第一章 自动控制的一般概念

1、Dept. of Control Engineering, ChengDu University of Information Technology,主讲：巨辉 教授 控制工程学院 （科教楼109室） 联系方式： Email： 电话： 85966921(办)自动控制原理,College of Automatic Control Engineering , CUIT,关于本课程,课程的性质和地位 专业基础课，自动控制类专业的核心课程。 自动控制原理与现代控制理论两门课程，分两学期教学。 64学时（理论教学56学时，实验8学时）加32学时（24+8）。 课程特点与教学 理

2、论性与实践性。（理论教学加实验，反馈理论与线性系统理论） 工程背景与应用性。（工程上的物理实体，解决工程控制问题） 以工程应用为导向学习理论与方法，尤其是工程思维。 知识型作业，工程应用型作业和计算机仿真作业。 CDIO改革试点课程。,College of Automatic Control Engineering , CUIT,本课程与其它课程关系,College of Automatic Control Engineering , CUIT,课堂学习：听课与思维（综合前修课程知识、生活体验） 个人学习与团队学习（自主学习与小组学习并重） 资料阅读与资料查阅（教材与参考书、其它资料） 完成作

3、业（基本、一般、设计、难题和计算机作业） 实习与实验（工矿企业、校内实验室参观，计划内外实验） 讨论会与小组交流（每月一次全班讨论会，两周一次小组交流）,学习方法与要求,College of Automatic Control Engineering , CUIT,教学参考资料,网址： 教材： Richard C.Dorf 现代控制系统（第8版） 高教出版社 杨平等自动控制原理实验与实践篇 电力出版社 参考书： 胡寿松主编 自动控制原理（第5版） 科学出版社 王划一主编 自动控制原理 国防工业出版社 胡寿松主编 自动控制原理习题集（第2版） 科学出版社 黄忠霖著 控制系统MATLAB计算及仿真

4、 国防工业出版社 刘坤主编 MATLAB自动控制原理习题精解国防工业出版社,College of Automatic Control Engineering , CUIT,第一章 控制系统导论（Introduction to control systems）,1.1 自动控制一般概念 1.2 自动控制的发展简史 1.3 控制工程实践 1.4 现代控制系统举例 1.5 自动装配和机器人 1.6 控制系统的未来发展 1.7 工程设计 1.8 设计实例1：转台速度控制 设计实例2：磁盘驱动器读取系统,College of Automatic Control Engineering , CUIT,回答

5、的问题：什么是自动控制？为什么要做自动控制？如何实现自动控制？有哪些种类的自动控制系统？等等,1.1 自动控制的一般概念,一、自动控制与自动控制系统,例1.恒温箱,1.几个例子,例2.液位控制,College of Automatic Control Engineering , CUIT,例3. 火力发电厂,College of Automatic Control Engineering , CUIT,2.自动控制 (Automatic control) 在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（称自动控制装置）,使机器、设备或生产过程（统称被控对象）的工作状态或参数（称为被控量）自动地

6、按照预定的规律运行。,例4. 火箭与导弹,3. 自动控制系统 (Control system) 由各部件互联而形成的一个系统结构，并能够提供所期望的响应。它就是一个完整的信息系统。,College of Automatic Control Engineering , CUIT,二、 自动控制系统的组成和工作原理,开环控制系统采用控制器或控制执行机构来实现期望的响应,1. 开环控制系统 (open loop control system),College of Automatic Control Engineering , CUIT,人工控制过程 观测恒温箱内的温度（被控制量） 与要求的温度（给

7、定值）进行比较得到温度偏差的大小和方向 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值。,实质 检测偏差再纠正偏差。,（1）恒温箱控制,2. 闭环控制系统(closed-feedback control system),College of Automatic Control Engineering , CUIT,（2）转台速度控制,闭环控制系统 增加了对实际输出测量的装置，反馈信号(feedback signal)并将其与期望的输出响应进行比较。构成信息环路 反馈控制系统对输出进行测量，将此测量信号反馈，并与预期的输入（参考或指令输入）进行比较，按偏差大小实施控制，

8、使系统变量之间保持预定关系的控制系统。,College of Automatic Control Engineering , CUIT,综上所述,反馈（闭环）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。,College of Automatic Control Engineering , CUIT,三、 闭环控制系统的组成,典型闭环控制系统的结构组成,College of Automatic Control Engineering , CUIT,3比较元件： 对给定信

9、号和反馈信号进行比较，产生偏差信号。 4放大元件： 对偏差信号进行放大，使之有足够的能量驱动执行元件实现控制功能。 5执行元件： 直接对受控对象进行操纵的元件，如电动机、液压马达等。,一些基本术语,College of Automatic Control Engineering , CUIT,6.校正元件： 用以改善系统控制质 量的装置。 校正元件分为串联和并联两种。 控制系统中比较元件、放大元件、执行元件和反馈元件等共同起控制作用，统称为自动控制装置。 实际的控制系统中，扰动总是不可避免的。 扰动分为内部扰动和外部扰动。,College of Automatic Control Engine

10、ering , CUIT,反馈控制方式（闭环控制） 开环控制方式 复合控制方式,四、 控制系统的控制方式,开关控制系统,连续控制系统,电气设备的启、停控制 生产线的逻辑动作控制,College of Automatic Control Engineering , CUIT,按给定量控制：信号由给定值至输出量单向传递。,按扰动控制：通过对扰动信号的测量产生控制作用， 以补偿扰动对输出量的影响。,College of Automatic Control Engineering , CUIT,1）输出影响输入，所以能削弱或抑制干扰； 2）低精度元件可组成高精度系统； 3）因为可能发生超调，振荡，所以

11、稳定性很重要。,闭环控制,1）输出不影响输入，对输出不需要测量，通常容易实现； 2）组成系统的元部件精度高，系统的精度才能高； 3）系统的稳定性不是主要问题；,开环控制,College of Automatic Control Engineering , CUIT,3. 复合控制方式,其它新控制方式：最优控制、预测控制、自适应控制、模糊控制、神经网络控制等。,College of Automatic Control Engineering , CUIT,五、 控制系统的分类,思考？,开环控制、闭环控制、复合控制在结构、工作机理、性能、成本上有何差别,College of Automatic C

12、ontrol Engineering , CUIT,机械系统 电气系统 机电系统 液压系统 气动系统 生物系统,2 按 元 件 类 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 自动控制的发展简史,1.3 控制工程实践,1.4 现代控制系统举例,

13、1.5 自动装配和机器人,1.6 控制系统的未来发展,自行阅读教材P3P14,思考： 将人驾驶汽车的过程与闭环控制系统相对应，人实现了自动控制系统的哪些环节？人的哪些器官分别对应自动控制系统的哪个环节？ 如果设计一个全自动汽车驾驶系统，需要加设哪些装备？,College of Automatic Control Engineering , CUIT,1.7 工程设计,一、工程与工程设计,1. 工程与控制工程的关系,工程是人们了解自然，利用自然和改造自然，以便造福人类的过程。 工程师是这一过程的领航者。 控制工程是工程的重要组成部分，控制工程师通过理解和控制他们周边环境中的某些部分，常称为系统（

14、system），以便为社会提供经济实用的产品。,2. 控制工程涉及的学科和领域,控制工程涉及多学科的理论知识：反馈理论、线性系统分析、网络理论、通信理论等。 涉及的领域包括宇航、化工、机械、土木环境、电气工程等基础工程和社会经济各领域。,College of Automatic Control Engineering , CUIT,3. 工程设计,工程设计就是为达到特定的目的，构思或创建系统的结构、组成和技术细节的过程。创新和分析在其中占据着重要的地位。,设计是一项创新活动：工程师创造性地运用所拥有的知识和材料，确定系统的结构、功能和物理构成。,设计的主要步骤： 明确用户需求：包括政府的公共政

15、策到普通消费者在内的各个社会群体的需求。 论证设计要求：详细确定应该有什么样的解决方案以及怎样才能满足用户需求。 开发设计方案：设计多种满足要求的解决方案。 设计与实现：选定解决方案并加以详细设计和技术实现。,College of Automatic Control Engineering , CUIT,(1) 影响设计工作的主要因素是时间限制，设计不可能理想，只能足够好。,(2) 设计工程师面临的主要挑战之一-撰写技术产品的设计规范：即对装置或系统将是什么和将能做什么的简洁而明确的说明。,设计工作应注意的几个重要问题,（3）设计的复杂性：源于设计的多样性。,（4）折中处理：在两个所期望的但又

16、彼此冲突的性能指标或设计准则之间，为达成某种协调而作出决策。如系统的快速性与稳定性，高性能与低成本等。,（5）设计差异：最终产品常常不能与原先设计和想象完全一致。它是工程的固有属性。,（6）设计风险：源于设计的不可预见性。,（7）设计的思维模式：分析和综合。通过分析确定设计的改进方向，运用综合构建新的方案或系统。,（8）设计工作的主要方法：参数分析和参数优化。,College of Automatic Control Engineering , CUIT,二、控制系统设计,控制系统的性能规范： 稳定性 准确性 快速性 鲁棒性 抗干扰能力,College of Automatic Control

17、 Engineering , CUIT,1.8 设计实例,CD机，计算机磁盘驱动器等的转盘在工作中保持恒定转速。,实例1 转盘速度控制,控制目标：转盘速度恒定，被控变量：转速 。开环控制方案,College of Automatic Control Engineering , CUIT,闭环控制方案,College of Automatic Control Engineering , CUIT,实例2. 磁盘驱动读取系统,完成14步：确立控制目标，确定控制变量，初步确定设计指标，初步确定系统结构。,College of Automatic Control Engineering , CUIT,确立控制目标：定位读取头，以便读取存储在磁盘某一磁道上的数据； 确定控制变量：读取头的位置； 拟定对变量的设计要求：定位精度为1微米，读取头移动时间为50毫秒； 选择执行机构：采用的传感器、执行机构、控制处理器和反馈控制，建立初步系统结构。,College of Automatic Control Engineering , CUIT,对象：单变量时不变连续系统 目标：稳、准、快 任务：分析、设计,经典控制理论：,College of Automatic Control Engineering , CUIT,Coll