自动控制系统的基本认识分解

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。
引言
自动控制学科由自动控制技术和自动控 制理论两部分组成。
现代控制理论 非线性控制系统
连续控制系统 离散控制系统
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（约瑟夫·恩格伯格 ） 创立了第一家机器人公司：Unimation；
近几十年来，自动控制技术正在迅猛的发 展，并在工农业生产、交通运输、国防建
第一章 自动控制概论
1. 2 人工控制和自动控制
控制系统可以由人工控制，也可以采用自动控制。
1.2.1 人工控制
进水
如图1－1所示， 水位保持系统。
水 池
要求水位
实际 水位
图1－1 水位人工控制原理图
Leabharlann Baidu
出水
人工控制
第一章 自动控制概论
出水量
要求水位 电位器连杆比较
〉 电机
阀门
水池 实际水位
浮子 <控制器>
图1－4水位自动控制系统方框图
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”。
美国的M. E. Merchant 提出计算机集成制造 的概念(1969)；
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)； 日本SONY公司二足步行机械人SDR--4X(2002)；
水位高度控制系统原理图
水位高度控制系统原理方框图
例: 电子门铃的开环电子控制系统
• 输入: 用手按动按钮开关,输入一个触发信号
• 控制(处理): 音乐集成电路经过触发后工作,产 生一组载有”音乐”的电信号.
• 输出: • 特点:
扬声器将电信号转变为音乐声.
输出的音乐声的变化对系统的控制状 态并不产生影响,即不存在反馈.
1. 3 自动控制的基本方式
第一章 自动控制概论
一、开环控制系统： 1. 定义：开环控制——控制器与被控对象之间只
有顺向作用而没有反向联系的控制过程。 2. 特点：被控量对系统的控制作用不产生影响，
需要控制的是c(t)，而测量的只是r(t).
第一章 自动控制概论
开环控制系统（续）
1. 例如：直流电机开环调速系统如图1－7所示。
<
实 际 水 位
浮子
出水
图1－3 水位自动控制系统原理图
自动控制
第一章 自动控制概论
在此：浮子测水位，由连杆和电位器进行比较：浮子低则 电位器上得到正电压，经放大后使电机向进水阀门开大的方向 旋转；反之，当浮子高时，电位器上得到负电压，电机向阀门 关小的方向旋转；若水位正好，则电位器上电压为零，电机不 转，阀门不动。
二、闭环控制系统：
第一章 自动控制概论
自动控制原理
设和航空航天事业等领域中获得广泛应用。
比如：人造地球卫星的 发射成功与安全返回。
导弹的准确击中目标， 雷达系统的准确跟踪目标；
交通系统：
• 安全、快捷、舒适、准点
钢 铁 生 产
制造系统：
数控机床
加工生产线
自动包装机器人
自动码垛机器人
家用电器：
• 电扇：控制转 速
• 洗衣机：控制水位、强弱、时间 等
若要求在出水量随意的条件下，保持水位高度不变： 操作人员需先测实际水位，并在脑子中与要求的水位进 行比较。若低于要求的水位，则需开大进水阀门。否则 应关小进水阀门。若两者正好相等，则进水阀门不动。
人工控制
第一章 自动控制概论
根据系统原理图可画出其方框图如图1－2所示。
要求水位 比较、计算
执行
出水量 水池
经典控制理论
以传递函数为基础研 究单输入-单输出一类定 常控制系统的分析与设 计问题。这些理论由于 其发展较早，现已臻成 熟。
现代控制理论
以状态空间法为基础， 研究多输入-多输出、时 变、非线性一类控制系 统的分析与设计问题。 系统具有高精度和高效 能的特点。
自动控制理论
经典控制理论 线性控制系统
在控制系统中，如果返回的信息的作用是抵消 输入信息，称为负反馈，负反馈可以使系统趋 于稳定；
若其作用是增强输入信息，则称为正反馈，正 反馈可以使信号得到加强。
自动控制理论的发展概况
按其发展的不同阶段，可把自动控制理论分为 经典控制理论和现代控制理论两大部分。
经典控制理论也就是自动控制原理，是20世纪 40年代到50年代形成的一门独立学科。
• 电冰箱、空调、电饭煲：控制温度
智能建筑：
通信 电梯 供水 通风 空调 安防 抄表 …
工业机器人：
其他机器人：
排爆
步行
灵巧手
吹笛
拉提琴
足球比赛
自动控制的应用领域
• 军事工业 • 航空航天 • 制造业 • 机器人 • 流程工业
钢铁、石化、 造纸、制药等
• 电子工业 • 家用电器
• 交通系统，楼宇系统，经济系统，社会系统 …
+ ug
+
功
Ua
放
-
负载
n
ug
ua
n
功放
电动机
图1－7 开环直流调速系统
第一章 自动控制概论
开环控制系统（续）
给定电压放大后得到电枢电压ua，从而控制 转速n。 改变ug→ua改变→n改变，ug与n一一对 应。但是，当负载变化时（干扰量），会使n改 变，即使ug不变，n 也改变。∴ua（ug）与n的关 系不精确，抗扰动能力差，系统控制精度难以保 证，应用少。
实际水位
<人>
测量
图1－2 水位人工控制系统方框图
2、自动控制：
第一章 自动控制概论
该水池若改为由自动控制装置代替操作人员：由 浮子测出实际水位，与要求的水位比较。然后得出偏 差再由调节元件根据偏差的大小和正负产生控制信号。 最后由执行元件根据信号产生控制作用。如图1-3所示。
进水
+
M 电机
连 -杆