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文档简介
1、自动控制原理自动控制原理电子信息科学与技术专业电子信息科学与技术专业课程性质:专业类选修课课程编号:B0720208课程学时:63/51/12学分:3学分应用电子技术教育专业应用电子技术教育专业课程性质:专业类选修课课程编号:B0740212课程学时:63/51/12学分:3学分本课程主要内容本课程主要内容第一章 绪论第二章 控制系统数学模型第三章 控制系统的时域分析第四章 根轨迹法第五章 频率响应法第六章 控制系统的校正第七章 离散控制系统(选学)第八章 非线性控制系统(选学)第九章 状态空间分析法(选学)第一章第一章 绪论绪论第一节 自动控制理论发展简介第二节 自动控制系统的一般概念第三节
2、 开环控制和闭环控制第四节 自动控制系统的分类第五节 对控制系统性能的要求和本课程的任务第一节第一节 自动控制理论发展简介自动控制理论发展简介自动控制理论是自动控制技术的基础理论,是一门理论性较强的工程科学。根据自动控制技术的发展,自动控制理论可分为经典控制理论经典控制理论和现代现代控制理论控制理论两大部分,发展趋势是智能控制理论。1.1.1 1.1.1 经典控制理论的形成和基本内容经典控制理论的形成和基本内容(1 1)工业化促使自动控制装置产生)工业化促使自动控制装置产生最早工业应用的自动装置:1769年Watt发明的飞球式蒸汽机(离心)调速器。一种凭借直觉的实证性发明。(2 2)最早的稳定
3、性研究)最早的稳定性研究1868年,J.C.Maxwell(麦克斯韦尔)以离心调速器为背景,发表了论文论调节器,研究了反馈系统的稳定性问题,得出系统稳定性取决于微分方程的特征根是否都具有一对负的实部,并针对二阶和三阶系统讨论了使特征根具有负实部时特征多项式系列应满足的条件。 (3 3)系统稳定判据)系统稳定判据Hurwitz( (霍尔维茨,霍尔维茨,1895)1895)和 E.J.Routh( (劳斯,劳斯,1884)1884)提出劳斯-霍尔维茨判据,A.M.Lyapunov( (李李雅普诺夫,雅普诺夫,1892)1892)提出李雅普诺夫第一法与第二法。 H.Nyquist( (奈魁斯特,奈魁
4、斯特,19321932年年) )提出奈氏判据。Bode( (波德,波德,19271927年年) )提出了对数频率特性的方法。 W.R.Evans( (伊万斯,伊万斯,19481948年年) )提出根轨迹法。目前仍然是系统设计和稳定性分析的一种重要方法。(4 4)40-5040-50年代年代SISO(Single Input Single Output)系统系统 二战期间,军事科学的需要大大促进了反馈控制理论的发展。美国麻省理工学院雷达实验室的科学家们将反馈放大器理论、 PID(比例-积分-微分)控制以及N.Wiener(维纳)的随机过程理论等结合在一起,形成了一整套被称为随动控制系统随动控制系
5、统的设计方法。1948年 N.Wiener发表著名的控制论(5 5)5050年代末期所讨论的内容年代末期所讨论的内容系统数学模型的建立、时域分析法、频率特性法、根轨迹法、系统综合与校正、非线性系统和采样控制系统分析法等,也被称为经典控制理论经典控制理论。经典控制理论研究的是单输入单输出线性定常系统的分析与设计。1.1.2 1.1.2 现代控制理论现代控制理论60年代初,随着计算机技术的发展和航天等高科技的推动,迫切需要一种理论能解决多输入多输出、高精度、参数时变系统的分与设计,产生了基于状态空间模型的“现代控制理论现代控制理论”。50年代末,美国的Bellman(贝尔曼)、Kalman(卡尔曼
6、)、俄罗斯的庞德里亚金等考虑用常微分方程作为控制系统的数学模型。由于数字计算机的发展使得十年前尚无法进行的计算问题成为可能,这时李雅普诺夫的工作被引入到控制理论中来,而由Wiener(维纳)等人在第二次世界大战期间关于最优控制的研究也被用来研究系统状态轨迹的优化问题。现代控制理论在标准形式或状态形式的常微分方程的基础上直接引进并大量使用了计算机。现代控制理论的重要标志现代控制理论的重要标志状态空间法被引入到控制理论中来。Kalman提出了能控性与能观测性的表征系统结构特征的重要概念。“内部研究”代替了传统的“外部研究”,并使分析与综合过程建立在严格的理论基础之上。主要分支学科主要分支学科线性系
7、统理论、最优控制理论、系统辨识与自适应控制、大系统理论和特大系统理论等。分支学科还渗透到相邻学科分支学科还渗透到相邻学科如滤波技术、自学习理论与人工智能、建模理论与系统工程等。1.1.3 1.1.3 智能控制智能控制(intelligent controls)理论理论智能控制是在无人干预的情况下能自主地驱动智能机器实现控制目标的自动控制技术。智能控制的发展得益于人工智能、认知科学、模糊集理论和生物控制论等许多学科的发展,是以自动控制技术和计算机技术为核心,集微电子、电力电子、信息传感、显示与界面、通讯、电磁兼容等诸多技术于一体的交叉学科。20世纪80年代以来,信息技术、计算技术的快速发展及其他
8、相关学科的发展和相互渗透,也推动了控制科学与工程研究的不断深入,控制系统向智能控制系统的发展已成为一种趋势。1.1.4 1.1.4 控制理论在国民经济中的作用控制理论在国民经济中的作用自动控制技术的广泛应用使生产设备或过程实现了自动化,极大地提高了劳动生产率和产品质量、改善了劳动条件、降低了生产成本,在人类探索新能源、改善民生等方面都起着极其重要的作用。1)自动控制技术应用于军事、航天领域 火炮、雷达、跟踪系统;人造卫星;宇宙飞船。 2)自动控制技术应用于工业生产过程 轧钢过程;工业窑炉;石油化工;水泥建材;玻璃、造纸等。3)自动控制技术应用于现代农业生产自动灌溉;农产品质量检测;病情检测等。
9、 4)自动控制技术应用于其它领域自动控制技术的应用已扩大到经济与社会生活的各个领域,如通信、交通、医学、环境保护、经济管理等领域。 近年来,我国在自动化仪表、工业调节器、数字控制技术、航天工程、核动力工程等方面的研究和应用取得了长足进展。生物:人口控制,药物动力学金融:货币控制家庭:电饭煲,洗衣机第二节第二节 自动控制系统的一般概念自动控制系统的一般概念自动控制自动控制就是要人不直接参与的条件下,利用控制器使被控制的对象(如机器、设备或生产过程)的某些物理量(或工作状态)能自动地按规定的规律变化(或运行)。 如: 电网的电压与频率自动地保持不变。人造卫星按制定的轨道运行,并始终保持正确的姿态,
10、使它的太阳能电池始终朝向太阳,天线始终朝向地球金属切割机床的速度在电压变化或负载变化时能自动保持不变控制系统:控制系统:把实现自动控制所需要各个部件按一定的规律组合起来,取控制被控对象,这个组合体叫“控制系统”。控制理论:控制理论:分析与综合自动控制系统的理论。被控制的物理量:被控制的物理量:温度、压力、流量、电压、转速、位移等。课程联系:课程联系:1.2.1 1.2.1 液位控制系统液位控制系统例例1 1:水池液面控制系统人工控制人工控制测量实际液面的高度h0 -用眼用眼实际液面高度h0与希望液面高度h1相比较-用脑用脑按比较的结果,即液面高度偏差的正负去决定控制动作-用手用手自动控制自动控
11、制人工控制中有三种职能作用:测量、比较和执行,而在自动控制系统中也必须有这三种职能作用,如下图所示为一种简单的水位自动控制系统。出水出水浮子浮子连杆连杆进水阀进水阀水池水池进水进水液位控制系统由以下五部分组成。被控对象-水池测量元件-浮子比较机构-浮子的希望位置与实际位置之差放大机构-提高系统的控制精度执行元件-驱动被控对象,以改变被控制的量除以上5部分外,为改善控制系统的动、静态性能,通常还引入某种形式的校正装置。为了控制系统的表示简单明了,控制工程中一般用方框图表示系统的各个组件,基本组成单元如图所示,a)为引出点,b)为比较点,c)部件框图。故液位自动控制系统也可用下图来表示。1.2.2
12、 1.2.2 随动控制系统随动控制系统例例2 2:直流随动如图所示电位器把系统的输入与输出位置信号转换成电信号并进行比较。自动控制系统框图的一般形式自动控制系统的框图第三节第三节 开环控制与闭环控制开环控制与闭环控制r(t)-系统参考输入(简称输入量或给定量)c(t)-系统被控制量(又简称输出量)b(t)-系统主反馈量e(t)-系统误差,e(t)r(t)-b(t) d(t)-系统干扰信号,对系统输出产生不利影响给定环节-产生参考输入信号的元件控制器-其输入是系统的误差信号,经其变换或相关运算后,产生期望的控制信号控制被控对象被控对象-系统控制的对象,其输入量是控制器的输出,输出量就是被控量反馈
13、环节-将被控制量转换为主反馈信号的装置,这个装置一般为检测元件 控制器控制器被控对象被控对象控制量控制量给定值给定值r(t)u(t)y(t)1.3.1 1.3.1 开环控制开环控制如果系统的输出量没有与参考输入相比较,即系统的输出与输入间不存在反馈的通道,这种控制方式叫开环控制。开环控制。开环控制的优缺点开环控制的优缺点结构简单,所用元器件少,成本低,容易稳定系统没有抗扰动功能,限制了系统的应用范围控制精度低例例3 3:直流电动机调速系统被控制量速度没有反馈到输入端与给定信号比较。这种转台在CD机、计算机磁盘驱动器等装置中广泛应用。电压放大器功率放大器直流电动机(控制装置)Mc干扰输出量 n给
14、定量urua(对象)闭环控制的优缺点闭环控制的优缺点抗干扰能力强稳态精度高、动态性能好、稳定裕度大没有开环控制容易达到稳定控制器控制器被控对象被控对象控制量控制量输出量输出量给定值给定值r(t)u(t)y(t)测量元件测量元件偏差偏差e(t)1.3.2 1.3.2 闭环控制闭环控制若把系统的被控制量反馈到它的输入端,并与参考输入相比较,这种控制方式叫闭环控制闭环控制( (反馈控制反馈控制或按偏差控制或按偏差控制) ),相应的系统称为闭环控制系统闭环控制系统。Un例例4 4:转速负反馈直流电动机调速系统 给定电压Un反馈电压Ufe=Un-Uf转速取决于给定电压与反馈电压的差值。unufeudn_
15、直流电动机直流电动机放大器放大器测速机测速机nuuuuuunuTdkfngfnl)(1.3.3 1.3.3 复合控制复合控制前馈补偿控制:前馈补偿控制:测量出外部作用,形成与外部作用相反的控制量与外部作用共同使被控量基本不变。复合控制复合控制=前馈补偿控制+反馈控制(a) 按输入前馈补偿的复合控制按输入前馈补偿的复合控制给定值给定值被控制量被控制量_受控对象受控对象检测元件检测元件控制器控制器前馈控制前馈控制(b) 按扰动前馈补偿的复合控制按扰动前馈补偿的复合控制检测元件检测元件_前馈控制前馈控制扰动扰动被控制量被控制量给定值给定值受控对象受控对象控制器控制器_水温自动控制系统1.3.4 1.
16、3.4 自动控制系统举例自动控制系统举例1 1、水温自动控制系统水温自动控制系统通过电机调节阀门的开度。从而调节蒸汽流入,控制水的温度。实现没有人直接参入的自动水温控制。2 2、蒸汽机转速自动控制系统、蒸汽机转速自动控制系统负载负载圆锥形齿轮圆锥形齿轮飞锤飞锤套筒套筒杠杆杠杆阀门阀门弹簧弹簧蒸汽机蒸汽机3 3、炉温自动控制系统、炉温自动控制系统+电压电压放大器放大器功率功率放大器放大器ua电炉电炉u1ue+uf给定毫伏信号给定毫伏信号+ur热电偶减速器减速器220V可逆电机可逆电机uc加热器加热器0CTO4 4、导弹发射架的方位控制、导弹发射架的方位控制i导弹发射架方位控制原理图手轮手轮输入轴
17、输入轴P1E0uiueua+uPE0u0放大器放大器输出轴输出轴o5 5、船舶随动舵的控制、船舶随动舵的控制船舶随动舵的控制系统原理图P1E0P2+放大器放大器直流直流电动机电动机减速箱减速箱+nu1ueuiuo6 6、火力发电厂综合控制系统、火力发电厂综合控制系统第四节第四节 自动控制系统的分类自动控制系统的分类1.4.1 1.4.1 线性控制系统和非线性控制系统线性控制系统和非线性控制系统若组成控制系统的元件都具有线性特性,则称为线性控制系统。线性控制系统。特点为:系统用微分方程、传递函数或状态方程来描述具有比例性并适用叠加原理若在控制系统中有一个以上的元件具有非线性则称这种系统为非线性控
18、制系统。非线性控制系统。特点为:不具有比例性,也不适用叠加原理系统的输出响应稳定性与其初始状态有关1.4.2 1.4.2 恒值、随动以及程序控制系统恒值、随动以及程序控制系统参考输入量为常量,被控制量在任何扰动作用下能尽快恢复(或接近)原有稳态值,为恒值控制系统恒值控制系统。输入是一个变化量,被控制量能快速准确地跟随参考输入信号的变化而变化,为随动控制系统随动控制系统。系统的给定值按照一定的函数变化,并要求被控量随之变化,则称为程序控制系统。程序控制系统。1.4.3 1.4.3 定常控制系统和时变控制系统定常控制系统和时变控制系统系统方程的系数为常数,则为线性定常控制系统线性定常控制系统。系统方程的系数是时间函数,则为时变控制系统时变控制系统。计算机控制系统的方框图1.4.4 1.4.4 连续控制系统和离散控制系统连续控制系统和离散控制系统控制系统中各部分的传输信号都是时间t的连续函数,则为连续控制系统连续控制系统。若在控制系统内部有一个或一个以上的信号是时间t的离散信号,则为离散控制系统离散控制系统。计算机系统就是典型的离散控制系统。1.5.1 1.5.1 控制系统性能要求控制系统性能要求1 1、稳定性、稳定性当系统受到某一扰动作用后使被控制量偏离了原来的平衡状态,但当扰动一撤离,经过一定的时间系统仍能回到原有的平衡状态
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