第一章自动控制原理.ppt
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1、第一章自动控制原理1现在学习的是第1页,共60页胡寿松胡寿松 自动控制原理自动控制原理 科学出版社科学出版社胡寿松胡寿松 自动控制原理习题集自动控制原理习题集 科学出版社科学出版社王建辉王建辉 自动控制原理自动控制原理 清华大学出版社清华大学出版社吴吴 麒麒 自动控制原理自动控制原理 清华大学出版社清华大学出版社梅晓榕梅晓榕 自动控制原理自动控制原理科学出版社科学出版社梅晓榕梅晓榕 自动控制原理学习与考研指导自动控制原理学习与考研指导科科 学学出版社出版社参考书参考书现在学习的是第2页,共60页控制理论发展史控制理论发展史古典控制理论时期古典控制理论时期-20-20世纪世纪4040年代一年代一
2、6060年代年代主要采用传递函数、频率特性、根轨迹等频域分主要采用传递函数、频率特性、根轨迹等频域分析方法来解决单输入单输出系统的控制问题。包析方法来解决单输入单输出系统的控制问题。包括伯德提出的伯德图法,伊文思的根轨迹法。括伯德提出的伯德图法,伊文思的根轨迹法。1948年年 维纳的著作维纳的著作控制论控制论和钱学森的和钱学森的工程控制论工程控制论是这一是这一阶段的代表作阶段的代表作现在学习的是第3页,共60页 现代控制理论时期现代控制理论时期-20-20世纪世纪6060年代年代-70-70年代年代 ,主要采用状态空间法解决多输人多输出的线性、非主要采用状态空间法解决多输人多输出的线性、非线性
3、,定常、时变系统。其代表性成果包括庞特里线性,定常、时变系统。其代表性成果包括庞特里亚金的极大值原理、贝尔曼的动态规划、卡尔曼和亚金的极大值原理、贝尔曼的动态规划、卡尔曼和布西提出的卡尔曼滤波器布西提出的卡尔曼滤波器。控制理论发展史控制理论发展史现在学习的是第4页,共60页控制理论发展史控制理论发展史智能控制理论智能控制理论-20-20世纪世纪8080年代以来年代以来,控制理论在控制理论在广度上向广度上向“大系统理论大系统理论”开拓,深度上向开拓,深度上向“智能智能控制控制方向挖掘,以神经网络和模糊控制为代方向挖掘,以神经网络和模糊控制为代表的智能控制理论是现代控制理论的研究热点表的智能控制理
4、论是现代控制理论的研究热点 现在学习的是第5页,共60页自动控制理论的发展史上的著名事件自动控制理论的发展史上的著名事件v人人类类对对控控制制系系统统的的基基本本原原理理(反反馈馈)早早有有认认识识,并并利利用用它它创创造造许许多多装装置置。如如2000年年前前,罗罗马马人人:水水位位控控制制系系统统(淋淋浴浴),神神庙庙(开开关关门门)英英雄雄装装置置。中中国国能能工工巧巧匠匠(技技师师、工工程程师师、科科学学家家):苏苏颂颂的的水水运运仪仪象象台台,张张衡的地震方向测定仪。衡的地震方向测定仪。v1786年年,James Watt 为为控控制制蒸蒸汽汽机机速速度度设设计计的的离离心心调调节节
5、器,是自动控制领域的第一项重大成果器,是自动控制领域的第一项重大成果。现在学习的是第6页,共60页瓦特瓦特现在学习的是第7页,共60页瓦特的蒸汽机瓦特的蒸汽机现在学习的是第8页,共60页离心调速器工作原理离心调速器工作原理现在学习的是第9页,共60页工作原理:进入蒸汽缸中的蒸汽量,可根据蒸汽机的希望进入蒸汽缸中的蒸汽量,可根据蒸汽机的希望转速与实际转速的差值自动地进行调整。它的工作原理是:转速与实际转速的差值自动地进行调整。它的工作原理是:根据希望的转速,设置输入量根据希望的转速,设置输入量(控制量控制量)。如果实际转速降。如果实际转速降低到希望的转速值以下,则调速器的离心力下降,从而使低到希
6、望的转速值以下,则调速器的离心力下降,从而使控制阀上升,进入蒸汽机的蒸汽量增加,于是蒸汽机转速控制阀上升,进入蒸汽机的蒸汽量增加,于是蒸汽机转速随之增加,直至上升到希望的转速值时为止。反之,若蒸随之增加,直至上升到希望的转速值时为止。反之,若蒸汽机的转速增加到超过希望的转速值,调速器的离心力便汽机的转速增加到超过希望的转速值,调速器的离心力便会增加,造成控制阀向下移动。这样就减少了进入蒸汽机会增加,造成控制阀向下移动。这样就减少了进入蒸汽机的蒸汽量,蒸汽机的转速也就随之下降,直到下降至希望的蒸汽量,蒸汽机的转速也就随之下降,直到下降至希望的转速时为止。的转速时为止。现在学习的是第10页,共60
7、页v1868年年,英英国国J.C 麦麦克克斯斯韦韦首首先先解解释释了了瓦瓦特特速速度度控控制制系系统统中中出出现现的的不不稳稳定定问问题题。1877年年 劳劳斯斯,1892年年李李雅雅普普诺夫诺夫 分别独立地得出了劳斯判据和李雅普诺夫稳定判据。分别独立地得出了劳斯判据和李雅普诺夫稳定判据。v1922年年,Minorsky研研制制出出船船舶舶操操纵纵自自动动控控制制器器,并并证证明了从系统的微分方程确定系统的稳定性的方法。明了从系统的微分方程确定系统的稳定性的方法。v1932年年,Nyquist提提出出了了一一种种根根据据系系统统的的开开环环频频率率响响应应(对稳态正弦输入对稳态正弦输入),确定
8、闭环系统,确定闭环系统稳定性的方法稳定性的方法。现在学习的是第11页,共60页v1934年年,Hezen提提出出了了用用于于位位置置控控制制系系统统的的伺伺服服机机构构的的概概念念,讨讨论论了了可可以以精精确确跟跟踪踪变变化化的的输输入入信信号号的的机机电伺服机构。电伺服机构。v19世世纪纪40年年代代,频频率率响响应应法法为为闭闭环环控控制制系系统统提提供供了了一种可行方法,一种可行方法,Evans提出并完善了根轨迹法。提出并完善了根轨迹法。v1948年年,美美国国数数学学家家N.Wiener出出版版Cybernetics是是一一个个控控制制科科学学里里程程碑碑。控控制制论论的的副副标标题题
9、是是关关于于人人、动物及其通讯的科学。动物及其通讯的科学。现在学习的是第12页,共60页19世纪世纪50年代末,控制计问题的重点从设计许多可行系统中的年代末,控制计问题的重点从设计许多可行系统中的一种系统,转到设计在某种意义上的最佳系统。一种系统,转到设计在某种意义上的最佳系统。19世纪世纪60年代,数字计算机的出现为复杂系统的基于时年代,数字计算机的出现为复杂系统的基于时域分析的现代控制理论提供了可能。域分析的现代控制理论提供了可能。从从19601980,确定性系统、随机系统的最佳控制,及复,确定性系统、随机系统的最佳控制,及复杂系统的自适应和学习控制,都得到充分的研究。杂系统的自适应和学习
10、控制,都得到充分的研究。从从1980现在,智能控制理论集中于现在,智能控制理论集中于3C(Computer计算机、计算机、Control控制、控制、Communication通信)通信)控制控制系统系统及其相关课题。及其相关课题。现在学习的是第13页,共60页第一章第一章 控制系统导论控制系统导论v1-1 自动控制的基本原理自动控制的基本原理v1-2 自动控制系统示例自动控制系统示例v1-3 自动控制系统的分类自动控制系统的分类v1-4 对自动控制系统的基本要求对自动控制系统的基本要求现在学习的是第14页,共60页1-1自动控制的基本原理自动控制的基本原理v自动控制技术及其应用自动控制技术及其
11、应用v自动控制的基本概念自动控制的基本概念v自动控制系统的基本控制方式自动控制系统的基本控制方式v反馈控制系统的原理及结构反馈控制系统的原理及结构现在学习的是第15页,共60页 自动控制自动控制自动控制自动控制 是指在无人直接参加的情况下,利用外加的是指在无人直接参加的情况下,利用外加的设备或装置(设备或装置(称控制装置或控制器称控制装置或控制器)使机器、设备或生产)使机器、设备或生产过程(过程(称被控对象称被控对象)的某个工作状态或参数()的某个工作状态或参数(称被控称被控量量)自动地按照预定规律运行。)自动地按照预定规律运行。第一章控制系统导论第一章控制系统导论1.自动控制技术及其应用自动
12、控制技术及其应用现在学习的是第16页,共60页自动控制自动控制:在无人直接参加的情况下,利用外加在无人直接参加的情况下,利用外加的设备或装置(的设备或装置(控制器控制器)使机器、设备或生产过程)使机器、设备或生产过程(被控对象被控对象)的某个工作状态或参数()的某个工作状态或参数(被控量被控量)自)自动地按预定规律运行。动地按预定规律运行。被控对象:被控对象:控制系统要进行控制的受控客体控制系统要进行控制的受控客体被控量:被控量:控制对象要实现的量控制对象要实现的量2.2.自动控制的基本概念自动控制的基本概念现在学习的是第17页,共60页自动控制理论:自动控制理论:研究自动控制共同规律的技术科
13、研究自动控制共同规律的技术科学。学。自动控制系统:自动控制系统:是由控制装置和被控对象所组成,它是由控制装置和被控对象所组成,它们按照一定的方式连接起来,组成一个有机总体。们按照一定的方式连接起来,组成一个有机总体。2.2.自动控制的基本概念自动控制的基本概念现在学习的是第18页,共60页(-)utug扰动扰动 给定给定 装置装置 放大器放大器 电动机电动机 转速反转速反 馈装置馈装置 触发器触发器 晶阐管可晶阐管可 控整流器控整流器控控 制制 装装 置置受控对象受控对象n(b)方框图方框图ueudoRP1ugR0R0R1-utRP2-+-+TGMudouc(a)原理图原理图+现在学习的是第1
14、9页,共60页v反馈控制反馈控制采用负反馈采用负反馈(正反馈较少正反馈较少)并并利用偏差进行控制的过程。利用偏差进行控制的过程。v由于引入了被反馈量的反馈信息,整个控由于引入了被反馈量的反馈信息,整个控制过程成为闭合的,因此反馈控制也称为制过程成为闭合的,因此反馈控制也称为闭环控制闭环控制 。3.反馈控制系统的组成反馈控制系统的组成现在学习的是第20页,共60页图图1.5 1.5 闭环控系统基本组成框图闭环控系统基本组成框图被控量被控量 反馈控制系统的基本组成反馈控制系统的基本组成串连校正串连校正装置装置放大装放大装置置执行机执行机构构被控被控对象对象反馈校正装置反馈校正装置测量装置测量装置给
15、定装给定装置置现在学习的是第21页,共60页给定装置:给定装置:产生给定值或输入信号(量)(即参考量产生给定值或输入信号(量)(即参考量或期望值)或期望值)测量装置:测量装置:测量被控制的物理量(被控量),用于产生反测量被控制的物理量(被控量),用于产生反馈信号。各种传感器:测速发电机、电位计、热电偶等。馈信号。各种传感器:测速发电机、电位计、热电偶等。比较装置:比较装置:把测量元件检测的实际值(被控量)与给定元把测量元件检测的实际值(被控量)与给定元件给出的参考量进行比较,求出它们之间的偏差。如差件给出的参考量进行比较,求出它们之间的偏差。如差动放大器、自整角机。动放大器、自整角机。反馈控制
16、系统的基本组成反馈控制系统的基本组成现在学习的是第22页,共60页放大装置:放大装置:将比较元件给出的偏差进行放大,用来推动将比较元件给出的偏差进行放大,用来推动执行元件。去控制被控对象,如放大器、晶闸管。执行元件。去控制被控对象,如放大器、晶闸管。执行机构:执行机构:直接推动被控对象,使其被控量发生变化。直接推动被控对象,使其被控量发生变化。如步进电机,继电器开关。如步进电机,继电器开关。补偿装置:补偿装置:它是结构或参数便于调整的元件或机构,用串它是结构或参数便于调整的元件或机构,用串联或反馈的方式连接在系统中,以改善控制系统性能。联或反馈的方式连接在系统中,以改善控制系统性能。工业应用的
17、控制系统:电动、汽(气)动、液动。工业应用的控制系统:电动、汽(气)动、液动。反馈控制系统的基本组成反馈控制系统的基本组成现在学习的是第23页,共60页输出量输出量 环节名称环节名称(或特性或特性)输入量输入量(a)(-)(b)re=r-b b(c)c引出点引出点cc 闭环控制系统的方框图闭环控制系统的方框图闭环控制系统的方框图闭环控制系统的方框图 方框图的组成:方框图的组成:方框图的组成:方框图的组成:被控量被控量偏差偏差信号信号(-)参考参考 输入信号输入信号r(t)调节器调节器(或控制器或控制器)u(t)受控系统受控系统e(t)c(t)反馈信号反馈信号 控制量控制量 扰动扰动 给定给定
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