第一章 自動控制的一般概念

1、Dept. of Control Engineering, ChengDu University of Information Technology,主講：巨輝 教授 控制工程學院 （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,關于本課程,課程的性質(zhì)和地位 專業(yè)基礎課，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，分兩學期教學。 64學時（理論教學56學時，實驗8學時）加32學時（24+8）。 課程特點與教學 理

2、論性與實踐性。（理論教學加實驗，反饋理論與線性系統(tǒng)理論） 工程背景與應用性。（工程上的物理實體，解決工程控制問題） 以工程應用為導向?qū)W習理論與方法，尤其是工程思維。 知識型作業(yè)，工程應用型作業(yè)和計算機仿真作業(yè)。 CDIO改革試點課程。,College of Automatic Control Engineering , CUIT,本課程與其它課程關系,College of Automatic Control Engineering , CUIT,課堂學習：聽課與思維（綜合前修課程知識、生活體驗） 個人學習與團隊學習（自主學習與小組學習并重） 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、設計、難題和計算機作業(yè)） 實習與實驗（工礦企業(yè)、校內(nèi)實驗室參觀，計劃內(nèi)外實驗） 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）,學習方法與要求,College of Automatic Control Engineering , CUIT,教學參考資料,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驗與實踐篇 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 自動控制原理習題集（第2版） 科學出版社 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 控制工程實踐 1.4 現(xiàn)代控制系統(tǒng)舉例 1.5 自動裝配和機器人 1.6 控制系統(tǒng)的未來發(fā)展 1.7 工程設計 1.8 設計實例1：轉(zhuǎn)臺速度控制 設計實例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，利用外加的設備或裝置（稱自動控制裝置）,使機器、設備或生產(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、按照預定的規(guī)律運行。,例4. 火箭與導彈,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。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)行機構(gòu)來實現(xiàn)期望的響應,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)溫度回復到要求值。,實質(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進行比較。構(gòu)成信息環(huán)路 反饋控制系統(tǒng)對輸出進行測量，將此測量信號反饋，并與預期的輸入（參考或指令輸入）進行比較，按偏差大小實施控制，

8、使系統(tǒng)變量之間保持預定關系的控制系統(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）的實際值； 將輸出量的實際值與給定值（輸入量）進行比較得出偏差； 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、號和反饋信號進行比較，產(chǎn)生偏差信號。 4放大元件： 對偏差信號進行放大，使之有足夠的能量驅(qū)動執(zhí)行元件實現(xiàn)控制功能。 5執(zhí)行元件： 直接對受控對象進行操縱的元件，如電動機、液壓馬達等。,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 復合控制方式,四、 控制系統(tǒng)的控制方式,開關控制系統(tǒng),連續(xù)控制系統(tǒng),電氣設備的啟、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）因為可能發(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. 復合控制方式,其它新控制方式：最優(yōu)控制、預測控制、自適應控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡控制等。,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、復合控制在結(jié)構(gòu)、工作機理、性能、成本上有何差別,College of Automatic C

12、ontrol Engineering , CUIT,機械系統(tǒng) 電氣系統(tǒng) 機電系統(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 控制工程實踐,1.4 現(xiàn)代控制系統(tǒng)舉例,

13、1.5 自動裝配和機器人,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，人實現(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自動控制系統(tǒng)的哪個環(huán)節(jié)？ 如果設計一個全自動汽車駕駛系統(tǒng)，需要加設哪些裝備？,College of Automatic Control Engineering , CUIT,1.7 工程設計,一、工程與工程設計,1. 工程與控制工程的關系,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)濟實用的產(chǎn)品。,2. 控制工程涉及的學科和領域,控制工程涉及多學科的理論知識：反饋理論、線性系統(tǒng)分析、網(wǎng)絡理論、通信理論等。 涉及的領域包括宇航、化工、機械、土木環(huán)境、電氣工程等基礎工程和社會經(jīng)濟各領域。,College of Automatic Control Engineering , CUIT,3. 工程設計,工程設計就是為達到特定的目的，構(gòu)思或創(chuàng)建系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、組成和技術(shù)細節(jié)的過程。創(chuàng)新和分析在其中占據(jù)著重要的地位。,設計是一項創(chuàng)新活動：工程師創(chuàng)造性地運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、策到普通消費者在內(nèi)的各個社會群體的需求。 論證設計要求：詳細確定應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)設計方案：設計多種滿足要求的解決方案。 設計與實現(xiàn)：選定解決方案并加以詳細設計和技術(shù)實現(xiàn)。,College of Automatic Control Engineering , CUIT,(1) 影響設計工作的主要因素是時間限制，設計不可能理想，只能足夠好。,(2) 設計工程師面臨的主要挑戰(zhàn)之一-撰寫技術(shù)產(chǎn)品的設計規(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。,設計工作應注意的幾個重要問題,（3）設計的復雜性：源于設計的多樣性。,（4）折中處理：在兩個所期望的但又

16、彼此沖突的性能指標或設計準則之間，為達成某種協(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）設計差異：最終產(chǎn)品常常不能與原先設計和想象完全一致。它是工程的固有屬性。,（6）設計風險：源于設計的不可預見性。,（7）設計的思維模式：分析和綜合。通過分析確定設計的改進方向，運用綜合構(gòu)建新的方案或系統(tǒng)。,（8）設計工作的主要方法：參數(shù)分析和參數(shù)優(yōu)化。,College of Automatic Control Engineering , CUIT,二、控制系統(tǒng)設計,控制系統(tǒng)的性能規(guī)范： 穩(wěn)定性 準確性 快速性 魯棒性 抗干擾能力,College of Automatic Control

17、 Engineering , CUIT,1.8 設計實例,CD機，計算機磁盤驅(qū)動器等的轉(zhuǎn)盤在工作中保持恒定轉(zhuǎn)速。,實例1 轉(zhuǎn)盤速度控制,控制目標：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,實例2. 磁盤驅(qū)動讀取系統(tǒng),完成14步：確立控制目標，確定控制變量，初步確定設計指標，初步確定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。,College of Automatic Control Engineering , CUIT,確立控制目標：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)行機構(gòu)：采用的傳感器、執(zhí)行機構(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：穩(wěn)、準、快 任務：分析、設計,經(jīng)典控制理論：,College of Automatic Control Engineering , CUIT,Coll