自动控制原理教案西南交大

1、西南交通大学 电气工程学院 2013,2,控制系统示例,3,课程导论,教学参考书： 现代控制系统(第八版). 高等教育出版社, 2001. Richard C. Dorf, Robert H. Bishop, 谢红卫等译 Modern Control Systems(11th Edition) (英文影印版). 科学出版社 2009. Richard C. Dorf, Robert H. Bishop. 自动控制原理. 高等教育出版社, 2003 黄家英 自动控制原理. 清华大学出版社, 吴麒 自动控制理论新编教程. 西南交通大学出版社, 张汉全等,4,教学参考书：,课程导论,5,课程导论,课

2、程内容： 绪论 控制系统的数学模型 控制系统的运动分析 根轨迹法 频率响应法 控制系统设计 非线性控制系统分析,6,课程导论,课程任务： 掌握控制理论的基本思想； 用控制理论进行一般应用问题的设计； 熟悉采用软件工具进行仿真和程序设计技术； 初步具备控制系统设计的能力； 课程特点： 研究的是自动控制系统运动的一般规律和分析设计的基本方法； 讨论的主要问题是控制系统的性能；,7,第一章 绪论,1.1 引言 Introduction 1.2 控制理论与技术发展简况 History of Automatic Control 1.3 控制系统的基本形式 The Basic Mode of Contro

3、l System 1.4 控制系统的分类 The Classification of Control System 1.5 控制系统举例 Examples of Control System 1.6 对控制系统的基本要求与研究内容 Basic Requirements and Main Research Contents,8,1.1 引言,自动控制理论与技术的广泛应用： 航空航天和运输 信息和网络 机器人与智能机器 生物和医药 材料和加工 环境科学、经济和金融 ,9,1.1 引言,自动控制系统的功能： 通过控制装置使受控对象的被控量按照预定的规律变化 自动控制理论学科以及本课程具有下列两个特点

4、： 自动控制理论研究的是自动控制系统运动的一般规律和分析、设计的基本方法； 自动控制理论讨论的中心问题是控制系统的性能；,10,Primitive Period,Classic Period,Modern Period,1.2 控制理论与技术发展简况,1868-1900,Industrial Revolution in Europe 1750,Water Clock of the Greeks Arabs and Chinese 300BC-1200AD,Telephone 800AD 古代阿拉伯人利用浮球进行水钟控制; 1086AD 苏颂 韩公廉 发明的水运仪象台;,Water Clock,

5、Temple Door,水运仪象台,Before 1868 Prehistory of Automatic Control,12,1.2 控制理论与技术发展简况,1788 英国 J. Watt 用离心式调速机构控制蒸汽机的速度;,Windmill Fantail 1750,James Watt 1769,James Watt 1788,Before 1868,1868 - 1900,Steam Engine Newcomen 1712,13,1.2 控制理论与技术发展简况,1840 英国 G.B.Ariy首次用微分方程研 究控制系统讨论了反馈系统的不稳定性; 1868 英国 J.C.Maxwe

6、ll 发表了“On Governors” 一文,系统分析了反馈控制系统的稳定性; 1877 E.J.Routh和A.Hurwitz 1895年分别 建立了“Routh-Hurwitz Stability Criteria” 1892 俄国 A.M.Lyapunov 完成博士论 文“论运动稳定性的一般问题”;,Before 1868,1868 - 1900,14,1868 - 1900,1900 - 1960,1.2 控制理论与技术发展简况,1927 美国 H.S.Black 提出了负反馈放大器; 1932 美国 H.Nyquist 提出了基于极坐标图的频率域的稳定性判据; 1938 美国 H.

7、W.Bode 引入了对数坐标系,使控制系统的频率域响应方法更适于工程应用; 1948 美国 W.R.Evans 提出了根轨迹法;,15,1.2 控制理论与技术发展简况,1868 - 1900,1900 - 1960,建立在Nyquist的频率法和Evans的根轨迹法上的理论，通常称为经典(古典)控制理论。 经典控制理论： 一个函数传递函数； 两种方法频率响应法，根轨迹法；,16,1.2 控制理论与技术发展简况,1868 - 1900,1900 - 1960,1948 N.Wiener “Cybernetics, or Control and Communication in the Anima

8、l and the Machine” 控制论或关于在动物与机器中控制和通讯的科学 首先提出了控制论这个词,这部著作被认为是经典控制理论的辉煌总结。,17,1.2 控制理论与技术发展简况,1868 - 1900,1900 - 1960,经典控制理论的三个局限性： 限于线性定常系统(Linear time-invariant system); 限于标量系统或单回路反馈系统单输入单输出(SISO)系统; 只提供分析方法而不是综合方法;,18,1900 1960,After 1960,1.2 控制理论与技术发展简况,1957 美国 R.Bllman 动态规划理论; 1958 前苏联 L.S.Pontr

9、yagin 极大值原理; 1960 美国 R.Kalman 多变量系统最优控制、可控性和可观测性、最优滤波理论; 自适应控制、鲁棒控制、预测控制、 智能控制(综合传统控制学科、信息学科的计算机技术、网络技术和通信技术),19,1.2 控制理论与技术发展简况,控制系统前瞻,20,1.2 控制理论与技术发展简况,控制系统前瞻 具有符号和连续动态的系统的控制 在分布式、异步网络环境中的控制 高级协作与自主控制 控制算法的自动综合 由不可靠的部件建立可靠的系统,21,1.3 控制系统的基本形式,控制系统(Control System)： 由相互关联的部件按照一定的结构构成,它能够提供预期的系统响应.,

10、手动控制系统,自动控制系统,22,1.3 控制系统的基本形式,开环控制系统(Open-Loop Control System)： 在没有反馈的情况下,利用执行机构直接控制受控对象的控制系统.,23,1.3 控制系统的基本形式,闭环控制系统(Closed-Loop Control System)： 对输出进行测量,将此测量信号反馈，并与预期的输入(参考或指令输入)进行比较的系统.,24,1.3 控制系统的基本形式,自动控制系统的基本构成 (控制)对象: 被控制的设备、装置或控制过程 输出量: 被控制量 输入量(给定量): 反映控制系统要求，预先给定的信号 控制器: 根据系统要求按一定规则产生控制

11、作用 检测环节: 测量输出量，并根据需要进行物理量的转换 比较环节：比较给定输入与反馈信号的差值，产生偏差信号 扰动: 是一种对系统输出量产生不同作用的信号,25,1.3 控制系统的基本形式,多变量控制系统(Multivariable Control System)： 有多个输入变量或/和多个输出变量的控制系统.,26,1.4 控制系统的分类,1. 按照参考输入特征(运行方式) 恒值控制系统： 参考输入为定值，控制输出保持在恒定的要求值(克服扰动)； 随动控制系统(自动跟踪系统)： 参考输入预先未知，随时间变化控制输出；控制输出以尽可能小的误差跟随输入的变化；,27,1.4 控制系统的分类,2

12、. 按照数学模型的特征系统的本质分类 线性系统与非线性系统； 连续系统与离散系统； 确定性系统与非确定性系统(随机系统)； 单输入单输出(SISO)系统与多输入多输出(MIMO)系统； 集中参数系统与分布参数系统： ,28,1.4 控制系统的分类,3. 按照组成系统的元件分类 电气 机械 液动 气动 生物学 经济学 社会学 ,29,1.5 控制系统举例,Open-Loop Control System,30,1.5 控制系统举例,Closed-Loop Control System,31,1.5 控制系统举例,Automobile Steering Control System,(b) Mea

13、sure of Error,(c) Typical direction-of-travel response,(a) Block Diagram,32,1.5 控制系统举例,Liquid Level Manual Control System,(b) Manual Control System,33,1.5 控制系统举例,Coordinated Control System,(b) Coordinated Control System for Boiler Generator,(a) Block Diagram,34,1.5 控制系统举例,35,1.6 对控制系统的基本要求与研究内容,1.基本要求 稳定：有一定