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第一章自动控制原理自动控制的一般概念
自动控制原理 第一章 自动控制理论的一般概念 第二章 控制系统的数学模型 第三章 控制系统的时域分析法 第四章 根轨迹法 第五章 频率法 第六章 控制系统的校正 第七章 线性离散系统的分析与校正 第八章 非线性系统的分析 第九章 线性系统的状态空间分析与综合 第十章 动态系统的最优控制方法 图1-1 人工操作的恒水位控制系统 人工控制 图1-1所示是人工操作保持水位恒定的控制系统。 出水阀门的开度由下道生产工序的用水量大小来确定,这是一个随机过程。若要保持水位高度不变,就得根据用水量大小依靠人工操作不断地调节进水阀门的开度。 通过人工操作实现控制过程,我们称为人工控制。 人工控制原则 在图1-1所示系统中,人工控制的过程是通过目视测量实际水位,再与所要求水位比较,根据要求水位和实际水位之间的误差去调节进水阀门的开度。其控制目的是尽量减小这个误差,以使水箱中的水位尽可能地保持在要求水位上。 为实现上述目的,人工控制的原则是按减小误差的方向来调节阀门的开度。 自动控制 现在我们用一种装置完全代替图1-1所示系统中人工操作的全部职能,则这个系统就可以不用人工操作而成为自动控制系统。 如图1-2所示是水箱水位自动控制系统的简化形式。图中用浮子代替人的眼睛,用于测量水位高低;用一套杠杆机构代替人的大脑和手,作为计算误差和执行阀门调节的装置。 图1-2 简单的水位自动控制系统 系统的控制过程 杠杆一端和浮子链接,另一端则链接进水阀门,当用水量增大时,水位开始下降,浮子也随之降低,通过杠杆的作用,进水阀门往上提,其开度变大,水箱进水量增加,则水位回升至要求水位。反之,若用水量减少,水位上升,则浮子升高,进水阀门的开度变小,水箱进水量减少,水位则回升至要求水位。 整个过程在无人工参与下自动进行。 1765年,瓦特发明蒸汽机,用离心式调速器控制蒸气机 1948年,维纳《控制论-或关于在动物和机器中控制和通信的科学》产生 40-60年代 经典控制理论(频域法为主) 60-70年代 现代控制理论(时域法为主) 70年代以后 大系统控制理论 闭环控制系统的方框图 .稳定性:是保证控制系统正常工作的先决条件。 .快速性:动态性能,有指标。 .准确性:稳态(过度结束后的)值应尽量与期望值一致。 t n n1 (a) 0 t n1 t 0 n ( b) n1 n 0 t (c) n1 n 0 t (d) (a)单调;(b)发散振荡;(c)衰减振荡;(d)等幅振荡 2)根据对系统性能的要求,如何合理地设计校正装置,使系统的性能能全面地满足技术上的要求。 本课程的任务 本课程所要研究的两大课题: 1)对于一个具体的控制系统,如何从理论上对它的动态性能和稳态精度进行定性的分析和定量的计算。 本章小结 1-1 自动控制的发展 1-2 自动控制的基本方式 开环控制 闭环控制 复合控制 1-3 典型控制系统 恒值系统 随动系统 程序控制系统 1-4 对于自动控系统的要求 稳定性 快速性 准确性 * 第一章 自动控制理论的一般概念 1-1 自动控制发展简史 1-2 自动控制的基本方式 1-3 典型控制系统 1-4 对于自动控制系统的要求 1-1 自动控制发展简史 进水 要求水位 实际水位 进水阀 出水阀 水箱 出水 进水 要求水位 实际水位 进水阀 出水阀 水箱 出水 连杆 浮子 自动控制: 在没有人直接参与的情况下,采用控制装置或机械使被控制对象达到预期的目标 。 发展简史: 自动控制研究的内容: 经典控制理论 现代控制理论 经典控制理论 主要研究对象:对单输入单输出线性定常系统的分析和设计问题。 现代控制理论 主要研究对象:多输入、多输出、时变参数、高精度复杂系统的分析和设计问题。 比较繁琐 (但由于计 算机技术的 迅速发展,已克服) 状态 空间法 线性代数、矩阵理论 多输入-多输出变系数,非线性等系统 现代控制理论 对复杂多变量系统、时变和非线性系统无能为力 时域法 频域法 根轨迹法 微分方程,传递函数 单I/O 线性定常系统 经典控制理论 局限性 分析方法 数学工具 研究对象 闭环控制 复合控制 开环控制 1-2 自动控制的基本方式 一、开环控制 控制装置与被控对象之间只有顺向作用而没有反向联系的控制。 温度计 加热电阻丝 u ~220V k 炉温开环控制系统 开关
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