现代控制系统chapter 1

1、1 Automatic Control Theory 自动控制原理自动控制原理 黄金城黄金城 2 自动控制原理自动控制原理 上课时间与地点上课时间与地点 第第112周：周： 周一周一 第第1-2节节 博学楼博学楼1J1B403 周三周三 第第1-2节节 博学楼博学楼1J1B403 3学分学分 学分学分 3 自动控制原理自动控制原理 教材与参考书教材与参考书 胡寿松胡寿松 主编主编 自动控制原理自动控制原理 科学出版社科学出版社 刘刘 丁丁 主编主编 自动控制理论自动控制理论 机械工业出版社机械工业出版社 R.C.多尔夫主编多尔夫主编现代控制系统（英文版）现代控制系统（英文版） 科学出版社科学出

2、版社 教材：教材： 参考书：参考书： 赵千川赵千川 冯梅冯梅 译译 现代控制系统现代控制系统 清华大学出版社清华大学出版社 4 Contents of the Course Chap. 1 Introduction to Control Systems (Dorf, Chap. 1) 1.1 Introduction 1.2 Examples of Control Systems 1.3 Types of Control Systems 1.4 The main research contents about automatic control systems 自动控制原理自动控制原理 课程内

3、容课程内容 5 Contents of the Course Chap. 2 Mathematical Models of Systems (Dorf, Chap. 2) 自动控制原理自动控制原理 课程内容课程内容 2.1 微分方程微分方程 (Differential equations) 2.2 物理系统的线性近似物理系统的线性近似 (Linear approximations of physical systems ) 2.4 传递函数传递函数 (Transfer function) 2.5 框图框图 (Block diagrams) 2.6 框图的等值变换框图的等值变换 (Equival

4、ent Transformations of Block Diagrams) 2.7 信号流图信号流图 (Signal-flow graph) 2.3 拉普拉斯变换和反变换拉普拉斯变换和反变换 (Laplace Transform and Invers Laplace Transform) 6 Contents of the Course Chap. 3 Time domain analysis of control systems (Dorf, Chap. 4,5&6) 自动控制原理自动控制原理 课程内容课程内容 3.1 Time-Domain Indices 3.2 The analysi

5、s of First-Order Systems 3.3 The analysis of Second-Order Systems 3.4 Transient Response of High-Order Sys 3.5 The Routh Stability Criterion 3.6 Steady-State Error 7 Contents of the Course Chap. 4 The Root Locus Method (Dorf, Chap. 7) 自动控制原理自动控制原理 课程内容课程内容 4.1 4.1 根轨迹的概念（根轨迹的概念（The root locus concep

6、t ） 4.2 4.2 根轨迹的绘制根轨迹的绘制 (The sketching of root locus ) 4.3 4.3 推广的根轨迹推广的根轨迹 ( Generalized root locus ) 8 Contents of the Course Chap. 5 Frequency domain analysis of control systems (Dorf, Chap. 8&9) 自动控制原理自动控制原理 课程内容课程内容 5.1 5.1 频率响应的基本概念频率响应的基本概念 （Basic concept of frequency response ） 5.2 5.2 频率响应

7、图频率响应图 (Frequency response plots ) 5.3 5.3 频域稳定性频域稳定性 ( Stability in frequency domain ) 5.4 5.4 稳定裕量稳定裕量 ( Stability margins ) 9 Grading Policy Final grade will be determined as follows: Event% of Final grade Final Exam ordinary achievement 20% 80% 自动控制原理自动控制原理 成绩评定成绩评定 10 1.1 Introduction 1.2 Examp

8、les of Control Systems 1.3 Types of Control Systems 1.4 The main research contents about automatic control systems 自动控制原理自动控制原理 第一章第一章 导论导论 11 自动控制原理自动控制原理 第一章第一章 导论导论 12 自动控制原理自动控制原理 第一章第一章 导论导论 13 自动控制原理自动控制原理 第一章第一章 导论导论 14 自动控制原理自动控制原理 第一章第一章 导论导论 15 自动控制原理自动控制原理 第一章第一章 导论导论 结构简单，维护容易，不存在稳定性问题。结

9、构简单，维护容易，不存在稳定性问题。 (Simple configuration, easy maintenance and no stability problems) 对元器件的要求比较高；系统抗干扰能力差。对元器件的要求比较高；系统抗干扰能力差。 (Higher requirement for components and inferior disturbance rejection ability) 16 自动控制原理自动控制原理 第一章第一章 导论导论 17 自动控制原理自动控制原理 第一章第一章 导论导论 利用偏差进行控制，增强抗干扰能力。利用偏差进行控制，增强抗干扰能力。 (Us

10、ing the difference as a means of control, enhancing anti-interference ability) 提高控制精度。提高控制精度。 (Improving control accuracy) 18 自动控制原理自动控制原理 第一章第一章 导论导论 19 自动控制原理自动控制原理 第一章第一章 导论导论 控制系统控制系统(Control system) A control system is an interconnection of components forming a system configuration that will pr

11、ovide a desired system response. 自动控制系统自动控制系统 (Automatic control system) An automatic control system is a system which can fulfill control tasks without involving a person . 人工控制系统人工控制系统 (Manual control system) 20 自动控制原理自动控制原理 第一章第一章 导论导论 (a)汽车转向控制系统 (b)驾驶员利用实际和期望的行驶方向的差来控制方向盘的调整(c)典型的行驶方向响应 21 自动控制

12、原理自动控制原理 第一章第一章 导论导论 22 自动控制原理自动控制原理 第一章第一章 导论导论 23 amplifierMotor GearingValve Actuator Water container Process controller Float measurement (Sensor) - Error Feedback signal resistance comparator Desired water level Input Actual water level Output Fig. 1.8 For the Fig.1.1, The water level control s

13、ystem: Figure 1.1 Automatic Fluid Level CS 自动控制原理自动控制原理 第一章第一章 导论导论 24 自动控制原理自动控制原理 第一章第一章 导论导论 25 自动控制原理自动控制原理 第一章第一章 导论导论 图1.11 采用高灵敏度摄像机来检测半导体晶片的三轴控制系统 26 自动控制原理自动控制原理 第一章第一章 导论导论 图1.12 蒸汽发电机的协调控制系统 27 自动控制原理自动控制原理 第一章第一章 导论导论 28 自动控制原理自动控制原理 第一章第一章 导论导论 图1.15 国民收入的一个反馈控制系统模型 29 自动控制原理自动控制原理 第一章第

14、一章 导论导论 1.3 Types of Control Systems 30 自动控制原理自动控制原理 第一章第一章 导论导论 31 自动控制原理自动控制原理 第一章第一章 导论导论 图1-15线性元件的特性 (a)方框图 (b)特性图 32 自动控制原理自动控制原理 第一章第一章 导论导论 图116 非线性元件静态特性举例 (a)方框图 (b)饱和非线性 (c)死区非线性 (d)磁滞非线性 (e)继电型非线性 (f)带有死区的继 电型非线性 (g)具有磁滞的继电型非线性 33 自动控制原理自动控制原理 第一章第一章 导论导论 34 自动控制原理自动控制原理 第一章第一章 导论导论 图117

15、 采样开关将连续信号转变为离散信号 (a)采样开关；(b)连续信号(Continuous signal) x(t)；(c)离散信号(Discrete signal)(tx 35 系统系统 system I o SISO系统系统 系统系统 system I o I I o o 11 2 2 m m MIMO系统系统 自动控制原理自动控制原理 第一章第一章 导论导论 按控制系统的输入和输出信号的数量按控制系统的输入和输出信号的数量 36 自动控制原理自动控制原理 自动控制系统研究的主要内容 (The main research contents about automatic control sy

16、stems) 第一章第一章 导论导论 控制系统设计控制系统设计 (Control systems design) 控制系统分析控制系统分析 (Control systems analysis) 37 自动控制系统被控量的动态过程自动控制系统被控量的动态过程(transient response): (transient response): 自动控制原理自动控制原理 第一章第一章 导论导论 图1-18 自动控制系统被控量的动态过程 (a)单调过程；(b)衰减振荡过程；(c)等幅振荡过程；(d)发散振荡过程 38 自动控制原理自动控制原理 第一章第一章 导论导论 一、控制系统分析 (Contro

17、l systems analysis) 1.稳定性 (Stability) 3.准确性 (Accuracy) 2.快速性 (Rapidness) 39 自动控制原理自动控制原理 第一章第一章 导论导论 二、控制系统设计 (Control systems design) 设计过程 (The design process) 40 自动控制原理自动控制原理 第一章第一章 导论导论 41 自动控制原理自动控制原理 第一章第一章 导论导论 (a) (b) (c) (d) 42 Example: Insulin Delivery Control System （胰岛素注射控制系统）（胰岛素注射控制系统）

18、自动控制原理自动控制原理 第一章第一章 导论导论 健康人的血糖和胰岛素水平健康人的血糖和胰岛素水平 43 自动控制原理自动控制原理 第一章第一章 导论导论 44 Solution: E1.7 Describe the block diagram of the speed control system of a motorcycle with a human driver. 45 P1.1 Many luxury automobiles have thermostatically controlled air-conditioning systems for the comfort of the

19、 passengers. Sketch a block diagram of an air-conditioning system where the driver sets the desired interior temperature on a dashboard panel. Identify the function of each element of the thermostatically controlled cooling system. Solution: 46 P1.2 In the past, control systems used a human operator

20、 as part of a closed-loop control system. Sketch the block diagram of the valve control system shown in Figure P1.2. Figure P1.2 47 Solution: 48 P1.13 A common example of a two-input control system is a home shower with separate valves for hot and cold water. The objective is to obtain (1) a desired temperature of the shower water and (2) a desired flow of water. Sketch a block diagram of the closed-loop control system. Solution: 49 P1.8 The student-teacher learning process is inherently a feedback process intended to reduce the system error to a minimum. With the aid of Figure