上海交通大学：《材料制造数字化技术基础 Foundation of Digital Technology for Material Processing》课程教学资源（课件讲稿）第8章 自动控制理论基础

上游充通大学 SHANGHAI JLAO TONG UNIVERSITY 《材料制造数字化技术基础》 Foundation of Digital Technology for Material Processing 第8章 自动控制理论基础 001001 001010100m 1001u-010 010 1896

«材料制造数字化技术基础» Foundation of Digital Technology for Material Processing 第8章 自动控制理论基础

图 上游充通大学 SHANGHAI JLAO TONG UNIVERSITY 内容提要 1 引言 2 基本概念和原理 3 数学模型和传递函数 4 自动控制系统性能 2

2 内容提要 引言 基本概念和原理 数学模型和传递函数 自动控制系统性能 1 2 3 4

上游充通大学 SHANGHAI JLAO TONG UNIVERSITY 81引言-为什么要自动控制？ 飞机示意图 怡头 放大器 舵机 垂直陀螺仪 水平方向 反馈电位器 给定电位器 3

3 8.1 引言 - 为什么要自动控制？

上游充通大学 SHANGHAI JLAO TONG UNIVERSITY 81引言-怎样才能自动控制？ Autonomous Driving Google's modified Toyota Prius uses an array of sensors to navigate public roads without a human driver.Other components,not shown,include a GPS receiver and an inertial motion sensor. LIDAR POSITION ESTIMATOR A rotating sensor on the roof A sensor mounted on the left scans more than 200 feet in all rear wheel measures small directions to generate a precise movements made by the car three-dimensional map of the and helps to accurately locate car's surroundings. its position on the map. VIDEO CAMERA A camera mounted near the rear-view mirror detects traffic lights and helps the car's onboard computers recognize moving obstacles like pedestrians and C2 bicyclists. RADAR Four standard automotive radar sensors,three in front and one in the rear.help determine the positions of distant objects. 4

4 8.1 引言- 怎样才能自动控制？

上游充通大￥ 8.1引言一自动控制的产生和发展 SHANGHAI JLAO TONG UNIVERSITY 自动控制思想及其实践是人类在认识 世界和改造世界的过程中产生的，并 水源 随着社会的发展和科学水平的进步而 不断发展。 公元前300年，古希腊用反馈控制原理 浮动 设计了浮子调节器，并用于水钟设计 水塞 二二 和制造，如右图所示； 时间刻度 1000多年前，我国古代也发明了铜壶 滴漏计时器、指南车等控制装置 ⊕ 瓦特于1769年发明的用来控制蒸汽机 转速的飞球控制器 浮子 ⊕ 1868年，麦克斯韦建立了飞球控制器的 微分方程数学模型，并进行稳定性分析 1948年，数学家维纳N.Wiener)的《控 制论》出版，标志着控制论正式诞生。 5

5 8.1 引言—自动控制的产生和发展 自动控制思想及其实践是人类在认识 世界和改造世界的过程中产生的，并 随着社会的发展和科学水平的进步而 不断发展。 公元前300年，古希腊用反馈控制原理 设计了浮子调节器，并用于水钟设计 和制造，如右图所示； 1000多年前，我国古代也发明了铜壶 滴漏计时器、指南车等控制装置 瓦特于1769年发明的用来控制蒸汽机 转速的飞球控制器 1868年,麦克斯韦建立了飞球控制器的 微分方程数学模型, 并进行稳定性分析 1948年, 数学家维纳(N.Wiener)的《控 制论》出版，标志着控制论正式诞生。 水源

上游充通大学 SHANGHAI JLAO TONG UNIVERSITY 8.1引言一控制论发展三阶段 阶段 经典控制论时期 现代控制理论时期 大系统理论时期 年代 1940~1950年代 1960年代 1970年代 单机自动化，解决单 机组自动化和生物系 生物、社会系统等 研究对象 输入单输出系统的控 统的多输入多输出系 众多变量的大系统 制问题 统的控制问题 综合自动化问题 数学工具 微分方程、拉普拉斯 一次微分方程组、矩 模糊集、神经元网 变换和传递函数 阵论、状态空间法等 络等 研究方法 时域法、频域法和根 变分法、极大值原理 轨迹法 动态规划理论等 以时域法为主 研究重点 控制系统的快速性、 最优控制、随机控制 大系统多级递阶控 稳定性及其精度 和自适应控制 制 核心控制 计算机，自动控制逐 装置 模拟控制系统 步进入数字化时代 网络化的计算机 6

6 8.1 引言—控制论发展三阶段 阶段 经典控制论时期 现代控制理论时期 大系统理论时期 年代 1940~1950年代 1960年代 1970年代 研究对象 单机自动化，解决单 输入单输出系统的控 制问题 机组自动化和生物系 统的多输入多输出系 统的控制问题 生物、社会系统等 众多变量的大系统 综合自动化问题 数学工具 微分方程、拉普拉斯 变换和传递函数 一次微分方程组、矩 阵论、状态空间法等 模糊集、神经元网 络等 研究方法 时域法、频域法和根 轨迹法 变分法、极大值原理、 动态规划理论等 以时域法为主 研究重点 控制系统的快速性、 稳定性及其精度 最优控制、随机控制 和自适应控制 大系统多级递阶控 制 核心控制 装置 模拟控制系统 计算机，自动控制逐 步进入数字化时代 网络化的计算机

图 上游充通大学 SHANGHAI JLAO TONG UNIVERSITY 8.2基本概念和原理 1 8.2.1自动控制基本概念 2 8.2.2控制系统基本方式 3 8.2.3控制系统分类 7

7 8.2 基本概念和原理 8.2.1 自动控制基本概念 8.2.2 控制系统基本方式 8.2.3 控制系统分类 1 2 3

上游充通大学 SHANGHAI JLAO TONG UNIVERSITY 8.2.1自动控制基本概念 (1)过程控制 是指在没有人直接参与的条件下，利用控制装置使被控对象按照预 定的技术要求进行工作。 (2)过程控制系统 是指能够对被控对象的工作状态进行过程控制的系统，它由被控对 象和控制装置组成。 (3)被控对象 指需要给以控制的机器、设备或生产过程。被控对象是控制系统的 主体，例如火箭、锅炉、机器人、电冰箱等。 (4)控制装置 指对被控对象起控制作用的设备总体，有测量变换部件、放大部件 和执行装置。 8

8 8.2.1 自动控制基本概念 (1) 过程控制 是指在没有人直接参与的条件下，利用控制装置使被控对象按照预 定的技术要求进行工作。 (2) 过程控制系统 是指能够对被控对象的工作状态进行过程控制的系统，它由被控对 象和控制装置组成。 (3) 被控对象 指需要给以控制的机器、设备或生产过程。被控对象是控制系统的 主体，例如火箭、锅炉、机器人、电冰箱等。 (4) 控制装置 指对被控对象起控制作用的设备总体，有测量变换部件、放大部件 和执行装置

上游充通大学 SHANGHAI JLAO TONG UNIVERSITY 8.2.1自动控制基本概念 控制装置与被控对象构成自动控制系统。下图的室温自动控 制系统中，恒温室是被控对象，加热器为控制装置。 室温自动控制系统 热水加热器 送风 1-热水加热器； 恒温室 2-传感变送器； 3 4 3-控制器； 4-执行器 M 回风 入 热水↑↓ 回水 9

9 8.2.1 自动控制基本概念 控制装置与被控对象构成自动控制系统。下图的室温自动控 制系统中，恒温室是被控对象，加热器为控制装置。 恒温室 TC TT M 回 风 送风 热水 回水 热水加热器 1 3 4 2 室温自动控制系统 1- 热水加热器； 2-传感变送器； 3- 控制器； 4- 执行器

上游充通大学 8.2.1自动控制基本概念 SHANGHAI JLAO TONG UNIVERSITY (5)被控量 指被控对象中要求保持给定值、要按给定规律变化的物理量。 被控 量又称输出量、输出信号。 (6)给定值： 作用于过程控制系统的输入端并作为控制依据的物理量。 (7)干扰量： 除给定值之外，凡能引起被控量变化的因素，都是干扰，又称扰动。 (8)反馈： 输出量通过适当检测设备又送回输入端，并与输入变量相比较，称 为反馈。 正反馈：输出量与输入量相加。 负反馈：输出量与输入量相减。 偏差：输出变量与输入变量相比较所得的结果。 10

10 8.2.1 自动控制基本概念 (5) 被控量 指被控对象中要求保持给定值、要按给定规律变化的物理量。被控 量又称输出量、输出信号。 (6) 给定值： 作用于过程控制系统的输入端并作为控制依据的物理量。 (7) 干扰量： 除给定值之外，凡能引起被控量变化的因素，都是干扰，又称扰动。 (8) 反馈： 输出量通过适当检测设备又送回输入端，并与输入变量相比较，称 为反馈。 正反馈：输出量与输入量相加。 负反馈：输出量与输入量相减。 偏差：输出变量与输入变量相比较所得的结果