自動(dòng)控制系統(tǒng)概述知識(shí)

1、自動(dòng)控制系統(tǒng)概述第一章 自動(dòng)控制系統(tǒng)概述一、基本概念 第一、二次工業(yè)革命，為能源、動(dòng)力的革命，導(dǎo)致了機(jī)械化。1946年美國(guó)福特公司的機(jī)械工程師D.S.哈德最先提出“自動(dòng)化”一詞并用來描述發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸的自動(dòng)傳送和加工的過程朗文當(dāng)代英語辭典 ：automationthe use of machines instead of people to do a job or industrial process自動(dòng)化（專業(yè)）概論：所謂自動(dòng)化(Automation)，是指機(jī)器或裝置在無人干預(yù)的情況下按規(guī)定的程序或指令自動(dòng)的進(jìn)行操作或運(yùn)行。廣義地講，自動(dòng)化還包括模擬或再現(xiàn)人的智能活動(dòng)。自動(dòng)化科學(xué)與技術(shù)學(xué)科的內(nèi)容

2、、地位與體系： 簡(jiǎn)言之，“Automation”包含了 設(shè)備、過程或系統(tǒng)的自動(dòng)化； 自動(dòng)化技術(shù)或設(shè)備； 自動(dòng)化狀態(tài)。清華大學(xué)：熊光楞教授一般的自動(dòng)化的定義：自動(dòng)化是指人把命令（即控制的信息）授給“控制機(jī)（或控制系統(tǒng)）”，使它按信息的要求，自動(dòng)控制機(jī)器，而機(jī)器再去運(yùn)作工具于工件。自動(dòng)化是分析、組織和控制生產(chǎn)過程的一種手段。 自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)人類勞動(dòng)模式的轉(zhuǎn)換：“人工具”的勞動(dòng)模式、“人機(jī)器工具”的勞動(dòng)模式、“人控制機(jī)機(jī)器工具”的勞動(dòng)模式。 2第 頁 重慶郵電學(xué)院自動(dòng)化學(xué)院第一章 自動(dòng)控制系統(tǒng)概述自動(dòng)化的發(fā)展過程回顧： 設(shè)備自動(dòng)化 本世紀(jì)50年代開始發(fā)展起來，由最初的機(jī)器、設(shè)備的控制問題，引出了機(jī)床、軋

3、鋼機(jī)等設(shè)備的自動(dòng)化。主要特點(diǎn)：自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的出現(xiàn)及其大量應(yīng)用。 生產(chǎn)過程自動(dòng)化 生產(chǎn)過程自動(dòng)化需要考慮生產(chǎn)過程的協(xié)調(diào)、優(yōu)化、計(jì)劃與調(diào)度等問題。它是生產(chǎn)車間級(jí)的自動(dòng)化。 離散型生產(chǎn)過程的自動(dòng)化 機(jī)械制造自動(dòng)化，電子制造自動(dòng)化， 連續(xù)型生產(chǎn)過程的自動(dòng)化 化工自動(dòng)化，冶金自動(dòng)化， 工廠自動(dòng)化 工廠是由若干個(gè)生產(chǎn)車間組成的、能夠完成一定的產(chǎn)品生產(chǎn)任務(wù)的實(shí)體，工廠自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品加工生產(chǎn)的自動(dòng)化，工廠自動(dòng)化=生產(chǎn)過程自動(dòng)化+管理自動(dòng)化。 企業(yè)自動(dòng)化 企業(yè)自動(dòng)化包括企業(yè)的生產(chǎn)加工、企業(yè)管理、產(chǎn)品（設(shè)計(jì)/開發(fā)）、市場(chǎng)、銷售、計(jì)劃等方面的綜合自動(dòng)化，企業(yè)自動(dòng)化的支撐技術(shù)包括：制造資源管理MRP-II，企業(yè)資源

4、計(jì)劃ERP，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)/制造CAD/CAM，計(jì)算機(jī)集成制造CIM，并行工程CE，產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理PDM， 計(jì)算機(jī)集成制造CIM將制造視為一個(gè)信息處理、信息轉(zhuǎn)換的過程，將制造過程視為一個(gè)集成的過程，多種計(jì)算機(jī)技術(shù)與工具的綜合應(yīng)用。 擴(kuò)展企業(yè)自動(dòng)化 全球化3第 頁 重慶郵電學(xué)院自動(dòng)化學(xué)院控制論的核心問題控制論的核心問題是信息包括信息提取信息傳播信息處理信息存儲(chǔ)和信息利用等一般問題?？刂普撆c信息論的主要區(qū)別是控制論是在理論上用較抽象的方式來研究一切控制系統(tǒng)(包括生命系統(tǒng)工程系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)和社會(huì)系統(tǒng))的信息傳輸和信息處理的特點(diǎn)和規(guī)律研究用不同的控制方式達(dá)到不同的控制目的不考慮具體信號(hào)的傳輸和處理問題信息

5、論研究信息的測(cè)度并在此基礎(chǔ)上研究與實(shí)際系統(tǒng)中信息的有效傳輸和有效處理有關(guān)的問題(如編碼譯碼濾波信道容量和傳輸速率等)。自動(dòng)控制原理：經(jīng)典控制理論，即研究反饋控制。自動(dòng)化 自動(dòng)控制（視頻資料）在沒有人參與的情況下，通過控制器或控制裝置來控制機(jī)器或者設(shè)備等物理裝置，使得機(jī)器設(shè)備的受控物理量按照希望的規(guī)律變化，達(dá)到控制目的。是研究控制系統(tǒng)的一般規(guī)律，不是講具體的控制對(duì)象、系統(tǒng)、元件。對(duì)象：如煉鋼、化工反應(yīng)，航空航天，機(jī)械汽車加工。系統(tǒng)：運(yùn)動(dòng)過程，力學(xué)、電學(xué)、光學(xué)、生物等元件：控制器、執(zhí)行（電機(jī)），傳感器5第 頁 重慶郵電學(xué)院自動(dòng)化學(xué)院第一章 自動(dòng)控制系統(tǒng)概述二、發(fā)展歷史： 古代有很多樸素的應(yīng)用，如車

6、輪、弓箭飛行的穩(wěn)定性等，具有利用負(fù)反饋的思想來工作，但都未上升到理論、系統(tǒng)的高度。（一） 18世紀(jì)前，多為簡(jiǎn)單的裝備，對(duì)自動(dòng)控制的要求和研究不多，瓦特發(fā)明蒸汽機(jī)，有了強(qiáng)大的能源，開始出現(xiàn)復(fù)雜的設(shè)備，由于機(jī)械化代替了人力，人處于操縱地位，出現(xiàn)了自動(dòng)化裝置。但這些裝置有時(shí)并不總按設(shè)計(jì)的方式工作，如駕駛汽車。因?yàn)椋簜鲃?dòng)，放大，延遲的問題，造成系統(tǒng)指標(biāo)不滿足預(yù)期要求甚至出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象，如蒸汽機(jī)、柴油機(jī)的失速，導(dǎo)致調(diào)速器的發(fā)明。電子的發(fā)展對(duì)穩(wěn)定性提出要求，反饋的思想出現(xiàn)、船舶自動(dòng)駕駛、伺服系統(tǒng)出現(xiàn)?？刂评碚摪l(fā)展：建立數(shù)字模型微分方程：稱為時(shí)域模型1877：勞斯-霍爾維茨：代數(shù)穩(wěn)定判據(jù),由于微分方程求解困

7、難,進(jìn)展緩慢,少量應(yīng)用, 7第 頁 重慶郵電學(xué)院自動(dòng)化學(xué)院（二）1932: 奈氏判據(jù) 1934：伺服控制系統(tǒng) 、1945： 波德圖 1948：根軌跡法以及維納濾波理論。此時(shí)，利用拉氏變換解微分方程并分析，引入信號(hào)里的頻域分析思想，稱為頻率法以上統(tǒng)稱：經(jīng)典控制理論。 此階段，經(jīng)歷了第一，二次工業(yè)革命，大工業(yè)時(shí)代，煉鋼，機(jī)械，電力等飛速發(fā)展，第一，二次大戰(zhàn)，雷達(dá)，大炮，飛機(jī)等發(fā)明和廣泛應(yīng)用更加這種飛速發(fā)展。 （三）60年代以來，以極大值原理，動(dòng)態(tài)規(guī)劃，卡爾曼濾波和系統(tǒng)辯識(shí)，尤其是狀態(tài)空間法，解決復(fù)雜的多輸入、輸出問題，直到現(xiàn)在的：非線性，最優(yōu)控制，系統(tǒng)辯識(shí)、自適應(yīng)控制等，該階段稱為現(xiàn)代控制理論；自

8、動(dòng)控制普遍用于工業(yè)，如煉鋼，石化，發(fā)電，供電，國(guó)防，計(jì)算機(jī)出現(xiàn)為復(fù)雜問題的時(shí)域解提供可能，自動(dòng)控制成功應(yīng)用于航空，航天、核工業(yè)、乃至社會(huì)、經(jīng)濟(jì)等尖端領(lǐng)域，自動(dòng)化發(fā)展高峰。8第 頁 重慶郵電學(xué)院自動(dòng)化學(xué)院三、自動(dòng)控制系統(tǒng)及分類（一）開環(huán)與閉環(huán)：（結(jié)構(gòu)）1、開環(huán)：不用對(duì)輸出量測(cè)量并與期望值比較如：洗衣機(jī)，交通燈等，校時(shí)等運(yùn)行的系統(tǒng)都是開環(huán)，一般基于時(shí)序或給定邏輯的控制都是開環(huán)控制。如例中，輸出速度，位置不用比較，其它：帆板控制。特點(diǎn)：簡(jiǎn)單，穩(wěn)定，成本低，精度低，元件要求高，抗干擾差，適于輸入量已知，擾動(dòng)小。如：放大器浮移，電機(jī)傳動(dòng)間隙負(fù)載變化等，就使結(jié)果不同，就系統(tǒng)須元件精度高，穩(wěn)定，憑經(jīng)驗(yàn)。第一

9、章 自動(dòng)控制系統(tǒng)概述10第 頁 重慶郵電學(xué)院自動(dòng)化學(xué)院11第 頁 重慶郵電學(xué)院自動(dòng)化學(xué)院第一章 自動(dòng)控制系統(tǒng)概述2閉環(huán)： 13第 頁 重慶郵電學(xué)院自動(dòng)化學(xué)院第一章 自動(dòng)控制系統(tǒng)概述三、自動(dòng)控制系統(tǒng)及分類（二）信號(hào)特征：1.程序控制：輸入量是已知的時(shí)間函數(shù)是一個(gè)狀態(tài)動(dòng)作等。順序控制：如霓虹燈。邏輯控制：連鎖，邏輯，如機(jī)械、汽車制造中的生產(chǎn)線時(shí)間控制：交通燈，洗 衣機(jī)三者往往結(jié)合，采用PLC，繼電器，等實(shí)現(xiàn)。14第 頁 重慶郵電學(xué)院自動(dòng)化學(xué)院2.恒值系統(tǒng)：如恒溫，速，輸入為恒定不變，稱為自動(dòng)調(diào)節(jié)。3.隨動(dòng)系統(tǒng)（伺服）：如火炮，參考值不斷變化。15第 頁 重慶郵電學(xué)院自動(dòng)化學(xué)院（三）線性與非線性系統(tǒng)

10、（數(shù)學(xué)性質(zhì)）。數(shù)學(xué)模型是線性還是非線性，線性系統(tǒng)滿足疊加原理：本書主要是講線性，非線性也局部線性化。（四）時(shí)間特征：連續(xù)，離散，前者用微分方程，傳遞函數(shù)、狀態(tài)方程，后者采用：差分方程、Z傳遞函數(shù)、離散狀態(tài)方程等。前者以模擬電子器件，一般為物理系統(tǒng)，為一般情況。后者是數(shù)字計(jì)算機(jī)控制，信號(hào)離散化。本書主要講述前者，后者是采樣系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)控制的內(nèi)容 P7例（五）定常系統(tǒng)，時(shí)變系統(tǒng)：SISO，MIMO。本書主要以：線性定常連續(xù)SISO閉環(huán)系統(tǒng)。16第 頁 重慶郵電學(xué)院自動(dòng)化學(xué)院第一章 自動(dòng)控制系統(tǒng)概述 五、自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。1 最重要、基本的要求：穩(wěn)定，不能失控，一切其他指標(biāo)以穩(wěn)定為前提。即在擾動(dòng)作

11、用下，系統(tǒng)不能處于一個(gè)相對(duì)固定的狀態(tài)，如單擺、倒立擺，對(duì)線性系統(tǒng)，穩(wěn)定與否是內(nèi)在的、系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定的，與輸入無關(guān)。其它：島嶼的大小與其上物種的關(guān)系，草原的生態(tài)，核能發(fā)電。穩(wěn)定是系統(tǒng)保持而不至于崩潰或回復(fù)到起初始狀態(tài)的特性。18第 頁 重慶郵電學(xué)院自動(dòng)化學(xué)院2 一般要求：響應(yīng)快，動(dòng)態(tài)過程平穩(wěn)，跟蹤準(zhǔn)確；為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的基本任務(wù)，必須對(duì)系統(tǒng)在控制過程中表現(xiàn)出來的行為提出要求。對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求，通常是通過系統(tǒng)對(duì)特定輸入信號(hào)的響應(yīng)來滿足的。例如，用單位階躍信號(hào)的過渡過程及穩(wěn)態(tài)的一些特征值來表示?？焖傩裕荷仙龝r(shí)間、峰值時(shí)間（動(dòng)態(tài)指標(biāo)） 、調(diào)節(jié)時(shí)間（穩(wěn)態(tài)指標(biāo)）平穩(wěn)性：超調(diào)量、震蕩次數(shù)；準(zhǔn)確性：即精度要求，動(dòng)態(tài)