第一章引论.ppt
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1、自动控制原理,授课人:田巍,2011.02.28,一、课程的地位和作用,自动控制原理是电气工程类及相关专业必修的一门重要的专业基础课。,二、课程的基本要求,1、自动控制理论的分类 根据自动控制技术发展的不同阶段 经典控制理论 现代控制理论,三、课程内容和学时分配,第一章 引论 第二章 线性系统的数学模型 第三章 线性系统的时域分析 第四章 线性系统的根轨迹分析 第五章 线性系统的频域分析 第六章 线性系统的校正 第七章 非线性系统的分析 第八章 采样控制系统 第九章 平稳随机信号作用下线性系统的分析,基本概念,建模,设计,1、课程内容,三、课程内容和学时分配,2、学时分配表,自动控制的基本知识
2、,自动控制的基本知识,一、自动控制的概念 二、自动控制技术的应用 三、自动控制理论的发展,一、自动控制的概念,自动控制的概念,在没有人直接参与的情况下,利用控制 装置使被控对象(如机器、设备和生产过程) 的某些物理量(或工作状态)能自动的按照 预定的规律变化(或运行)。,二、自动控制技术的应用,自动控制技术的应用,1、在工业上,自动控制技术有广泛应用 2、在宇航、机器人控制、导弹制导及核动力等高新 技术领域中,自动控制技术更具有特别重要的作用 3、在生物、医学、环境、经济管理和其它许多社会生 活领域中,自动控制技术也得到了应用,结论:自动控制已成为现代社会生活中不可 缺少的一部分,三、自动控制
3、理论的发展,自动控制l理论的发展,自动控制理论的发展可分为四个主要阶段:,第一阶段:经典控制理论(或古典控制理论) 的产生、发展和成熟 第二阶段:现代控制理论的兴起和发展 第三阶段:大系统控制兴起和发展阶段 第四阶段:智能控制发展阶段,第一阶段:经典控制理论,自动控制l理论的发展,至此,控制理论发展的第一阶段基本完成,形成了以频率法和 根轨迹法为主要方法的经典控制理论。,1、发展过程,2、基本特征,自动控制l理论的发展,1)主要用于线性定常系统的研究,即用于常系数 线性微分方程描述的系统的分析与综合; 2)只用于单输入,单输出的反馈控制系统; 3)只讨论系统输入与输出之间的关系,而忽视系 统的
4、内部状态,是一种对系统的外部描述方法。,第二阶段:现代控制理论,自动控制l理论的发展,1、提出背景 1)经典控制理论的局限性 由于经典控制理论只适用于单输入、单输出的线性定常系 统,只注重系统的外部描述而忽视系统的内部状态。因而在实际应用中有很大局限性 2)航天事业和计算机的发展 随着航天事业和计算机的发展,20世纪60年代初,在经典控制理论的基础上,以线性代数理论和状态空间分析法为基础的现代控制理论迅速发展起来。,自动控制l理论的发展,2、发展过程,自动控制l理论的发展,3、基本特征 1)在数学工具、理论基础和研究方法上不仅能提供系统的外部信息(输出量和输入量),而且还能提供系统内部状态变量
5、的信息 2)无论对线性系统或非线性系统,定常系统或时变系统,单变量系统或多变量系统,都是一种有效的分析方法,第三阶段:大系统理论,自动控制l理论的发展,1、提出背景 1)新的控制方法和理论的出现 现代频域方法:以传递函数矩阵为数学模型,研究线性定常多变量系统 自适应控制理论和方法:以系统辨识和参数估计为基础,在实时辨识基础上在线确定最优控制规律 鲁棒控制方法:在保证系统稳定性和其它性能基础上,设计不变的鲁棒控制器,以处理数学模型的不确定性,第三阶段:大系统理论,自动控制l理论的发展,1、提出背景 2)控制理论应用范围的扩大 从个别小系统的控制,发展到若干个相互关联的子系统组成的大系统进行整体控
6、制,从传统的工程控制领域推广到包括经济管理、生物工程、能源、运输、环境等大型系统以及社会科学领域,自动控制l理论的发展,2、基本特征 1)大系统理论是过程控制与信息处理相结合的系统工程理论 2)具有规模庞大、结构复杂、功能综合、目标多样、因素众多等特点 3)它是一个多输入、多输出、多干扰、多变量的系统 4)大系统理论目前仍处于发展和开创性阶段,第四阶段:智能控制,自动控制l理论的发展,1、提出背景 智能控制的概念和原理主要是针对被控对象、环境、控制目标或任务的复杂性提出来的,它的指导思想是依据人的思维方式和处理问题的技巧,解决那些目前需要人的智能才能解决的复杂的控制问题 2、研究方法 智能控制
7、是从“仿人”的概念出发的。一般认为,其方法包括学习控制、模糊控制、神经元网络控制、和专家控制等方法,目 录,第一章 引 论 第二章 线性系统的数学模型 第三章 线性系统的时域分析 第四章 线性系统的根轨迹分析 第五章 线性系统的频域分析 第六章 线性系统的校正,1-2 自动控制系统的类型,1-3 自动控制理论概要,1-4 自动控制系统中的术语和定义,第一章 引 论,1-1 开环控制和闭环控制,1-1 开环控制和闭环控制,一、自动控制,在没有人直接参与的情况下,利用控制 装置使被控对象(如机器、设备和生产过程) 的某些物理量(或工作状态)能自动的按照 预定的规律变化(或运行)。,1-1 开环控制
8、和闭环控制,二、自动控制系统的形式,自动控制系统,开环控制系统,闭环控制系统,开环控制,实例:直流电动机转速控制系统,如电动机负载的增减、磁场电流的变化、功率放大器电源的波动,开环控制系统自身无法纠正由于扰动作用产生的偏差,为了克服扰动影响,维持电动机转速不变,有两种解决办法:,人工控制 自动控制,(闭环控制),实例:直流电动机转速控制系统,转速表,眼:,脑:,手:,人工控制:,观测转速,检测装置,将转速实际值与希望值进行比较,根据偏差进行调节,使转速恢复 到希望值,比较环节,执行机构,只要控制装置能自动地完成“检测、比较、执行”的作用,就可以实现自动控制。,实例:直流电动机转速控制系统,实例
9、:直流电动机转速控制系统,uf,u,检测:,用测速发电机来测量电动机的转速,电 位器上的电压uf与转速n成比例关系, 即 uf = k n。,实例:直流电动机转速控制系统,uf,u,比较:,给定电压ur = k nr与反馈电压uf = k n 进行 比较,偏差u = ur uf = k(nr n),实例:直流电动机转速控制系统,uf,u,执行:,偏差u经放大器放大后得到电压ud ,即可 控制电动机加速或减速,使电动机转速趋向 于希望值。,实例:直流电动机转速控制系统,uf,u,自动控制过程:,n,ud,uf,u,n,实例:直流电动机转速控制系统,方框图:,闭环控制,开环控制系统和闭环控制系统,
10、1、开环控制系统,1)概念:系统的输出量对控制作用没有影响的系统称为开环控制系统。 2)构成:开环控制系统中信号只有从输入到输出一条前向通道,输出与输入之间不存在反馈通道。 3)系统精度的决定因素:系统的精度取决于组成系统的元、器件的精度和特性调整的精确度。 4)特点:优点是构造简单,维护容易,成本低,一般不存在稳定性问题;缺点是不能克服扰动对输出量的影响。,开环控制,2、闭环控制系统,1)概念:系统的输出量经变换后反馈到输入端与输入量进行比较,根据偏差进行控制,形成闭合回路,这样的系统称为闭环控制系统,也称为反馈控制系统或偏差控制系统。 2)构成:闭环控制系统中除了有前向通道外,还存在从输出
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