自动控制课件

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美国的M. E. Merchant 提出计算机集成制造 的概念(1969)；
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日本Fanuc 公司研制出由加工中心和工业机 器人组成的柔性制造单元(1976)；
中国批准 863高技术计划，包括自动化领域的 计算机集成制造系统和智能机器人两个主题 (1986)。
• 日本安川公司娱乐机械狗 (2001)；
授课内容
自动控制概述 系统的数学模型 控制系统的时域分析法 根轨迹法 频率特性法 现代控制理论
控制过程： 1 恒温箱的温度由 热电偶转换为对应 的电压u2 2 恒温箱期望温度 由电压u1给定， 并与实际温度u2 比较得到温度偏差 信号△u＝u1－u2
3 温度偏差信号经电压、功率放大后，用以驱 动执行电动温度偏差信号经电压、功率放大 后，用以驱动执行电动机，并通过传动机构 拖动调压器动触头。当温度偏高时，动触头 向减小电流的方向运动，反之加大电流，直 到温度达到给定值为止，此时，偏差达到给 定值为止，此时，偏差△ u=0, 电机停止转动。
t
调整时间 上升时间
cmax sup |c(t)|,0 t
§5 自动控制系统的研究方法
• 自动控制研究的三个基本问题： 建立数学模型 系统性能分析 控制器设计 • 分析： 在给定系统的条件下，将物理系统抽象成数学模型， 然 后用已经成熟的数学方法和先进的计算工具来定性或定量地 对系统进行动、静态的性能分析。 • 综合： 在已知被控对象和合定性能指标的前提下，寻求控制规 律，建立一个能使被控对象满足性能要求的系统。
综上所述 控制系统的工作原理： • 检测输出量（被控制量）的实际值； • 将输出量的实际值与给定值（输入量）进行 比较得出偏差； • 用偏差值产生控制调节作用去消除偏差，使 得输出量维持期望的输出。
• 由于存在输出量反馈，上述系统能在存在无 法预计扰动的情况下，自动减少系统的输出 量与参考输入量（或者任意变化的希望的状 态）之间的偏差，故称之为反馈控制。 • 显然： 反馈控制建立在偏差基础上，其控制 方式是“检测偏差再纠正偏差”。
日本SONY公司二足步行机械人SDR--4X(2002)；
二.自动控制要解决的基本问题
自动控制是使一个或一些被控制的物 理量按照另一个物理量即控制量的变化而 变化或保持恒定，一般地说如何使控制量 按照给定量的变化规律变化，就是一个控 制系统要解决的基本问题。
控制的定义
控制的本意：为了达到某种目的对事物进行支 配、管束、管制、管理、监督、镇压。 自动控制：在没有人直接参与的情况下，利用 外加的设备或装置（控制装置或控制器），使 用机器、设备或生产过程（被控对象）的某个 工作状态或参数（被控量）自动地按照预定的 规律运行。
闭环控制 将系统的被控变量反馈到输入端，并与参考输入 相比较，产生一个误差信号加到控制器上使输出改 变，从而减少系统误差，到达实现精确控制的目的。
参考输入 ＋ r － b 反馈信号 误差信号 c
控制器
执行信号 a
控制对象
被控变量 y
反馈环节
闭环控制系统
• 实际的控制系统按有无反馈作用来界定 开环和闭环 • 反馈：输出量送回至输入端并与输入信 号比较的过程 • 负反馈：反馈的信号是与输入信号相减 而使偏差越来越小
§3 控制系统的类型
一按输入信号分类： 定值控制系统 伺服系统（随动系统） 程序控制系统 二按系统是否满足叠加原理 线性系统与非线性系统 三按系统控制器是否采用计算机 计算机（数字）控制系统与模拟系统 四按控制对象的范畴 运动控制系统与过程控制系统 五按系统参数是否随时间变化 时变系统和定常系统 注：本课程主要研究线性定常系统
注意： 1 不同性质的控制系统，对稳定性、精确 性和快速性要求各有侧重； 2 系统的稳定性、精确性、快速性相互制 约，应根据实际需求合理选择。
C(t) Y(t) 2 C() 1(t)
0
t
0 cmax |c()| 100% 超调量 σ p |c()|
tr
tp
ts
振荡次数 峰值时间
现代控制（1950--Now ）
• 美国MIT 的Servomechanism Laboratory 研制 出第一台数控机床(1952)；
• 美国George Devol研制出第一台工业机器人 样机(1954) ，两年后，被称为机器人之父的 Joseph Engelberger创立了第一家机器人公司， Unimation；
2 线性系统和非线性系统 • 线性控制系统：由线性元件组成，输入输出 问由线性元件组成，输入输出间具有叠加性 和均匀性性质。 • 用线性微分方程表述
非线性控制系统：系统中有非线性元件，输 入输出间不具有叠加性和均匀性性质。 用非线性微分方程来表述。
方程系数与时间的关系>定常、时变
§4 控制系统的组成与对控制 系统的基本要求
稳定性是控制系统正常工作的先决条件。 控制系统稳定性由系统结构所决定，与外界 因素无关。 稳定性由控制系统内部储能元件的能量不可 能突变所产生的惯性滞后作用所导致。
2 准确性 系统的准确性又可称为系统的稳态精度，它 可用系统的稳态误差来表征。 系统的稳态误差可定义为控制系统响应的稳 态值与其希望值之差。
3快速性与平稳性 输出量和输入量产生偏差时，系统消除这种 偏差的快慢程度。表征系统的动态性能。 4 灵敏度 系统中元件参数的改变对系统响应的影响， 可以用灵敏度来表示。 5 抗干扰性 系统的抗干扰性，直接与系统的稳态精度有 关，是衡量控制系统品质的一个重要参数。
稳健性（Robustness，鲁棒性） 上述的4 和5两个指标结合起来，称为系统的 稳健性指标。 一个控制系统，如果具有低的灵敏度和良好 的抗干扰性，则我们称为系统是稳健的 （Robust,鲁棒）。
第一章 控制系统的一般概念 §1 引言
一.控制系统的发展史
• 前期控制(1400 BC--1900) • 经典控制(1935 --1950) • 现代控制(1950 --Now) 工业机器 空间技术 控制理论
前期控制(1400 BC--1900) • 中国，埃及和巴比伦出现自动计时漏壶 (1400 BC-1100BC)； • 希腊Philon发明了采用浮球调节器来保持燃油液面 高度的油灯（BC250）； • 中国张衡发明水运浑象，研制出自动测量地震的候 风地动仪（132）；
• 中国马钧研制出用齿轮传动的自动指示方向 的向的指南车 (235年)； • 中国明代宋应星所著《天工开物》记载有程 序控制思想的提花织机结构图（1637）；
•
英国 J. Watt用离心式调速器控制蒸汽机的 速度 (1788年)。
经典控制（ 1935--1950） • 美国 N. Minorsky 研制出用于船舶驾驶的伺服结构， 提出PID控制方法 (1922)； • 美国 E. Sperry以及C. Mason 研制出火炮控制器 (1925)，气压反馈控制器 (1929)；
§2 开环控制和闭环控制
一.开环控制 控制装置与被控对象之间只有顺向作用 而没有反向联系的控制。
参考输入 r 被控变量 y
控制器
来自百度文库
执行信号 a
控制对象
开环控制系统
进料 液位 控制 阀 出料 闭环 控制
炉温 控制
开关
K
开环 控制 E
电源
二.闭环控制*
人眼 大脑 手臂,手
输入
信号
输出信号
人眼
用自动装 置代替人 工操作
检测偏差、纠正方差
系统原理方块图
控制系统的工作原理 从恒温箱控制系统功能框图可见： • 给定量位于系统的输入端，称为给系统输入量，也称 为参考输入量（信号）。 • 被控制量位于系统的输出端，称为系统输出量。
• 输出量（全部或一部分）通过测量装置返回系统的输入 端，使之与输入量进行比较，产生偏差（给定信号与返 回的输出信号之差）信号。输出量的返回过程称为反馈。 返回的全部或部分输出信号称为反馈信号。
1 按输入量的特征分类 • 恒值控制系统： 系统输入量为恒定值。控制任务是 保证在任何扰动作用下系统的输出量为恒值。如： 恒温箱控制、电网电压、频率控制等。 • 程序控制系统：输入量的变化规律预先确知，输入 装置根据输入的变化规律，发出控制指令，使被控 对象指令程序的要求而运动。如：数控加工系统 • 随动系统（伺服系统）： 输入量的变化规律不能预 先确知，其控制要求是输出量迅速、平稳地跟随输 入量的变化，并能排除各种干扰因素的影响，准确 地复现输入信号的变化规律。如：仿形加工系统、 火炮自动瞄准系统等。
扰动信号
一.组成与术语 组成: 1.执行元件 2.放大元件 3.测量元件 4.补偿元件 5.比较元件
比较元件 放大与 ＋ 偏差信号 参考输入 ＋ － 反馈信号
串联 补偿
功率 放大
－
执行 元件 反馈 补偿
控制 对象
被控变量 被控量
测量元件
术语: 参考输入 偏差 扰动
典型功能框图
主反馈 控制量 输出
二 控制系统的基本要求
• 稳定性 • 准确性（稳态精度） • 快速性与平稳性（动态性能）
1 稳定性 一个处于静止或平衡工作状态的系统，当收 到激励时，就可能偏离原平衡状态；当激励 消失后，经过一段暂态过程，系统能恢复到 原平衡状态时，则系统称为稳定的。 对一个能正常工作的线性系统来说，在动态 过程中，可以允许产生振荡现象，但其振幅 度必须是逐渐衰减的，即系统的被控变量在 围绕其平衡位置振荡若干次后，应能稳定到 平衡位置，这种系统称为稳定系统。
三.开环控制与反馈控制的比较
开环 优点 :系统结构简单，调试容易，当输入信号和扰 动能预先知道时，控制效果较好。 缺点：不能自动修正被控制量的偏离，系统的元 件参数变化以及外来的未知扰动对控制精度影响 较大，抗干扰能力差。 闭环 优点：具有自动修正被控制量出现偏离的能力， 可以修正元件参数变化以及外界扰动引起的误差， 控制精度高，抗干扰能力强。 缺点：被控量可能出现振荡，甚至发散。
控制系统的工作原理 1.人工控制恒温箱温度
控制过程： 1 观测恒温箱中的温度（被控 量） 2 与要求的温度（给定值）进 行比较得到温度偏差的大小和 方向 3 根据偏差大小和方向调节调 压器，控制加热电阻丝的电流 以调节温度回复到要求的温度
控制流程如图：
控制的实质：检测偏差和纠正偏差
2 恒温箱自动控制系统
三.自动控制技术的作用
1. 自动控制技术的应用不仅使生产过程实 现了自动化，极大地提高了劳动生产率， 而且减轻了人的劳动强度。 2. 自动控制使工作具有高度的准确性，大 大地提高了武器的命中率和战斗力，例如 火炮自动跟踪系统必须采用计算机控制才 能打下高速高空飞行的飞机。 3. 某些人们不能直接参与工作的场合就更离 不开自动控制技术了，例如原子能的生产、 火炮或导弹的制导等等。