FeedbackControl1.ppt

自动控制理论 ControlSystemAnalysisandDesign References 总学时 90学分 4 5讲课 72学时实验 18学时 2 BenjaminC Kuo AutomaticControlSystems M Prentice Hall1995SeventhEdition 3 RichardC Dorf 现代控制系统 M 北京 高等教育出版社 2001第八版 4 卢子广等 自动控制理论 M 北京 机械工业出版社 2009 1 JohnJ Dazzo LinearControlSystemAnalysisandDesign M McGraw Hill 1995 答疑预约地点 电气楼5楼 Email xyhe CourseIntroduction Somethingyoushalltakecare FinishyourassignmentsbeforelectureTobuild3 5teamsyourselvesPreviewtextbookbeforelectureBeactiveduringlectureDouseMATLABtohelpyourself CourseFeatures 1 是一门专业基础 专业课自动控制理论是一门技术学科 从方法论的角度来研究自动控制系统的模型建立 分析与设计 与其他学科的系统分析与设计存在共同之处 CourseFeatures 2 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20世纪40年代的经典反馈控制理论发展到 自适应控制 优化控制 鲁棒控制 大系统控制 智能控制等多个分支 研究的对象已经从工程系统发展到 经济 社会 交通 环境 医学 生物多个领域 CourseFeatures 3 主要内容 自动控制的一般概念 常见物理系统的数学模型 线性控制系统的一般分析 设计 校正 综合 方法以及线性离散系统分析与设计初步 非线性系统分析基础 主要的学习目的和任务 掌握关于自动控制系统的基本概念 基本理论和基本方法 掌握线性控制系统的数学模型建立 系统分析和综合方法 线性离散系统的分析方法和非线性控制系统的基本概念和分析的基本方法 ThePositioninCurriculumProgram 电机与拖动 模拟电子技术 线性代数 高等数学 含微分方程 复变函数 拉普拉斯变换 电路理论 大学物理 力学 热力学 信号与系统 运动控制 过程控制 检测技术 计算机控制技术 现代控制理论 Chapter1AnOverviewandBriefHistoryofFeedbackControl APerspectiveonFeedbackControlChapterOverviewAnExampleofFeedbackSystemSimpleAnalysisABriefHistoryonFeedbackControlAnOverviewofBook APerspectiveonFeedbackControl Manuallevelcontrol eyes arms Plant Process tankControlledvariable waterlevelInput desiredwaterlevelMan sfunction measurementcomparingandoperating brain input Automaticlevelcontrol input controller actuator Levelmeasuring Plant tankControlledvariable waterlevelInput desiredwaterlevelControlsystem sfunction measurement comparingandoperating Controlsystem APerspectiveonFeedbackControl Open LoopControl BlockDiagramofOpen LoopControl Controller Process controlledvariable output response input reference controlsignal manipulatedvariable Atleasttwoproblemswithopenloopcontrol disturbance noise Whyopenloop Closed LoopControl Italsocalledfeedbackcontrol input error output Process Controller Sensor BlockDiagramofClosed LoopControl Normallyusenegativefeedback disturbance noise Feed forwardControl output Process Controller BlockDiagramofFeed forwardControl disturbance MoreaboutBlockDiagram Thearrowsaretherepresentationofinformation signals MoreaboutBlockDiagram Twotypesofblockdiagram MoreaboutBlockDiagram Theconnectionofblockdiagram MoreaboutBlockDiagram Theconnectionofblockdiagram 1 1ASimpleFeedbackSystem thermostat Todrawablockdiagramisthefirstthinginsystemanalysis 1 1ASimpleFeedbackSystem 1 1ASimpleFeedbackSystem Plant 1 2AFirstAnalysisofFeedback Now theproblemwehaveishowtodesigncontroller 1 2AFirstAnalysisofFeedback Cruisecontrolofanautomobile tobuildsomemodels ignorethedynamiccharacteristicofsystem 1 changeinthrottleangle 10mphchangeinspeed 1 changeingrade 5mphchangeinspeed Desiredspeedis65mph Actualspeed 65mph throttleangle TheBlockDiagramofaCruiseControl Controller Autobody speedometer Engine 1 2AFirstAnalysisofFeedback roadgrad 1 2AFirstAnalysisofFeedback 1 2AFirstAnalysisofFeedback Erroranalysis yol 10 u 0 5w r 5w eol r yol 5w 1 2AFirstAnalysisofFeedback Erroranalysis ClassificationofControlSystems 按控制方式 闭环 开环 前馈 复合按系统性能 线性 非线性 连续 离散 定常 时变 确定 随机 集中参数 分布参数按参考输入变化规律 恒值 随动 程序控制按系统功能 温度 压力 液位 流量 位置按元件类型 机械 电气 机电 液压 生物 气动按 输入 输出 变量个数 单输入单输出 SISO 多输入多输出 MIMO Whatistheperformanceindexesofacontrolsystem Stability thecontrolledsystemshallbestable Fast theoutputshallfollowthedesiredinputquickly Accuracy thedifferencebetweenthedesiredinputandoutputshallbeaslittleaspossible 稳 快 准 HistoryofAutomaticControl 古代控制 公元前300年左右 李冰设计和建造的都江堰水利工程 运用了反馈原理 指南车 东汉 张衡 三国 马钧 水运仪象台 宋 公元1088年 苏颂 公元前300年至公元前1年 古希腊出现的浮球调节装置 大约公元250年 Philong发明的油灯 其中用浮球调节装置来保持燃油的油面高度 还有古希腊的水钟 HistoryofAutomaticControl 2 近代欧洲最早发明的反馈系统是荷兰人CornelisDrebbel 1572 1633 发明的温度调节器 DennisPapin 1647 1712 在1681年发明了锅炉压力调节器 mercury Alcohol water damper HistoryofAutomaticControl 3 J C Maxwell 1831 1879 1868年发表的文章 OnGovernors 首先全面地论述了反馈系统的稳定性 建立了调速器的微分方程 在平衡点附近线性化后 获得了代数特征方程 并以该方程的根作为判断稳定性的依据 他解决了二阶 三阶系统的稳定性 随后 剑桥大学的E J Routh与瑞典的Hurwitz解决了高阶系统的稳定性判断 1769年 为了解决工业生产中蒸汽机的速度控制问题 J Watt 瓦特 1736 1819 发明了蒸汽机 他在蒸汽机上安装了一个飞球 构成蒸汽机调速器 近代控制 Fly BallGovernor A Lyapunov 1857 1918 俄国数学家 在他的博士论文中 Lyapunov系统地研究了由微分方程描述的一般运动系统的稳定性问题 建立了著名的Lyapunov方法 M Minorsky 美国工程师 在 年首先提出了 控制方法 成功地将其应用于美国海军军舰NewMexico的控制问题 H S Black AT T贝尔实验室的研究员 于1927年发明了负反馈方法与电子放大器 其工作为现代电子系统和通信系统奠定了基础 HistoryofAutomaticControl 4 经典控制 在第二次世界大战中 因为飞机自动驾驶仪 火炮位置跟踪系统 雷达天线跟踪系统以及其它的军事方面的应用 反馈控制变成一种重要的方法 在20世纪40年代之前 这些系统的设计和制造主要依赖于实验 试凑法 在美国的MIT Bell实验室的一批科学家工程师 例如N Wiener V Bush H Nyquist H W Bode N B Nichols C Shannon H Hanzen等为首的科学家设计了一系列的自动控制装置和系统 HistoryofAutomaticControl 5 40年代期间 数学解析与数值方法引进到控制系统分析与设计 这时 控制工程才成为一门真正的工程学科 1948年 N Wiener 维纳 的著作 CyberneticsorcontrolandCommunicationintheAnimalandtheMachine 控制论 的发表 开创了 控制论 这样一门新学科 其目的是研究一个系统的各个不同部分之间的相互作用的定性性质以及整个系统的运动状态 1954年 钱学森出版了第一部系统地关于工程系统控制的著作 EngineeringCybernetics 工程控制论 1980年钱学森与宋健等人完成了 工程控制论 中文修订版 HistoryofAutomaticControl 6 HistoryofAutomaticControl 7 20世纪60年代 R E Kalman 线性系统的可控性 可观性 滤波器理论以及代数结构等方面的贡献 成为现代控制理论的主要奠基人之一 L SPontryagin 创立了Pontryagin极大值原理 R Bellman 创立了Bellman动态规划 他们的工作为最优控制奠定了基础 20世纪70年代 80年代 K J Astrom等为代表的系统辨识 自适应控制理论与方法方面的工作 G Zames 非线性系统的稳定性分析 鲁棒控制等 L Zadeh 早期从事系统与控制理论的研究 60年代初创立了模糊集理论和模糊控制 现代控制 Summary 1 SystemInformationFeedback Summary 2 ControlReference InputServo RegulatorOpenloopClosedloopFeedback Process PlantActuatorSensorControllerBlockdiagramClassical ModernControl 1 1 b c 1 4 a AssignmentforChapter0ne 1 1Drawacomponentblockdiagramforeachofthefollowingfeedbackcontrolsystem a Themanualsteeringsystemofanautomobile b Drebble sincubator c Thewaterlevelcontrolledbyafloatandvalve d Watt ss