《控制系统设计》PPT课件.ppt

,课程性质：专业主干课 学时/学分：54/3 授课时间：第七学期 授课专业：自动化 先修课程：自动控制原理、电机与拖动、微机原理、电路基础、模拟与数字电路、液压传动与控制、自动控制元件 课程目的与任务： 本课程是一门基础与工程实践密切相结合的专业课程。其特点是所涉及的知识面宽、实践性强。通过本课程的学习，使学生了解和掌握一般反馈控制系统的设计方法、步骤，了解和掌握控制系统的调试、试验研究知识，使学生获得分析、解决实际控制系统设计问题的能力。,控 制 系 统 设 计,教学基本要求： 掌握分析控制系统误差的方法，并且能够熟练进行系统误差分配； 能够熟练地进行典型伺服系统负载分析与计算； 合理选择控制方案、伺服电机、检测装置、功率放大及减速装置； 熟悉掌握伺服系统的工程建模方法； 掌握伺服系统动态综合设计方法； 了解PWM直流伺服系统的组成、控制电路、功率转换电路的选择与保护、开关频率选择和动态设计； 熟练掌握伺服系统调试与试验方法。 考试形式：闭卷考试或完成答辩形式的课程设计 选用教材： 现代伺服系统设计 哈尔滨工程大学出版社 刘胜、彭侠夫 2001年,自动控制技术的发展历程 及未来发展方向 厦门大学信息科学与技术学院 彭侠夫,报告内容 前言 自动控制技术的发展历程 自动控制技术未来发展方向 结束语,前 言 什么是自动控制？ 自动控制是指机器或装置在无人干预情况下自动进行操作，它是围绕着工业生产的需要而形成和发展起来的，已广泛应用于人类社会的各个方面。 控制系统是指这样一种装置，它通过计算和反馈去修改一个系统的行为。 自动控制技术的发展离不开背景对象。 技术的进步是不断推动控制学科发展的动力。,自动控制技术的发展历程,反馈控制系统,瓦特离心调速器,火炮随动系统,59式100毫米高炮配用59-01型指挥仪和瞄5型雷达，主要用于对付12千米以内的水陆空目标。火炮有自动、手动瞄准方式。,左图 可遥控的自动驾驶仪的波音777飞机,右图 硬盘驱动系统,上图 我国第一艘深潜打捞救生器,下图 无缆水下机器人,某型猎雷声纳稳定平台系统,多自由度平台 1)可以作为航空飞行模拟器，能够在地面条件下复现模拟控制飞行的各种状态。 2)可以作为机器人的模拟运动机构，能够完成普通机器人不易完成或不能完成的某些运动。 3)在娱乐界可以作为体感模拟娱乐机，诸如UFO，航空航海旅行模拟器等。 4)用作飞机、船舶、潜艇、航天器等运动载体中相关仪器设备的试验。多自由度转台可以展现各类运载器的摇摆、回转和平移等运动。,仿 真 技 术,六柱六自由度摇摆转台,减摇水舱二自由度摇摆台,下左图：三轴多功能模拟转台。主要用于惯导系统的位置、速率与摇摆等试验。 下右图：三轴多功能转台。具有位置、速率、摇摆、伺服等功能，惯性系统及惯性元器件测试。,上图：双轴艇体摇摆台，主要用于艇体摇摆仿真实验。,下图：双轴伺服转台，该转台具有位置、速率、自动阶跃翻滚等功能，主要用于高精度测试各种二自由度陀螺漂移。,上图：三轴飞行仿真转台。主要用于惯测系统的标定、检测与实验，具设有位置、速率、摇摆、仿真等功能。,下图：三轴跟踪转台，与成像制导信息处理器配接，由信息处理输出为目标方位、俯仰误差信号，驱动转台跟踪指定目标。可以作测滚运动，模拟导弹在空中飞行的姿态变化。,麦克斯维尔引入微分方程开始对系统进行研究 维斯聂格拉斯基结合蒸汽机的特性，指出正确选择参数，可以保证系统稳定 劳斯提出代数稳定判据 胡尔维茨是第一个用理论指导和实现控制系统设计的人 布莱克首次应用负反馈概念实现控制系统设计 尼可尔斯提出PID的整定方法,自动控制理论的发展,1、适合于运载器的控制系统，包括飞机、舰船、导弹、运载火箭和人造卫星；这些控制系统提供了在大的环境情况下和系统不确定的情况下稳定的跟踪。 2、制造业中的控制系统，从汽车到集成电路；计算机控制的机器提供高质量、高成品率要求的部件和产品精确的定位和装配. 3、工业过程控制系统，尤其在碳氢化合物和化学加工工业方面；这些系统通过监控数以千计传感器信号，并对数以百计的阀门、加热器、泵及其它的传动装置做出相应的调节，以保持高的产品质量。 4、通信系统的控制，包括电话系统、移动电话、及互联网；控制系统调节在发射机与中继器中的信号功率电平，管理（操纵）网络邮件路由设备的信息包缓冲器，并且提供适合的噪声消除，对传输线特性的变化作出反应。,成 就 及 影 响,自动控制技术未来发展方向,从研究手段、方法和途径的角度看 1、对符号和连续动力学两者兼具的系统控制 下一代系统将把逻辑操作与连续量结合起来。当今的理论对这样的系统，特别是我们大型系统测量没被处理调谐得很好。 2、高级协调和自治 反馈正在越来越多地设计到企业的决策系统中，这包括提供一系列管理与后勤、领空管理与空中交通管制，以及军事指挥与控制系统。鲁棒控制系统的分析、设计过程必须扩展到这些更高水平的决策系统。,3、分布式的、异步的、网络环境中的控制 遍布于多个计算元的控制，通过基于信息包的通讯相互连接，为保证稳定性，效能及鲁棒性将要求新的形式。 4、 控制运算法的自动综合，带有综合证实与验证未来的工程系统将需要迅速地设计、重新设计，以及执行控制软件的能力。研究人员需要研发更强有力的设计工具使整个控制设计过程从模型到回路硬件仿真，包括系统级软件的验证与确认，全部自动化 。 5、不可靠的部件建造非常可靠的系统，即使当个别的部件失效时，大多数大工程系统必须继续工作。这需要设计允许系统重新自动配置自己，以便使它的性能逐渐地而不是突然地降低。,未来发展的5个主要领域 1、航空、航天、航海与运输 航空、航天、航海与运输包含一个非常重要的应用领域集合，其中，控制是一项关键的启动技术。这些应用领域代表现代世界的全部科技能力的一个重要部分。它们也是它的经济力量的主要的部分，而且它们非常有助于它的人民的幸福。控制在这些应用领域中的历史角色。,2、机器人技术和智能机械 机器人技术和智能机械是指包括带有类似人类行为的机械的发展的应用集合。然而早期的机器人包括有轮的和有腿的机器可能进行机器人竞赛和行星探测，无人飞行器的监视和搏斗，及给医生提供新能力的医学装置。未来的应用将包括增强自治权和增加同人类和同社会的相互作用。控制是在所有这些应用里的一个中心要素并且在将要发展的下一代智能机器的发展中更加重要。,3、生物学和医学 在多种水平的组织中，从分子的到细胞的到生物的直到一个人，生物学变得更易于接近工程中常用的方法：数学建模、系统理论、计算及综合的抽象方法。相反地，随着生物科学发展步伐的加速，预示着在人造系统里重要的实际应用的新设计原理。在生物学和工程界面的协同增效，提供了在这两个领域中迎接挑战的前所未有的机会。控制的原理是生物学工程大多数关键问题的重点，并且将在这个领域的未来中扮演一个启动角色。,4、材料及加工 材料、加工制造业的运转过程需要先进的信息和制造过程控制技术持续引入。工业必须保持低成本、可靠、最好的用户服务下交付产品的全球能力。这些新技术领域包括例如电子，化学，生物材料薄膜加工领域中的纳米技术，以及为提供一系列管理和企业资源分配设计的集成微系统。在这些领域中对新发展的盈利是巨额的，而且在从半导体、医药制品及大量材料产业的将来发展中，控制的使用是关键的。,5、信息与网络 通信网络的迅速发展为控制提供巨大的机会和挑战。可把它们粗略地分为两个主要领域：网络的控制和控制网络。 网络是迄今最大的反馈控制系统。网络的控制是一个大的范围，包括拥塞控制，邮件路由，数据存储和动力管理。这些控制问题的几个特征使他们非常富于挑战性。 另一个是控制问题的分散本质：局部与全局。由时变延迟使稳定性问题复杂化。状态可能经常地不可预见地变化。,从目前信息技术的发展来看，由于已经产生了一个允许用户相互交换信息的全球化因特网，这将产生更多的与物理环境、无线或有线交互作用。因而，下一个阶段的信息技术的革命和控制技术的发展必然是通信、计算和控制的汇集。,结 束 语 1、控制领域有着丰富的历史和强有力的成功纪录，它深深影响着在商业、军事及科学上的应用。数学的严格使用传统及强有力的与应用相互作用、相互结合，已经产生出一套在多种技术中使用的理论和方法。未来产生影响的机会甚至比过去更多。,2、通讯、计算和感知技术的普遍深入将启动控制的很多新的应用，但也将要求当今的理论和方法有相当可观的发展。控制界必须涵括新的、信息丰富的应用，并把现有的概念推广应用到决策的更高水平的系统中。随着新的、远期领域对控制技术的开放，该领域接下来的十年将会是硕果累累的。,3、对控制研究投资的回报是实质性的。它们包括对可靠、有效及鲁棒地运作系统的成功开发，可能通过生产过程的先进控制取得新材料和装置。通过控制技术的使用，增加对物