传感与检测1重点课件

课程的性质和特点n自动控制是一门技术学科，从方法论的角度来研究系统的建立、分析与设计。n自动控制原理是本学科的专业基础课，是自动控制理论的基础课程，该课程与其它课程的关系如下。微积分（含微分方程微积分（含微分方程）电机与拖动电机与拖动模拟电子技术模拟电子技术线性代数线性代数电路理论电路理论信号与系统信号与系统自动控制理论自动控制理论复变函数、拉普拉斯变换复变函数、拉普拉斯变换大学物理（力学、热力学）大学物理（力学、热力学）课程的性质和特点自动控制是一门技术学科，从方法论的角度来研究1课程的性质和特点n自动控制理论已经发展为理论严密、系统完整、逻辑性很强的一门学科。从基本反馈控制原理发展到：自适应控制、优化控制、鲁棒控制、大系统控制、智能控制。课程的性质和特点自动控制理论已经发展为理论严密、系统完整、逻2课程的性质和特点 讨论的对象：因果系统 、工程系统 系统的广义性：经济、社会、工程、生物、环境、医学 课程特点：研究系统的共性问题 数学数学模型模型实际实际系统系统物理物理模型模型方法（系统组成方法（系统组成分析、设计）分析、设计）课程的性质和特点 讨论的对象：数学实际物理方法（系统组3第一章 自动控制的一般概念 1-1 自动控制的基本原理与方式1-2 自动控制系统示例1-3 自动控制系统的分类1-4 对自动控制系统的基本要求 第一章 自动控制的一般概念 1-1 自动控制的基本原理与方式41-1 自动控制的基本原理与方式1.1.1 自动控制技术及其应用自动控制技术及其应用自动化（自动化（Automation 或或Automatization）什么叫自动控制？什么叫自动控制系统？什么叫自动控制？什么叫自动控制系统？自动控制主要研究解决什么问题自动控制主要研究解决什么问题 1.自动控制自动控制 指在脱离人的直接干预，利用控制装置（简称控制器）使被指在脱离人的直接干预，利用控制装置（简称控制器）使被控对象（或生产过程等）的某一物理量（如温度、压力、控对象（或生产过程等）的某一物理量（如温度、压力、PH值值等）准确地按照预期的规律运行。（自动第按照预期规律运行）等）准确地按照预期的规律运行。（自动第按照预期规律运行）另一种定义：是指机器设备在没有人直接参与的情况下，经过自另一种定义：是指机器设备在没有人直接参与的情况下，经过自动检测、信息处理、分析判断、操纵控制实现预期的目标。动检测、信息处理、分析判断、操纵控制实现预期的目标。如：如：数控机床的加工过程；炉温控制；导弹发射和制导；无人数控机床的加工过程；炉温控制；导弹发射和制导；无人驾驶飞机自动飞行等驾驶飞机自动飞行等1-1 自动控制的基本原理与方式1.1.1 自动控制技术51.1.2 自动控制科学n自动控制理论自动控制理论 是研究自动控制系统组成，进行系统分析设是研究自动控制系统组成，进行系统分析设计的一般性理论计的一般性理论n自动控制科学自动控制科学 是研究自动控制过程共同规律的技术学科。是研究自动控制过程共同规律的技术学科。自动化的核心是自动化的核心是“控制控制“自动化技术的两个方面：自动化技术的两个方面：人手（脚）的延伸人手（脚）的延伸动力方面的自动化技术：工业化动力方面的自动化技术：工业化 人脑的延伸人脑的延伸信息处理方面的自动化技术信息处理方面的自动化技术:信息化信息化1.1.2 自动控制科学自动控制理论61.1.2 自动控制科学-自动控制发展史古代自动计时漏壶公元132年张衡研制的候风地动仪1.1.2 自动控制科学-自动控制发展史古代自动计时漏壶71.1.2 自动控制科学-自动控制发展史1788年瓦特发明的控制蒸气机速度的离心式调速器1.1.2 自动控制科学-自动控制发展史1788年瓦特发81.1.2 自动控制科学-自动控制发展史l1892年，俄国学者李雅普诺夫提出了李雅普诺夫稳定性定律。l20世纪10年代，出现了PID控制器。l1927年反馈控放大器正式诞生。l1945年，贝塔朗菲提出了系统论，1948年维纳提出著名的控制论，形成了完整的控制理论体系-以传函为基础的经典控制理论。l由于航天技术的发展，催生了20世纪60年代第二代控制理论现代控制理论（以状态空间为基础）现代控制理论以最大值理论，动态规划理论，状态空间方法为理论基础。纵观百余年自动控制科学与技术的发展，反馈控制理论与技术占据了及其重要的地位。1.1.2 自动控制科学-自动控制发展史1892年，俄国91.1.3 反馈控制原理反馈控制原理l自动控制系统 指实现各种复杂的控制目的，由相互制约的各部分按一定规律组成的具有特定功能的整体。例：交通控制、水位控制、例：交通控制、水位控制、经济控制、人体控制经济控制、人体控制l人本身就是一个具有高度复杂控制能力的反馈控制系统。1.1.3 反馈控制原理自动控制系统 101.1.3 反馈控制原理反馈控制原理l人取物的反馈控制过程 手是被控对象，手位置是被控制量。控制装置为眼睛、大脑和手臂。输入信号输入信号书位置书位置眼睛眼睛大脑大脑手臂，手手臂，手输出量输出量手位置手位置眼睛眼睛1.1.3 反馈控制原理人取物的反馈控制过程输入信号书位置眼111.1.3 反馈控制原理反馈控制原理l龙门刨床速度控制系统1.1.3 反馈控制原理龙门刨床速度控制系统121.1.3 反馈控制原理反馈控制原理1.1.3 反馈控制原理131.1.3 反馈控制原理反馈控制原理 龙门刨床速度控制系统是一个有精差系统。速龙门刨床速度控制系统是一个有精差系统。速度最终达到的稳态值与原始给定速度之间始终度最终达到的稳态值与原始给定速度之间始终有一个差值存在，这个差值是用来产生一个附有一个差值存在，这个差值是用来产生一个附加的电动机电枢电压，以补偿因增加负载而引加的电动机电枢电压，以补偿因增加负载而引起的速度下降。这个差值的存在是保证系统正起的速度下降。这个差值的存在是保证系统正常工作所必需的，一般称为常工作所必需的，一般称为稳态误差稳态误差。如果从。如果从结构上加以改进，可以消除这个稳态误差。结构上加以改进，可以消除这个稳态误差。1.1.3 反馈控制原理 龙门刨床速度控制系统是一个有精差141.1.4 反馈控制系统的基本组成反馈控制系统的基本组成反馈控制系统是由各种不同的元部件组成的。a)测量元件：检测被控制的物理量。b)给定元件：给出与期望的被控制量相对应的系统输入量（即参据量）。c)比较元件：把测量元件检测的被控量的实际值与给定元件给出的参据量进行比较，求出它们之间的偏差。1.1.4 反馈控制系统的基本组成反馈控制系统是由各种不同的151.1.4 反馈控制系统的基本组成反馈控制系统的基本组成ld)放大元件：偏差信号的放大，用以推动执放大元件：偏差信号的放大，用以推动执行行 元件。元件。le)执行元件：直接推动被控对象，使被控量执行元件：直接推动被控对象，使被控量 发生变化。发生变化。lf)校正元件：也叫补偿元件以改善系统性能。校正元件：也叫补偿元件以改善系统性能。1.1.4 反馈控制系统的基本组成d)放大元件：偏差信号的161.1.4 反馈控制系统的基本组成反馈控制系统的基本组成l典型的反馈控制系统基本组成框图：信号从输入端到达输出端的传输通路称为信号从输入端到达输出端的传输通路称为前向通路前向通路；系统输出量经测量元件；系统输出量经测量元件反馈到输入端的传输通路称为反馈到输入端的传输通路称为主反馈通路主反馈通路。前向通路与主反馈通路共同构。前向通路与主反馈通路共同构成成主回路主回路。此外，还有局部反馈通路。只包含一个主反馈通路的系统称为。此外，还有局部反馈通路。只包含一个主反馈通路的系统称为单回路系统，有两个或两个以上反馈通路的单回路系统，有两个或两个以上反馈通路的 系统称为多回路系统。系统称为多回路系统。1.1.4 反馈控制系统的基本组成典型的反馈控制系统基本组成171.1.5 自动控制系统基本控制方式自动控制系统基本控制方式(1)(1)、反馈控制方式、反馈控制方式 按偏差进行控制，具有抑制扰动对被控量产按偏差进行控制，具有抑制扰动对被控量产生影响的能力和较高的控制精度。生影响的能力和较高的控制精度。1.1.5 自动控制系统基本控制方式(1)、反馈控制方式181.1.5 自动控制系统基本控制方式自动控制系统基本控制方式l(2)、开环控制方式、开环控制方式 指控制装置与被控对象之间只有顺向作用指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过程。（计算机磁盘驱而没有反向联系的控制过程。（计算机磁盘驱动器）动器）1.1.5 自动控制系统基本控制方式(2)、开环控制方式191.1.5 自动控制系统基本控制方式自动控制系统基本控制方式1.1.5 自动控制系统基本控制方式201.1.5 自动控制系统基本控制方式自动控制系统基本控制方式l(3)、复合控制方式、复合控制方式 按偏差控制和按扰动控制相结合的控制方式按偏差控制和按扰动控制相结合的控制方式 称为复合控制方式。称为复合控制方式。1.1.5 自动控制系统基本控制方式(3)、复合控制方式211.1.5 自动控制系统基本控制方式自动控制系统基本控制方式电压放大器电压放大器功率放大器功率放大器电动机电动机电阻电阻R电压放大器电压放大器测速电动机测速电动机u0-utue.Mc.n电动机速度复合控制系统电动机速度复合控制系统1.1.5 自动控制系统基本控制方式电压放大器功率放大器电动221-2 自动控制系统示例自动控制系统示例l1.函数记录仪1-2 自动控制系统示例1.函数记录仪231-2 自动控制系统示例自动控制系统示例1-2 自动控制系统示例24飞机示意图飞机示意图给定电位器给定电位器反馈电位器反馈电位器2.飞机飞机-自动驾驶仪系统自动驾驶仪系统飞机示意图给定电位器反馈电位器2.飞机-自动驾驶仪系统25给给定定装装置置放放大大器器舵机舵机飞机飞机 反馈电反馈电位器位器 垂直垂直陀螺仪陀螺仪0c扰动扰动俯仰角控制系统方块图俯仰角控制系统方块图飞机方块图飞机方块图给定装置放大器舵机飞机 反馈电位器 垂直陀螺仪0c扰动263、锅炉液位控制系统、锅炉液位控制系统 当蒸汽的耗汽量与锅炉进水量相等时，液位保持在正常标准值。当锅炉给水量不变，而蒸汽负荷发生变化时，液位也相应发生变化；或者当蒸汽负荷不变，而给水管道水压发生变化时，引起锅炉液位发生变化。但只要实际液位高度与正常给定液位之间出现偏差时，调节器均应立即进行控制，去开大或者关小给水阀门，使液位恢复到给定值。3、锅炉液位控制系统但只要实际液位高度与正常给定液位之间出现27n锅炉液位控制系统的方框图4、自动、自动 控制系统其他示例控制系统其他示例1-2 自动控制系统示例自动控制系统示例锅炉液位控制系统的方框图4、自动 控制系统其他示例1-2 自281-2 自动控制系统示例自动控制系统示例n人造地球卫星控制其准确地进入预定轨道运行并回收中巴资源卫星哈勃望远镜特殊地卫星1-2 自动控制系统示例人造地球卫星控制其准确地进入预定轨291-2 自动控制系统示例自动控制系统示例装配机器人汽车自动焊接生产线现代化的工厂1-2 自动控制系统示例装配机器人汽车自动焊接生产线现代化301-2 自动控制系统示例自动控制系统示例月球车月球车机器人足球比赛机器人足球比赛1-2 自动控制系统示例月球车机器人足球比赛311-2 自动控制系统示例自动控制系统示例无人驾驶飞机按预定轨迹飞行渐露锋芒地无人驾驶飞机渐露锋芒地无人驾驶飞机1-2 自动控制系统示例无人驾驶飞机按预定轨迹飞行渐露锋芒321-3 自动控制系统的分类 自动控制系统有多种分类方法，一般，为了全面反映自动控制系统的特点，常常将各种分类方法组合应用。开环控制开环控制闭环控制闭环控制(反馈控制反馈控制)复合控制复合控制按控制方式分按控制方式分1-3 自动控制系统的分类 自动控制系统有多种33机械系统机械系统恒张力系统恒张力系统电气系统电气系统机电系统机电系统全自动照相机，全自动照相机，光机电结合光机电结合液压系统液压系统伺服液压缸，汽伺服液压缸，汽车发动机，大型的仿真模拟台车发动机，大型的仿真模拟台气动系统气动系统 生物系统生物系统按按元元件件类类型型分分1-3 自动控制系统的分类机械系统恒张力系统按1-3 自动控制系统的分类34按系统功用分按系统功用分温度控制系统压力控制系统位置控制系统 1-3 自动控制系统的分类按系统功用分温度控制系统压力控制系统位置控制系统 135线性系统非线性系统连续系统定常系统时变系统确定性系统不确定性系统按系统性能分按系统性能分离散系统1-3 自动控制系统的分类线性系统非线性系统连续系统定常系统时变系统确定性系统不确定性36恒值控制系统随动系统程序控制系统按参据量按参据量变化规律分变化规律分1-3 自动控制系统的分类恒值控制系统随动系统程序控制系统按参据量1-3 自动控制系统371、线形连续控制系统 这类系统可以用线形微分方程式描述，其一般形这类系统可以用线形微分方程式描述，其一般形式为：式为：系数系数a a0 0，a an n，b b0 0,b bn n是常数时，称为定常系统；系数是常数时，称为定常系统；系数a a0 0，a an n，b b0 0,b bn n随时间变化时，称为时变系统。线性定常连续系统按其随时间变化时，称为时变系统。线性定常连续系统按其输入量的变化规律又可分为恒值控制系统、随动系统和程序控制系输入量的变化规律又可分为恒值控制系统、随动系统和程序控制系统。统。1-3 自动控制系统的分类1、线形连续控制系统 这类系统可以用线形微分方程式描述38(2)、随动系统 系统的参据量是预先未知的随时间任意变化的函数，要求被控量以尽可能小的误差跟随参据量的变化，故又称为跟随系统。在随动系统中。扰动的影响是次要的，系统分析、设计的重点是研究被控量跟随的快速性和准确性。在随动系统中，如果被控量是机械位或其导数时，这类系统称之为伺服系统。1-3 自动控制系统的分类(2)、随动系统 系统的参据量是预先未知的随39(3)、程序控制系统 系统的参据量时按预定规律随时间变化的函数，要求被控量迅速、准确地加以复现。程序控制系统和随动系统的参据量都是时间函数，不过前者是已知的时间函数，后者是未知的任意时间函数，而恒值控制系统也可视为程序控制系统的特例。1-3 自动控制系统的分类(3)、程序控制系统 系统的参据量时按预定规律402、线性定常离散控制系统 离散系统是指系统的某处或多处的信号为脉冲离散系统是指系统的某处或多处的信号为脉冲序列或数码形式，因而信号在时间上是离散的。序列或数码形式，因而信号在时间上是离散的。离散系统一般用差分方程描述，其一般形式可用离散系统一般用差分方程描述，其一般形式可用下式表示：下式表示：1-3 自动控制系统的分类2、线性定常离散控制系统 离散系统是指系统的某413、非线性控制系统 系统中只要有一个元部件的输入输出特性是系统中只要有一个元部件的输入输出特性是非线性的，这类系统就称为非线性控制系统，非线性的，这类系统就称为非线性控制系统，实际物理系统中都含有不同程度的非线性元部实际物理系统中都含有不同程度的非线性元部件，如放大器和电磁元件的饱和特性，运动部件件，如放大器和电磁元件的饱和特性，运动部件的死区、间隙和摩擦特性等。的死区、间隙和摩擦特性等。对于非线性程度不对于非线性程度不大的情况，可在一定范围内进行线性化。大的情况，可在一定范围内进行线性化。1-3 自动控制系统的分类3、非线性控制系统 系统中只要有一个元部件421-4 对自动控制系统的基本要求 1、基本要求的提法 可以归结为稳定性（长期稳定性）、准确性（精度）和快速性（相对稳定性）。稳稳 准准 快快 稳定性：稳定性：稳定性是对系统的基本要求，不稳定的稳定性是对系统的基本要求，不稳定的系统不能实现预定任务。稳定性，通常由系系统不能实现预定任务。稳定性，通常由系统的结构决定与外界因素无关。统的结构决定与外界因素无关。1-4 对自动控制系统的基本要求 1、基43 快速性：快速性：对过渡过程的形式和快慢提出要求，一般称对过渡过程的形式和快慢提出要求，一般称为动态性能。为动态性能。准确性：准确性：用稳态误差来表示。用稳态误差来表示。在参考输入信号作用下，当系统达到稳态后，在参考输入信号作用下，当系统达到稳态后，其稳态输出与参考输入所要求的期望输出之差叫其稳态输出与参考输入所要求的期望输出之差叫做给定稳态误差。做给定稳态误差。1-4 对自动控制系统的基本要求 快速性：1-4 对自动控制系统的基本要求442、典型的外作用 为了便于用统一的方法研究和比较控制系统的性为了便于用统一的方法研究和比较控制系统的性能，通常选用几种确定性函数作为典型外作用。能，通常选用几种确定性函数作为典型外作用。可选作典型外作用的函数应具备以下条件：可选作典型外作用的函数应具备以下条件：1)这种函数在现场或实验室中容易得到；这种函数在现场或实验室中容易得到；2)控制系统在这种函数作用下的性能应代表在实控制系统在这种函数作用下的性能应代表在实际工作条件下的性能。际工作条件下的性能。3)这种函数的数学表达式简单，便于理论计算。这种函数的数学表达式简单，便于理论计算。1-4 对自动控制系统的基本要求对自动控制系统的基本要求2、典型的外作用 为了便于用统一的方法研究和比较控45(1)、阶跃函数 函数表达式为：函数表达式为：在任意时刻在任意时刻t0出现的阶跃函数可表示为出现的阶跃函数可表示为 1-4 对自动控制系统的基本要求对自动控制系统的基本要求(1)、阶跃函数 函数表达式为：1-4 对自动46(2)、斜坡函数 斜坡函数的数学表达式为：斜坡函数的数学表达式为：如雷达高射炮防空系统，当雷达跟踪的目标以恒如雷达高射炮防空系统，当雷达跟踪的目标以恒定速率飞行时，可视为该系统工作于斜坡函数作用之定速率飞行时，可视为该系统工作于斜坡函数作用之下。下。1-4 对自动控制系统的基本要求对自动控制系统的基本要求(2)、斜坡函数 斜坡函数的数学表达式为：147(3)、脉冲函数 脉冲函数定义为：脉冲函数定义为：强度为强度为A的脉冲函数可表示为的脉冲函数可表示为 。在。在t0时刻出现的单位脉冲函数为时刻出现的单位脉冲函数为 。注意：脉冲函数仅用于分析研究，现实中并不存注意：脉冲函数仅用于分析研究，现实中并不存在。在。1-4 对自动控制系统的基本要求对自动控制系统的基本要求(3)、脉冲函数 脉冲函数定义为：1-4 48(4)、正弦函数 正弦函数的数学表达式为：正弦函数的数学表达式为：正弦函数是控制系统中常用的一种典型外作用，很多实际正弦函数是控制系统中常用的一种典型外作用，很多实际的随动系统就是常工作在此外作用下。的随动系统就是常工作在此外作用下。更为重要的是系统在正弦函数作用下的响应，即频率更为重要的是系统在正弦函数作用下的响应，即频率响应是自动控制理论中研究系统性能的重要依据。响应是自动控制理论中研究系统性能的重要依据。1-4 对自动控制系统的基本要求对自动控制系统的基本要求(4)、正弦函数 正弦函数的数学表达式为：1-4 49