08-09(二)自控原理课程简介及第一章一般概念

2020 4 14 自动控制原理 1 自动控制原理戴波 共同努力 戴波010 8129214513681056362daibo 2020 4 14 自动控制原理 3 自动控制实例 水温控制系统 a 手动控制漫画 b 自动控制水温的手动控制和自动控制的示意图 2020 4 14 自动控制原理 4 热力系统的例子热力系统的人工反馈控制 2020 4 14 自动控制原理 5 热力系统的自动反馈控制 2020 4 14 自动控制原理 6 自动化技术形成时期 18世纪末至20世纪30年代 公元1788年J 瓦特将离心式调速器与蒸汽机的阀门连接起来 构成蒸汽机转速的闭环自动调速系统 2020 4 14 自动控制原理 7 现代化的工厂 2020 4 14 自动控制原理 8 磁盘驱动器 2020 4 14 自动控制原理 9 信息时代 2020 4 14 自动控制原理 10 信息时代 2020 4 14 自动控制原理 11 计算机科学与技术专业 培养目标 本专业培养具有良好的科学素养 系统地 较好地掌握计算机科学与技术包括计算机硬件 软件与应用的基本理论 基本知识和基本技能与方法 能在科研部门 教育单位 企业 事业 技术和行政管理部门等单位从事计算机教学 科学研究和应用的计算机科学与技术学科的高级专门科学技术人才 2020 4 14 自动控制原理 12 计算机科学与技术专业 本专业主要职业发展方向和可能的职业发展方向第一类路线 纯技术路线 信息产业是朝阳产业 对人才提出了更高的要求 因为这个行业的特点是技术更新快 这就要求从业人员不断补充新知识 同时对从业人员的学习能力的要求也非常高 第二类路线 由技术转型为管理 这种转型尤为常见于计算机行业 比方说编写程序 是一项脑力劳动强度非常大的工作 随着年龄的增长 很多从事这个行业的专业人才往往会感到力不从心 因而由技术人才转型到管理类人才不失为一个很好的选择 2020 4 14 自动控制原理 13 计算机科学与技术专业 就业要求 1 网络工程方向 具有扎实的网络工程专业基础 较好的综合素质 能系统地掌握计算机网络和通信网终技术领域的基本理论 基本知识 能掌握各类网络系统的组网 规划 设计 评价的理论 方法与技术 获得计算机网络设计 开发及应用方面良好的工程实践训练 特别是获得大型网络工程开发的初步训练 2 软件工程 学习如何采用先进的工程化方法进行软件开发和软件生产 计算机软件主流开发技术 软件工程 软件项目过程管理等基本知识与技能 熟练掌握先进的软件开发工具 环境和软件工程管理方法 培养学生系统的软件设计与项目实施能力 胜任软件开发 管理和维护等相关工作的专业性软件工程高级应用型人才 2020 4 14 自动控制原理 14 计算机科学与技术专业 就业要求 3 信息工程 以电子技术 计算机技术和通信技术为基础 以信号与信息的获取 传输 存储 处理为学习和研究对象 要求系统的学习信息科学的基本理论和基本知识 具有从事信息工程和电子工程的综合设计 开发 集成应用及维护等能力的高级应用型技术人才 主要的研究领域包括 计算机网络与移动通信 信号与信息处理新方法 数字图像处理及压缩技术 单片机原理及应用 DSP原理及应用和现代通信系统 程控交换等通信领域新技术新业务的研发等 4 网络与信息安全 以信息安全技术和网络技术为基础 以信息安全和网络协议 网络产品的研究 开发 运行 管理和维护为学习和研究对象 掌握网络中实现信息安全的相关技术 系统的学习信息科学和通信系统的基本理论和基本知识 使学生受到严格的科学试验训练和科学研究初步训练 具有从事信息安全和网络工程综合设计 开发 维护及应用等基本能力的高级应用型技术人才 2020 4 14 自动控制原理 15 课程简介 一 课程意义 自动控制原理 是信息工程学院专业基础平台课程 电气信息类专业标志性课程 必修课 核心课 是多个专业的考研课程之一 考研内容 自动控制原理 经典 本课程 现代 下学期开 课程位置 2020 4 14 自动控制原理 16 电气信息类专业 自动化 电气工程及其自动化计算机科学与技术 通信工程电子信息工程 电子科学与技术生物医学工程等7个专业 教育部普通高等学校本科专业设置 2001版 电气信息类人才需求特点 综合化的趋势越来越强 创新能力的要求越来越高 需求量越来越大 2020 4 14 自动控制原理 17 电气信息类专业特点 电类专业 理论基础是三论 信息论 系统论 控制论 发展趋势 强电弱电计算机 用计算机进行信息处理 融合越来越强 各专业的特点构成了计算机应用的不同侧面 专业知识更新周期越来越短 面临以信息技术改造后的传统专业主体地位越来越强的严峻挑战 2020 4 14 自动控制原理 18 应对挑战 人才培养模式电气信息类专业基础平台 专业课群加强专业基础教育加强专业课系统性和创新性提高专业的综合性和适应性组合多方向的特色专业方向加强培养方案的柔性 实现 专业是课程的组合 的理念 努力构建 厚基础宽口径 的电气信息类专业应用型创新人才培养体系 2020 4 14 自动控制原理 19 2020 4 14 自动控制原理 20 是电气信息类专业重要的技术基础课 具有较强烈的应用数学色彩 目的是培养学生系统的思维方式 系统的认识和影响事物 2020 4 14 自动控制原理 21 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 从基本反馈控制原理发展到 自适应控制 优化控制 鲁棒控制 大系统控制 智能控制 讨论的对象 因果系统 工程系统 系统的广义性 经济 社会 工程 生物 环境 医学等 课程特点 研究系统的共性问题 2020 4 14 自动控制原理 22 二 学习方法 十分重视系统思维方式的建立 建立的越早对课程的理解越容易 因数学色彩较浓 课程有一定难度 要下工夫 多做题 一定要独立完成作业 注意与前面已修数学课程的联系和区别 每章结束 一定要写小结 这是固定作业 2020 4 14 自动控制原理 23 怎样学好理论课 理论课是指具有严格的理论体系 需要定量描述和抽象思维的一类课程 1 广泛阅读参考书籍 进行相互印证 深刻理解理论体系 2 完成大量练习 积极讨论问题 在试做习题之前 一定要对有关理论内容 有初步的理解 不然则是事倍功半 个人的理解有时会出现偏差 通过集体讨论可以纠正错误理解或相互补充 3 理论联系实际 演绎归纳并重 理论联系实际是一个好的学习方法 许多理论课程采用的是演绎体系 即由一般到个别的过程 但是 工程实践类的知识往往是归纳体系 即由个别到一般的过程 在学习理论课时 需要正确把握演绎方法和归纳方法的正确运用 2020 4 14 自动控制原理 24 三 参考书1 现代控制工程 第三版 ModernControlEngineering 美 KatsuhikoOgata著电子工业出版社2000 5 特点 经典与现代结合 引入Matlab 国外电子信息科学经典教材系列 90 00元2 自动控制系统 第八版 AutomaticControlSystems 美 BenjaminC Kuoden等著高等教育出版社2004 7 特点 经典与现代结合 把控制理论 实际例子与计算机工具有机结合 给出了计算软件和虚拟实验室 47 9元3 现代控制系统 第八版 ModernControlSystems 美 RichardC Dorf等著高等教育出版社2001 6 特点 给出了大量的实际例子 特别是以磁盘驱动控制系统作为 循序渐进设计示例 每章分别研究了磁盘驱动控制系统设计的不同方面 55 00元4 自动控制原理清华大学哈尔滨工业大学等特点 传统教材 有利于考研 2020 4 14 自动控制原理 25 四 考试方式 期末闭卷考试 70 实验成绩 20 平时成绩 10 五 作业每星期一交作业 2020 4 14 自动控制原理 26 第一章自动控制的一般概念 自动控制理论历史回顾自动控制系统一般概念基本控制方式自动控制系统的分类自动控制系统性能的基本要求典型外部输入信号本课程的任务 2020 4 14 自动控制原理 27 1 1历史的回顾 18世纪 JamesWatt为控制蒸汽机速度设计的离心调节器 是自动控制领域的第一项重大成果 公元1788年J 瓦特将离心式调速器与蒸汽机的阀门连接起来 构成蒸汽机转速的闭环自动调速系统 2020 4 14 自动控制原理 28 1922年 Minorsky研制出船舶操纵自动控制器 并证明了从系统的微分方程确定系统的稳定性的方法 1932年 Nyquist提出了一种根据系统的开环频率响应 对稳态正弦输入 确定闭环系统稳定性的方法 1934年 Hezen提出了用于位置控制系统的伺服机构的概念 讨论了可以精确跟踪变化的输入信号的机电伺服机构 2020 4 14 自动控制原理 29 20世纪40年代 频率响应法为闭环控制系统工程设计提供了一种可行方法 20世纪40年代末 50年代初Evans提出并完善了根轨迹法 形成了经典控制理论的核心 单输入单输出 线性 定常 以传递函数为基础 设计的系统是稳定的 并且满足一组适当的性能要求 但不是某种意义上的最优系统 20世纪50年代末 控制系统设计问题的重点从设计许多可行系统中的一种系统 转到设计在某种意义上的最优系统 科学技术发展的需要 设备复杂 工艺要求高 多输入多输出的问题开始需要 2020 4 14 自动控制原理 30 20世纪60年代 数字计算机的出现为复杂系统的基于时域分析的现代控制理论提供了可能 现代应用数学新成果不断推出 宇航技术发展的需要 现代控制理论发展了 利用状态变量 基于时域分析 从1960年到1980 确定性系统 随机系统的最佳控制 及复杂系统的自适应和学习控制 都得到充分的研究 从1980年到现在 现代控制理论进展集中于鲁棒控制 H 控制及其相关课题 2020 4 14 自动控制原理 31 古典控制理论以传递函数为基础研究单输入 单输出一类定常控制系统的分析与设计问题 这些理论由于其发展较早 现已臻成熟 现代控制以状态空间法为基础 研究多输入 多输出 时变 非线性一类控制系统的分析与设计问题 系统具有高精度和高效能的特点 2020 4 14 自动控制原理 32 何谓控制何谓自动控制 是指在没有人直接参与的条件下 利用控制装置使被控对象按照预定的技术要求进行工作 自动控制系统 是指能够对被控对象的工作状态进行自动控制的系统 它由被控对象和控制装置组成 1 2一般概念 手动控制 2020 4 14 自动控制原理 33 被控对象 指需要给以控制的机器 设备或生产过程 被控对象是控制系统的主体 例如火箭 锅炉 机器人 电冰箱等 控制装置则指对被控对象起控制作用的设备总体 有测量变换部件 放大部件和执行装置 被控变量 指被控对象中要求保持给定值 要按给定规律变化的物理量 被控量又称输出量 输出信号 给定值 作用于自动控制系统的输入端并作为控制依据的物理量 给定值又称输入信号 参考输入 干扰量 除给定值之外 凡能引起被控量变化的因素 都是干扰 干扰又称扰动 前向通道 反馈通道 开环 闭环 2020 4 14 自动控制原理 34 1 3控制系统基本控制方式 闭环控制 复合控制 开环控制 2020 4 14 自动控制原理 35 控制装置与受控对象之间只有顺向作用而无反向联系 开环控制 前馈控制 开环 闭环控制 2020 4 14 自动控制原理 37 闭环控制系统的方框图 方框图中的几种表示法 2020 4 14 自动控制原理 38 2020 4 14 自动控制原理 39 复合控制 2020 4 14 自动控制原理 40 1 4自动控制系统的分类 开环控制闭环控制 反馈控制 复合控制 按控制方式分 2020 4 14 自动控制原理 41 机械系统 恒张力系统电气系统机电系统 全自动照相机 光机电结合液压系统 伺服液压缸 汽车发动机 大型的仿真模拟台气动系统生物系统 按元件类 型分 2020 4 14 自动控制原理 42 按系统功用分 温度控制系统 压力控制系统 位置控制系统 2020 4 14 自动控制原理 43 线性系统 非线性系统 连续系统 定常系统 时变系统 确定性系统 不确定性系统 按系统性能分 离散系统 2020 4 14 自动控制原理 44 恒值控制系统 随动系统 程序控制系统 按参据量变化规律分 2020 4 14 自动控制原理 45 线性连续控制系统 由系数判定线性时变系统 线性定常系统线性定常系统根据参考输入量又可分为 恒值控制系统 随动系统 程序控制系统 2020 4 14 自动控制原理 46 系统主要特点 1 恒值控制系统参考输入是个常值 要求被控量也等于常值 外部扰动的存在 被控量偏离参考量而出现偏差 控制系统根据偏差产生控制作用 以克服扰动的影响 使被控量恢复到给定的常值 2 随动系统参考输入是预先未知的随时间任意变化的函数 要求被控量以尽可能小的误差跟随参考输入量变化 2020 4 14 自动控制原理 47 3 程序控制系统参考输入是按预定规律随时间变化的函数 要求被控量迅速 准确地复现 线性定常离散系统 非线性控制系统 非线性系统的线性化 2020 4 14 自动控制原理 48 线性 非线性系统连续 离散性系统定常 时变性系统确定 不确定系统 系统类型 按控制方式分 按被控对象分 按系统性能分 分类 按给定值变化规律分 按系统功用分 按给定值操纵的开环控制按干扰补偿的开环控制按偏差调节的闭环控制复合控制 闭环反馈为主 开环补偿为辅 恒值系统随动系统程序控制系统 运动控制系统过程控制系统 温度控制系统压力控制系统位置控制系统 2020 4 14 自动控制原理 49 稳定性 1对恒值系统 要求当系统受到扰动后 经过一定时间的调整能够回到原来的期望值 2对随动系统 被控制量始终跟踪参据量的变化 稳定性是对系统的基本要求 不稳定的系统不能实现预定任务 稳定性 通常由系统的结构决定与外界因素无关 1 5自动控制系统性能的基本要求 可以归结为稳定性 长期稳定性 准确性 精度 和快速性 相对稳定性 稳 准 快 2020 4 14 自动控制原理 50 准确性 用稳态误差来表示 在参考输入信号作用下 当系统达到稳态后 其稳态输出与参考输入所要求的期望输出之差叫做给定稳态误差 显然 这种误差越小 表示系统的输出跟随参考输入的精度越高 快速性 对过渡过程的形式和快慢提出要求 一般称为动态性能 稳定高射炮射角随动系统 虽然炮身最终能跟踪目标 但如果目标变动迅速 而炮身行动迟缓 仍然抓不住目标 2020 4 14 自动控制原理 51 防空导弹制导 随动系统 2020 4 14 自动控制原理 52 一个液位控制系统原理图如下 自动控制器通过比较实际液位与希望液位 并通过调整气动阀门的开度 对误差进行修正 从而保持液位不变 试画出相应的控制系统的方框图及人工操纵液位控制系统方块图 例题1 1 2020 4 14 自动控制原理 53 控制器 比较 放大的作用浮子 液面高度的反馈元件Q2为系统的干扰量气动阀门 执行