概论46-90新知识课件

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1、1,图2.18 反馈调节（控制）系统,稳定判据加上公元1922年N.米诺尔斯基关于船舶自动操舵的稳定性和1934年美国H.L.黑曾（Hazen）发表的关于伺服机构理论的论文标志着经典控制理论的诞生。,2,2.3.3 局部自动化时期 (20世纪40-50年代),2.3.3.1 经典控制理论的形成和发展,2.3.3.2 局部自动化的广泛应用,2.3.3.3 电子数字计算机的发明,3,自动防空火力控制系统,在第二次世界大战期间，为了防空火力控制系统和飞机自动导航系统等军事技术问题，各国科学家设计出各种精密的自动调节装置，开创了防空火力系统和控制这一新的科学领域（图2.19和图2.20）。,5,2.3

2、.3.2 局部自动化的广泛应用,二次大战后，在工业上已广泛应用PID调节器，并用电子模拟计算机（Electronic Analog Computer）来设计自动控制系统。当时在工业上实现局部自动化，即单个过程或单个机器的自动化。,在20世纪30-40年代出现了统一信号的、通用的、标准的气动单元组合仪表。20世纪50年代研制出了电动单元组合仪表。这些为工业自动化提供了必不可少的技术工具，并使得构成和设计自动控制系统更简便、更工程化了。,智能化的仪表和控制器是当前流行的产品。,6,智能化的仪表YS-80及所属的可编程序智能控制器SLPC,7,2.3.3.3 电子数字计算机的发明,目前小型电子数字计

3、算机或单片计算机已成为复杂自动控制系统的一个组成部分，以实现复杂的控制和算法。,电子数字计算机内部元件和结构，经历了电子管、晶体管、集成电路和大规模集成电路的四个发展阶段。电子数字计算机的发明，为60-70年代开始的在控制系统广泛应用程序控制和逻辑控制以及应用数字计算机直接控制生产过程，奠定了基础。,8,图2.22 国产巨型“银河”电子数字计算机,封里彩图为国产巨型“银河”电子数字计算机,9,2.3.4 综合自动化时期（20世纪50年代末起至今）,复杂工业、复杂工业过程和航天技术的自动控制问题，都是多变量控制系统的分析和综合问题，迫切需要加以解决。,2.3.4.1 现代控制理论的形成和发展,1

4、956年前苏联数学家.庞特里亚金提出极大值原理。同年美国数学家R.贝尔曼创立动态规划。两者为解决最优控制问题提供了理论工具。1960年美国数学家R.卡尔曼提出能控性和能观性两个概念，揭示了系统的内在属性。卡尔曼还引入状态空间法，提出具有二次型性能指标的线性状态反馈律，为线性自动控制系统给出了最优调节器的概念。以上这些新概念和新方法标志着现代控制理论的诞生。 20世纪60-70年代，英国学者H.罗森布罗克、D.梅恩和A.G.麦克法兰等将频率法推广到分析和设计多变量系统，称为现代频率法。,10,现代控制理论的迅速发展,(1) 系统辩识、建模与仿真 (2) 自适应控制和自校正控制器 (3) 遥测、遥

5、控和遥感 (4) 综合自动化 (5) 大系统理论的诞生 (6) 模式识别和人工智能 (7) 智能控制的诞生,现代控制理论的迅速发展，形成了多个重要分支：,11,系统辩识、建模与仿真,系统辩识是根据系统输入、输出数据为系统建立数学模型的理论和方法。此外建立数学模型还可以采用解析法和实验方法。通常有必要在仿真设备上试验系统，包括建立、修改、复现系统的模型，这称为系统仿真。,自适应控制能在对象数学模型变动和系统外界信息不完备的情况下改变反馈控制器的特性，以保持良好的工作品质。,(2) 自适应控制和自校正控制器,(3) 遥测、遥控和遥感,遥测就是对被测对象的某些参数进行远距离测量。遥控就是对被控对象进

6、行远距离控制。遥感就是利用装载在飞机或人造卫星等运载工具上的传感器，收集由地面目标物反射或发射出来的电磁波，再根据这些数据来获得关于目标物（如矿藏、森林、作物产量等）的信息。,12,(4) 综合自动化,20世纪50年代末到60年代初，开始出现电子数字计算机控制的化工厂，60年代末在制造工业中出现了许多自动生产线，工业生产开始由局部自动化向综合（全盘）自动化方向发展。70年代出现用专用机床组成的无人工厂，80年代初才出现用柔性制造系统组成的无人工厂（图2.25和图2.26）。,无人加工车间,图2.25,13,无人组装车间,图 2.24,14,开始对出现的大系统如大电力系统、化工联合企业、钢铁联合

7、企业及社会经济大系统等开始进行了研究。特别是高速大型计算机的出现为大系统的研究和大量计算提供了前提条件。,大系统理论的重要作用在于对大系统进行调度优化和控制优化，通过分解-协调以较短时间计算出优化结果。,(6) 模式识别和人工智能,使用电子数字计算机直接接受和处理各种自然的模式消息，如语言、文字、图象、景物等。人工智能学者已研制出用于医疗诊断、地质勘探、金融决策、军事指挥、大规模集成电路设计等各种专家系统；研制出智能机器人，如有视觉和触觉的机器人和能与人对答的机器人等等。,大系统理论的诞生,15,(7) 智能控制的诞生,将人工智能引入到自动控制系统，形成智能控制系统。这是新一代的自动控制系统。

8、它的特点是具有智能，能解决一些以往的自动控制解决得不好或者不能解决的控制问题。,它将人工智能中的专家系统、学习控制、模糊逻辑控制和具有多层感知器的神经网络等分别与自动控制和系统工程的一些方法相结合，形成一些新的、具有独特性能的智能自动控制系统，例如图2.27的智能机器人。,16,智能和水下机器人,17,3 自动控制系统的类型和组成,18,3.1 恒值自动调节系统,图3.1 炉温自动控制系统,19,由给定环节给出的电压Ur代表所要求保持的炉温，它与表示实际炉温的测温热电偶的电压Uf 相比较，形成误差电压U=Ur-Uf 。U经过放大器放大后带动电动机M向一定方向转动，并使调压器提高或降低加热电压，

9、以使Uf达到Ur并使 U=0 。这时，电动机不再转动，自动调节系统达到新的平衡点。这里，电动机有一个正确的旋转方向问题。当 炉温自动调节系统UrUf ，即U0，此时表示炉温低于所要求保持的恒值，则电动机的旋转方向应该使调压器的滑动触点向上以增加加热电压。这里可以看到，系统的作用是闭合的，即形成闭环系统，也即说明有反馈回路。而反馈的性质使炉温回复到给定的恒值；而不是炉温Uf大于Ur时，反馈使得炉温更大，或者Uf小于Ur时反馈使炉温更小。后述系统不能正常保持被调量为恒值。这说明自动调节（控制）系统，一定要有“负反馈”。在恒值自动调节系统中，由给定环节给出的给定作用为恒值。它应赋予“+”号。反馈量应

10、赋予“-”号。这样才能保证实现“负反馈”。即误差电压U的形成是：U=Ur-Uf 。,20,3.2 程序自动控制系统,21,当自动控制系统的给定信号 (相当于上节中的Ur ) 是已知的时间函数时，称这类系统为程序控制系统（Program Control System）。图3.2表示一个仿模铣床的原理示意图。这是一个闭环控制系统。但是制做一个精确的立体木模是一个精细、费工的工作。所以后来又将木模以纸带（或磁带）上的脉冲系列来代替，这时的闭环控制系统如图3.3所示。加工时，由光电阅读机把记录在穿孔纸带（或磁带）上的程序指令，变成电脉冲（即指令脉冲），送入运算控制器。运算控制器完成对控制脉冲的寄存、交

11、换和计算，并输出控制脉冲给执行机构。执行机构根据运算控制器送来的电脉冲信号，操作机床的运动，完成切削成型的要求。,22,3.3 随动系统（伺服系统）,在反馈控制系统中，若给定环节给出的输入信号是预先未知的随时间变化的函数，这种自动控制系统称为随动系统（Servo-mechanism）。国防上的炮跟踪系统（图2.18和图2.19）、雷达导引系统（图2.18上的左图）和天文望远镜的跟踪系统等都属于随动系统。,23,3.4自动控制系统的组成,（1） 给定环节 产生给定的输入信号；,（2）反馈环节 对系统输出（被控制量）进行测量，将它转换成反馈信号；,（3） 比较环节 将给定的输入信号和反馈信号加以比

12、较，产生“误差”信号；,（4）控制器（调节器） 根据误差信号，按一定规律，产生相应的控制信号。控制器是自动控制系统实现控制的核心 部分；,（5） 执行环节（执行机构） 将控制信号进行功率放大，并能使 被控对象的被控量变化；,（6） 被控对象 控制系统所要控制的设备或生产过程，它的输出就是被控量；,（7） 扰动 除输入信号外能使被控量偏离输入信号所要求的值或规律的控制系统内、外的物理量。,24,自动控制系统的各环节功能框图,25,3.5 自动化仪表,（1）传感器 实现对信号的检测并将被测的物理量变换为另一个物理量 (通常是电量) ，例如热电偶； （2）变送器 与传感器配套，使输出成为标准信号。例

13、如对DDZ 电动单元组合仪表，标准信号为4 20ma ； （3）控制器（调节器） 采用模拟信号的调节器使用较多，它接受来自被控对象的测量值和给定值或它们的误差，并根据一定的控制（调节）规律产生输出信号以推动执行机构（执行器）。 控制器起了图3.4中给定环节、比较环节和控制器三者的作用； （4）放大器 用以增加信号的幅度或(和)功率，如如晶体管放大器，也可以由电信号放大到气动信号（如电-气转换器）； （5）执行机构 接受控制器来的信息并对被控对象施加控制作用，如电动机M。工业控制常用的执行机构是气动薄膜调节阀、液压伺服马达、电动调节阀等。,26,3.6 控制器控制和计算机控制,以上系统的各个信号

14、：输入信号、误差、控制器输出和输出量等都是模拟信号，即随时间连续变动的信号。在一些现代的控制系统中常用微型计算机来代替控制器，这对于实现复杂的控制性能很有必要，如最优控制、自适应控制等等。这时计算机控制系统（Computer Control System）的框图如图3.5所示。其特点是系统中一处或几处的信号具有数字代码，此外还有离散信号（采样信号）的出现如图3.6。系统的另一个特点是以计算机程序来实现PID控制规律或更复杂的控制规律。,27,图3.5 计算机控制系统框图,图3.6 模拟信号采样示意图,28,3.7 自动控制和远距离控制,在一个自动化系统中各设备和自动化仪表之间的距离往往是较短的

15、。,29,远距离测量（遥测）系统,图3.8 遥测系统框图,在一个自动化系统中，若是设备之间有较长的距离，例如数十、或数百、数千公里就不能用通常的电气或机械的联系来传递测量信号、反馈信号和控制信号。这时，需要在分离的设备之间设立专门的（通）信道。（通）信道是传输信息的媒质或通道，如架空明线、同轴电缆、射频波束和光导纤维等。,30,图3.9 远距离控制(遥控)系统框图,发送端把所需传送的控制命令、测量数据、反馈信号等经过调制、编码等变换处理之后，再经过（通）信道传递。在接收端，即（通）信道的另一端，把收到的信号经过解调、译码等反变换处理，恢复为原来的形式（图3.8和图3.9）。,31,4 基本的控

16、制方法,32,4.1 自动控制系统的行为描述,在自动控制系统进行着：不断地检测被控制量，并反馈、比较，不断地得到误差信号的过程；而且进行着：借助于此误差信号，不断地通过变换、放大使执行机构动作，力图使被控制量回复到给定值并消除误差的过程。这是一个动态过程。 由于被控对象，例如图3.1中的电炉和执行机构电动机及相附的降速齿轮系都有惯性，甚至较大的惯性。这就是说：假如电炉的供电电压突然降为零，电炉炉膛和工件的温度不是突然降为室温，而是慢慢下降；电动机供电电压突然降为零，电动机也要从原来的转速，逐步降为零。只不过后者的降速过程较电炉的降温过程要快得多，即电炉的惯性较电动机大得多。由此可知，电炉、电动机等惯性的存在，是自动控制系统产生动态调节过程的根本原因。,33,0,t,u,f,u,f,u,r,图4.1 自动控制系统中被控制量的振荡,图4.2 稳定的炉温调节系统的炉温变化,电炉炉膛温度Uf在t=0冷工件进入后，稍后温度开始下降，接着就开始产生力图校正误差的控