26/4/2009,50/,第一章 自動控制的基本原理,第二節 自動控制系統的分類,第一節 自動控制與自動控制系統,第四節 自動控制理論發展簡述,第三節 對控制系統性能的要求,課程安排、學習方法、實驗安排,第一節 自動控制與自動控制系統,一、自動控制的基本概念,第一章自動控制的基本原理,1969年7月20日，“阿波羅11號”飛船首次登陸月球時的珍貴圖片,第一節 自動控制與自動控制系統,2008年9月25日至28日,中國成功實施了神舟七號載人航天飛行（新化社報道）,第一節 自動控制與自動控制系統,圖1-5 飛機在上海浦東國際機場跑道上滑行,第一節 自動控制與自動控制系統,圖 一列CRH3“和諧號”動車組停靠在改擴建的新北京南站站臺（中國政府網 陳濤 攝）,第一節 自動控制與自動控制系統,圖 RH煉鋼設備,第一節 自動控制與自動控制系統,蘇格蘭科學家展示新近研制成功的高仿真仿生學假肢。,第一節 自動控制與自動控制系統,圖1-4住宅看護機器人（法新社報道）,第一節 自動控制與自動控制系統,圖1-7 1989年，人工智能模糊控制全自動洗衣機在三洋研制成功 （引自人民網）,第一節 自動控制與自動控制系統,一、自動控制的基本概念,現代科學技術中的自動控制技術得到 了廣泛的應用,航天器,工業控制,機器人,家用電器,自動控制：,在無人直接參與下，利用控制裝置操縱受控對象，使受控對象的被控量按給定信號變化規律去變化。,第一節 自動控制與自動控制系統,控制量:閥門開度（蒸汽流量）,例 水溫人工控制系統,受控對象:水箱,系統的構成：,被控制量:水溫,蒸汽通過熱傳導器件把熱量傳遞給水,水的溫度與蒸汽的流量成正比.,手動調節閥門的開度，從而調節蒸汽的流量,來控制水的溫度.,但人工難以實現穩定的高質量控制.,第一節 自動控制與自動控制系統,例 水溫自動控制系統,系統中增加了：,控制器,電機,加入給定信號,工作原理：,檢測實際溫度,產生控制信號,通過電機調節閥門的開度,從而調節蒸汽流入，控制水的溫度. 實現沒有人直接參入的自動水溫控制.,第一節 自動控制與自動控制系統,為了方便地分析系統性能，一般用框圖來表示系統的結構，水溫自動控制系統可用框圖表示為：,要使自動控制系統滿足工程實際的需要 , 必須研究自動控制系統的結構參數與系統性能之間的關系。特別是被控對象運動規律,實際溫度,偏差,反饋量,預期溫度,_,第一節 自動控制與自動控制系統,二、自動控制系統的基本構成及控制方式,1開環控制,有順向作用而無反向聯系.,不同的被控對象和不同的控制裝置構成了不同的控制系統，所以自動控制系統的種類是很多的。自動控制系統一般有兩種基本控制方式.,開環控制,控制裝置與受控對象之間只,第一節 自動控制與自動控制系統,例 轉臺速度開環控制系統,轉臺,電機,電源和放 大裝置,速度設置,系統組成：,由圖可見：,速度設置信號通過功率放大以后，提供給電動機驅動電源，電動機帶動轉臺旋轉。,由于被控制量速度沒有反饋到輸入端與給定信號比較,為開環控制系統。,給定速度,實際轉速,系統結構圖:,這種轉臺在C D 機、計算機磁盤驅動器等許多現代裝置中廣泛應用.,第一節 自動控制與自動控制系統,例 轉臺速度開環擾動控制系統,圖 直流電動機轉速擾動控制系統,測量出外部擾動作用，形成與外部擾動作用相反的控制量與外部作用共同使被控量基本不受影響。,第一節 自動控制與自動控制系統,例 轉臺速度開環控制系統,結構簡單，穩定性好，容易設計和調整以及成本較低的優點，對那些負載恒定，擾動小，控制精度要求不高的實際系統，是有效的控制方式。,開環控制的特點：,第一節 自動控制與自動控制系統,2閉環控制,閉環控制:,閉環控制又稱為反饋控制或按偏差控制。,控制裝置與受控對象之間，不但有順向作用，還有反向聯系。,例 轉臺速度閉環控制系統,系統中增加了測速發電機作為反饋裝置,測出電動機的速度反饋給控制器。,與給定信號比較產生偏差電壓，經過功率放大后對電動機的速度進行閉環控制.,當速度受擾動發生變化時，偏差電壓也隨之變化，通過閉環調節能消除干擾。,系統結構圖,測速機,偏差,預期速度,實際轉速,_,第一節 自動控制與自動控制系統,閉環控制,在這種（閉環）系統中，測量元件測的是被控量（轉速n），所以，無論任何因素，只要n變化，就可以自動調節，消除或減小這種變化。,第一節 自動控制與自動控制系統,直流調速系統、交流變頻調速系統,（3）能減小或消除由擾動形成的偏差，具有較高的控制精度和較強的抗擾能力。,通過以上的實例分析可得出閉環控制系統具有的特點：,（1）系統的控制信號是給定值與反饋量的差值，故稱為按偏差控制或反饋控制。,（2）閉環系統有兩種傳輸通道：前向通道和反饋通道。,自動控制原理中主要討論閉環控制系統。,反饋是控制的精髓,第一節 自動控制與自動控制系統,3復合控制,測量出外部作用，形成與外部作用相反的控制量與外部作用共同使被控量基本不受影響。,前饋補償控制,復合控制基本形式.,前饋補償控制：,復合控制：,反饋控制,+,在外部作用下，由系統被控制量的變化產生調節和控制作用。,反饋控制：,第一節 自動控制與自動控制系統,按擾動前饋補償的復合控制,給定值,被控制量,_,前饋補償控制,反饋控制,主通道,擾動,第一節 自動控制與自動控制系統,3復合控制,圖 直流電動機轉速復合控制系統,第一節 自動控制與自動控制系統,第二節 自動控制系統的分類,一、按變量的數學關系來分,自動控制系統的分類方法較多，常見的有以下幾種,第一章 概 述,二、按控制系統的輸入作用來分,一、線性系統和非線性系統,由線性微分方程或線性差分方程所描述的系統。,由非線性方程描述的系統。,第二節 自動控制系統的分類,線性系統：,非線性系統：,二、定常系統和時變系統,定常系統:,若系統微分方程的系數為常數，則稱之為線性定常系統。此類系統為本書主要討論對象。,系統數學模型微分方程的系數不是時間變量的函數。,否則稱為時變系統。,第二節 自動控制系統的分類,三、連續系統和離散系統,連續系統：,系統中各部分的信號都是時間的連續函數即模擬量。,離散系統：,系統中有一處或多處信號為時間的離散函數，如脈沖或數碼信號。,若系統中既有模擬量也有離散信號，則又可稱之為采樣系統。,第二節 自動控制系統的分類,四、恒值系統、隨動系統和 程序 控制系統(按控制系統的輸入作用來分 ）,系統的給定值為一定值，而控制任務就是克服擾動，使被控量保持恒值。,例如：電機速度控制、恒溫、恒壓、水位控制系統等。,恒值系統：,第二節 自動控制系統的分類,隨動系統：,系統給定值按照事先不知道的時間函數變化，并要求被控量跟隨給定值變化。,如：火炮自動跟蹤系統、輪舵位置控制系統等。,第二節 自動控制系統的分類,第二節 自動控制系統的分類,放大裝置,例 位置隨動系統,環型電位器,電機,電源,齒輪,系統組成：,負載,輸入,r,輸出,c,工作過程：,r=c,Ud= 0,Ud,rc,Ud0,電動機帶動齒輪轉動,調節c,使 r= c,電動機靜止,系統結構圖,r,_,m,c,ue,ud,第二節 自動控制系統的分類,程序控制系統：,系統的給定值按照一定的時間函數變化，并要求被控量隨之變化。,例如：,機械手,第二節 自動控制系統的分類,自動化生產線：,第二節 自動控制系統的分類,自動化生產線：,第二節 自動控制系統的分類,問題（problems:） 1反饋控制的概念與作用；What is Feedback? 2.自動控制系統的基本組成有哪些？有哪些常用術語？ 3自控系統的工作原理？,第二節 自動控制系統的分類,第三節 對控制系統性能的要求,常見的評價系統優劣的性能指標是從動態過程中定義出來的。對系統性能的基本要求有三個方面。,二、快速性,一、穩定性,三、準確性,第一章 概 述,一、穩定性,第三節 對控制系統性能的要求,系統受外作用力后,其動態過程的振蕩傾向和系統恢復平衡的能力。,穩定性：,系統受外作用力經過一段時間，其被控量達到某一穩定狀態，則系統是穩定的。,否則為不穩定的。,r(t),c(t),不穩定的系統是無法正常工作的。,擾動信號作用下 的不穩定系統:,c(t),d(t),一個能在生產實際中應用的系統,不僅應具有穩定性,而且在動態過程中的震蕩也不能過于強烈.,第三節 對控制系統性能的要求,通過動態過程時間長短表征快速性。,二、快速性,r(t),c1(t),c2(t),快速性表明了系統輸出對輸入響應的快慢程度,過渡過程時間越短，表明快速性越好。,反之亦然。,t1,t2,第三節 對控制系統性能的要求,由輸入給定值與輸出響應的終值之間的差值ess大小表征。,三、準確性,ess,它反映了系統的穩態精度。若系統最終的誤差為零，則稱為無差系統，否則為有差系統。,c(t),r(t),第三節 對控制系統性能的要求,穩定性、快速性和準確性往往是互相制約的。在設計與調試的過程中,若過分強調某方面的性能,則可能會使其他方面的性能受到影響.,怎樣根據工作任務的不同,分析和設計自動控制系統，使其對三方面的性能有所側重 ，并兼顧其它正是自控原理課程要解決的問題。,第三節 對控制系統性能的要求,自動控制理論是研究自動控制共同規律的技術科學。,第四節 自動控制理論發展簡述,第一章 概 述,具有“自動”功能的裝置自古有之，瓦特發明的蒸汽機上的離心調速器是比較自覺地運用反饋原理進行設計并取得成功的首例。,麥克斯韋對它的穩定性進行分析，于1868年發表的論文當屬最早的理論工作。,從20世紀20年代到40年代形成了以時域法，頻率法和根軌跡法為支柱的“古典”控制理論。,第四節 自動控制理論發展簡述,60年代以來，隨著計算機技術的發展和航天等高科技的推動，又產生了基于狀態空間模型的所謂“現代”控制理論。,近年來，在非線性系統理論、離散事件系統、大系統和復雜系統理論以及專家系統、模糊控制和人工神經網絡控制等方面均有不同程度的發展。,總之，自動控制理論正隨著技術和生產的發展而不斷發展，而它反過