第一章 自动控制概论

自动控制理论(theory)
研究自动控制共同规律的技术学科
自动控制原理(principles)
控制系统分析和设计的一般理论
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第一章 自动控制导论
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三,什么是反馈控制? 三,什么是反馈控制?
开环控制
预期速度 (电压 电压) 电压
控制装置 放大器
执行机构 直流电机
受控对象 转台
实际速度
方块图 开环控制
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七,发展历程… 七,发展历程…
经典控制理论时期(1868~1960) the classical period --SISO,传递函数
1868年J.C. Maxwell蒸汽机调节器数学模型 年 蒸汽机调节器数学模型 稳定性分析方法: 稳定性分析方法 E.J. Routh [1877]/ A. Hurwitz [1895], A.M. Lyapunov[1892]—时域 时域 频率分析法[1920's and 1930's]:H.W. Bode, H. 频率分析法 Nyquist ,H.S. Black (negative feedback), P.S. de Laplace , J. Fourier, A.L. Cauchy N. Minorsky [1922] PID N.B. Nichols[1947] Nichols Chart W.R. Evans[1948]根轨迹法 根轨迹法 Stochastic Analysis: N. Wiener [1949] A.N. Kolmogorov [1941]
被控对象 转台
实际速度
被控对象,输入信号,输出信号, 被控对象,输入信号,输出信号,控制装置 反馈信号, 反馈信号,偏差信号 反馈:负反馈,正反馈;反馈控制/闭环控制 反馈:负反馈,正反馈;反馈控制 闭环控制
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方块图
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三,什么是反馈控制? 三,什么是反馈控制? …
闭环控制/反馈控制
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四.基本控制方式
1.开环控制 1.开环控制
输入
控制装置
对象
输出
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四.基本控制方式… 基本控制方式…
2.反馈控制 2.反馈控制
输入量 串 联 补偿 元件 输出量 放大元 件 执 行元件 被控对象
-
局部反馈 反馈 补偿元件
测量元件
反馈控制系统的组成
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四.基本控制方式… 基本控制方式…
3.复合控制 3.复合控制
扰动
补偿器
输入 输出
-
控制器
对象
测量装置
按扰动补偿的复合控制
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四.基本控制方式… 基本控制方式…
补偿器
输出
输入
控制器
对象
测量装置
按输入补偿的复合控制
Utah/MIT dextrous robotic hand. 3 fingers and a thumb. 18 DOF. 5 Motorola 68000 microprocessors. 36 high-performance electropneumatic actuators
Honda P3 humanoid robot. P3 walks, climbs stairs and turns corners. American Honda Motor, Inc.
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一,为什么要学? 一,为什么要学? …
A laboratory robot used for sample preparation. The robot manipulates small objects, such as test tubes, and probes in and out of tight places at relatively high speeds
被控对象(Plant) 控制装置/控制器(Controller) 输入量/输入信号(Input) 被控量/输出量/输出信号(Output)
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二,基本概念… 二,基本概念…
自动控制系统(Automatic control system)
将被控对象和控制装置按一定的方式连接起来,组 将被控对象和控制装置按一定的方式连接起来, 成一个有机总体, 成一个有机总体,完成一定的任务
输入
控制装置
对象
输出
控制装置与被控对象之间只有顺向作用,没有反向联系. 控制装置与被控对象之间只有顺向作用,没有反向联系.
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三,什么是反馈控制? 三,什么是反馈控制? …
闭环控制/ 闭环控制/反馈控制
预期速度 (电压)
控制装置 放大器
执行机构 直流电机 传感器 转速计
2 ( t ) + 3 x ( t ) + 4 x ( t ) = r ( t ) x dc ( t ) t + 3 c ( t ) = r ( t ) + 2 ∫ ∞ r (τ ) d τ dt tc ( t ) = r ( t ) y ( t ) = r ( t ) cos ω t + y2 = r y y = x + 2
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五.控制系统分类
1. 2. 3. 4. 线性系统/非线性系统 连续系统/离散系统 时变系统/定常系统 恒值系统(调节系统) 随动系统(跟踪系统) 程序控制系统
5. ……
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五.控制系统分类… 控制系统分类…
判断下列系统的线性/非线性 定常/时变 非线性, 例1-6 判断下列系统的线性 非线性,定常 时变
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三,什么是反馈控制? 三,什么是反馈控制? …
例1-5 正反馈的例子
初始工资 + 实际工资 实际工资
过程 工业
价格
工资上涨
生活费用 自动的上升
K
生活费用
思考:正反馈系统能否正常工作? 思考:正反馈系统能否正常工作? 国家通过什么方法使物价稳定? 国家通过什么方法使物价稳定? 国家的工资和物价政策是怎样影响这个反馈系统的? 国家的工资和物价政策是怎样影响这个反馈系统的?
对输出量进行测量, 对输出量进行测量,并反馈到输入端与预期输出 参数输入或指令输入)进行比较, (参数输入或指令输入)进行比较,不断修正被控量与 输入量之间的偏差, 输入量之间的偏差,从而实现对被控对象进行控制的 任务. 任务.
输入
比较器
控制器
对象wk.baidu.com
输出
测量装置
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三,什么是反馈控制? 三,什么是反馈控制? …
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二,基本概念
自动控制(Automatic control)
在没有人直接参与的情况下,利用外加的设备或装 在没有人直接参与的情况下,利用外加的设备或装 机器,设备或生产过程的 置,使机器,设备或生产过程的某一个工作状态或 参数自动地按照预定的规律运行 自动地按照预定的规律运行. 参数自动地按照预定的规律运行.
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参考文献
科学出版社,2002年 R.C. Dorf, Modern Control System (9th Edition), 科学出版社,2002年. 第八版), 高等教育出版社,2001年 R.C. Dorf, 现代控制系统 (第八版), 高等教育出版社,2001年. 李友善,自动控制原理,国防工业出版社,修订版, 李友善,自动控制原理,国防工业出版社,修订版,1989 吴麒,自动控制原理,清华大学出版社,1990. 吴麒,自动控制原理,清华大学出版社,1990.
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九.教学计划及要求
授课:49+5 授课 实验:6 实验 上机:14 上机 作业:每周四交 作业 每周四交 成绩评定: 成绩评定:平时 10%; ; 实验 15%; ; 上机 5% 考试 70%
习题:1-1,1-10
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�
自动控制原理( 自动控制原理(上)
Principles of Automatic Control
黄金泉
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第一章 自动控制导论(Introduction)
本章内容:
Why? What? How?
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2
一,为什么要学? 一,为什么要学?
DEFC DEEC FADEC IFPC
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七,发展历程… 七,发展历程…
现代控制理论时期(1960~) the modern period –MIMO,状态空间法
非线性控制 计算机控制 最优控制 鲁棒控制 分布参数控制 离散事件控制 智能控制 ……
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术语
闭环反馈控制系统 closed-loop feedback control system 负反馈 negative feedback 正反馈 positive feedback 开环 open-loop 对象 plant 执行机构 actuator 传感器 sensor
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六.控制系统的基本要求
稳定性:保证系统正常工作的首要前提 快速性:动态性能 (过渡过程) 准确性:稳态误差 (稳态过程)
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七,发展历程
早期(~1868) the prehistory
中国古代:西汉指南车,东汉天文仪,计时器, 中国古代:西汉指南车,东汉天文仪,计时器,浑 天仪 古希腊: 古希腊:水钟 Cornelis Drebbel [1624]熔炉温度调节器 熔炉温度调节器 W. Salmon [1746]家用供水水位浮球调节器 家用供水水位浮球调节器 J. Brindley [1758]蒸汽机水位浮球调节器 蒸汽机水位浮球调节器 抽水马桶专利[1775], Thomas Crapper改进 抽水马桶专利 改进 James Watt[1769]蒸汽机和飞球速度调节器 蒸汽机和飞球速度调节器 (the beginning of the Industrial Revolution )
例1-2 水钟
被控对象:水箱2 控制装置:浮球 输入:给定液面 输出:实际液面
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三,什么是反馈控制? 三,什么是反馈控制? …
例1-3 蒸汽机转速控制系统
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三,什么是反馈控制? 三,什么是反馈控制? …
例1-4 压力调节器
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