自动控制原理 第一章概述.ppt

自动控制原理,化工大学,总学时：,112学时上学期64（前6章）下学期48（后3章）,自动控制原理北京化工大学厉玉鸣等主编，化学工业出版社，2005年,自动控制原理（第四版）胡寿松主编，国防工业出版社，2002年自动控制原理孙亮等主编，北京工业大学出版社1999年,控制原理例题习题集，周春晖，厉玉鸣主编，化工出版社（归纳总结，例题分析）,教材：,参考书：,习题集：,学习目标,例题分析与工程实例,本章小节,习题、答案,MATLAB练习,实验软件：,MATLAB语言与控制系统仿真,孙亮，北京工业大学出版社，2001年,MATLAB5.1,6.1,参考书：,反馈控制系统设计与分析-MATLAB语言应用，清华大学出版社，薛定宇，2000年,控制原理学习网站：,34用户名control,密码control自动控制原理（04010100）王晶电子讲义，讲课的ppt课件,讨论,练习题等材料,自动控制原理实验指导书，本校自动化系编,学习方式：,实验指导书：,授课、习题、实验、考试,基础理论，理论性强，,研究控制系统的一般规律，,设计和分析自动控制系统。,2、拉普拉斯变换、反变换,3、微分方程求解,4、复变函数留数定理（求部分分式展开）,1、线性代数矩阵计算,（1）矩阵加、乘法,第一章概述,l自动化定义：,l自动控制系统：,机器或装置在无人干预的情况下按规定的程序或指令自动进行操作或控制。摘自中国大百科全书,由内部互相联系的部件按照一定规律组成，能够完成一定控制目标的有机整体。,降低成本。,提高劳动生产率，,提高产品质量，,改善劳动条件，,节约能源，,2自动控制简史,古老的反馈控制思想,40年代形成独立学科，机械化自动化,瓦特蒸汽机的离心调节器自动控制领域的第一项重大成果（18世纪中叶）,中国古代发明,数学工具,线性微分方程和基于拉普拉斯变换的传递函数,研究对象,三大分析方法：,研究对象和范围有限,单输入单输出的线性定常系统,时域分析法、频率特性分析法和根轨迹分析法,难于解决复杂问题，如时变，多变量等,2.2现代控制理论,60年代始获得长足发展，主要以分析和设计复杂控制系统为目标。,现代控制理论的发展是计算机发展的衍生物。,状态空间分析方法,数学工具,线性系统与非线性系统、定常系统与时变系统、多输入多输出系统等,研究对象,2.3先进控制与智能控制,主要研究方向：,人工神经元网络研究等,预测控制,模糊控制,自适应控制,多学科的融汇、贯通,3开环控制系统与闭环控制系统,控制量,输入量,输出量,(a)开环控制系统,控制量,输入量,输出量,(b)闭环控制系统,开环控制系统,特点：,缺点：,最简单的控制方式,系统结构简单、维护容易、成本低、不存在稳定性问题,信号传递没有形成闭合回路,输出量不能对控制量产生影响。,控制精度不高,系统抗干扰能力差,对元器件的要求比较高,闭环控制系统,反馈控制系统,l反馈通路,负反馈与正反馈,控制系统一般采用负反馈,l信号传递形成一个闭合回路,输入量与反馈量之差称为偏差信号,4自动控制与自动控制系统,4.1自动控制系统的组成及定义,以自动化实验室水槽液位控制系统为例：,调节系统方块图,给定,流量1,液位1,液位2,自动控制系统的基本结构：,设定值x,扰动f,被控变量y,反馈量z,自动控制系统的基本结构,偏差e,控制变量u,1、控制系统的一些常用术语,被控对象,控制变量,是指被控制的装置或者设备。,施加给被控对象的信号，使受控对象按照一定的规律运行，一般用符号u表示。,被控变量,控制系统的输出，即被控的物理量，一般用符号y表示。,偏差信号,扰动信号,系统的设定值与反馈信号之差称为偏差，用符号e表示。,使对象输出偏离设定值的输入信号。一般用符号f表示。,设定值（给定值）,希望系统输出达到的数值，一般用符号x表示。,2、控制系统的组成,定值元件,控制器,执行元件,用来产生设定值或参考输入。,或称调节器。通过一定的控制规律给出控制量，送到执行元件。,完成功率转换或信号转换，常称为执行机构或者执行器。,测量、变送元件,又称传感器，用于检测被控对象的输出量，并变换成标准信号送到控制器。,比较元件,用以产生偏差信号,2、控制系统的组成,4.2对自动控制系统的基本要求,稳定性、精确性和快速性,稳定性,控制系统设计的首要条件系统自身的属性有界输入，有界输出,精确性,反映系统的被控变量偏离设定值的程度。,快速性,控制系统受到外界的作用后，从一个平衡状态达到另一个平衡状态的时间。,4.3自动控制系统的分类,1、开环控制系统与闭环控制系统,2、定值控制系统、随动控制系统和程序控制,根据给定信号形式的不同分类。,定值控制系统：,系统的参考输入为恒定值或者波动范围很小，要求系统的输出量也保持恒定。,随动控制系统（伺服控制系统）：,参考输入值不断变化，变化规律未知。控制目的是使得系统的输出量能够准确地跟踪输入值的变化。,程序控制系统：,设定值变化，是时间的已知函数，即按照事先规定的时间程序或规律变化。,3、线性系统与非线性系统,根据描述系统的方程形式分类。,本书主要研究线性定常系统。,4、连续时间系统与离散时间系统,根据传输信号的形式分类。,连续时间系统：,离散时间系统：,系统的输入与输出信号均是连续时间函数u(t)与y(t)，,系统的输入与输出信号均是离散时间量u(kT)与y(kT)。,计算机控制系统是典型的离散控制系统。,2T,T,nT,图1-5连续时间信号与离散时间信号,5、单输入单输出系统与多输入多输出系统,从输入与输出信号的数量分类。,单输入单输出系统（SISO）,多输入多输出系统（MIMO）,集中参数系统与分布参数系统,u,y,(a)SISO系统,(b)MIMO系统,确定性系统与随机控制系统等,本章主要介绍：,自动控制的发展开环与闭环控制控制系统组成控制系统分类控制系统设计的目标,作业：14,中国、古埃及和巴比伦人发明的自动计时装置(公元前11世纪),Jameswat发明的飞球调节器，控制蒸汽机的转速（1769年）,Polzunov发明的浮球调节器，用于水位控制（1765年）,Gray设计的第一艘全自动蒸汽轮船“东方号”（1866年）,徐寿设计的中国第一艘蒸汽轮船“黄鹄”号（1866年）,世界上第一台数控铣床（1952年