1、Dept. of Control Engineering, ChengDu University of Information Technology,主講：巨輝 教授 控制工程學(xué)院 （科教樓109室） 聯(lián)系方式： Email： 電話： 85966921(辦)自動控制原理,College of Automatic Control Engineering , CUIT,關(guān)于本課程,課程的性質(zhì)和地位 專業(yè)基礎(chǔ)課，自動控制類專業(yè)的核心課程。 自動控制原理與現(xiàn)代控制理論兩門課程，分兩學(xué)期教學(xué)。 64學(xué)時（理論教學(xué)56學(xué)時，實(shí)驗(yàn)8學(xué)時）加32學(xué)時（24+8）。 課程特點(diǎn)與教學(xué) 理

2、論性與實(shí)踐性。（理論教學(xué)加實(shí)驗(yàn)，反饋理論與線性系統(tǒng)理論） 工程背景與應(yīng)用性。（工程上的物理實(shí)體，解決工程控制問題） 以工程應(yīng)用為導(dǎo)向?qū)W習(xí)理論與方法，尤其是工程思維。 知識型作業(yè)，工程應(yīng)用型作業(yè)和計算機(jī)仿真作業(yè)。 CDIO改革試點(diǎn)課程。,College of Automatic Control Engineering , CUIT,本課程與其它課程關(guān)系,College of Automatic Control Engineering , CUIT,課堂學(xué)習(xí)：聽課與思維（綜合前修課程知識、生活體驗(yàn)） 個人學(xué)習(xí)與團(tuán)隊學(xué)習(xí)（自主學(xué)習(xí)與小組學(xué)習(xí)并重） 資料閱讀與資料查閱（教材與參考書、其它資料） 完成作

3、業(yè)（基本、一般、設(shè)計、難題和計算機(jī)作業(yè)） 實(shí)習(xí)與實(shí)驗(yàn)（工礦企業(yè)、校內(nèi)實(shí)驗(yàn)室參觀，計劃內(nèi)外實(shí)驗(yàn)） 討論會與小組交流（每月一次全班討論會，兩周一次小組交流）,學(xué)習(xí)方法與要求,College of Automatic Control Engineering , CUIT,教學(xué)參考資料,網(wǎng)址： 教材： Richard C.Dorf 現(xiàn)代控制系統(tǒng)（第8版） 高教出版社 楊平等自動控制原理實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐篇 電力出版社 參考書： 胡壽松主編 自動控制原理（第5版） 科學(xué)出版社 王劃一主編 自動控制原理 國防工業(yè)出版社 胡壽松主編 自動控制原理習(xí)題集（第2版） 科學(xué)出版社 黃忠霖著 控制系統(tǒng)MATLAB計算及仿真

4、 國防工業(yè)出版社 劉坤主編 MATLAB自動控制原理習(xí)題精解國防工業(yè)出版社,College of Automatic Control Engineering , CUIT,第一章 控制系統(tǒng)導(dǎo)論（Introduction to control systems）,1.1 自動控制一般概念 1.2 自動控制的發(fā)展簡史 1.3 控制工程實(shí)踐 1.4 現(xiàn)代控制系統(tǒng)舉例 1.5 自動裝配和機(jī)器人 1.6 控制系統(tǒng)的未來發(fā)展 1.7 工程設(shè)計 1.8 設(shè)計實(shí)例1：轉(zhuǎn)臺速度控制 設(shè)計實(shí)例2：磁盤驅(qū)動器讀取系統(tǒng),College of Automatic Control Engineering , CUIT,回答

5、的問題：什么是自動控制？為什么要做自動控制？如何實(shí)現(xiàn)自動控制？有哪些種類的自動控制系統(tǒng)？等等,1.1 自動控制的一般概念,一、自動控制與自動控制系統(tǒng),例1.恒溫箱,1.幾個例子,例2.液位控制,College of Automatic Control Engineering , CUIT,例3. 火力發(fā)電廠,College of Automatic Control Engineering , CUIT,2.自動控制 (Automatic control) 在沒有人直接參與的情況下，利用外加的設(shè)備或裝置（稱自動控制裝置）,使機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過程（統(tǒng)稱被控對象）的工作狀態(tài)或參數(shù)（稱為被控量）自動地

6、按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行。,例4. 火箭與導(dǎo)彈,3. 自動控制系統(tǒng) (Control system) 由各部件互聯(lián)而形成的一個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并能夠提供所期望的響應(yīng)。它就是一個完整的信息系統(tǒng)。,College of Automatic Control Engineering , CUIT,二、 自動控制系統(tǒng)的組成和工作原理,開環(huán)控制系統(tǒng)采用控制器或控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)期望的響應(yīng),1. 開環(huán)控制系統(tǒng) (open loop control system),College of Automatic Control Engineering , CUIT,人工控制過程 觀測恒溫箱內(nèi)的溫度（被控制量） 與要求的溫度（給

7、定值）進(jìn)行比較得到溫度偏差的大小和方向 根據(jù)偏差大小和方向調(diào)節(jié)調(diào)壓器，控制加熱電阻絲的電流以調(diào)節(jié)溫度回復(fù)到要求值。,實(shí)質(zhì) 檢測偏差再糾正偏差。,（1）恒溫箱控制,2. 閉環(huán)控制系統(tǒng)(closed-feedback control system),College of Automatic Control Engineering , CUIT,（2）轉(zhuǎn)臺速度控制,閉環(huán)控制系統(tǒng) 增加了對實(shí)際輸出測量的裝置，反饋信號(feedback signal)并將其與期望的輸出響應(yīng)進(jìn)行比較。構(gòu)成信息環(huán)路 反饋控制系統(tǒng)對輸出進(jìn)行測量，將此測量信號反饋，并與預(yù)期的輸入（參考或指令輸入）進(jìn)行比較，按偏差大小實(shí)施控制，

8、使系統(tǒng)變量之間保持預(yù)定關(guān)系的控制系統(tǒng)。,College of Automatic Control Engineering , CUIT,綜上所述,反饋（閉環(huán)）控制系統(tǒng)的工作原理： 檢測輸出量（被控制量）的實(shí)際值； 將輸出量的實(shí)際值與給定值（輸入量）進(jìn)行比較得出偏差； 用偏差值產(chǎn)生控制調(diào)節(jié)作用去消除偏差，使得輸出量維持期望的輸出。,College of Automatic Control Engineering , CUIT,三、 閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成,典型閉環(huán)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成,College of Automatic Control Engineering , CUIT,3比較元件： 對給定信

9、號和反饋信號進(jìn)行比較，產(chǎn)生偏差信號。 4放大元件： 對偏差信號進(jìn)行放大，使之有足夠的能量驅(qū)動執(zhí)行元件實(shí)現(xiàn)控制功能。 5執(zhí)行元件： 直接對受控對象進(jìn)行操縱的元件，如電動機(jī)、液壓馬達(dá)等。,一些基本術(shù)語,College of Automatic Control Engineering , CUIT,6.校正元件： 用以改善系統(tǒng)控制質(zhì) 量的裝置。 校正元件分為串聯(lián)和并聯(lián)兩種。 控制系統(tǒng)中比較元件、放大元件、執(zhí)行元件和反饋元件等共同起控制作用，統(tǒng)稱為自動控制裝置。 實(shí)際的控制系統(tǒng)中，擾動總是不可避免的。 擾動分為內(nèi)部擾動和外部擾動。,College of Automatic Control Engine

10、ering , CUIT,反饋控制方式（閉環(huán)控制） 開環(huán)控制方式 復(fù)合控制方式,四、 控制系統(tǒng)的控制方式,開關(guān)控制系統(tǒng),連續(xù)控制系統(tǒng),電氣設(shè)備的啟、停控制 生產(chǎn)線的邏輯動作控制,College of Automatic Control Engineering , CUIT,按給定量控制：信號由給定值至輸出量單向傳遞。,按擾動控制：通過對擾動信號的測量產(chǎn)生控制作用， 以補(bǔ)償擾動對輸出量的影響。,College of Automatic Control Engineering , CUIT,1）輸出影響輸入，所以能削弱或抑制干擾； 2）低精度元件可組成高精度系統(tǒng)； 3）因?yàn)榭赡馨l(fā)生超調(diào)，振蕩，所以

11、穩(wěn)定性很重要。,閉環(huán)控制,1）輸出不影響輸入，對輸出不需要測量，通常容易實(shí)現(xiàn)； 2）組成系統(tǒng)的元部件精度高，系統(tǒng)的精度才能高； 3）系統(tǒng)的穩(wěn)定性不是主要問題；,開環(huán)控制,College of Automatic Control Engineering , CUIT,3. 復(fù)合控制方式,其它新控制方式：最優(yōu)控制、預(yù)測控制、自適應(yīng)控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等。,College of Automatic Control Engineering , CUIT,五、 控制系統(tǒng)的分類,思考？,開環(huán)控制、閉環(huán)控制、復(fù)合控制在結(jié)構(gòu)、工作機(jī)理、性能、成本上有何差別,College of Automatic C

12、ontrol Engineering , CUIT,機(jī)械系統(tǒng) 電氣系統(tǒng) 機(jī)電系統(tǒng) 液壓系統(tǒng) 氣動系統(tǒng) 生物系統(tǒng),2 按 元 件 類 型 分,College of Automatic Control Engineering , CUIT,College of Automatic Control Engineering , CUIT,College of Automatic Control Engineering , CUIT,College of Automatic Control Engineering , CUIT,1.2 自動控制的發(fā)展簡史,1.3 控制工程實(shí)踐,1.4 現(xiàn)代控制系統(tǒng)舉例,

13、1.5 自動裝配和機(jī)器人,1.6 控制系統(tǒng)的未來發(fā)展,自行閱讀教材P3P14,思考： 將人駕駛汽車的過程與閉環(huán)控制系統(tǒng)相對應(yīng)，人實(shí)現(xiàn)了自動控制系統(tǒng)的哪些環(huán)節(jié)？人的哪些器官分別對應(yīng)自動控制系統(tǒng)的哪個環(huán)節(jié)？ 如果設(shè)計一個全自動汽車駕駛系統(tǒng)，需要加設(shè)哪些裝備？,College of Automatic Control Engineering , CUIT,1.7 工程設(shè)計,一、工程與工程設(shè)計,1. 工程與控制工程的關(guān)系,工程是人們了解自然，利用自然和改造自然，以便造福人類的過程。 工程師是這一過程的領(lǐng)航者。 控制工程是工程的重要組成部分，控制工程師通過理解和控制他們周邊環(huán)境中的某些部分，常稱為系統(tǒng)（

14、system），以便為社會提供經(jīng)濟(jì)實(shí)用的產(chǎn)品。,2. 控制工程涉及的學(xué)科和領(lǐng)域,控制工程涉及多學(xué)科的理論知識：反饋理論、線性系統(tǒng)分析、網(wǎng)絡(luò)理論、通信理論等。 涉及的領(lǐng)域包括宇航、化工、機(jī)械、土木環(huán)境、電氣工程等基礎(chǔ)工程和社會經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域。,College of Automatic Control Engineering , CUIT,3. 工程設(shè)計,工程設(shè)計就是為達(dá)到特定的目的，構(gòu)思或創(chuàng)建系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、組成和技術(shù)細(xì)節(jié)的過程。創(chuàng)新和分析在其中占據(jù)著重要的地位。,設(shè)計是一項(xiàng)創(chuàng)新活動：工程師創(chuàng)造性地運(yùn)用所擁有的知識和材料，確定系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能和物理構(gòu)成。,設(shè)計的主要步驟： 明確用戶需求：包括政府的公共政

15、策到普通消費(fèi)者在內(nèi)的各個社會群體的需求。 論證設(shè)計要求：詳細(xì)確定應(yīng)該有什么樣的解決方案以及怎樣才能滿足用戶需求。 開發(fā)設(shè)計方案：設(shè)計多種滿足要求的解決方案。 設(shè)計與實(shí)現(xiàn)：選定解決方案并加以詳細(xì)設(shè)計和技術(shù)實(shí)現(xiàn)。,College of Automatic Control Engineering , CUIT,(1) 影響設(shè)計工作的主要因素是時間限制，設(shè)計不可能理想，只能足夠好。,(2) 設(shè)計工程師面臨的主要挑戰(zhàn)之一-撰寫技術(shù)產(chǎn)品的設(shè)計規(guī)范：即對裝置或系統(tǒng)將是什么和將能做什么的簡潔而明確的說明。,設(shè)計工作應(yīng)注意的幾個重要問題,（3）設(shè)計的復(fù)雜性：源于設(shè)計的多樣性。,（4）折中處理：在兩個所期望的但又

16、彼此沖突的性能指標(biāo)或設(shè)計準(zhǔn)則之間，為達(dá)成某種協(xié)調(diào)而作出決策。如系統(tǒng)的快速性與穩(wěn)定性，高性能與低成本等。,（5）設(shè)計差異：最終產(chǎn)品常常不能與原先設(shè)計和想象完全一致。它是工程的固有屬性。,（6）設(shè)計風(fēng)險：源于設(shè)計的不可預(yù)見性。,（7）設(shè)計的思維模式：分析和綜合。通過分析確定設(shè)計的改進(jìn)方向，運(yùn)用綜合構(gòu)建新的方案或系統(tǒng)。,（8）設(shè)計工作的主要方法：參數(shù)分析和參數(shù)優(yōu)化。,College of Automatic Control Engineering , CUIT,二、控制系統(tǒng)設(shè)計,控制系統(tǒng)的性能規(guī)范： 穩(wěn)定性 準(zhǔn)確性 快速性 魯棒性 抗干擾能力,College of Automatic Control

17、 Engineering , CUIT,1.8 設(shè)計實(shí)例,CD機(jī)，計算機(jī)磁盤驅(qū)動器等的轉(zhuǎn)盤在工作中保持恒定轉(zhuǎn)速。,實(shí)例1 轉(zhuǎn)盤速度控制,控制目標(biāo)：轉(zhuǎn)盤速度恒定，被控變量：轉(zhuǎn)速 。開環(huán)控制方案,College of Automatic Control Engineering , CUIT,閉環(huán)控制方案,College of Automatic Control Engineering , CUIT,實(shí)例2. 磁盤驅(qū)動讀取系統(tǒng),完成14步：確立控制目標(biāo)，確定控制變量，初步確定設(shè)計指標(biāo)，初步確定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。,College of Automatic Control Engineering , CUIT,確立控制目標(biāo)：定位讀取頭，以便讀取存儲在磁盤某一磁道上的數(shù)據(jù)； 確定控制變量：讀取頭的位置； 擬定對變量的設(shè)計要求：定位精度為1微米，讀取頭移動時間為50毫秒； 選擇執(zhí)行機(jī)構(gòu)：采用的傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、控制處理器和反饋控制，建立初步系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。,College of Automatic Control Engineering , CUIT,對象：單變量時不變連續(xù)系統(tǒng) 目標(biāo)：穩(wěn)、準(zhǔn)、快 任務(wù)：分析、設(shè)計,經(jīng)典控制理論：,College of Automatic Control Engineering , CUIT,Coll