自动控制原理-1.ppt

1、2020/10/12,河北大学电信学院,1,自动控制原理 （宗晓萍 王培光 王 霞 肖金壮）,2020/10/12,河北大学电信学院,2,第一章 绪论,1、控制理论的发展 2、自动控制的一般概念 3、反馈控制系统的组成 4、控制系统的分类 5、本课程的研究内容,2020/10/12,河北大学电信学院,3,18世纪，James Watt 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个历程碑。（反馈控制的精髓） 1892年，Lyapunov“论运动的稳定性”发表，是自动控制领域的第二个历程碑。（上升为理论） 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

2、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。,一、控制理论的发展,2020/10/12,河北大学电信学院,4,19世纪40年代，频率响应法为闭环控制系统提供了一种可行方法，Evans提出并完善了根轨迹法。 19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佳系统。 19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。 从1

3、960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。,一、控制理论的发展,2020/10/12,河北大学电信学院,5,一、控制理论的发展,经典控制理论（19世纪初 19世纪50年代初） 以传递函数为基础研究单输入-单输出的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。 现代控制理论（19世纪50年代初 19世纪80年代） 以状态空间法为基础，研究多输入-多输出、时变、非线性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。 智能控制（19世纪80年

4、代） 以模糊理论、神经网络、专家系统等为基础，研究复杂控制系统的分析与设计问题。系统具有最优化、智能化等特征。,2020/10/12,河北大学电信学院,6,二、自动控制的一般概念,1、控制与自动控制 控制：使被控量（或对象或过程）按照一定的规律变化。,液位控制,2020/10/12,河北大学电信学院,7,Q2,入水口,出水口,Q1,L2,H,浮子（眼睛）,控制器（大脑）,气动阀门（手）,自动控制：通过仪器仪表或自动化装置代替人工操作达到一 定的控制目的,2020/10/12,河北大学电信学院,8,2、自动控制系统,控制理论的研究对象：系统(动态系统),系统的特征： 整体性、抽象性 、相对性,由

5、相互关联和相互制约的若干“部分”所组成的具有特定功能的 “整体”。,自动控制系统：将被控对象和控制装置按照一定的方式连接起来，构成一个具有特定功能的有机整体，以实现自动控制的目的，即构成自动控制系统。,2020/10/12,河北大学电信学院,9,3、开环控制与闭环控制,例1-1 电动机转速控制系统（开环）,输出量对控制作用没有影响的系统称为开环控制系统，其控制方式称为开环控制。,负载的变化会对转速造成影响，使其偏离设定值,2020/10/12,河北大学电信学院,10,例1-2 电动机转速控制系统（闭环）,给定值 ，当 ，反馈电压 u f将减小 ，u（ u c -u f ）将增大，电动机的输入电

6、压u g增大，其结果会使电动机轴的转速增大 。,输出对系统的控制作用产生影响的系统称为闭环控制系统或反馈控制系统。,反馈电压Uf的存在减小了负载变化带来的影响,2020/10/12,河北大学电信学院,11,开环控制系统与闭环控制系统的比较,闭环控制系统的特点 偏差控制，可以抑制内、外扰动对被控制量产生的影响。精度高、结构复杂，设计、分析麻烦。,开环控制系统的特点 顺向作用，没有反向的联系，没有修正偏差能力，抗扰动性较差。结构简单、调整方便、成本低。,2020/10/12,河北大学电信学院,12,正反馈与负反馈,2020/10/12,河北大学电信学院,13,例1-3 炉温控制系统,三、反馈控制系

7、统的组成,对象,执行元件,检测元件,给定元件,放大元件,比较,能源元件,2020/10/12,河北大学电信学院,14,反馈控制系统的构成典型方框图,输出量,放大元件,给定元件,测量元件,执行元件,被控对象,e,比较元件,负号代表负反馈,2020/10/12,河北大学电信学院,15,输出量,主反馈,-,放大元件,给定元件,测量元件,执行元件,被控对象,e,局部反馈,控制装置,2020/10/12,河北大学电信学院,16,反馈控制系统的基本组成,1、被控对象 2、控制装置(由具有一定职能的各种基本元件组成 ) 测量元件：其职能是测量被控制的物理量; 给定元件：其职能是给出与期望的被控量相对应的系统

8、输入量 比较元件：把测量元件检测的被控量实际值与给定元件给出的 给定值进行比较，求偏差信号。 放大元件：将比较元件给出的偏差信号放大，用来推动执行元 件去控制被控对象。 执行元件：直接推动被控对象，使其被控量发生变化。 校正元件：亦称补偿元件，它是结构或参数便于调整的元件， 用串联或反馈的方式连接在系统中，以改善系统性 能。,2020/10/12,河北大学电信学院,17,热力系统的人工反馈控制,2020/10/12,河北大学电信学院,18,热力系统的自动反馈控制,2020/10/12,河北大学电信学院,19,四、自动控制系统的分类,2020/10/12,河北大学电信学院,20,按系统性能分,2

9、020/10/12,河北大学电信学院,21,五、本课程的研究内容,系统的校正与综合,系统分析,数学模型,线性离散控制系统,非线性控制系统,（第二章）,（第三章）,（第四章）,（第五章）,（第六章）,（第七章）,（第八章）,2020/10/12,河北大学电信学院,22,参考书： 自动控制原理，吴麒，清华大学出版社； 自动控制原理, 胡寿松，科技出版社； 现代控制工程第三版，美 Katsuhiko Ogata，； 线性控制系统分析与设计（英文版），John J.Dazzo 清华大学出版社； 自动控制原理习题集，胡寿松， 国防工业出版社； 自动控制理论重点难点及典型题解析，张爱民，西安 交通大学出版社等。,2020/10/12,河北大学电信学院,23,系统的整体性,1、系统在结构上的整体性，即系统由“部分”所组成，各组成部分之间的相互作用是通过物质、能量和信息的交换来实现的。,2、突出系统行为和功能的整体性，系统本身可以具有其组成部分所没有的功能。因此，对于有着相同组成部分但它们的关联和相互作用不同的两个系统可以