自控学习向导1.doc

自控学习向导1.txt只要你要，只要我有，你还外边转什么阿老实在我身边待着就行了。听我的就是,问那么多干嘛，我在你身边,你还走错路!跟着我!不能给你幸福是我的错，但谁让你不幸福，我TMD去砍了他 本文由chlx4501贡献 ppt文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 控制理论与控制工程展望 自动控制理论与控制工程 熊 蕊 华中科技大学电气与电子工程学院 Huazhong University of Science and Technology College of Electrical and Electronic Engineering 控制理论与控制工程展望 INDEX 自动化能做什么 关于自动化学科 自动控制的历史回顾 自动控制的理论和方法 自动控制与专业课程的联系 如何学习自动控制理论 展望 2 控制理论与控制工程展望 自动化能做什么 自动化和生活、生产、国防建设、科技进步息息相关。 自动化和生活、生产、国防建设、科技进步息息相关。自 动控制系统渗透了现代生活。 动控制系统渗透了现代生活。自动控制技术的发展已经 使得如下梦想和应用成为现实： 使得如下梦想和应用成为现实： 登月飞行; 登月飞行; 探索太空； 探索太空； 太空运载工具的成功运行; 太空运载工具的成功运行; 宇宙飞船; 宇宙空间站; 宇宙飞船; 宇宙空间站; 机器人; 机器人; 工业控制, 诸如温度、压力、流量、液位，等等. 工业控制, 温度、压力、流量、液位，等等. 3 控制理论与控制工程展望 Utah/MIT 灵巧机械手 4 控制理论与控制工程展望 Boeing 757 and 767.的驾驶舱以拥有数字控制电子设备而著称 的驾驶舱以拥有数字控制电子设备而著称 5 控制理论与控制工程展望 娱乐机器人 娱乐机器人 Albo 6 控制理论与控制工程展望 航天飞机和机械臂 宇航员控制机械臂 7 控制理论与控制工程展望 人和自动化机器的对比 自动化能做什么 人和自动化机器的对比 机器难以 完成的任 务 检查苗圃中 的幼苗； 的幼苗； 在崎岖不平 的地区驾驶 车辆； 车辆； 辨认贵重珠 宝； 照顾婴儿； 照顾婴儿； 人难以完成 的任务 在危险、高温、 在危险、高温、 有毒环境中操作 工作； 工作； 不断重复地操纵 、观测仪器仪表 ； 驾驶飞机在恶劣 天气和夜晚着陆 人工控制的阀门控制系统 8 控制理论与控制工程展望 自动化能做什么 提高生产率 在美国短暂的历史中劳动力的迁移追随着劳作机械化的进步，机械化对 美国从农业国向工业国转化起到了革命性的作用：1820年，超过70%的劳动 力集中在农场；1900年，只有不足40%的劳动力还在从事农业生产，而目前 这一比例已降到5%以下。 1925年，美国从地下矿井中开采5.2亿吨烟煤和褐煤需要58.8万名工人， 约占全国劳动力的1.3%。到了1980年，产量增至7.74亿吨，而所需工人降至 2.08万，并且只有1.36万人在从事井下作业。 改善装置或系统的性能 始于工业革命的不断加快的技术革新主要是将人类从体力劳动中解放 出来，而计算机技术引发的新技术革命则正在带来同样巨大的社会变革；计 算机采集和处理信息能力的提高，使人类的脑力得到拓展和延伸。 9 控制理论与控制工程展望 关于自动化学科 控制工程是一个充满新奇和挑战的领域。从本质上讲，控制工程是一个跨 自动控制类课程是其核心课程。 学科的综合性工程学科，而自动控制类课程 自动控制类课程 在各学科都有广泛而必需的应用：航空航天技术；机器人技术；车辆、船 舶、飞机的自动导航和驾驶；半导体制造业的自动生产和自动检测；电力工 业的生产、调度中的各变量协调控制；冶金工业在对温度、板材厚度、宽度 和质量的控制；工业应用部门对能源消耗进行的管理和控制；自动仓储和库 存管理中的反馈技术应用；农业中的自动控制的保鲜饲料室和自动耕种、收 割机械；生物医学试验、诊断、康复医学和生物控制系统中的广泛应用；社 会、政治和经济领域中也采用了反馈方法进行建模。 以电气工程 电气工程学科为例：电气工程及其自动化 电气工程及其自动化跨电气工程、计算机科学与技 电气工程 电气工程及其自动化 术、控制科学与工程三个学科，是一个宽口径的专业。从近半个世纪的发展 看，电气工程学科的发展史就是与自动控制理论、电力电子技术、计算机技 术相互促进、共同发展的历史，或者说，电气工程学科的所有最新发展都与 自动控制理论、电力电子技术、计算机技术的进步密切相关，因而活力不竭。 。 10 控制理论与控制工程展望 关于自动化学科 自动化学科的主要专业 基础课程和专业课程 电路理论 电子技术（数电、模电） 电力电子技术 电磁场理论 检测技术 电机学 自动控制理论（经典、现代） 微机原理 计算机控制技术 自动调节装置 计算机多媒体与网络技术 过程控制系统 电力拖动及自动控制系统 单片机原理及应用 可编程序控制系统 供电技术 计算机仿真 楼宇自动化 自适应控制 系统辩识 模糊控制与神经元控制 电气与电子电路CAD技术 11 控制理论与控制工程展望 自动控制的历史回顾 1769 1800 1868 1913 1927 1932 1954 1960 1970 1980 1990 1994 James Watt 发明了蒸汽机和飞球调节器 Eli Whitney 的“可互换性生产”概念在滑膛枪生产中得到验证 可互换性生产” J. C. Maxwell 为一类蒸汽机的调节器建立数学模型 Henry Ford 在汽车生产中引入机械化装配机 H. W. Bode 分析了反馈放大器 MIT 对机床实施轴向控制，开发出数控 对机床实施轴向控制，开发出数控(NC)方法 方法 George Devol 开发出“程控物体转运器”，这被视为最早的工业机器人 开发出“程控物体转运器” 设计的基础上， 研制了第一台机器人， 在Devol 设计的基础上，Unimate研制了第一台机器人，并于 研制了第一台机器人 并于1961年应用它 年应用它 发展了多变量模型和最优控制 鲁棒控制系统设计得到广泛研究 出口外向型产业公司强调自动化 汽车上广泛采用反馈控制系统；工业生产需要可靠性高、 汽车上广泛采用反馈控制系统；工业生产需要可靠性高、鲁棒性强的控制系 统 12 控制理论与控制工程展望 自动控制的理论和方法 概念：开环、闭环、反馈控制、顺馈控制、参考输入、扰动输入 建模：微分方程、传递函数、方框图、频率响应、状态空间模型 经典控制理论：时域分析、复域分析、频域分析 建模 验证性能（稳定性、稳态性能、动态性能） 校正 再验证 13 控制理论与控制工程展望 自动控制的理论和方法 现代控制理论（多输入多输出、多变量控制）：时域分析 建模 根据给定性能（稳定性、稳态性能、动态性 能）来设置系统极点（系统实际性能） 与经典控制方法分析的比较： 与经典控制方法分析的比较： 经典控制理论： 经典控制理论：设计方法是从系统应达到的指标，不满足则考虑 加校正环节（只能同时考虑一个变量，增加校正环节时会增加系统的 阶数和复杂性；校正设计需反复进行校验，且不一定是最优的） 现代控制理论：同时可以考虑多个变量，设计是从指标系统，设 计一次完成，不需要多次校验，同时不增加系统的阶数和复杂性；状 态观测器可使系统实现性增强，成本降低 14 控制理论与控制工程展望 自动控制理论与专业课程的联系 电力工业关心的 基本问题储存、 控制和传输，广 泛采用计算机控 制，提高能源利 用率，实施废物 排放控制。 大型现代化发电 站，需要妥善处 理生产过程中的 各变量（多达90 余个操作变量） 之间的关系以提 高发电量，同时 这些变量需要提 供测量值以便控 制。这也充分体 现了测量的重要。 15 控制理论与控制工程展望 自动控制理论与专业课程的联系 电力电子学是电 电力电子学是电 力、电子与控制 三个学科的交叉 Vi 学科。 学科。这个新兴 学科能为传统电 力工业的发展和 改善电力的应用 E 提供先进技术， 提供先进技术， 它也是现代工业、 它也是现代工业、 交通运输、 交通运输、军事 装备和尖端科学 的基础技术， 的基础技术，包 括人类生活质量 和生存环境的改 善，都依赖于先 进的电能变换和 控制技术。 控制技术。 变成交流 A S1 S3 0 vo v1 C D T 2 vo E X-Axis (b) t t vo L C v0 C D S2 B S4 v1 R E vo 180 o 方波 2 0 v1 = Ton Ton t T 2 X-Axis T t 控制电压幅值 E vo vo (c) 宽度 180o 方波 t (a) 基本逆变电路 0 T/2 T t 控制电压波形 (d) PWM输出电压波形 16 控制理论与控制工程展望 自动控制理论与专业课程的联系 电气传动控制是 电气传动控制是 电力电子、 电力电子、控制 学科的结合 电力电子变换器 信号分析、 信号分析、滤波 反馈控制理论 检测技术（传感器） 检测技术（传感器） 17 控制理论与控制工程展望 自动控制理论与专业课程的联系 计算机控 制技术是 制技术是 现代控制理 论的最新和 最突出的应 用 检测技术（传感器） 检测技术（传感器） 电气传动控制 反馈控制理论 信号变换； 信号变换； 单片机技术 18 控制理论与控制工程展望 如何学习自动控制理论学习引导 如何学习自动控制理论学习引导 课程特点： 课程特点： 奠定在坚实的数学基础之上 控制工程的最终目标是实现对实际系统的控制， 控制工程的最终目标是实现对实际系统的控制，需要有实际系统的物理 学知识（以便建模） 学知识（以便建模） 分析方法有时域、复域、频域的，各种域的分析方法都是相关的， 分析方法有时域、复域、频域的，各种域的分析方法都是相关的，每一 个分析域中的结论都可以在另一个分析域中找到相对应的理论支撑。 个分析域中的结论都可以在另一个分析域中找到相对应的理论支撑。 最重要和最有效的学习方法对前人已得到的答案和方法的重新发现和创 对前人已得到的答案和方法的重新发现和创 最重要和最有效的学习方法 提出一系列的问题， 新：提出一系列的问题，并给出一些过去已经得到的答案 阅读、听课、记笔记都是学习过程的组成部分， 阅读、听课、记笔记都是学习过程的组成部分，但对学习效果的实际检 验则依赖于完成每章后面的习题，以及教师补充的部分能力测试题。 验则依赖于完成每章后面的习题，以及教师补充的部分能力测试题。解 题是提高学生解决问题能力的最有效途径。 题是提高学生解决问题能力的最有效途径。 在复习、学习控制工程的基本数学问题和方法论的基础上， 在复习、学习控制工程的基本数学问题和方法论的基础上，要掌握电气 工程及其它领域等物理系统的模型， 工程及其它领域等物理系统的模型，以及具有实用参数指标的实际控制 系统的设计。 系统的设计。 19 控制理论与控制工程展望 如何学习自动控制理论学习引导 如何学习自动控制理论学习引导 反馈的引入使我们能控制系统以便得 到预期的输出，改善系统的精度。但 它同时要求我们对系统响应的稳定性 给予足够的重视。 研究系统的这些性能必须要有数学模 型（因为系统输入和性能指标都是用 数学形式表示的） 由于时域分析有许多困难之处，而且 不直观，所以发展了变换域分析方法 在许多无法得到参数模型的情况下， 采用实验的方式可以得到非参数模型 ，因而又有对应的频域分析方法 20 对控制系统的基本要求 稳定性 动态性能 （快速平稳） 准确性（ 准确性（稳 态误差小） 态误差小） 控制理论与控制工程展望 如何学习自动控制理论学习引导 如何学习自动控制理论学习引导 稳定性 不稳定是由具有正实部的闭环极点 引起的。Routh Routh判据指出了正实部 Routh 闭环极点的个数 根轨迹能在系统参数变化时指出何 时闭环极点将走到S右半平面去（ 即变成正实部闭环极点），也能告 诉我们如何将一个不稳定的系统改 造（校正）成一个稳定系统 由于频域和时域的对应关系，不稳 定现象也可映射到频域中来，分别 产生了用Nyquist Nyquist图分析的定理和 Nyquist 用Bode Bode图分析的方法 Bode 21 Routh判据 判据 根轨迹位于S 根轨迹位于 左半平面（ 左半平面（复 域，根轨迹分 析方法） 析方法） Nyquist图的 图的 包围情况； 包围情况； Bode图的中 图的中 频段斜率 控制理论与控制工程展望 如何学习自动控制理论学习引导 如何学习自动控制理论学习引导 动态性能： 快速性和平稳性 复域中， 复域中，闭环 极点实部与响 应时间有关； 应时间有关； 虚部与振荡性 超调） （超调）有关 频域的Bode图中， 图中， 频域的 图中 截止频率与响应时间 快速性）有关； （快速性）有关；相 角裕度用来评估平稳 超调量） 性（超调量） 22 时域指标计 算（响应时 间、超调量 ） 控制理论与控制工程展望 如何学习自动控制理论学习引导 如何学习自动控制理论学习引导 稳态性能：稳态误差 时域指标计算 稳态误差） （稳态误差） 复域中， 复域中，开环积 分环节个数与增 益影响稳态误差 （在稳定的前提 下！） 频域的Bode图中 图中 频域的 ，低频段的斜率以 及增益与稳态误差 有关 23 控制理论与控制工程展望 如何学习自动控制