08-09(二)自控原理課程簡介及第一章一般概念

2020 4 14 自動控制原理 1 自動控制原理戴波 共同努力 戴波010 8129214513681056362daibo 2020 4 14 自動控制原理 3 自動控制實例 水溫控制系統(tǒng) a 手動控制漫畫 b 自動控制水溫的手動控制和自動控制的示意圖 2020 4 14 自動控制原理 4 熱力系統(tǒng)的例子熱力系統(tǒng)的人工反饋控制 2020 4 14 自動控制原理 5 熱力系統(tǒng)的自動反饋控制 2020 4 14 自動控制原理 6 自動化技術(shù)形成時期 18世紀末至20世紀30年代 公元1788年J 瓦特將離心式調(diào)速器與蒸汽機的閥門連接起來 構(gòu)成蒸汽機轉(zhuǎn)速的閉環(huán)自動調(diào)速系統(tǒng) 2020 4 14 自動控制原理 7 現(xiàn)代化的工廠 2020 4 14 自動控制原理 8 磁盤驅(qū)動器 2020 4 14 自動控制原理 9 信息時代 2020 4 14 自動控制原理 10 信息時代 2020 4 14 自動控制原理 11 計算機科學與技術(shù)專業(yè) 培養(yǎng)目標 本專業(yè)培養(yǎng)具有良好的科學素養(yǎng) 系統(tǒng)地 較好地掌握計算機科學與技術(shù)包括計算機硬件 軟件與應用的基本理論 基本知識和基本技能與方法 能在科研部門 教育單位 企業(yè) 事業(yè) 技術(shù)和行政管理部門等單位從事計算機教學 科學研究和應用的計算機科學與技術(shù)學科的高級專門科學技術(shù)人才 2020 4 14 自動控制原理 12 計算機科學與技術(shù)專業(yè) 本專業(yè)主要職業(yè)發(fā)展方向和可能的職業(yè)發(fā)展方向第一類路線 純技術(shù)路線 信息產(chǎn)業(yè)是朝陽產(chǎn)業(yè) 對人才提出了更高的要求 因為這個行業(yè)的特點是技術(shù)更新快 這就要求從業(yè)人員不斷補充新知識 同時對從業(yè)人員的學習能力的要求也非常高 第二類路線 由技術(shù)轉(zhuǎn)型為管理 這種轉(zhuǎn)型尤為常見于計算機行業(yè) 比方說編寫程序 是一項腦力勞動強度非常大的工作 隨著年齡的增長 很多從事這個行業(yè)的專業(yè)人才往往會感到力不從心 因而由技術(shù)人才轉(zhuǎn)型到管理類人才不失為一個很好的選擇 2020 4 14 自動控制原理 13 計算機科學與技術(shù)專業(yè) 就業(yè)要求 1 網(wǎng)絡工程方向 具有扎實的網(wǎng)絡工程專業(yè)基礎 較好的綜合素質(zhì) 能系統(tǒng)地掌握計算機網(wǎng)絡和通信網(wǎng)終技術(shù)領域的基本理論 基本知識 能掌握各類網(wǎng)絡系統(tǒng)的組網(wǎng) 規(guī)劃 設計 評價的理論 方法與技術(shù) 獲得計算機網(wǎng)絡設計 開發(fā)及應用方面良好的工程實踐訓練 特別是獲得大型網(wǎng)絡工程開發(fā)的初步訓練 2 軟件工程 學習如何采用先進的工程化方法進行軟件開發(fā)和軟件生產(chǎn) 計算機軟件主流開發(fā)技術(shù) 軟件工程 軟件項目過程管理等基本知識與技能 熟練掌握先進的軟件開發(fā)工具 環(huán)境和軟件工程管理方法 培養(yǎng)學生系統(tǒng)的軟件設計與項目實施能力 勝任軟件開發(fā) 管理和維護等相關(guān)工作的專業(yè)性軟件工程高級應用型人才 2020 4 14 自動控制原理 14 計算機科學與技術(shù)專業(yè) 就業(yè)要求 3 信息工程 以電子技術(shù) 計算機技術(shù)和通信技術(shù)為基礎 以信號與信息的獲取 傳輸 存儲 處理為學習和研究對象 要求系統(tǒng)的學習信息科學的基本理論和基本知識 具有從事信息工程和電子工程的綜合設計 開發(fā) 集成應用及維護等能力的高級應用型技術(shù)人才 主要的研究領域包括 計算機網(wǎng)絡與移動通信 信號與信息處理新方法 數(shù)字圖像處理及壓縮技術(shù) 單片機原理及應用 DSP原理及應用和現(xiàn)代通信系統(tǒng) 程控交換等通信領域新技術(shù)新業(yè)務的研發(fā)等 4 網(wǎng)絡與信息安全 以信息安全技術(shù)和網(wǎng)絡技術(shù)為基礎 以信息安全和網(wǎng)絡協(xié)議 網(wǎng)絡產(chǎn)品的研究 開發(fā) 運行 管理和維護為學習和研究對象 掌握網(wǎng)絡中實現(xiàn)信息安全的相關(guān)技術(shù) 系統(tǒng)的學習信息科學和通信系統(tǒng)的基本理論和基本知識 使學生受到嚴格的科學試驗訓練和科學研究初步訓練 具有從事信息安全和網(wǎng)絡工程綜合設計 開發(fā) 維護及應用等基本能力的高級應用型技術(shù)人才 2020 4 14 自動控制原理 15 課程簡介 一 課程意義 自動控制原理 是信息工程學院專業(yè)基礎平臺課程 電氣信息類專業(yè)標志性課程 必修課 核心課 是多個專業(yè)的考研課程之一 考研內(nèi)容 自動控制原理 經(jīng)典 本課程 現(xiàn)代 下學期開 課程位置 2020 4 14 自動控制原理 16 電氣信息類專業(yè) 自動化 電氣工程及其自動化計算機科學與技術(shù) 通信工程電子信息工程 電子科學與技術(shù)生物醫(yī)學工程等7個專業(yè) 教育部普通高等學校本科專業(yè)設置 2001版 電氣信息類人才需求特點 綜合化的趨勢越來越強 創(chuàng)新能力的要求越來越高 需求量越來越大 2020 4 14 自動控制原理 17 電氣信息類專業(yè)特點 電類專業(yè) 理論基礎是三論 信息論 系統(tǒng)論 控制論 發(fā)展趨勢 強電弱電計算機 用計算機進行信息處理 融合越來越強 各專業(yè)的特點構(gòu)成了計算機應用的不同側(cè)面 專業(yè)知識更新周期越來越短 面臨以信息技術(shù)改造后的傳統(tǒng)專業(yè)主體地位越來越強的嚴峻挑戰(zhàn) 2020 4 14 自動控制原理 18 應對挑戰(zhàn) 人才培養(yǎng)模式電氣信息類專業(yè)基礎平臺 專業(yè)課群加強專業(yè)基礎教育加強專業(yè)課系統(tǒng)性和創(chuàng)新性提高專業(yè)的綜合性和適應性組合多方向的特色專業(yè)方向加強培養(yǎng)方案的柔性 實現(xiàn) 專業(yè)是課程的組合 的理念 努力構(gòu)建 厚基礎寬口徑 的電氣信息類專業(yè)應用型創(chuàng)新人才培養(yǎng)體系 2020 4 14 自動控制原理 19 2020 4 14 自動控制原理 20 是電氣信息類專業(yè)重要的技術(shù)基礎課 具有較強烈的應用數(shù)學色彩 目的是培養(yǎng)學生系統(tǒng)的思維方式 系統(tǒng)的認識和影響事物 2020 4 14 自動控制原理 21 自動控制理論已經(jīng)發(fā)展為理論嚴密 系統(tǒng)完整 邏輯性很強的一門學科 從基本反饋控制原理發(fā)展到 自適應控制 優(yōu)化控制 魯棒控制 大系統(tǒng)控制 智能控制 討論的對象 因果系統(tǒng) 工程系統(tǒng) 系統(tǒng)的廣義性 經(jīng)濟 社會 工程 生物 環(huán)境 醫(yī)學等 課程特點 研究系統(tǒng)的共性問題 2020 4 14 自動控制原理 22 二 學習方法 十分重視系統(tǒng)思維方式的建立 建立的越早對課程的理解越容易 因數(shù)學色彩較濃 課程有一定難度 要下工夫 多做題 一定要獨立完成作業(yè) 注意與前面已修數(shù)學課程的聯(lián)系和區(qū)別 每章結(jié)束 一定要寫小結(jié) 這是固定作業(yè) 2020 4 14 自動控制原理 23 怎樣學好理論課 理論課是指具有嚴格的理論體系 需要定量描述和抽象思維的一類課程 1 廣泛閱讀參考書籍 進行相互印證 深刻理解理論體系 2 完成大量練習 積極討論問題 在試做習題之前 一定要對有關(guān)理論內(nèi)容 有初步的理解 不然則是事倍功半 個人的理解有時會出現(xiàn)偏差 通過集體討論可以糾正錯誤理解或相互補充 3 理論聯(lián)系實際 演繹歸納并重 理論聯(lián)系實際是一個好的學習方法 許多理論課程采用的是演繹體系 即由一般到個別的過程 但是 工程實踐類的知識往往是歸納體系 即由個別到一般的過程 在學習理論課時 需要正確把握演繹方法和歸納方法的正確運用 2020 4 14 自動控制原理 24 三 參考書1 現(xiàn)代控制工程 第三版 ModernControlEngineering 美 KatsuhikoOgata著電子工業(yè)出版社2000 5 特點 經(jīng)典與現(xiàn)代結(jié)合 引入Matlab 國外電子信息科學經(jīng)典教材系列 90 00元2 自動控制系統(tǒng) 第八版 AutomaticControlSystems 美 BenjaminC Kuoden等著高等教育出版社2004 7 特點 經(jīng)典與現(xiàn)代結(jié)合 把控制理論 實際例子與計算機工具有機結(jié)合 給出了計算軟件和虛擬實驗室 47 9元3 現(xiàn)代控制系統(tǒng) 第八版 ModernControlSystems 美 RichardC Dorf等著高等教育出版社2001 6 特點 給出了大量的實際例子 特別是以磁盤驅(qū)動控制系統(tǒng)作為 循序漸進設計示例 每章分別研究了磁盤驅(qū)動控制系統(tǒng)設計的不同方面 55 00元4 自動控制原理清華大學哈爾濱工業(yè)大學等特點 傳統(tǒng)教材 有利于考研 2020 4 14 自動控制原理 25 四 考試方式 期末閉卷考試 70 實驗成績 20 平時成績 10 五 作業(yè)每星期一交作業(yè) 2020 4 14 自動控制原理 26 第一章自動控制的一般概念 自動控制理論歷史回顧自動控制系統(tǒng)一般概念基本控制方式自動控制系統(tǒng)的分類自動控制系統(tǒng)性能的基本要求典型外部輸入信號本課程的任務 2020 4 14 自動控制原理 27 1 1歷史的回顧 18世紀 JamesWatt為控制蒸汽機速度設計的離心調(diào)節(jié)器 是自動控制領域的第一項重大成果 公元1788年J 瓦特將離心式調(diào)速器與蒸汽機的閥門連接起來 構(gòu)成蒸汽機轉(zhuǎn)速的閉環(huán)自動調(diào)速系統(tǒng) 2020 4 14 自動控制原理 28 1922年 Minorsky研制出船舶操縱自動控制器 并證明了從系統(tǒng)的微分方程確定系統(tǒng)的穩(wěn)定性的方法 1932年 Nyquist提出了一種根據(jù)系統(tǒng)的開環(huán)頻率響應 對穩(wěn)態(tài)正弦輸入 確定閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定性的方法 1934年 Hezen提出了用于位置控制系統(tǒng)的伺服機構(gòu)的概念 討論了可以精確跟蹤變化的輸入信號的機電伺服機構(gòu) 2020 4 14 自動控制原理 29 20世紀40年代 頻率響應法為閉環(huán)控制系統(tǒng)工程設計提供了一種可行方法 20世紀40年代末 50年代初Evans提出并完善了根軌跡法 形成了經(jīng)典控制理論的核心 單輸入單輸出 線性 定常 以傳遞函數(shù)為基礎 設計的系統(tǒng)是穩(wěn)定的 并且滿足一組適當?shù)男阅芤?但不是某種意義上的最優(yōu)系統(tǒng) 20世紀50年代末 控制系統(tǒng)設計問題的重點從設計許多可行系統(tǒng)中的一種系統(tǒng) 轉(zhuǎn)到設計在某種意義上的最優(yōu)系統(tǒng) 科學技術(shù)發(fā)展的需要 設備復雜 工藝要求高 多輸入多輸出的問題開始需要 2020 4 14 自動控制原理 30 20世紀60年代 數(shù)字計算機的出現(xiàn)為復雜系統(tǒng)的基于時域分析的現(xiàn)代控制理論提供了可能 現(xiàn)代應用數(shù)學新成果不斷推出 宇航技術(shù)發(fā)展的需要 現(xiàn)代控制理論發(fā)展了 利用狀態(tài)變量 基于時域分析 從1960年到1980 確定性系統(tǒng) 隨機系統(tǒng)的最佳控制 及復雜系統(tǒng)的自適應和學習控制 都得到充分的研究 從1980年到現(xiàn)在 現(xiàn)代控制理論進展集中于魯棒控制 H 控制及其相關(guān)課題 2020 4 14 自動控制原理 31 古典控制理論以傳遞函數(shù)為基礎研究單輸入 單輸出一類定?？刂葡到y(tǒng)的分析與設計問題 這些理論由于其發(fā)展較早 現(xiàn)已臻成熟 現(xiàn)代控制以狀態(tài)空間法為基礎 研究多輸入 多輸出 時變 非線性一類控制系統(tǒng)的分析與設計問題 系統(tǒng)具有高精度和高效能的特點 2020 4 14 自動控制原理 32 何謂控制何謂自動控制 是指在沒有人直接參與的條件下 利用控制裝置使被控對象按照預定的技術(shù)要求進行工作 自動控制系統(tǒng) 是指能夠?qū)Ρ豢貙ο蟮墓ぷ鳡顟B(tài)進行自動控制的系統(tǒng) 它由被控對象和控制裝置組成 1 2一般概念 手動控制 2020 4 14 自動控制原理 33 被控對象 指需要給以控制的機器 設備或生產(chǎn)過程 被控對象是控制系統(tǒng)的主體 例如火箭 鍋爐 機器人 電冰箱等 控制裝置則指對被控對象起控制作用的設備總體 有測量變換部件 放大部件和執(zhí)行裝置 被控變量 指被控對象中要求保持給定值 要按給定規(guī)律變化的物理量 被控量又稱輸出量 輸出信號 給定值 作用于自動控制系統(tǒng)的輸入端并作為控制依據(jù)的物理量 給定值又稱輸入信號 參考輸入 干擾量 除給定值之外 凡能引起被控量變化的因素 都是干擾 干擾又稱擾動 前向通道 反饋通道 開環(huán) 閉環(huán) 2020 4 14 自動控制原理 34 1 3控制系統(tǒng)基本控制方式 閉環(huán)控制 復合控制 開環(huán)控制 2020 4 14 自動控制原理 35 控制裝置與受控對象之間只有順向作用而無反向聯(lián)系 開環(huán)控制 前饋控制 開環(huán) 閉環(huán)控制 2020 4 14 自動控制原理 37 閉環(huán)控制系統(tǒng)的方框圖 方框圖中的幾種表示法 2020 4 14 自動控制原理 38 2020 4 14 自動控制原理 39 復合控制 2020 4 14 自動控制原理 40 1 4自動控制系統(tǒng)的分類 開環(huán)控制閉環(huán)控制 反饋控制 復合控制 按控制方式分 2020 4 14 自動控制原理 41 機械系統(tǒng) 恒張力系統(tǒng)電氣系統(tǒng)機電系統(tǒng) 全自動照相機 光機電結(jié)合液壓系統(tǒng) 伺服液壓缸 汽車發(fā)動機 大型的仿真模擬臺氣動系統(tǒng)生物系統(tǒng) 按元件類 型分 2020 4 14 自動控制原理 42 按系統(tǒng)功用分 溫度控制系統(tǒng) 壓力控制系統(tǒng) 位置控制系統(tǒng) 2020 4 14 自動控制原理 43 線性系統(tǒng) 非線性系統(tǒng) 連續(xù)系統(tǒng) 定常系統(tǒng) 時變系統(tǒng) 確定性系統(tǒng) 不確定性系統(tǒng) 按系統(tǒng)性能分 離散系統(tǒng) 2020 4 14 自動控制原理 44 恒值控制系統(tǒng) 隨動系統(tǒng) 程序控制系統(tǒng) 按參據(jù)量變化規(guī)律分 2020 4 14 自動控制原理 45 線性連續(xù)控制系統(tǒng) 由系數(shù)判定線性時變系統(tǒng) 線性定常系統(tǒng)線性定常系統(tǒng)根據(jù)參考輸入量又可分為 恒值控制系統(tǒng) 隨動系統(tǒng) 程序控制系統(tǒng) 2020 4 14 自動控制原理 46 系統(tǒng)主要特點 1 恒值控制系統(tǒng)參考輸入是個常值 要求被控量也等于常值 外部擾動的存在 被控量偏離參考量而出現(xiàn)偏差 控制系統(tǒng)根據(jù)偏差產(chǎn)生控制作用 以克服擾動的影響 使被控量恢復到給定的常值 2 隨動系統(tǒng)參考輸入是預先未知的隨時間任意變化的函數(shù) 要求被控量以盡可能小的誤差跟隨參考輸入量變化 2020 4 14 自動控制原理 47 3 程序控制系統(tǒng)參考輸入是按預定規(guī)律隨時間變化的函數(shù) 要求被控量迅速 準確地復現(xiàn) 線性定常離散系統(tǒng) 非線性控制系統(tǒng) 非線性系統(tǒng)的線性化 2020 4 14 自動控制原理 48 線性 非線性系統(tǒng)連續(xù) 離散性系統(tǒng)定常 時變性系統(tǒng)確定 不確定系統(tǒng) 系統(tǒng)類型 按控制方式分 按被控對象分 按系統(tǒng)性能分 分類 按給定值變化規(guī)律分 按系統(tǒng)功用分 按給定值操縱的開環(huán)控制按干擾補償?shù)拈_環(huán)控制按偏差調(diào)節(jié)的閉環(huán)控制復合控制 閉環(huán)反饋為主 開環(huán)補償為輔 恒值系統(tǒng)隨動系統(tǒng)程序控制系統(tǒng) 運動控制系統(tǒng)過程控制系統(tǒng) 溫度控制系統(tǒng)壓力控制系統(tǒng)位置控制系統(tǒng) 2020 4 14 自動控制原理 49 穩(wěn)定性 1對恒值系統(tǒng) 要求當系統(tǒng)受到擾動后 經(jīng)過一定時間的調(diào)整能夠回到原來的期望值 2對隨動系統(tǒng) 被控制量始終跟蹤參據(jù)量的變化 穩(wěn)定性是對系統(tǒng)的基本要求 不穩(wěn)定的系統(tǒng)不能實現(xiàn)預定任務 穩(wěn)定性 通常由系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)決定與外界因素無關(guān) 1 5自動控制系統(tǒng)性能的基本要求 可以歸結(jié)為穩(wěn)定性 長期穩(wěn)定性 準確性 精度 和快速性 相對穩(wěn)定性 穩(wěn) 準 快 2020 4 14 自動控制原理 50 準確性 用穩(wěn)態(tài)誤差來表示 在參考輸入信號作用下 當系統(tǒng)達到穩(wěn)態(tài)后 其穩(wěn)態(tài)輸出與參考輸入所要求的期望輸出之差叫做給定穩(wěn)態(tài)誤差 顯然 這種誤差越小 表示系統(tǒng)的輸出跟隨參考輸入的精度越高 快速性 對過渡過程的形式和快慢提出要求 一般稱為動態(tài)性能 穩(wěn)定高射炮射角隨動系統(tǒng) 雖然炮身最終能跟蹤目標 但如果目標變動迅速 而炮身行動遲緩 仍然抓不住目標 2020 4 14 自動控制原理 51 防空導彈制導 隨動系統(tǒng) 2020 4 14 自動控制原理 52 一個液位控制系統(tǒng)原理圖如下 自動控制器通過比較實際液位與希望液位 并通過調(diào)整氣動閥門的開度 對誤差進行修正 從而保持液位不變 試畫出相應的控制系統(tǒng)的方框圖及人工操縱液位控制系統(tǒng)方塊圖 例題1 1 2020 4 14 自動控制原理 53 控制器 比較 放大的作用浮子 液面高度的反饋元件Q2為系統(tǒng)的干擾量氣動閥門 執(zhí)行