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文档简介
Chapter1:
IntroductiontoAutomaticControl重点掌握:•控制系统的基本组成•基本的控制方式及反馈控制系统的特点•控制系统的性能要求Maincontents1-1Whatisacontrolsystem?1-2Whyarecontrolsystemsimportant?1-3Whatisanautomaticcontrolsystem?1-4Basiccomponentsandtypesofcontrolsystem.1-5Howtoevaluateaautomatic
controlsystem?1-6Thedevelopmentofautomatic
controltheory.1-1Whatisacontrolsystem?examplesControlofTrafficLightsPowerHeaterFurnaceSwitchFurnacetemperaturecontrolsystem1-1Whatisacontrolsystem?DesiredtemperaturefurnacethermometergasmixervalveairoperatorTemperaturecontrolsystem1-1Whatisacontrolsystem?waterlevelcontrolsystem1-1Whatisacontrolsystem?DefinitionofacontrolsystemAninterconnectionofcomponentsformingasystemconfigurationthatwillprovideadesiredsystemresponse.由相互关联的部件按一定的结构构成的系统,能够提供预期的系统响应。1-1Whatisacontrolsystem?1-2Whyarecontrolsystemsimportant?(1)控制系统无处不在.(2)提高产量,降低成本.(3)提高精度、可靠性.(4)能够在许多人不到达的场所发挥作用.furnacethermometergasmixervalveairDesiredtemperatureoperator1-3Whatisanautomaticcontrolsystem?Acontrolsystemwithoutpeopleinvolvediscalledautomaticcontrolsystem.Definitionofautomaticcontrolsystem1-3Whatisanautomaticcontrolsystem?TemperatureautomaticcontrolsystemGasMixerAirValveMotorAmplifierUTPotentiometerURAmplifierFurnaceThermocouple1-3Whatisanautomaticcontrolsystem?waterlevelautomatic
controlsystem1-3Whatisanautomaticcontrolsystem?1.Accordingtotheformofgivensignal
RegulatorSystemsversusServoSystems(恒值系统和随动系统)2.AccordingtowhetherthesystemissatisfiedthesuperpositionprincipleLinearSystemsversusNonlinearSystemAlinearsystemsatisfiesthepropertiesofsuperpositionandHomogeneity:(PrincipleofSuperposition).1-4typesandBasiccomponentsofcontrolsystems.SuperpositionPropertysystemsystemsystemHomogeneityPropertysystemsystemPrincipleofsuperposition1-4typesandBasiccomponentsofcontrolsystems.3.Accordingtowhetherthesystem’sparametersare
changedwithtime
Time-InvariantSystemsversusTime-varyingSystem4.Accordingtotheformofthesignal
ContinuousSystemsversusDiscreteSystems
5.AccordingtothenumberofI/O
SISOSystemsversusMIMOSystems6.AccordingtothestructureofthesystemOpen-loopsystem,closed-loopsystem(feedbackcontrolsystems),CompoundControlsystems1-4typesandBasiccomponentsofcontrolsystems.Example:nextpagesTheblockdiagramdescriptionforacontrolsystem:ConvenienceBlockdiagramofcontrolsystems1-4typesandBasiccomponentsofcontrolsystems.1-4typesandBasiccomponentsofcontrolsystems.Desiredoutputresponse(Commandinput)ActuatingdeviceprocessOutputControllerplantExample:PowerHeaterFurnaceSwitch被控对象FurnaceSwitch&HeaterCommandinputOutputControllerPlantFurnacetemperaturecontrolsystem1-4typesandBasiccomponentsofcontrolsystems.Example:TankValve1LeverDisturbance(valve2)Valve1Valve2TankWaterLevelcontrolsystem1-4typesandBasiccomponentsofcontrolsystems.Example:TemperaturecontrolsystemGasMixerAirValveMotorAmplifierUTPotentiometerURAmplifierFurnaceThermocoupleValveMixerAirAmplifierFurnaceCAmplifierThermocoupleMotorURUT1-4typesandBasiccomponentsofcontrolsystems.Example:AnOpen-loopcontrolsystemutilizesanactuatingdevicetocontroltheprocessdirectlywithoutusingfeedback.Openloopcontrol开环控制(Open-loopControl)——系统的输出端与输入端之间不存在反馈回路,输出量对系统的控制作用没有影响。1-4typesandBasiccomponentsofcontrolsystems.Open-loopControlSystemTheoutputoftheopen-loopsystemhasnoeffectupontheinputsignal.Thereistheneedtoknowanaccuratemodelofindividualcomponents.C被控对象ControllerPlantRUPlantControllerMeasurementnCU1-4typesandBasiccomponentsofcontrolsystems.优点:简单,相对来说成本低缺点:对可能出现的被控量偏离给定值的偏差没有任何修正能力,抗干扰能力差,控制精度不高。Featuresofopen-loopcontrol1-4typesandBasiccomponentsofcontrolsystems.Aclosed-loopcontrolsystemusesameasurementofoutputandfeedbackofthesignaltocompareitwiththedesiredoutput(referenceorcommand).Closed-loopcontrolsystemsReferenceinputComparisonControllerPlantOutputMeasurementFeedbacksignal)1-4typesandBasiccomponentsofcontrolsystems.优点:抗干扰能力强,控制精度高缺点:复杂,有时会产生不稳定。Featuresoffeedbackcontrolsystems1-4typesandBasiccomponentsofcontrolsystems.CompoundControlsystemsCombinationofopen-loopandclosed-loopControllerPlantCFeedbackelementR—CompensatorControllerPlantCFeedbackelementR—Compensatorn1-4typesandBasiccomponentsofcontrolsystems.ObjectivesofcontrolTheobjectivesofthecontrolsystemistocontroltheoutputsinsomeprescribedmannerbytheinputsthroughtheelementsofcontrolsystems.通常目标规定为系统的输入。Ingeneral,theobjectivescanbeidentifiedwithinputs.1-4typesandBasiccomponentsofcontrolsystems.Basiccomponentsofcontrolsystems被控对象(plant,process)测量元件(sensor)可以对被控量进行测量,并转换成能与输入信号进行比较的量纲和数值,也称为反馈元件;比较环节(comparison)实现误差检测;执行机构(actuator)实现对受控对象的操控,起到功率放大的作用。控制律或控制算法(algorithm):控制器的核心。1-4typesandBasiccomponentsofcontrolsystems.AnalysisofautomaticcontrolsystemStep1
确定系统任务;Step2
明确:被控对象、被控量、给定值、测量元件、执行机构和比较元件;Step3叙述系统工作原理;Step4
系统原理方框图。1-4typesandBasiccomponentsofcontrolsystems.terms1.被控对象(plant)
指被控制的设备或过程2.控制器(控制装置controller) 除了被控制对象之外的各部分的组合;3.控制系统(controlsystem) 受控对象与控制装置构成控制系统。4.给定值(期望值、输入量reference/input) 被控制量要求的变化规律(Excitationappliedtoacontrolsystemfromanexternalsource).1-4typesandBasiccomponentsofcontrolsystems.terms5.被控量(controlledvariable) 被控制的物理量;6.输出(Output)Theresponseobtainedfromasystem(通常与被控量一致。)7.干扰(disturbance) 所有使被控量偏离期望值的因素8.反馈(Feedback)-Theoutputofasystemthatisreturnedtomodifytheinput.1-4typesandBasiccomponentsofcontrolsystems.TurntablespeedcontrolTachometerdcamplifierTurntabledcmotorbatterySpeedsettingAmplifierdcmotorTurntableActualspeedDesiredSpeed(voltage)Tachometer1-4typesandBasiccomponentsofcontrolsystems.amplifierMotorGearingValveActuatorWatercontainerProcesscontrollerFloatmeasurement(Sensor)ErrorFeedbacksignalresistancecomparatorDesiredwaterlevelInputActualwaterlevelOutputThewaterlevelcontrolsystem:Figure1.11-4typesandBasiccomponentsofcontrolsystems.1-5Howtoevaluateacontrolsystem?Specifications(RequirementsonControlSystem)(1)Stability:
Stable
(稳)(Basicrequirement),Thesystemmustbestable(3)Swiftness:Swift,peaktime,settlingtime(快)(Requirementoftransientresponse)Transientprocessofsystem’sstepresponsemustbestableandquick(2)Accuracy:Accurate,
steady-sateerror(准)(Requirementofsteady-state)Outputandtrackingprecisionmustsatisfytherequirementwhentheresponsereachedthesteady-state1-5Howtoevaluateacontrolsystem?1-6HistoryofAutomaticControl1769:JamesWatt’ssteamengineandflyballgovernor.一种凭借直觉的实证性发明。1-6HistoryofAutomaticControl1868:J.C.Maxwellformulatesamathematicalmodelforagovernorcontrolofsteamengine.A.M.Lyapunov(李雅普诺夫,1892年),thefirstandsecondmethodJ.C.Maxwell(麦克斯韦尔),1868年发表《论调节器》Hurwitz(霍尔维茨,1895年)andE.J.Routh(劳斯,1884年)stabilitycriterion1-6HistoryofAutomaticControlBode(波德,1927年)developedamethodofLogarithmicfrequencycharacteristic1932:H.Nyquist(奈奎斯特)developedamethodforanalyzingthestabilityofsystems.W.R.Evans(伊万斯,1948年)developedroot-locusmethod1-6HistoryofAutomaticControl1948,N.Wienerpublished《Cybernetics》(控制论)Classicalcontroltheoryforsingleinputsingleoutputsystems二次世界大战中火炮,雷达,飞机以及通讯系统的控制研究直接推动了经典控制的发展。1-6HistoryofAutomaticControl空间军备竞赛催生了现代控制理论苏联L.S.Pontryagin(庞特里亚金)提出极大值原理(MaximumPrinciple)(1956)美国R.Bellman发表著名的DynamicProgramming(动态规划)(1957)L.S.Pontryagin1-6HistoryofAutomaticControl美籍匈牙利人R.E.Kalman发表“OntheGeneralTheoryofControlSystems”等论文,引入状态空间法分析系统,提出能控性,能观测性,最佳调节器和kalman滤波等概念,奠定了现代控制理论的基础(1960)1963年,美国的LoftiZadeh与C.Desoer发表LinearSystems-AStateSpaceApproach。1965年,Zadeh提出模糊集合和模糊控制概念R.E.KalmanC.Desoer1-6HistoryofAutomaticControl1980:Robustcontrolsystemdesignwidelystudied.
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