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文檔簡介
第1章緒論主要內(nèi)容:1.1自動控制理論的形成與發(fā)展1.2自動控制系統(tǒng)的基本概念1.3自動控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成1.4自動控制系統(tǒng)的分類1.5對自動控制系統(tǒng)的基本要求1.6教學(xué)內(nèi)容與要求1.1自動控制理論的形成與發(fā)展
自動控制——是指在沒有人直接參與的情況下,利用外加設(shè)備或控制裝置使生產(chǎn)過程或被控對象中的某一物理量或多個物理量自動地按照期望的規(guī)律去運行或變化。這種外加的設(shè)備或裝置就稱為自動控制裝置。
主要經(jīng)歷三個階段:經(jīng)典控制理論現(xiàn)代控制理論智能控制理論1.1.1經(jīng)典控制理論
1自動裝置的發(fā)明與應(yīng)用
2穩(wěn)定性理論的建立
做出杰出貢獻的人物主要有:
拉普拉斯(1749-1827)李亞普諾夫(1857-1918)
這一時期,研究工作的重點是系統(tǒng)的穩(wěn)定性和穩(wěn)態(tài)偏差,采用的數(shù)學(xué)工具是微分方程解析法,它們是在時間域上進行討論的,通常稱這些方法為控制理論的時間域方法,簡稱時域法。3頻域法與根軌跡法的建立做出杰出貢獻的人物主要有:Bell實驗室工程師布萊克(H.S.Black)美國物理學(xué)家奈奎斯特(HarryNyquist,1889-1976)前蘇聯(lián)學(xué)者米哈依洛夫Bell實驗室的數(shù)學(xué)家伯德(HendrikBode,1905-1982)美國數(shù)學(xué)家維納(NorbertWiener,1894-1964)中國科學(xué)家錢學(xué)森
主要著作和論文:伯德的著作《NetworkAnalysisandFeedbackAmplifierDesign》維納的著作《CyberneticsorControlandCommunicationintheAnimalsandtheMachine》美國電信工程師埃文斯(W.R.Evans)的論文“Graphicalanalysisofcontrolsystem”和“Controlsystemsynthesisbyrootlocusmethod”錢學(xué)森的專著《EngineeringCybernetics》
4脈沖控制理論的建立代表人物及杰出貢獻:維納(1894-1964)
香農(nóng)(1916-2001)奈奎斯特(1889-1976)卡爾曼(1930-)
經(jīng)典控制理論主要是解決單輸入單輸出控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計,研究對象主要是線性定常系統(tǒng)。它以拉氏變換為數(shù)學(xué)工具,以傳遞函數(shù)、頻率特性、根軌跡等為主要分析設(shè)計工具,構(gòu)成了經(jīng)典控制理論的基本框架。簡單地可概括為一個函數(shù)(傳遞函數(shù))兩種方法(頻率響應(yīng)法和根軌跡法)。主要特點:它是一套工程實用的方法,許多工作可用作圖法來完成;物理概念清晰,在分析和設(shè)計時便于聯(lián)系工程實際作出決定,減少盲目性;可用實驗方法建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。
1.1.2現(xiàn)代控制理論主要的模型形式:狀態(tài)空間法(StateSpaceMethod)與經(jīng)典控制理論相比較:既可以是單變量的、線性的、定常的、連續(xù)的;也可以是多變量的、非線性的、時變的、離散的。主要學(xué)科分支:系統(tǒng)辨識自適應(yīng)控制非線性系統(tǒng)最優(yōu)控制魯棒控制模糊控制預(yù)測控制容錯控制復(fù)雜系統(tǒng)控制
1.1.3智能控制理論智能控制是一門交叉學(xué)科。智能控制是自動控制發(fā)展的高級階段,是人工智能、控制論、系統(tǒng)論和信息論等多種學(xué)科的高度綜合與集成,代表控制理論與技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展的最新方向?;A(chǔ):人工智能主要目標(biāo):使控制系統(tǒng)具有學(xué)習(xí)和適應(yīng)能力
代表人物:圖靈(1912-1954)明斯基(1927-)主要分支:模糊控制(FuzzyControl)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制(NeuralNet-basedControl)基于進化機制的控制(EvolutionaryMechanismBasedControl)基于知識的控制(KnowledgeBasedControl)或?qū)<铱刂?ExpertControl)學(xué)習(xí)控制(learningControl)復(fù)合智能控制(HybridIntelligentControl)1.2自動控制系統(tǒng)的基本概念
自動控制系統(tǒng)——能夠?qū)Ρ豢貙ο蟮墓ぷ鳡顟B(tài)進行自動控制的系統(tǒng)。它一般由控制裝置和被控對象組成。被控對象——那些要求實現(xiàn)自動控制的機器、設(shè)備或生產(chǎn)過程。控制裝置——對被控對象起控制作用的設(shè)備總體。
1.2.1人工控制與自動控制的比較圖1-3(a)所示是一種人工操縱的水位調(diào)節(jié)系統(tǒng),控制要求是保持水箱水位始終處在期望水位(簡稱給定值)。圖中水箱是被控制的設(shè)備,簡稱被控對象;水箱水位是被控制的物理量,簡稱被控量。圖1-3(b)所示是人工控制水位的模擬過程,簡稱控制系統(tǒng)的方框圖。圖中用方框代表系統(tǒng)中具有相應(yīng)的功能單元或部件,用箭頭表示功能單元之間的信號及其傳遞方向。
圖1-3(a)水位人工調(diào)節(jié)原理圖圖1-3(b)水位人工調(diào)節(jié)系統(tǒng)的方框圖
圖1-4(a)所示是一種簡單的水箱水位自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)。圖中浮子相當(dāng)于人的眼睛,用來測量水位高低;連桿機構(gòu)相當(dāng)于人的大腦和手,用來進行比較、計算誤差并實施控制。連桿的一端由浮子帶動,另一端連接著進水調(diào)節(jié)閥。圖1-4(b)所示是連桿自動調(diào)節(jié)水位系統(tǒng)的方框圖。圖1-4(a)水位自動調(diào)節(jié)原理圖
圖1-4(b)水位自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)方框圖圖1-5(a)所示是一種改進的水位自動控制系統(tǒng)。圖中浮子相當(dāng)于人的眼睛,對實際水位進行測量;連桿和電位器相當(dāng)于人的大腦,它將實際水位與期望水位進行比較,給出偏差的大小和極性;電動機和減速器相當(dāng)于人的手,調(diào)節(jié)閥門開度,對水位實施控制。圖1-5(b)所示是水位自動控制系統(tǒng)的方框圖。圖1-5(a)改進的水位自動控制原理圖圖1-5(b)水位自動控制系統(tǒng)的方框圖
自動控制和人工控制極為相似,自動控制系統(tǒng)只不過是把某些裝置有機地組合在一起,以代替人的職能而已。這些裝置相互配合,承擔(dān)著控制的職能,通常稱之為控制器(或控制裝置)。
被控對象和控制器是自動控制系統(tǒng)中的兩個重要組成部分。
1.2.2開環(huán)控制系統(tǒng)最典型的三種控制方式:開環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)復(fù)合控制系統(tǒng)
開環(huán)控制系統(tǒng)——不帶反饋裝置的控制系統(tǒng),即不存在由輸出端到輸入端的反饋通路。也就是指系統(tǒng)的控制輸入不受輸出影響的控制系統(tǒng)。在開環(huán)控制系統(tǒng)中,輸入端與輸出端之間,只有信號的前向通道(即信號從輸入端到輸出端的路徑),而不存在反饋通道(即信號從輸出端到輸入端的路徑)。
圖1.6(a)所示是一個直流電動機轉(zhuǎn)速開環(huán)控制系統(tǒng)。圖1.6(a)轉(zhuǎn)速開環(huán)控制原理圖1-6(b)是直流電動機轉(zhuǎn)速開環(huán)控制系統(tǒng)的方框圖。圖1-6(b)轉(zhuǎn)速開環(huán)控制方框圖在開環(huán)控制系統(tǒng)中,被控對象的輸出量對控制裝置(控制器)的輸出沒有任何影響,即控制裝置與被控對象之間只有順向控制作用,而沒有反向聯(lián)系的控制。由于缺少從系統(tǒng)輸出端到輸入端的反饋回路,因此開環(huán)控制系統(tǒng)精度低且適應(yīng)性差。
1.2.3閉環(huán)控制系統(tǒng)
閉環(huán)控制系統(tǒng)——輸出量直接或間接地反饋到輸入端,形成閉環(huán)參與控制的系統(tǒng)。也就是將輸出量反饋回來和輸入量比較,使輸出值穩(wěn)定在期望的范圍內(nèi)。
圖1-7(a)所示是一個直流電動機轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)。圖1-7(a)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制原理圖1-7(b)是直流電動機轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)的方框圖。圖1-7(b)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制方框圖
閉環(huán)控制系統(tǒng)的主要特點:被控對象的輸出(被控制量)會反送回來影響控制器的輸出,形成一個或多個閉環(huán)或回路。開環(huán)控制系統(tǒng)優(yōu)點:結(jié)構(gòu)比較簡單,成本較低。缺點:不能自動修正被控量的偏離,控制精度低,抗干擾能力差,而且對系統(tǒng)參數(shù)變化比較敏感。閉環(huán)控制系統(tǒng)優(yōu)點:具有自動修正被控量出現(xiàn)偏離的能力,可以修正元件參數(shù)變化以及外界擾動引起的誤差,控制精度高。缺點:被控量可能出現(xiàn)振蕩,甚至發(fā)散。1.2.4復(fù)合控制系統(tǒng)對主要的擾動采用適當(dāng)?shù)难a償裝置實現(xiàn)按擾動原則控制,同時,組成閉環(huán)反饋控制實現(xiàn)按偏差原則控制,以消除其它擾動帶來的偏差。這樣按偏差原則和按擾動原則結(jié)合起來構(gòu)成的系統(tǒng),稱為復(fù)合控制系統(tǒng)。它兼有開環(huán)和閉環(huán)兩者的優(yōu)點,可以構(gòu)成精度很高的控制系統(tǒng)。一種控制直流電動機速度的復(fù)合控制系統(tǒng)的原理圖和方框圖如圖1-8所示。
圖1-8(a)轉(zhuǎn)速復(fù)合控制系統(tǒng)原理圖圖1-8(b)轉(zhuǎn)速復(fù)合控制系統(tǒng)方框圖1.3自動控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成
圖1-9反饋控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成給定環(huán)節(jié):產(chǎn)生給定的輸入信號。控制器(調(diào)節(jié)器):根據(jù)誤差信號,按一定規(guī)律,產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號,控制器是自動控制系統(tǒng)的核心部分。放大環(huán)節(jié):將控制信號進行放大,使其變換成能直接作用于執(zhí)行機構(gòu)的信號。執(zhí)行機構(gòu):一般由傳動裝置和調(diào)節(jié)機構(gòu)組成,直接作用于被控對象,使被控量發(fā)生變化。被控對象:控制系統(tǒng)所要控制的設(shè)備或生產(chǎn)過程,它的輸出就是被控量。反饋環(huán)節(jié)(檢測裝置):對系統(tǒng)輸出(被控量)進行測量,將它轉(zhuǎn)換成為與給定量相同的物理量(一般是電量)。擾動:除輸入量外能使被控量偏離輸入量所要求的值或規(guī)律的控制系統(tǒng)的內(nèi)外的物理量。
前向通路:信號從輸入端沿箭頭方向到達輸出端的通路主反饋通路:系統(tǒng)的輸出量經(jīng)檢測裝置到輸入端的通路
主回路:由前向通路和主反饋通路構(gòu)成
內(nèi)回路:由局部前向通路和局部反饋通路夠成的回路
單回路系統(tǒng):一個只包含主反饋通路的系統(tǒng)
多回路系統(tǒng):包含兩個或兩個以上的反饋通路的系統(tǒng)
1.4自動控制系統(tǒng)的分類
1.4.1線性系統(tǒng)與非線性系統(tǒng)
線性系統(tǒng)——組成系統(tǒng)的元器件的靜態(tài)特性為直線,該系統(tǒng)的輸入與輸出關(guān)系可以用線性微分方程來描述。
非線性系統(tǒng)——組成系統(tǒng)的元器件中有一個以上具有非直線的靜態(tài)特性的系統(tǒng),只能用非線性微分方程描述,不滿足疊加原理。
(a)繼電器特性(b)飽和特性(c)不靈敏區(qū)特性圖1-10典型的非線性環(huán)節(jié)1.4.2連續(xù)系統(tǒng)與離散系統(tǒng)連續(xù)系統(tǒng)——系統(tǒng)內(nèi)各處的信號都是以連續(xù)的模擬量傳遞的系統(tǒng)。其輸入-輸出之間的關(guān)系可用微分方程來描述。
離散系統(tǒng)——系統(tǒng)一處或多處的信號以脈沖序列或數(shù)碼形式傳遞的系統(tǒng)??捎貌罘址匠虂砻枋鲚斎耄敵鲋g的關(guān)系。
1.4.3恒值系統(tǒng)與隨動系統(tǒng)恒值系統(tǒng)的特點:系統(tǒng)輸入量(即給定值)是恒定不變的。隨動系統(tǒng)的特點:給定值是預(yù)先未知的或隨時間任意變化。
1.4.4單輸入輸出系統(tǒng)與多輸入輸出系統(tǒng)
單輸入-單輸出系統(tǒng)——輸入量和輸出量各只有一個,也稱為單變量系統(tǒng),系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為簡單。
多輸入-多輸出系統(tǒng)——輸入量和輸出量個數(shù)多于一個,也稱為多變量系統(tǒng),系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。一個輸入量對多個輸出量有控制作用,同時,一個輸出量往往受多個輸入量的控制。
1.4.5確定性系統(tǒng)與不確定性系統(tǒng)
確定系統(tǒng)——系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)是確定的,預(yù)先可知的,系統(tǒng)的輸入信號(包括給定輸入和擾動)也是確定的,可用解析式或圖表確切地表示。不確定系統(tǒng)——系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不確定或作用于系統(tǒng)的輸入信號是不確定的。
1.4.6集中參數(shù)系統(tǒng)與分布參數(shù)系統(tǒng)集中參數(shù)系統(tǒng)——系統(tǒng)中的參量是定常的或是時間的函數(shù),系統(tǒng)的輸入量、輸出量及中間量都只是時間的函數(shù),運動規(guī)律可以用時間變量的常微分方程來描述的系統(tǒng)。分布參數(shù)系統(tǒng)——系統(tǒng)中至少存在一個環(huán)節(jié)必須用偏微分方程來描述,這一環(huán)節(jié)的參量不只是時間的函數(shù)還明顯依賴于該環(huán)節(jié)的狀態(tài)。系統(tǒng)的輸出不再單純是時間變量的函數(shù),也是系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)變量的函數(shù)。1.5對自動控制系統(tǒng)的基本要求
三個基本要求:
穩(wěn)定性——系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)下,受到擾動作用后,系統(tǒng)恢復(fù)原有平衡狀態(tài)的能力,是控制系統(tǒng)正常工作的。準(zhǔn)確性——穩(wěn)態(tài)時系統(tǒng)期望輸出量和實際輸出量之差,是系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)時的要求??焖傩浴ㄟ^動態(tài)過程時間的長短來表征,是對系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)的要求。
1.5.1穩(wěn)定性
一個實際系統(tǒng)處于一個平衡的狀態(tài)時,當(dāng)擾動作用(或給定值發(fā)生變化)時,輸出量將偏離原來的穩(wěn)定值:穩(wěn)定系統(tǒng)不穩(wěn)定系統(tǒng)(a)輸入為階躍信號時的穩(wěn)定系統(tǒng)(b)輸入為階躍信號時的不穩(wěn)定系統(tǒng)
(c)輸入為干擾信號時的穩(wěn)定系統(tǒng)(d)輸入為干擾信號時的不穩(wěn)定系統(tǒng)圖1-11穩(wěn)定系統(tǒng)和不穩(wěn)定系統(tǒng)1.5.2動態(tài)特性
動態(tài)特性(暫態(tài)特性)——表征系統(tǒng)從一個穩(wěn)態(tài)過渡到另一個穩(wěn)態(tài)經(jīng)歷的過渡過程的指標(biāo)。由于控制對象的慣性有很大的不同,輸出量的暫態(tài)過程也就不同,其表現(xiàn)有以下幾種情況:單調(diào)過程衰減振蕩過程持續(xù)振蕩過程發(fā)散振蕩過程
(a)給定量突變時輸出量的變化(b)負(fù)載突變時輸出量的變化圖1-12單調(diào)過程(a)給定量突變時輸出量的變化(b)負(fù)載突變時輸出量的變化圖1-13衰減振蕩過程(a)給定量突變時輸出量的變化(b)負(fù)載突變時輸出量的變化圖1-14持續(xù)振蕩過程(a)給定量突變時輸出量的變化(b)負(fù)載突變時輸出量的變化圖1-15發(fā)散振蕩過程
動態(tài)特性指標(biāo)——描述系統(tǒng)在單位階躍信號作用下的動態(tài)過程隨時間的變化狀態(tài)的指標(biāo)。系統(tǒng)的動態(tài)特性指標(biāo)通常有:延遲時間,上升時間,峰值時間,調(diào)節(jié)時間,超調(diào)量,振蕩次數(shù)。對于單位階躍信號,系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)如圖1-16所示:圖1-16系統(tǒng)對突加給定信號的動態(tài)響應(yīng)曲線延遲時間——響應(yīng)曲線第一次到達其理論穩(wěn)定值的一半所需的時間。上升時間——響應(yīng)從理論穩(wěn)定值的上升到所需的時間。峰值時間——響應(yīng)超過其穩(wěn)態(tài)值到達第一個峰值所需的時間。調(diào)節(jié)時間——系統(tǒng)的輸出量進入并保持在穩(wěn)態(tài)輸出值附近的允
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