1、1工程控制基礎(chǔ)2參考教材1.自動控制理論與設(shè)計 上海交大出版社 徐薇莉等2.控制理論基礎(chǔ) 科學(xué)出版社 王顯正等3.自動控制系統(tǒng) 高教出版社 汪小帆等4.Automatic Control System Benjamin C. Kuo （高教出版社 ）31.1 引言自動化（Automation 或Automatization） 什么是自動控制？ 什么是自動控制系統(tǒng)？ 自動控制主要研究解決什么問題？第一章 導(dǎo)論4自動控制 脫離人的直接干預(yù)，利用控制裝置使被控對象的某一物理量準(zhǔn)確地按照預(yù)期的規(guī)律運(yùn)行。另一種定義：機(jī)器設(shè)備在沒有人直接參與的情況下，經(jīng)過自動檢測、信息處理、分析判斷、操縱控制實(shí)現(xiàn)預(yù)期的目

2、標(biāo)。第一章 導(dǎo)論5第一章 導(dǎo)論自動控制系統(tǒng) 為實(shí)現(xiàn)上述控制目的，由相互制約的各部分按一定規(guī)律組成的具有特定功能的整體。 例：交通控制、水位控制 經(jīng)濟(jì)控制、人體控制6第一章 導(dǎo)論自動化的核心是“控制”自動化技術(shù)的兩個方面： 人手或腳的延伸動力方面的自動化技術(shù)：工業(yè)化 人腦的延伸信息處理方面的自動化技術(shù): 信息化7第一章 導(dǎo)論最簡單的控制系統(tǒng)是 開環(huán)控制系統(tǒng)特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，工作穩(wěn)定，在輸入和擾動確定時控制效果好。但在元件參數(shù)變化或擾動未知時不能自動修正系統(tǒng)偏差。輸入控制器控制信號被控對象輸出開環(huán)控制系統(tǒng)框圖8第一章 導(dǎo)論閉環(huán)控制系統(tǒng)利用輸入與輸出的誤差對系統(tǒng)進(jìn)行控制。特點(diǎn)：能有效抑制元件參數(shù)變化或

3、未知擾動的影響，自動修正系統(tǒng)偏差。閉環(huán)控制系統(tǒng)是反饋控制系統(tǒng)。輸入 控制器控制信號被控對象輸出比較測量誤差閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖9第一章 導(dǎo)論本門課程的主要內(nèi)容討論自動控制系統(tǒng)的分析、設(shè)計的基本方法反饋控制理論。將自動控制理論應(yīng)用于各種工程領(lǐng)域?qū)?jīng)濟(jì)和社會各部門的活動進(jìn)行控制和管理。10第一章 導(dǎo)論自動化的發(fā)展歷史公元前我國的自動計時漏壺11第一章 導(dǎo)論公元132年張衡研制的候風(fēng)地動儀12第一章 導(dǎo)論公元235年馬鈞研制出能自動指示方向的指南車 13第一章 導(dǎo)論1788年英國Watt發(fā)明的控制蒸汽機(jī)速度的離心式調(diào)速器 14第一章 導(dǎo)論1913年美國建成最早的汽車裝配流水線15第一章 導(dǎo)論1952年美

4、國MIT研制出第一臺數(shù)控機(jī)床 161954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)射成功第一章 導(dǎo)論17自動控制系統(tǒng)應(yīng)用舉例寫字機(jī)器人18自動控制系統(tǒng)應(yīng)用舉例汽車自動焊接生產(chǎn)線19自動控制系統(tǒng)應(yīng)用舉例自動立體倉庫20自動控制系統(tǒng)應(yīng)用舉例自動搬運(yùn)車21自動控制系統(tǒng)應(yīng)用舉例注塑機(jī)22自動控制系統(tǒng)應(yīng)用舉例月球車23自動控制系統(tǒng)應(yīng)用舉例機(jī)器人足球比賽24機(jī)器人自動控制系統(tǒng)應(yīng)用舉例25大學(xué)生智能汽車比賽自動控制系統(tǒng)應(yīng)用舉例26無人駕駛汽車空中飛艇自動控制系統(tǒng)應(yīng)用舉例27自動控制理論的內(nèi)容經(jīng)典控制理論1現(xiàn)代控制理論2大系統(tǒng)理論3智能控制理論4線性控制理論非線性控制理論采樣控制理論28

5、經(jīng)典控制理論 包括時域、復(fù)頻域的分析與設(shè)計方法研究的主要對象是單輸入、單輸出單變量系統(tǒng)如：調(diào)節(jié)電壓改變電機(jī)的速度調(diào)節(jié)流量改變?nèi)萜髦幸后w的液位自動控制理論的內(nèi)容29現(xiàn)代控制理論 以狀態(tài)空間法為研究方法研究的主要對象是多輸入、多輸出多變量系統(tǒng)如: 汽車通過調(diào)節(jié)方向盤和加速踏板，調(diào)整方向和速度兩個輸出計算機(jī)科學(xué)的發(fā)展，極大地促進(jìn)了控制科學(xué)的發(fā)展 自動控制理論的內(nèi)容30經(jīng)典控制理論與現(xiàn)代控制理論比較項目經(jīng)典控制理論現(xiàn)代控制理論研究對象線性定常系統(tǒng)（單輸入、單輸出）線性、非線性、定常、時變系統(tǒng)（多輸入、多輸出）描述方法傳遞函數(shù)（輸入、輸出描述）向量空間（狀態(tài)空間描述）研究辦法根軌跡法和頻率法狀態(tài)空間法研

6、究目標(biāo)系統(tǒng)分析及給定輸入、輸出情況下的系統(tǒng)綜合揭示系統(tǒng)的內(nèi)在規(guī)律，實(shí)現(xiàn)在一定意義下的最優(yōu)控制與設(shè)計31過程控制與信息處理相結(jié)合研究的對象規(guī)模龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功能綜合、目標(biāo)多樣、因素眾多多輸入、多輸出、多干擾、多變量的系統(tǒng)如：人體，我們就可以看作為一個大系統(tǒng)社會人口系統(tǒng) 大系統(tǒng)控制理論目前仍處于發(fā)展階段 大系統(tǒng)控制理論自動控制理論的內(nèi)容32新發(fā)展起來的一種控制技術(shù)，是人工智能在控制上的應(yīng)用。依據(jù)人的思維方式和處理問題的技巧，解決那些目前需要人的智能才能解決的復(fù)雜的控制問題。能運(yùn)用人們的經(jīng)驗與技巧解決許多以往控制中難以解決的棘手問題，因此得到了人們極大的重視。智能控制自動控制理論的內(nèi)容33自動控制

7、系統(tǒng)的基本原理和組成1.2.1 自動控制系統(tǒng)的基本原理 脫離人的直接干預(yù)，利用控制裝置（簡稱控制器）使被控對象（或生產(chǎn)過程等）的工作狀態(tài)或被控量（如溫度、壓力、PH值等）準(zhǔn)確地按照預(yù)期的要求或規(guī)律運(yùn)行的系統(tǒng)。34控制系統(tǒng)的組成： 輸入部分、控制系統(tǒng)部分和輸出部分從物理角度上看，研究的是特定激勵作用下的系統(tǒng)響應(yīng)變化情況；從數(shù)學(xué)角度上看，研究的是輸入與輸出之間的映射關(guān)系。自動控制系統(tǒng)的基本原理和組成35例1. a.溫度人工控制自動控制系統(tǒng)的基本原理和組成36 控制目標(biāo)： 爐子的溫度恒定在期望的數(shù)值上自動控制系統(tǒng)的基本原理和組成輸入信號（期望爐溫）輸出信號（實(shí)際爐溫）腦（計算、比較）放大、執(zhí)行（手臂

8、,手,調(diào)壓器）被控對象（電熱絲、爐）測量（溫度計,眼睛）37b.溫度 自動控制自動控制系統(tǒng)的基本原理和組成38溫度自動控制系統(tǒng)的基本組成自動控制系統(tǒng)的基本原理和組成+_實(shí)際溫度電壓放大器功率放大器爐子熱電偶電機(jī)、減速器、調(diào)壓器期望溫度ur控制器驅(qū)動執(zhí)行被控對象測量ubu39例2：火炮自動跟蹤系統(tǒng)+_收信儀放大器減速器校正裝置檢測裝置電機(jī)+自動控制系統(tǒng)的基本原理和組成401.2.2 自動控制系統(tǒng)的組成自動控制系統(tǒng)的基本原理和組成輸入信號系統(tǒng)控制目標(biāo)的反映，是人的意志的具體體現(xiàn)輸出信號系統(tǒng)的控制結(jié)果，反映了被控對象的運(yùn)行狀態(tài)反饋信號反饋裝置的輸出，與輸出信號有一定的函數(shù)關(guān)系誤差信號輸入信號與反饋信

9、號之差輸入信號輸出信號控制器比較執(zhí)行被控對象測量（反饋）41典型的反饋控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖前向通道反饋通道自動控制系統(tǒng)的基本原理和組成42輸入量 放大元件串聯(lián)校正元件執(zhí)行元件被控對象擾動并聯(lián)校正元件反饋元件輸出量比較元件e(t)偏差信號主反饋信號b(t)測量反饋元件主反饋局部反饋給定元件自動控制系統(tǒng)的基本原理和組成43思考題A1-1A1-4A1-5441.3.1 按信號的傳遞路徑來分類 1、開環(huán)控制系統(tǒng) 特點(diǎn)： 1.3 自動控制系統(tǒng)的分類系統(tǒng)的輸出端與輸入端不存在反饋通道輸出與輸入一一對應(yīng)控制精度受干擾與元件參數(shù)變化影響45 2、閉環(huán)控制系統(tǒng)（反饋控制系統(tǒng)） 特點(diǎn)： 1.3 自動控制系統(tǒng)的分類系統(tǒng)

10、輸出信號通過測量元件反饋到輸入端 通過比較、控制來減小系統(tǒng)誤差。461.3.2 按系統(tǒng)輸出信號的變化規(guī)律來分類1、恒值控制系統(tǒng) （或稱自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)、自動鎮(zhèn)定系統(tǒng)） 特點(diǎn)：輸入信號是一個恒定的數(shù)值。 如：工業(yè)生產(chǎn)中的恒溫、恒壓等自動控制系統(tǒng) 1.3 自動控制系統(tǒng)的分類472、過程控制系統(tǒng) 特點(diǎn)：輸入信號是一個已知的函數(shù)。 系統(tǒng)的控制過程按預(yù)定的程序進(jìn)行，要求被控量能迅速準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)輸入，如化工中的壓力、溫度、流量控制。 恒值控制系統(tǒng)可看成輸入等于常值的過程控制系統(tǒng)。 1.3 自動控制系統(tǒng)的分類48 特點(diǎn)：輸入信號是一個未知函數(shù)。 要求控制系統(tǒng)的輸出量跟隨輸入信號變化。 如：火炮自動跟蹤系統(tǒng)。要求有

11、較好的跟蹤能力。3、隨動系統(tǒng)（或稱伺服系統(tǒng)）1.3 自動控制系統(tǒng)的分類491、連續(xù)系統(tǒng) 特點(diǎn)：系統(tǒng)各部分信號都是模擬的連續(xù)函數(shù)。 工業(yè)中采用常規(guī)儀表控制的系統(tǒng)。 1.3.3 按系統(tǒng)傳輸信號的性質(zhì)來分類1.3 自動控制系統(tǒng)的分類502、離散系統(tǒng) 特點(diǎn)：系統(tǒng)的某一處或幾處信號以脈沖序列或數(shù)碼形式傳遞的控制系統(tǒng)。 系統(tǒng)中用采樣開關(guān)將連續(xù)信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡x散信號。1.3 自動控制系統(tǒng)的分類離散信號以脈沖形式傳遞的系統(tǒng)又叫脈沖控制系統(tǒng)離散信號以數(shù)碼形式傳遞的系統(tǒng)又叫數(shù)字控制系統(tǒng)51 1.3 自動控制系統(tǒng)的分類521.3.4 按系統(tǒng)的輸入輸出特性不同來分類 1、線性系統(tǒng) 特點(diǎn)：系統(tǒng)由線性元件構(gòu)成，描述運(yùn)動規(guī)律的

12、數(shù)學(xué)模型為線性微分方程。 r(t)系統(tǒng)輸入量； c(t)系統(tǒng)輸出量1.3 自動控制系統(tǒng)的分類531、線性系統(tǒng) 特點(diǎn)：具有疊加性和齊次性。1.3 自動控制系統(tǒng)的分類r1 c1r1 c1r2c2疊加性齊次性r1 + r2 c1 + c2ar1 ac1542、非線性系統(tǒng) 特點(diǎn)：在構(gòu)成系統(tǒng)的環(huán)節(jié)中有一個或一個以上的非線性 環(huán)節(jié)。 非線性的理論研究不如線性系統(tǒng)那么完整，目前尚無通用的方法可以解決各類非線性系統(tǒng)。1.3 自動控制系統(tǒng)的分類55其他的分類方法：按功能來分： 溫度控制系統(tǒng)、速度控制系統(tǒng)、 位置控系統(tǒng)等。 按元件組成分：機(jī)電系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、生物系統(tǒng)等。1.3 自動控制系統(tǒng)的分類561.3 自動控制系統(tǒng)的分類571.4 控制系統(tǒng)實(shí)例1.4.1 內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)應(yīng)用瓦特式轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)581.4.2 角度隨動系統(tǒng)1.4 控制系統(tǒng)實(shí)例59控制系統(tǒng)建?？刂葡到y(tǒng)分析控制系統(tǒng)設(shè)計主要內(nèi)容1.5 本書概貌601時域數(shù)學(xué)模型微分方程(基礎(chǔ))2復(fù)域數(shù)學(xué)模型傳遞函數(shù)(工具)3頻域數(shù)學(xué)模型頻率特性(工具) 數(shù)學(xué)模