1、自动控制原理中国科学技术大学工业自动化研究所第一章第一章控制系统引论控制系统引论1.3 1.3 控制系统举例控制系统举例司机根据实际方向和期望方向之间的偏差来调整方向盘司机根据实际方向和期望方向之间的偏差来调整方向盘1.3 1.3 控制系统举例控制系统举例驾驶员驾驶员期望行驶期望行驶路线路线偏差偏差方向盘方向盘汽车汽车实际行驶实际行驶路线路线测量装置测量装置视觉和触觉视觉和触觉汽车驾驶控制系统汽车驾驶控制系统人在回路中人在回路中：在这个闭环反馈回路中，人是控制器、：在这个闭环反馈回路中，人是控制器、传感器，也是一部分执行机构。传感器，也是一部分执行机构。1.3 1.3 控制系统举例控制系统举例
2、典型的行驶方向响应典型的行驶方向响应1.3 1.3 控制系统举例控制系统举例期望输出期望输出:操作工要保持的参考液位操作工要保持的参考液位操操 作作 工工:控制器、功率放大器、执行器控制器、功率放大器、执行器传传 感感 器器:操作工的视觉操作工的视觉1.3 1.3 控制系统举例控制系统举例操作工操作工期望液位期望液位偏差偏差阀门阀门汽车汽车实际液位实际液位测量装置测量装置视觉视觉储罐液位人工控制系统储罐液位人工控制系统人在回路中人在回路中：在这个闭环反馈回路中，人是控制器、：在这个闭环反馈回路中，人是控制器、传感器，也是一部分执行机构。传感器，也是一部分执行机构。1.3 1.3 控制系统举例控
3、制系统举例对机器困难的任务对机器困难的任务对人类困难的任务对人类困难的任务检查苗圃中的秧苗检查苗圃中的秧苗在高温、有毒环境中检在高温、有毒环境中检查一个系统查一个系统在崎岖的路段驾驶车辆在崎岖的路段驾驶车辆不断重复地装配钟表不断重复地装配钟表在一盘珠宝中挑出最贵在一盘珠宝中挑出最贵重的珠宝重的珠宝驾驶飞机在夜晚和恶劣驾驶飞机在夜晚和恶劣天气着陆天气着陆任务难度：人与自动机器的对比任务难度：人与自动机器的对比随动系统随动系统（伺服系统伺服系统 Servo systemServo system）数控机床数控加工中心转台伺服系统雷达伺服系统火炮随动系统导弹发射架控制系统天文望远镜伺服跟踪系统磁盘、光
4、盘伺服系统1.3 1.3 控制系统举例控制系统举例随动系统随动系统（伺服系统伺服系统 Servo systemServo system）执行元件：多为电机执行元件：多为电机被控参数：位移被控参数：位移/角位移、速度角位移、速度/角速度、加速度角速度、加速度/角角 加速度等加速度等系统特点：多为单变量系统，基本没有纯滞后，时系统特点：多为单变量系统，基本没有纯滞后，时 间常数小，系统增益大。间常数小，系统增益大。设计要求：响应速度快，跟踪精度高，往往有超调设计要求：响应速度快，跟踪精度高，往往有超调 和震荡。和震荡。控制器设计方法：超前滞后校正网络。控制器设计方法：超前滞后校正网络。对模型的要求
5、：要求精确建模，也能够精确建模。对模型的要求：要求精确建模，也能够精确建模。1.3 1.3 控制系统举例控制系统举例1.3 1.3 控制系统举例控制系统举例采用高灵敏度摄像机检查半导体晶片的三轴控制系统采用高灵敏度摄像机检查半导体晶片的三轴控制系统旋转式倒立摆旋转式倒立摆1.3 1.3 控制系统举例控制系统举例DVD 与与 CD1.3 1.3 控制系统举例控制系统举例DVD伺服控制概述伺服控制概述 投射在光盘上的激光束的实际位置总是会投射在光盘上的激光束的实际位置总是会在盘片信号面垂直方向在盘片信号面垂直方向盘片圆周的半径方盘片圆周的半径方向及切线方向偏离所期望的正确位置，从而向及切线方向偏离
6、所期望的正确位置，从而出现聚焦误差出现聚焦误差径向跟踪误差等。为了保证径向跟踪误差等。为了保证激光头能准确无误地从间距为激光头能准确无误地从间距为 m级的信迹上级的信迹上读出数据，必须在光盘驱动器中设置正确跟读出数据，必须在光盘驱动器中设置正确跟踪信迹的伺服系统。踪信迹的伺服系统。DVD驱动器数字伺服技术主要包括聚焦驱动器数字伺服技术主要包括聚焦伺服、跟踪伺服、进给伺服、主轴伺服。伺服、跟踪伺服、进给伺服、主轴伺服。1.3 1.3 控制系统举例控制系统举例DVD伺服系统伺服系统1.3 1.3 控制系统举例控制系统举例DVD光盘伺服控制三视图光盘伺服控制三视图聚焦伺服聚焦伺服:聚焦线圈（聚焦线圈
7、（Focus Tracking）循迹伺服循迹伺服:进给电机（进给电机（Coarse Tracking）&跟踪线圈跟踪线圈（Fine Tracking）主轴伺服主轴伺服:主轴电机（主轴电机（Spindle Control）进出舱电机进出舱电机1.3 1.3 控制系统举例控制系统举例DVD伺服系统结构图伺服系统结构图1.3 1.3 控制系统举例控制系统举例DVD光点定点系统模型结构图光点定点系统模型结构图1.3 1.3 控制系统举例控制系统举例光盘驱动器光盘驱动器1.3 1.3 控制系统举例控制系统举例过程控制过程控制Process controlProcess control炼油炼油化工化工热工
8、热工动力动力造纸造纸陶瓷陶瓷制药制药1.3 1.3 控制系统举例控制系统举例过程控制过程控制Process controlProcess control执行元件：多为调节阀。执行元件：多为调节阀。被控参数：温度、压力（压强）、流量、液位、被控参数：温度、压力（压强）、流量、液位、PH PH值、成分、浓度等。值、成分、浓度等。系统特点：多变量耦合，大纯滞后，大惯性时间系统特点：多变量耦合，大纯滞后，大惯性时间 常数，系统增益小。常数，系统增益小。设计要求：闭环响应速度与开环响应速度相当，设计要求：闭环响应速度与开环响应速度相当，精度较低，往往不允许超调和振荡。精度较低，往往不允许超调和振荡。控制
9、器设计方法：控制器设计方法：PIDPID调节器。调节器。对模型的要求：无法精确建模。对模型的要求：无法精确建模。1.3 1.3 控制系统举例控制系统举例1.3 1.3 控制系统举例控制系统举例锅炉发电机的协调控制系统锅炉发电机的协调控制系统1.3 1.3 控制系统举例控制系统举例我国能源利用率低，仅为我国能源利用率低，仅为32，比发达国家低，比发达国家低10 20，单位产值的能源消耗量是世界平均水，单位产值的能源消耗量是世界平均水平的平的4.6倍，日本的倍，日本的13.4倍，印度的倍，印度的1.9倍。倍。工业锅炉、加热炉是重要的能源转换设备，也是工业锅炉、加热炉是重要的能源转换设备，也是量大面广的耗能设备。我国目前拥有各型工业锅炉、量大面广的耗能设备。我国目前拥有各型工业锅炉、加热炉五十余万台，每年仅消耗燃煤就达三亿多吨，加热炉五十余万台，每年仅消耗燃煤就达三亿多吨，占我国原煤产量的三分之一以上。占我国原煤产量的三分之一以上。采用先进的自动化技术，我们取得节能采用先进的自动化技术，我们取得节能3.7417 的卓越成果。的卓越成果。中国石油大庆石化公司自备电厂中国石油大庆石化公司自备电厂中国石油大庆石化公司自备电厂中国石油大庆石化公司自备电厂水处理车间的正负离子树脂交换罐水处理车间的正负离子树脂交换罐锅炉给粉机锅炉给粉机电厂热工车间电厂热工车间锅炉锅炉锅炉铭牌锅炉铭牌
