1、第1章 自動(dòng)控制的基本概念,自動(dòng)控制原理 Principles of Automatic Control,普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材,機(jī)械工業(yè)出版社,Chapter 1 Fundamental Concepts of Automatic Control,本課程64學(xué)時(shí)【8學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)】,16周學(xué)完 必修考試課，成績(jī)考核：期末試卷成績(jī)占總成績(jī)的80%，考勤及作業(yè)占10%，實(shí)驗(yàn)占10%。,參考教材：“自動(dòng)控制原理” 孟華主編 機(jī)械工業(yè)出版社,自動(dòng)控制原理,3,第1章 自動(dòng)控制的基本概念,本章介紹自動(dòng)控制的基本概念、自動(dòng)控制系統(tǒng)的構(gòu)成和特點(diǎn)、自動(dòng)控制系統(tǒng)的幾種類型等。,1.1 概述 1.2 自

2、動(dòng)控制的基本原理 1.3 控制系統(tǒng)的分類 1.4 對(duì)控制系統(tǒng)的性能要求 習(xí) 題,自動(dòng)控制原理,4,20世紀(jì)40年代“經(jīng)典控制理論”(Classical Control Theory)正式誕生，代表作是維納（Wiener）1948年發(fā)表的控制論（Cybernetics or Control and Communication in the Animal and Machine）。 “經(jīng)典控制理論”以傳遞函數(shù)(transfer function)為數(shù)學(xué)工具，研究對(duì)象主要是一類線性的單輸入單輸出自動(dòng)控制系統(tǒng)(linear SISO automatic control systems) 。 60年代初

3、，第一顆人造衛(wèi)星上天，太空飛船成功登月，催生了“現(xiàn)代控制理論” (Modern Control Theory) 。 “現(xiàn)代控制理論”以狀態(tài)空間法( state-space method )為基礎(chǔ)，主要研究非線性、時(shí)變、多輸入多輸出自動(dòng)控制系統(tǒng)(nonlinear time-variant MIMO automatic control systems)的分析analysis和設(shè)計(jì)design問題。,1.1 概述 Introduction to Automatic Controls,the regulator of Heron of Alexandria 調(diào)節(jié)器工作方式如下：火，作為系統(tǒng)的輸入，加

4、熱祭壇底部的空氣，熱（膨脹的）空氣將水從中容器（罐1）推到桶（罐2）中。罐1的位置是固定的，桶由纏繞在門軸上的繩索吊起來，W為配重，當(dāng)桶為空時(shí)，在配重W作用下，門關(guān)閉。當(dāng)桶中有適量的水時(shí)，向下移動(dòng)，而配重W向上移動(dòng)，門被自動(dòng)打開。當(dāng)火被熄滅時(shí)，水從桶中回流到罐1，配重W向下移動(dòng)，大門自動(dòng)關(guān)閉。,自動(dòng)控制系統(tǒng)簡(jiǎn)要的歷史回顧Historical Review,Watts centrifugal speed regulator,控制應(yīng)用始于18世紀(jì)下半葉，1769年詹姆斯瓦特James Watt發(fā)明了第一臺(tái)離心式調(diào)速器，廣泛用于機(jī)車控制。特別是，用來控制蒸汽發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。實(shí)現(xiàn)如下：隨著蒸汽機(jī)角速度的

5、增大，離心力推動(dòng)小球向上，蒸汽閥門關(guān)小。隨著蒸汽閥門關(guān)小，從鍋爐進(jìn)入引擎的蒸汽減少，蒸汽機(jī)的角速度減小。反之，隨著蒸汽機(jī)角速度的下降，小球向下，蒸汽閥門開大，進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的蒸汽量增加，角速度增加。通過這種方式，調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。,瓦特的離心調(diào)速器,Table Selected Historical Developments of Control Systems,自動(dòng)控制系統(tǒng)是由各部分元件構(gòu)成的有機(jī)整體，自動(dòng)地按照 預(yù)定規(guī)律完成某種任務(wù)。 當(dāng)今的機(jī)器和設(shè)備，或全部或部分為自動(dòng)化產(chǎn)品。如冰箱、 熱水器、洗衣機(jī)、電梯、遙控電視，世界范圍內(nèi)的電話通訊系 統(tǒng)，互聯(lián)網(wǎng)等。 工業(yè)生產(chǎn)也全部或部分自動(dòng)化，如：食品

6、、造紙、水泥、汽車等行業(yè)。 控制應(yīng)用的實(shí)例還包括其他領(lǐng)域：電廠、(核和化學(xué))反應(yīng)堆 、運(yùn)輸系統(tǒng)(汽車、飛機(jī)、船舶、直升機(jī)、潛水艇、等等)，機(jī) 器人(裝配、焊接等)，武器系統(tǒng)(火控系統(tǒng)、導(dǎo)彈等)、電腦打 印機(jī)、磁盤驅(qū)動(dòng)器、磁帶等)，農(nóng)業(yè)(溫室、灌溉等)，以及許多 其他方面，如位置或速度、溫度、電壓、壓力、液面、交通的 控制、辦公自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)集成制造、建筑物的能源管理、樓 宇自動(dòng)化等。 結(jié)論：自動(dòng)控制已用于人類技術(shù)活動(dòng)的所有領(lǐng)域，對(duì)現(xiàn)代技術(shù)進(jìn)步做出了貢獻(xiàn)。,PRACTICAL CONTROL EXAMPLES,1 Position Control System or Position Servo

7、mechanism,2 Metal Sheet Thickness Control System,3 Liquid-Level Control,4 Aircraft Wing Control System,該系統(tǒng)設(shè)計(jì)成使飛機(jī)機(jī)翼邊緣的傾角由飛行員手動(dòng)控制操縱桿控制。系統(tǒng)工作如下：當(dāng)操縱桿推到一個(gè)新位置時(shí)，電位器P的位置的變化，在A、B兩點(diǎn)間產(chǎn)生電位差，這一電位差作用于電磁鐵，液壓伺服閥電機(jī)閥門的活塞移動(dòng)。閥門的移動(dòng)使壓力油進(jìn)入動(dòng)力缸并推動(dòng)其活塞左、右移動(dòng)，使飛機(jī)的機(jī)翼向下或向上。這樣，飛行員可以控制機(jī)翼的傾角。,5 Missile Direction Control System,6 Remo

8、te Robot Control,7 A three-axis control system for inspecting individual semiconductor wafers with a highly sensitive camera,采用高敏感度照相機(jī)檢測(cè)半導(dǎo)體晶片的三軸控制系統(tǒng),8 Boilergenerator control system,鍋爐-發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng),9 Automobile steering control system,11 Laser Eye Surgery Control System,飛機(jī)示意圖,給定電位器,反饋電位器,給定裝置,放大器,舵機(jī),飛機(jī),0

9、,c,擾動(dòng),俯仰角控制系統(tǒng)方塊圖,飛機(jī)方塊圖,垂直陀螺儀,反饋電位器,自動(dòng)控制原理,22,1.2 自動(dòng)控制的基本原理 Principles of Automatic Control,1.2.1 自動(dòng)控制系統(tǒng)舉例 (1) 溫度控制系統(tǒng),自動(dòng)控制原理,23,1.2 自動(dòng)控制的基本原理,自動(dòng)控制原理,24,1.2 自動(dòng)控制的基本原理,被控對(duì)象control plant：它接受控制量并輸出被控量（加熱爐） 測(cè)量裝置measuring：它把被控對(duì)象的被控量檢測(cè)出來（熱電偶） 比較裝置comparator：它把測(cè)量信號(hào)與給定信號(hào)比較，得到偏差（比較電路） 計(jì)算裝置calculating：可以進(jìn)行復(fù)雜運(yùn)算，

10、決定系統(tǒng)性能的好壞 放大器裝置amplifier： 經(jīng)過計(jì)算處理的信號(hào)通常是弱信號(hào)，不能驅(qū)動(dòng)被控制對(duì)象，由它進(jìn)行放大（放大器） 執(zhí)行裝置implementing： 它推動(dòng)被控對(duì)象的被控量發(fā)生變化 （電動(dòng)機(jī)）,自動(dòng)控制原理,25,1.3 控制系統(tǒng)的分類Classification of Control Systems,1.3.1 按信號(hào)傳遞路徑signal transfer path分類 (1)按給定值操作的開環(huán)控制系統(tǒng)(Open-loop system without the measurement of disturbances) (2)按干擾補(bǔ)償?shù)拈_環(huán)控制系統(tǒng)(Open-loop syst

11、em with the measurement of disturbances) (3)按偏差調(diào)節(jié)的閉環(huán)控制系統(tǒng)(Closed-loop system),自動(dòng)控制原理,26,1.3 控制系統(tǒng)的分類（續(xù)）,(4)復(fù)合控制系統(tǒng)(Mixed or combined system) 1.3.2 按輸入信號(hào)特征 input signals 分類 (1)恒值Constant控制系統(tǒng) (2)程序Programming控制系統(tǒng) (3)隨動(dòng)Tracking控制系統(tǒng)（又稱伺服Servo系統(tǒng)）,自動(dòng)控制原理,27,1.3 控制系統(tǒng)的分類（續(xù)）,(1)線性linear系統(tǒng) 線性系統(tǒng)中各元件的靜特性為直線。 線性系統(tǒng)有

12、兩個(gè)重要特性疊加性和齊次性 1)疊加性superposition：如果用c1(t)表示由r1(t)產(chǎn)生的輸出，用c2(t)表示由r2(t)產(chǎn)生的輸出，則當(dāng)r1(t)和r2(t)同時(shí)作用時(shí)，輸出量為c1(t) + c2(t) 。 2)齊次性homogeneity：如果用c(t)表示由r(t)產(chǎn)生的輸出量，則在Kr(t)作用下的輸出量為Kc(t)。,1.3.3 按系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型Mathematical Models分類,自動(dòng)控制原理,28,1.3 控制系統(tǒng)的分類（續(xù)）,(2)非線性non-linear系統(tǒng) 系統(tǒng)中只要某一部件具有非線性特性就是非線性系統(tǒng)。 非線性系統(tǒng)的特點(diǎn)是不滿足疊加原理。圖中分別為

13、繼電 器、死區(qū)、飽和、間隙特性，還有大量的其它非線性特性。 (a) (b) (c) (d ),自動(dòng)控制原理,29,1.3 控制系統(tǒng)的分類（續(xù)）,(1)連續(xù)時(shí)間time continuous系統(tǒng)：控制系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的輸入量和輸出量均為 時(shí)間t的連續(xù)函數(shù) (2)離散時(shí)間time discrete系統(tǒng)：系統(tǒng)中只要一處信號(hào)是脈沖序列或數(shù)字編碼 1.3.5 按系統(tǒng)參數(shù)parameters特性分類 (1)定常constant (time invariant)系統(tǒng) 系統(tǒng)參數(shù)在系統(tǒng)運(yùn)行過程中相對(duì)于時(shí)間是不變的 (2)時(shí)變time variant系統(tǒng) 系統(tǒng)參數(shù)是時(shí)間t的函數(shù),1.3.4 按時(shí)間變量variable

14、s of time特性分類,自動(dòng)控制原理,30,1.4 對(duì)控制系統(tǒng)的性能要求,1.4.1 穩(wěn)定性 當(dāng)系統(tǒng)受到干擾后，系統(tǒng)的輸出c( t )可能出現(xiàn)增幅振蕩或單調(diào)增長(zhǎng)現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱為不穩(wěn)定instability現(xiàn)象，這樣的系統(tǒng)稱為不穩(wěn)定系統(tǒng)unstable systems。當(dāng)系統(tǒng)受到干擾后，能夠恢復(fù)到原來的工作狀態(tài)，則這樣的系統(tǒng)是穩(wěn)定的，稱為穩(wěn)定系統(tǒng)stable systems 。,(b),(a),自動(dòng)控制原理,31,1.4 對(duì)控制系統(tǒng)的性能要求,1.4.2 動(dòng)態(tài)性能指標(biāo) 當(dāng)系統(tǒng)輸入信號(hào)input signal r(t)為階躍函數(shù)step function 時(shí)，其輸出output信號(hào)c(t)稱為階躍響應(yīng)step response 。圖為某自動(dòng)控制系統(tǒng)在階躍輸入r(t)作用下的輸出響應(yīng)曲線c(t)。 在控制系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下，總是希望響應(yīng)越快越好Respond as rapidly as possible，而且超調(diào)量overshoot越小越好。,自動(dòng)控制原理,32,1.4 對(duì)控制系統(tǒng)的性能要求,1.4.3 穩(wěn)態(tài)誤差static