1、自動(dòng)控制實(shí)踐哈爾濱工業(yè)大學(xué)控制科學(xué)與工程26:38:041 緒論緒論1.1 自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念與自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念與應(yīng)用應(yīng)用1.2 對(duì)控制系統(tǒng)的要求對(duì)控制系統(tǒng)的要求1.3 計(jì)算機(jī)仿真與實(shí)際系統(tǒng)的區(qū)別計(jì)算機(jī)仿真與實(shí)際系統(tǒng)的區(qū)別1.4 控控制工程師的職責(zé)制工程師的職責(zé)1.5 本課程特點(diǎn)、目標(biāo)及本課程特點(diǎn)、目標(biāo)及學(xué)習(xí)方法學(xué)習(xí)方法1.6 信號(hào)傳輸與系統(tǒng)組成信號(hào)傳輸與系統(tǒng)組成考評(píng)考評(píng)展望展望作業(yè)與思考作業(yè)與思考 1.1、自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念與應(yīng)用 溫度控制系統(tǒng)溫度控制系統(tǒng)（舉例、畫(huà)圖）（舉例、畫(huà)圖）開(kāi)環(huán)控制優(yōu)點(diǎn)開(kāi)環(huán)控制優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)廉、安裝、調(diào)試簡(jiǎn)便，缺點(diǎn)缺點(diǎn)精度低、易受各種干擾影響。閉環(huán)

2、控制優(yōu)點(diǎn)閉環(huán)控制優(yōu)點(diǎn)：精度高、準(zhǔn)確、快速、靈敏，缺點(diǎn)缺點(diǎn)：機(jī)構(gòu)復(fù)雜、調(diào)試復(fù)雜、成本高。各部件的作用閉環(huán)控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)框圖自動(dòng)控制-緒論閉環(huán)控制系統(tǒng)舉例瓦特離心調(diào)速器磁懸浮軸承縱向子系統(tǒng)收卷控制自動(dòng)火炮閉環(huán)控制系統(tǒng)舉例目標(biāo)方位跟蹤式導(dǎo)彈發(fā)射架目標(biāo)方位跟蹤式導(dǎo)彈發(fā)射架系統(tǒng)系統(tǒng)方位方位俯仰俯仰 1 1執(zhí)行元件執(zhí)行元件: : 驅(qū)動(dòng)控制對(duì)象，改變被控量（輸出量）。驅(qū)動(dòng)控制對(duì)象，改變被控量（輸出量）。伺服系統(tǒng)中伺服系統(tǒng)中/ /過(guò)程控制系統(tǒng)中過(guò)程控制系統(tǒng)中 2 2測(cè)量元件測(cè)量元件: : 將被測(cè)量檢測(cè)出來(lái)并轉(zhuǎn)換成另一種容易處理將被測(cè)量檢測(cè)出來(lái)并轉(zhuǎn)換成另一種容易處理和使用的量（例如電壓）。和使用的量（例如電壓

3、）。測(cè)量元件一般稱(chēng)為傳感器，過(guò)程控制中又稱(chēng)為變送器。測(cè)量元件一般稱(chēng)為傳感器，過(guò)程控制中又稱(chēng)為變送器。物理物理/ /幾何幾何/ /電特性電特性/ /光電光電/ /磁磁電電主要元件功能主要元件功能 3功放元件功放元件: : 將控制驅(qū)動(dòng)信號(hào)幅值放大，輸出較大功率將控制驅(qū)動(dòng)信號(hào)幅值放大，輸出較大功率以驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件動(dòng)作。以驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件動(dòng)作。 4 4校正元件（補(bǔ)償元件）校正元件（補(bǔ)償元件） : :實(shí)現(xiàn)運(yùn)算的硬件和軟件。實(shí)實(shí)現(xiàn)運(yùn)算的硬件和軟件。實(shí)現(xiàn)對(duì)控制信號(hào)的運(yùn)算，對(duì)功放元件輸出驅(qū)動(dòng)指令，確保系現(xiàn)對(duì)控制信號(hào)的運(yùn)算，對(duì)功放元件輸出驅(qū)動(dòng)指令，確保系統(tǒng)穩(wěn)定并達(dá)到規(guī)定的統(tǒng)穩(wěn)定并達(dá)到規(guī)定的性能指標(biāo)。性能指標(biāo)。采用多回

4、路控制是工程上獲得高性能控制的常用方案采用多回路控制是工程上獲得高性能控制的常用方案4、穩(wěn)定性（工程上是默認(rèn)，工程上的穩(wěn)定性指隨溫度、參數(shù)變化是否能保證、穩(wěn)定性（工程上是默認(rèn)，工程上的穩(wěn)定性指隨溫度、參數(shù)變化是否能保證一定性能，實(shí)際上指的是控制的魯棒性）一定性能，實(shí)際上指的是控制的魯棒性）系統(tǒng)2三種不同控制器輸出響應(yīng)1 ）跟蹤輸入指令；）跟蹤輸入指令；2）抑制干擾）抑制干擾1.2、對(duì)、對(duì)控制系統(tǒng)的要求控制系統(tǒng)的要求控制系統(tǒng)基本要求控制系統(tǒng)基本要求：1、快速性快速性(帶寬、最大速度、最大加速度帶寬、最大速度、最大加速度)；2、穩(wěn)態(tài)誤差（精度）；、穩(wěn)態(tài)誤差（精度）；3、其它要求（溫度范圍、尺寸、其

5、它要求（溫度范圍、尺寸）；）；系統(tǒng)1三種不同控制器輸出響應(yīng) 1.3、計(jì)算機(jī)仿真與實(shí)際系統(tǒng)的區(qū)別 工程實(shí)際： 高階、非線性、干擾、變參數(shù) 計(jì)算機(jī)仿真或理論： 降階、線性、時(shí)不變 既不可能、也無(wú)必要既不可能、也無(wú)必要導(dǎo)彈研制過(guò)程:數(shù)字仿真數(shù)字仿真，然后將實(shí)際導(dǎo)引頭、舵機(jī)等部件與仿真轉(zhuǎn)臺(tái)等附件構(gòu)成的半實(shí)物仿真半實(shí)物仿真系統(tǒng)進(jìn)行仿真，最后是實(shí)彈打靶實(shí)彈打靶。前一步完成是啟動(dòng)后一步的條件，最后一步成功才能產(chǎn)品化的條件。要想建立與工程實(shí)際相同的模型， 1.4、控控制工程制工程師的職責(zé)師的職責(zé)項(xiàng)目研發(fā)中項(xiàng)目研發(fā)中控制工程控制工程師應(yīng)處于主導(dǎo)師應(yīng)處于主導(dǎo)地位地位 1.5 本課程特點(diǎn)、目標(biāo)及學(xué)習(xí)方法本課程特點(diǎn)、

6、目標(biāo)及學(xué)習(xí)方法方法方法：（與理論的區(qū)別）：（與理論的區(qū)別）控制工程師就是系統(tǒng)工程師控制工程師就是系統(tǒng)工程師是否需要加偏心負(fù)載平衡？是否需要多付出一倍的成本將機(jī)械固有頻是否需要加偏心負(fù)載平衡？是否需要多付出一倍的成本將機(jī)械固有頻率提高率提高30%？系統(tǒng)布線？電磁兼容性？系統(tǒng)布線？電磁兼容性？溫度控制專(zhuān)家溫度控制專(zhuān)家？磚家磚家？目標(biāo)：系統(tǒng)工程師（使用者）目標(biāo)：系統(tǒng)工程師（使用者）區(qū)分以下不同：data、information、 understanding 、Knowledge、wisdom116:38:051.6、信息信息傳輸與系統(tǒng)組成傳輸與系統(tǒng)組成1、模擬量：模擬量： （-10V+10V、010

7、mA、420mA等）控制系統(tǒng)中的以信息為主的電信號(hào)，相對(duì)微弱。如參考輸入R、反饋信號(hào)yf、和控制信號(hào)uc。由于系統(tǒng)中總是存在一定噪聲、干擾，所以這些信號(hào)又不能太小，是技術(shù)便捷性、信噪比的折中，有一些常用標(biāo)準(zhǔn)。信息傳輸?shù)闹饕笜?biāo)：快、準(zhǔn)（存在噪聲、干擾時(shí)，這兩個(gè)常常會(huì)矛盾，需要權(quán)衡）2、數(shù)字量：數(shù)字量：數(shù)字量傳送較模擬量抗干擾能力強(qiáng)（標(biāo)準(zhǔn)TTL輸入高電平最小2V，輸出高電平最小2.4V,典型值3.4V,輸入低電平最大0.8V，輸出低電平最大0.4V，典型值0.2V。） 傳輸方式傳輸方式1串口串口：RS232、RS422、RS485、CAN （Controller Area Network）、工業(yè)

8、以太網(wǎng)、PROFIBUS等，快速性指標(biāo)：波特率（Baud rate）或比特率用b/s (bps)、bit/s、比特/秒）傳輸方式傳輸方式2并行口：并行口：同時(shí)通過(guò)多條數(shù)據(jù)線傳輸信息，一次傳輸一個(gè)字節(jié)?？煊诖?，常用于近距離傳輸，如板卡之間。126:38:053、信息傳輸、信息傳輸3.3、I/O接口量：接口量：通?？刂葡到y(tǒng)中的使能、啟動(dòng)、切斷主電路電源、抱閘等采用開(kāi)關(guān)量傳輸、控制，這些量通常直接采用I/O接口進(jìn)行連接，如PLC、工控機(jī)上的I/O接口。輸入接口輸出接口原因：一個(gè)大系統(tǒng)就一個(gè)參考電位，所有的信號(hào)直接連接是技術(shù)噩夢(mèng)136:38:054、模擬控制器模擬控制器Z1為R，Zf為電容1/sc，

9、為積分器模擬運(yùn)算放大器)VV(ZZVifir1fo 主要優(yōu)缺點(diǎn)：1、易受干擾：模擬量的處理均容易受到干擾、噪聲、零點(diǎn)飄移等影響，工 業(yè)現(xiàn)場(chǎng)AD、 DA板模擬信號(hào)做到不超過(guò)35mV的干擾已經(jīng)不易了；2、不易獲得準(zhǔn)確的較正參數(shù)：模擬運(yùn)算放大器常選用商品化的R、C，由于 R、C的值均是離散的值，且有一定誤差，如果還需調(diào)試就更困難了；3、實(shí)現(xiàn)困難：特別比較復(fù)雜的控制，如抗飽和、變控制參數(shù)等，采用基于硬件的模擬控制就非常困難了。用處：比如簡(jiǎn)單、固定參數(shù)的PID控制器，上述缺點(diǎn)影響可以承受，價(jià)格敏感地方。如系統(tǒng)的內(nèi)環(huán)閉環(huán)控制。1、6 某項(xiàng)目計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)構(gòu)成146:38:05某三軸轉(zhuǎn)臺(tái)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)構(gòu)成1

10、、6串口總線156:38:051.7、考評(píng) 實(shí)驗(yàn)40%（必須參加） 考試50% 平時(shí)10%（作業(yè)、考勤，無(wú)故缺席每次扣1分， 累計(jì)扣3分就不用考試了）1.8、展望作業(yè) 1、定性設(shè)計(jì)主動(dòng)磁懸浮軸承控制系統(tǒng)，畫(huà)出控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)框圖，并簡(jiǎn)述系統(tǒng)各元部件的主要指標(biāo)、要求及控制系統(tǒng)的主要指標(biāo)要求。 2、結(jié)合本專(zhuān)業(yè)定性討論一個(gè)實(shí)際控制系統(tǒng)的構(gòu)成，畫(huà)出控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)框圖，簡(jiǎn)述系統(tǒng)各元部件的主要指標(biāo)、要求及控制系統(tǒng)的主要指標(biāo)要求。 3、或自己敢興趣的實(shí)際課題興趣思考1、如果自行車(chē)車(chē)把歪了，但人騎自行車(chē)仍然能按人想要的軌跡騎行而不歪，簡(jiǎn)述其基本原理。2、如果一個(gè)人去撿拾靜止的鉛筆，發(fā)現(xiàn)這個(gè)人手在鉛筆前后振蕩次數(shù)很多，甚至無(wú)法穩(wěn)定，請(qǐng)從控制系統(tǒng)工程師的角度分析一下振蕩可能的原因。如果該人在沒(méi)有試圖做什么的時(shí)候，手是不振顫的，請(qǐng)進(jìn)一步確定振蕩的原因。3、