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第一章 吉林大学自控第一章.ppt

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第一章 吉林大学自控第一章.ppt
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课程的性质和特点自动控制是一门技术学科,从方法论的角度来研究系统的建立、分析与设计问题。《自动控制原理》是本学科的基础必修课。,第一章 概论,§1.1 控制的意义,控制的本意: 为了达到某种目的对事物进行支配、管束、管制、管理、监督、镇压。 自动控制:在没有人直接参与的情况下,利用外加的设备或装置(称控制装置或控制器),使机器、设备或生产过程(被控对象)的某个工作状态或参数(即被控量)自动地按照预定的规律运行。,控制系统示例,钢铁轧制:轧出厚度一致的高精度铁板(厚度控制,张力控制) 程控机床:自动进刀切削,加工出预期的几何形状。,155MM自行炮指挥控制系统,现代控制(导弹,卫星,航天器,星球大战),计算机集成制造系统,智能机器人,娱乐机器人,载人卫星,美国阿波罗月球着陆,火星探测器, 旅行者voyager,,§ 1.1自动化技术发展简述,前期古典控制理论(经典控制) 自动控制理论现代控制理论,,大系统理论,自动控制是一门年轻学科, 从1945年开始形成。这以前, 是自动控制理论的胚胎与萌芽时期。 我国在 天文学等有关领域的需要产生了自动装置。三千年前发明了自动计时的“铜壶滴洞”装置; 公元前2世纪发明了用来模拟天体运动和研究天体运动规律的“浑天仪”; 两千一百年前研制出指南车; 公元132年产生了世界上第一架自动测量地震的“地动仪”;公元3世纪发明了自动记录里数的“记里鼓车”。 ,工业生产和军事技术的需要, 促进了经典自动控制理论和技术的产生和发展。 18世纪欧洲产业革命后, 由于生产力的发展, 蒸汽机被广泛用作原动力。为使工作更完善(解决不易控制问题), 1765年俄国机械师波尔组诺夫发明了蒸汽机锅炉水位调节器, 1784年英国人瓦特发明了蒸汽机离心式调速器。在蒸汽机控制中, 人们总希望转速恒定, 因此判定稳定、设计稳定可靠的调节器成为重要课题。1877年劳斯(Routh)和赫尔维茨(Hurwitz)提出判定系统稳定的判据。19世纪前半期, 生产中开始利用发电机和电动机, 这促进了水利发展, 出现了水电站遥控、 简单程序控制、电压和电流的自动调整等技术。,经典控制理论期(20世纪40~60年代1945年美国人波德(Bode)写了“网络分析和反馈放大器设计”一文, 奠定了经典控制理论基础, 在西方国家开始形成了自动控制学科; 1947年美国出版了第一本自动控制教材“伺服机件原理”; 1948年美国麻省理工学院出版了另一本“伺服机件原理”教材, 建立了现在广泛使用的频率法。20世纪50年代是经典控制理论发展和成熟的时期。主要内容为频率法(拉氏变换及Z变换)、根轨迹法、相平面法、描述函数法、稳定性的代数判据和几何判据、校正网络等, 这些理论基本解决了单输入单输出自动控制系统的有关问题。,经典控制理论的基本特征,(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,而忽视系统的内部状态,是一种对系统的外部描述方法。,现代控制理论,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。 1954年贝尔曼(R.Belman)提出动态规划理论 1956年庞特里雅金(L.S.Pontryagin)提出极大值原理 1960年卡尔曼(R.K.Kalman)提出多变量最优控制和最优滤波理论在数学工具、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的信息。它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。,大系统理论,20世纪70年代开始, 现代控制方法和理论 (1)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; (2)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; (3)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。,若干个相互关联的子系统组成的大系统进行整体控制 应用领域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。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 特点 规模庞大、结构复杂、功能综合、目标多样、因素众多 多输入、多输出、多干扰、多变量的系统。,1.2 自动控制系统的基本概念,主要内容开环控制系统与闭环控制系统 闭环控制系统的组成和基本环节 自动控制系统的类型 自动控制系统的性能指标 小结,,学习重点 了解自动控制系统的基本结构和特点及其工作原理 了解闭环控制系统的组成和基本环节 掌
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