自動(dòng)控制超經(jīng)典

自動(dòng)控制超經(jīng)典課件第1頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月1《自動(dòng)控制原理》參考教材1.《自動(dòng)控制理論與設(shè)計(jì)》上海交大出版社徐薇莉等 (推薦教材)2.《控制理論基礎(chǔ)》科學(xué)出版社王顯正等3.《自動(dòng)控制系統(tǒng)》高教出版社汪小帆等4.《AutomaticControlSystem》BenjaminC.Kuo（高教出版社）第2頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月21.自動(dòng)控制

指在脫離人的直接干預(yù)，利用控制裝置（簡(jiǎn)稱控制器）使被控對(duì)象（或生產(chǎn)過程等）的某一物理量（如溫度、壓力、PH值等）準(zhǔn)確地按照預(yù)期的規(guī)律運(yùn)行。

另一種定義：是指機(jī)器設(shè)備在沒有人直接參與的情況下，經(jīng)過自動(dòng)檢測(cè)、信息處理、分析判斷、操縱控制實(shí)現(xiàn)預(yù)期的目標(biāo)。第一章導(dǎo)論自動(dòng)化（Automation或Automatization）什么叫自動(dòng)控制？什么叫自動(dòng)控制系統(tǒng)？自動(dòng)控制主要研究解決什么問題（舉例說明）？1－1概述第3頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月3自動(dòng)化的核心是“控制”

自動(dòng)化技術(shù)的兩個(gè)方面：

①人手（腳）的延伸——?jiǎng)恿Ψ矫娴淖詣?dòng)化技術(shù)：工業(yè)化

②人腦的延伸——信息處理方面的自動(dòng)化技術(shù):信息化2.自動(dòng)控制系統(tǒng)

是指實(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、人體控制第一章導(dǎo)論第4頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月43.自動(dòng)化的發(fā)展歷史公元前我國(guó)的自動(dòng)計(jì)時(shí)漏壺公元132年張衡研制的候風(fēng)地動(dòng)儀第一章導(dǎo)論第5頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月5公元235年馬鈞研制出能自動(dòng)指示方向的指南車

第一章導(dǎo)論第6頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月61788年英國(guó)Watt發(fā)明的控制蒸汽機(jī)速度的離心式調(diào)速器

第一章導(dǎo)論第7頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月71913年美國(guó)建成最早的汽車裝配流水線1952年美國(guó)MIT研制出第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床

第一章導(dǎo)論第8頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月81954年第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人

1981年美國(guó)“哥倫比亞”號(hào)航天飛機(jī)首次發(fā)射成功第一章導(dǎo)論第9頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月9裝配機(jī)器人汽車自動(dòng)焊接生產(chǎn)線4.自動(dòng)控制系統(tǒng)（應(yīng)用舉例）第10頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月10自動(dòng)立體倉(cāng)庫(kù)4.自動(dòng)控制系統(tǒng)（應(yīng)用舉例）第11頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月11注塑機(jī)自動(dòng)搬運(yùn)車4.自動(dòng)控制系統(tǒng)（應(yīng)用舉例）第12頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月12機(jī)器人足球比賽4.自動(dòng)控制系統(tǒng)（應(yīng)用舉例）月球車第13頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月13機(jī)器人干活機(jī)器人跳舞4.自動(dòng)控制系統(tǒng)（應(yīng)用舉例）第14頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月144.自動(dòng)控制系統(tǒng)（應(yīng)用舉例）2006.8.21我校獲全國(guó)大學(xué)生智能汽車比賽亞軍（于清華大學(xué)）第15頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月152006.8.21我校獲全國(guó)大學(xué)生智能汽車比賽亞軍（于清華大學(xué)）第16頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月16無人駕駛汽車4.自動(dòng)控制系統(tǒng)（應(yīng)用舉例）交大自動(dòng)化系研制空中飛艇第17頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月171－2自動(dòng)控制理論的內(nèi)容2.現(xiàn)代控制理論

3.大系統(tǒng)理論

4.智能控制理論第18頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月181、經(jīng)典控制理論

研究的主要對(duì)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)整方向盤改變汽車的運(yùn)動(dòng)軌跡等。2、現(xiàn)代控制理論

研究的主要對(duì)象是多輸入、多輸出——多變量系統(tǒng)。如:汽車看成是一個(gè)具有兩個(gè)輸入（駕駛盤和加速踏板）和兩個(gè)輸出（方向和速度）的控制系統(tǒng)。計(jì)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。1－2自動(dòng)控制理論的內(nèi)容第19頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月19經(jīng)典控制理論與現(xiàn)代控制理論

項(xiàng)目經(jīng)典控制理論現(xiàn)代控制理論研究對(duì)象線性定常系統(tǒng)（單輸入、單輸出）線性、非線性、定常、時(shí)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(jì)。第20頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月20大系統(tǒng)控制理論是一種過程控制與信息處理相結(jié)合的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)工程理論，研究的對(duì)象具有規(guī)模龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功能綜合、目標(biāo)多樣、因素眾多等特點(diǎn)。它是一個(gè)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(gè)大系統(tǒng)，其中有體溫的控制、情感的控制、人體血液中各種成分的控制等等。大系統(tǒng)控制理論目前仍處于發(fā)展階段。1－2自動(dòng)控制理論的內(nèi)容

3、大系統(tǒng)控制理論第21頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月21

這是近年來新發(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。它的指導(dǎo)思想是依據(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。 學(xué)派：結(jié)構(gòu)派和功能派它是一門新興的控制學(xué)科，有些問題尚存有爭(zhēng)議，然而由于它實(shí)用性強(qiáng)，能運(yùn)用人們的經(jīng)驗(yàn)與技巧解決許多以往控制中難以解決的棘手問題（如建模等），因此得到了人們極大的重視。1－2自動(dòng)控制理論的內(nèi)容4、智能控制第22頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月221－3控制系統(tǒng)的基本組成控制系統(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，自動(dòng)控制研究的是特定激勵(lì)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。第23頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月23例1.a.溫度——人工控制1－3控制系統(tǒng)的基本組成第24頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月24

1－3控制系統(tǒng)的基本組成控制目標(biāo)：爐子的溫度恒定在期望的數(shù)值上。第25頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月25b.溫度——

自動(dòng)控制1－3控制系統(tǒng)的基本組成第26頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月26閉環(huán)控制系統(tǒng)的基本組成

1－3控制系統(tǒng)的基本組成第27頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月27控制系統(tǒng)的基本組成輸入信號(hào)——系統(tǒng)控制目標(biāo)的反映，是人的意志的具體體現(xiàn)?？刂葡到y(tǒng)——主要完成對(duì)有關(guān)信號(hào)的變換、處理，發(fā)出控制量，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成控制功能。輸出信號(hào)——系統(tǒng)的控制結(jié)果，反映了被控對(duì)象的運(yùn)行狀態(tài)。1－3控制系統(tǒng)的基本組成第28頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月28例2：火炮自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)——“火炮打飛機(jī)”1－3控制系統(tǒng)的基本組成+__受信儀放大器減速器校正裝置檢測(cè)裝置電機(jī)+··第29頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月29典型的反饋控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖1－3控制系統(tǒng)的基本組成第30頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月30

A、按信號(hào)的傳遞路徑來分類

1、開環(huán)控制系統(tǒng)

特點(diǎn)：系統(tǒng)的輸出端與輸入端不存在反饋回路。輸出量對(duì)系統(tǒng)的控制作用不發(fā)生影響的系統(tǒng)。

1－4控制系統(tǒng)的分類二.控制系統(tǒng)的分類第31頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月312、閉環(huán)控制系統(tǒng)（反饋控制系統(tǒng)）特點(diǎn)：系統(tǒng)輸出信號(hào)與測(cè)量元件之間存在反饋回路。

“閉環(huán)”這個(gè)術(shù)語的含義，就是將輸出信號(hào)通過測(cè)量元件反饋到系統(tǒng)的輸入端，通過比較、控制來減小系統(tǒng)誤差。

1－4控制系統(tǒng)的分類第32頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月32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)第33頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月331、恒值控制系統(tǒng)（或稱自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)、自動(dòng)鎮(zhèn)定系統(tǒng)）

特點(diǎn)：輸入信號(hào)是一個(gè)恒定的數(shù)值。工業(yè)生產(chǎn)中的恒溫、恒壓等自動(dòng)控制系統(tǒng)都屬于這一類型。

2、過程控制系統(tǒng)（或稱程序控制系統(tǒng)）

特點(diǎn)：輸入信號(hào)是一個(gè)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)。

1－4控制系統(tǒng)的分類二、按系統(tǒng)的控制作用來分類第34頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月34

特點(diǎn)：輸入信號(hào)是一個(gè)未知函數(shù)。要求控制系統(tǒng)的輸出量跟隨輸入信號(hào)變化。

如：火炮自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)。該系統(tǒng)要求有較好的跟蹤能力。1－4控制系統(tǒng)的分類3、隨動(dòng)系統(tǒng)（或稱伺服系統(tǒng)）第35頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月351、連續(xù)系統(tǒng)

特點(diǎn)：系統(tǒng)各部分信號(hào)都是模擬的連續(xù)函數(shù)。目前工業(yè)中普遍采用的常規(guī)儀表PID調(diào)節(jié)器控制的系統(tǒng)。

2、離散系統(tǒng)

特點(diǎn)：系統(tǒng)的某一處或幾處信號(hào)以脈沖序列或數(shù)碼形式傳遞的控制系統(tǒng)。系統(tǒng)中用脈沖開關(guān)或采樣開關(guān)，將連續(xù)信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡x散信號(hào)。其中離散信號(hào)以脈沖形式傳遞的系統(tǒng)又叫脈沖控制系統(tǒng)，離散信號(hào)以數(shù)碼形式傳遞的系統(tǒng)又叫數(shù)字控制系統(tǒng)。1－4控制系統(tǒng)的分類三、按系統(tǒng)傳輸信號(hào)的性質(zhì)來分類第36頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月36

1－4控制系統(tǒng)的分類第37頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月37四、按描述系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型不同來分類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(dòng)規(guī)律的數(shù)學(xué)模型為線性微分方程。運(yùn)動(dòng)方程一般形式：

式中：r(t)——系統(tǒng)輸入量；c(t)——系統(tǒng)輸出量主要特點(diǎn)是具有疊加性和齊次性。1－4控制系統(tǒng)的分類第38頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月382、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(gè)或一個(gè)以上的非線性環(huán)節(jié)。

非線性的理論研究遠(yuǎn)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)。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