自控第一章.ppt

1、1,自动控制理论,主讲：李毅 办公地点：信息楼 1008 邮箱：cse_ 联系电话：82765717,2,自动控制理论课程概况,总学时：112（结合大纲和授课计划、实验计划讲解） 教 材：自动控制原理 第3版 李友善 编著，国防工业出版社，2004年 参考书：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 习题集：自动控制原理 基本理论例题详解典型习题 ，张家桂、黄明键主编，国防工业出版社，2007年 实验指导书：自动控制原理实验指导书，本校控制学院自动化系编 学习方式：授课、习题、实验、考试,3,上课时间 上课地点 周一

2、 3、4 11J5402 周三 3、4 11J5302 周五 3、4 11J2302 数学知识复习： 1、线性代数 矩阵计算 （矩阵加、乘法） （1）求矩阵逆 （2）矩阵行列式 3维 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）,自动控制理论课程概况,4,自动控制理论课程的主要内容与要求,掌握自动控制系统的基本概念，学会建立和简化自动控制系统的输入输出及状态空间等形式的数学模型；着重掌握自动控制系统的时域分析法（含状态空间分析方法）、根轨迹分析法和频率特性分析法，在此基础上学习自动控制系统综合与校正的一般方法（含状态反馈矩阵及状态观测器的设计）。,5,第一

3、章 自动控制的一般概念,自动化定义：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的过程。 摘自中国大百科全书 自动控制系统：由内部互相联系的部件按照一定规律组成，能够完成一定功能的有机整体。 自动控制的目标：提高劳动生产率，提高产品质量，改善劳动条件，节约能源，降低成本。 自动控制理论课程特点：理论性强，研究控制系统的一般规律，设计自动控制系统。,6,1-1 自动控制理论及发展 1788年，James Watt 设计了控制蒸汽机速度的离心调节器，这是世界上 最早的闭环控制系统。 1922年，Minorsky研制了船舶操纵自动控制系统，并证明了如何从微分 方程确定系统稳定性。

4、 1932年，Nyquist由开环频率特性确定系统稳定性的方法。 1934年，Hazen发表的“Theory of servomechanisms”，反馈控制标志性文章 1948年，美国数学家维纳的“控制论”，被认为是控制论的重要文献 1954年，钱学森在美国出版了工程控制论,（1）线性系统理论； （2）非线性系统理论； （3）概率和统计方法的应用； （4）最优控制理论； （5）自适应、自学习及自组织理论； （6）系统辨识理论； （7）大系统理论等问题。,7,阶段,形成时期,30-50年代,理论基础,经典 控制论,分析方法,时域、复域(1948)、频域(1932),研究对象,SISO (Sin

5、gle-input, Single-output),研究重点,反馈控制 系统,数学工具,微分方程、拉氏变换等,60-70年代,现代 控制论,状态空间 时域,MIMO (Multiple-input Multiple-output),最优控制 自适应控制等,矩阵理论 (线性代数),70年代至今,大系统理论 智能控制,时域复域频域法，模糊集法,多因素 多层次 复杂对象,大系统 复杂系统 智能控制,表1 控制理论的发展,观看录像：自动控制的发展历程-主讲 王广雄,8,1 人工控制系统与自动控制系统,(1)液位控制系统,被控对象：液体储罐,被控参数：液位高度,影响因素：出口流量、出口压力、 入口流量、

6、压力等；,调节参数：入口流量,系统组成：,储罐,工作过程：,1-2 自动控制系统及基本组成,9,10,(2)直接蒸汽加热器的温度控制系统,被控对象：直接蒸汽加热器,被控参数：出口物料温度,影响因素：物料入口温度、蒸汽压力、蒸汽温度、蒸汽流量等；,调节参数：蒸汽入口流量,工作过程：,加热器,11,2 控制系统基本组成 被控对象被控设备 测量变送装置 控制器（调节器） 执行机构（调节阀）,3 基本术语 被控参数系统（对象）输出 控制参数对象输入 测量值Gm的输出 给定值系统输入 控制信号Gc输出 干扰系统输入，对象输入,12,1-3-1 按控制方式分（按信号传递形式分） 反馈控制系统（闭环控制系统

7、） 开环控制系统 复合控制系统,（1）反馈控制系统（闭环）,结构特征：信息传递形成闭合回路，即系统中采用反馈作用。 系统特点：按偏差控制，（因此必须有输出量的测量装置）； 抗干扰性好，控制精度高； 系统较复杂，有稳定性问题。 注意：反馈控制不仅用于工程，在各种非工程领域同样存在反馈控制， 如教学系统，管理系统等。,1-3 自动控制系统的分类,13,（2）开环控制系统,如洗衣机就衣物的干净程度来讲，是开环控制系统 框图如下：,1) 结构特征：信息传递没有形成闭合回路， 即系统的输出对控制作用无影响 2) 系统特点： 控制系统结构简单，成本低廉；(无需输出参数的测量) 控制精度差，抗干扰能力差；（

8、系统输出与希望质无比较） 3) 使用场合：多用于系统结构参数稳定、输入量已知且无扰动 或扰动信号较弱的场合。 如：自动售货机、自动报警器、自动化流水线、全自动洗衣机等。,14,按扰动补偿的开环控制方式，也叫前馈控制或顺馈控制。,适用场合：干扰可测量的 主要特点：结构简单，调节及时，但精度不高，抗干扰能力差 一种前馈只能克服一种扰动 开环系统与闭环系统的比较： 开环系统：结构及设计简单，不存在稳定性问题 闭环系统：采用了反馈，控制精度高，但系统成本高，且设计时 要注意稳定性问题。,15,（3）复合控制系统,前馈和反馈相结合的控制方式。 如液位控制系统，系统框图如下。,特点：,具有很高的控制精度；

9、,可抑制所有扰动；,补偿器的参数要有较高的稳定性；,调节及时。,16,1-3-2 按系统特性分类,（1）线性控制系统和非线性控制系统 （2）定常系统与时变系统 （3）连续系统和离散系统 （4）集中参数控制系统和分布参数控制系统 （5）确定系统和不确定系统 1-3-3 按输入形式分类 （1）定值系统（镇定系统）：系统输入为常数。 其主要任务是克服干扰，使系统的输出保持在希望值上。 （2）随动系统（跟踪系统或伺服系统）：系统输入随时间变化。 其基本任务是使系统输出按要求的精度跟随输入信号的变化。 （3）程序控制系统（过程控制系统）：系统输入按既定的规律变化。 其基本任务是使系统按预定的程序运行。,17,基本要求：在输入信号作