基礎(chǔ)理論2.自動控制具有什么好處和特點(diǎn)

————

分析方法3.如何實(shí)現(xiàn)自動控制？————設(shè)計與實(shí)現(xiàn)7課程內(nèi)容第1章引論第2章線性系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型第3章控制系統(tǒng)的時域分析第4章根軌跡法第5章控制系統(tǒng)的頻域分析第8章采樣控制系統(tǒng)8

引言：自動控制理論發(fā)展概述

§1.1開環(huán)控制和閉環(huán)控制

§1.2自動控制的組成及術(shù)語

§1.3自動控制系統(tǒng)的類型

§1.4自動控制系統(tǒng)性能的基本要求

§1.5常用的典型的輸入信號

§1.6控制系統(tǒng)實(shí)例第一章引論

9引言：自動控制理論發(fā)展概述-發(fā)展簡史經(jīng)典控制理論

(20世紀(jì)初)

時域法復(fù)域法(根軌跡法)

頻域法現(xiàn)代控制理論

(20世紀(jì)60-70年代)

線性系統(tǒng)自適應(yīng)控制最優(yōu)控制魯棒控制最佳估計容錯控制系統(tǒng)辨識集散控制

智能控制理論

(20世紀(jì)80年代)

專家系統(tǒng)大系統(tǒng)復(fù)雜系統(tǒng)模糊控制神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)遺傳算法101.自動化的發(fā)展歷史公元前我國的自動計時漏壺公元132年張衡研制的候風(fēng)地動儀11公元235年馬鈞研制出能自動指示方向的指南車

121788年英國Watt發(fā)明的控制蒸汽機(jī)速度的離心式調(diào)速器

131954年第一臺工業(yè)機(jī)器人

1981年美國“哥倫比亞”號航天飛機(jī)首次發(fā)射成功14

例：儲水槽的液位人工控制控制任務(wù)：儲水槽液位穩(wěn)定不變一、引出問題：什么是自動控制人工直接參與15人工直接參與

和

自動控制16

1.控制過程自動控制過程方塊圖：172.自動控制Automation18

在無人直接參與的情況下，利用控制裝置，使工作機(jī)械或生產(chǎn)過程（被控對象）的某一個或多個物理量（被控量）準(zhǔn)確地按照預(yù)定的要求規(guī)律變化。自動控制的目的提高勞動生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量；改善勞動條件，減輕勞動強(qiáng)度；提高生活質(zhì)量等。

19國防：人造衛(wèi)星等；

工業(yè)：起重機(jī)，數(shù)控車床等；人體系統(tǒng)：體溫、心跳、眼球等；日常生活：冰箱溫度、風(fēng)扇、電梯等。

自動控制的應(yīng)用20※3

自動控制系統(tǒng)

Automaticcontrolsystem21為了實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的控制任務(wù)，將被控對象和控制裝置按照一定的方式連接起來，組成一個有機(jī)總體的系統(tǒng)。通過控制器使被控對象按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行的系統(tǒng)。作用：是研究自動控制系統(tǒng)組成，進(jìn)行系統(tǒng)分析設(shè)計的一般性理論；是研究自動控制過程共同規(guī)律的技術(shù)學(xué)科特點(diǎn)：理性，數(shù)學(xué)基礎(chǔ)二、課程的作用及特點(diǎn)22電力電子技術(shù)、模擬電路數(shù)字電路單片機(jī)、計算機(jī)控制技術(shù)、電路、PLC電機(jī)與拖動、電氣控制普通物理、高等數(shù)學(xué)檢測技術(shù)、信號處理整個系統(tǒng)的設(shè)計與校正——自動控制原理學(xué)習(xí)自動控制需了解哪些課程？

23

1.開環(huán)控制

2.閉環(huán)控制

3.復(fù)合控制

1.1系統(tǒng)的控制方式自動控制系統(tǒng)基本控制方式241.※開環(huán)控制（系統(tǒng)）無被控量反饋的控制系統(tǒng)—Openloopcontrol

系統(tǒng)輸出端和輸入端之間不存在反饋回路，輸出量對系統(tǒng)的控制作用沒有影響。被控對象25開環(huán)控制系統(tǒng)特點(diǎn)控制簡單，成本低；無法自動補(bǔ)償，抗干擾能力差；控制精度難以保證。26用于自動化流水線控制，如包裝機(jī)等。生活中的開環(huán)控制實(shí)例272.※

閉環(huán)控制（反饋控制）（系統(tǒng)）系統(tǒng)的輸出信號沿反饋通道又回到系統(tǒng)的輸入端。--closedloopcontrol(feedbackcontrol)

系統(tǒng)輸出端與輸入端存在反饋回路，即輸出量對控制作用有直接影響的系統(tǒng)。28閉環(huán)控制系統(tǒng)特點(diǎn)輸出信號反饋到輸入端—閉合—結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本提高；利用偏差實(shí)現(xiàn)動態(tài)調(diào)節(jié)；控制精度高。由于反饋的存在，使系統(tǒng)可能出現(xiàn)“振蕩”；29※※反饋控制原理在反饋控制系統(tǒng)中，控制器對被控對象施加的控制作用，是取自被控量的反饋信息；而反饋信息則用來不斷的修正被控量與輸入量之間的偏差，從而實(shí)現(xiàn)對被控對象進(jìn)行控制的目的?！羁刂?0生活中的開環(huán)和閉環(huán)控制實(shí)例對比31※開環(huán)控制和閉環(huán)控制特點(diǎn)對比閉環(huán)控制

開環(huán)控制特點(diǎn)對比精度要求有無反饋抗干擾能力

適用場合

有無高低差強(qiáng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)穩(wěn)定，擾動信號較弱

沒有要求32干擾補(bǔ)償?shù)膹?fù)合控制系統(tǒng)方框圖輸入量控制器控制對象測量元件輸出量反饋回路被控量干擾量前饋補(bǔ)償開環(huán)控制和閉環(huán)控制相結(jié)合的系統(tǒng)。

33

3.復(fù)合控制(系統(tǒng))4.控制方式選擇預(yù)知輸入量的變化規(guī)律，干擾參數(shù)變化少——高精度、有干擾——復(fù)合開環(huán)、閉環(huán)控制——開環(huán)閉環(huán)復(fù)合34例:人取書的反饋控制過程方框圖以此例思考系統(tǒng)的組成351.控制任務(wù)：

例:人取書的反饋控制過程的組成2.被控量：5.測量反饋：3.被控對象：人手的位置達(dá)到書的位置人手的位置人手或者手臂人的大腦

根據(jù)控制系統(tǒng)的原理，繪制方框圖。361.2自控系統(tǒng)的組成及術(shù)語一、組成4.控制器：眼睛人取書的反饋控制過程的方塊圖被控對象被控量測量元件37給定量控制器1.2自控系統(tǒng)的組成及術(shù)語一、組成比較環(huán)節(jié)38組成要素1被控對象：控制系統(tǒng)所控制和操縱的對象。2控制器：偏差信號控制信號3放大變換環(huán)節(jié)：偏差信號控制器4校正裝置：為改善系統(tǒng)的特性而附加的裝置。5反饋環(huán)節(jié)：測被控量處理反饋信號6給定環(huán)節(jié)：產(chǎn)生輸入控制信號。7比較環(huán)節(jié)：輸入給定與反饋信號比較。轉(zhuǎn)換、計算變換39二、術(shù)語1輸入信號：泛指對系統(tǒng)的輸出量有直接影響的外界輸入信號。（包括給定和干擾）2輸出信號（輸出量）：被控的物理量。3反饋信號：輸出信號變換處理反饋到輸入端的信號。4偏差信號

=輸入信號-主反饋信號。5誤差信號

=輸出實(shí)際值-期望值。6擾動信號：除控制信號外，對系統(tǒng)的輸出有影響的信號。40開環(huán)控制反饋控制(閉環(huán)控制)復(fù)合控制按信號流向

1-3自動控制系統(tǒng)的分類41自動控制系統(tǒng)的分類1

按輸入信號自動控制系統(tǒng)的分類2恒值控制系統(tǒng)（自動鎮(zhèn)定系統(tǒng)）

隨動系統(tǒng)（自動跟蹤系統(tǒng)）

程序控制系統(tǒng)42自動控制系統(tǒng)的分類3按系統(tǒng)中是否含有非線性元件線性系統(tǒng)非線性系統(tǒng)按系統(tǒng)參數(shù)是否隨時間變化定常系統(tǒng)時變系統(tǒng)按信號的連續(xù)性連續(xù)系統(tǒng)離散系統(tǒng)按輸入輸出變量的多少單變量系統(tǒng)多變量系統(tǒng)431.4自控系統(tǒng)性能的基本要求一、引出問題：保溫箱、空調(diào)的溫度變化較好最好不好44（a）（b）（c）圖1-13通電后自動控制熱水器的水溫輸出信號變化曲線如何評價系統(tǒng)的性能好壞？1.4自控系統(tǒng)性能的基本要求穩(wěn)——

準(zhǔn)——

快——

動態(tài)要求基本要求精度要求45二、性能的要求：1穩(wěn)定性（穩(wěn)）----系統(tǒng)正常工作的首要條件。

穩(wěn)定系統(tǒng)：輸出量的過渡過程衰減變化最終與期望值一致（接近）。

不穩(wěn)定系統(tǒng)：輸出量的過渡過程持續(xù)振蕩。462穩(wěn)態(tài)精度（準(zhǔn)）：指系統(tǒng)過渡到新的平衡工作狀態(tài)以后（干擾恢復(fù)后）最終保持的精度。3動態(tài)過程（快、好）：指系統(tǒng)的被控量在輸入信號作用下隨時間變化的全過程。1.5常用的典型輸入信號1階躍函數(shù)：r(t)tAr(t)=0,t<0A,t>0當(dāng)A=1時，稱為單位階躍函數(shù)，記為1(t)幅值為A時，也表示為A(t)或A(t-t0)當(dāng)t=t0時r(t-t0)=0,t<t0A,t>t047t02斜坡函數(shù)（等速度函數(shù)）：r(t)tAr(t)=0,t<0At,t>0當(dāng)A=1時，稱為單位斜坡函數(shù)1.5常用的典型輸入信號481.5常用的典型輸入信號3拋物線函數(shù)（等加速度函數(shù)）：r(t)t當(dāng)A=1時，稱為單位拋物線函數(shù)r(t)=0,491.5常用的典型輸入信號4脈沖函數(shù)：r(t)tr(t)=0,當(dāng)A=1時，稱為單位脈沖函數(shù)記為501.5常用的典型輸入信號5正弦函數(shù)：r(t)=0A為振幅，角頻率51裝配機(jī)器人汽車自動焊接生產(chǎn)線1.6自動控制系統(tǒng)（應(yīng)用舉例）52自動控制原理月球車機(jī)器人足球比賽53機(jī)器人干活無人駕駛汽車54總結(jié)-本章重點(diǎn)理解自動控制系統(tǒng)的概念和組成

；

理解反饋控制原理，畫出典型反饋控制系統(tǒng)的方框圖；重點(diǎn)理解閉環(huán)控