控制工程基础 - 第一章教程文件.ppt

控制工程基础;1 绪论;一. 自动控制理论的发展;历史发展;水钟 (公元前300年,希腊， Alexandria), 流量控制 滴水记时有两种方法，一种是利用特殊容器记录把水漏完的时间（泄水型），另一种是底部不开口的容器，记录它用多少时间把水装满（受水型）。 ;孵蛋器 (Drebbel, 1620) – 温度控制;1788年英国Watt利用反馈控制原理发明了蒸汽调速器，蒸气机的飞轮调节器；极大的提高了蒸汽机的效率和性能，成为第一次工业革命的标志;剑桥大学G.B.Airy（1801～1892）发现系统不稳定性，首次提出反馈系统的稳定性问题的研究。 1868法国J.C.Maxwell ‘论调速器’反馈概念，首次全面论述了反馈系统的稳定性问题，建立系统的稳分方程，在平衡点线性化后，获得代数特征方程，并以方程根作为判断稳定性的判据。他成功解决了二阶及三阶系统的稳定性。随后，剑桥大学的E.J.Routh与瑞典的Hurwitz解决了多阶系统的稳定性判断。 ;Black 反馈放大器 (1920s) 古典控制的数学基础 采用负反馈减少不稳定性（增加鲁棒性）;H.Nyquist(1889-1976), H.W.Bode(1905-1982)美国Bell实验室著名科学家。1940提出频率响应法。他们的工作为数据传输、通讯工程及经典控制中的反馈系统稳定性分析奠定了基础。 N．B.Nichols 工程师与同事1942年提出了PID参数的最佳调节方法。发明Nichols Chart，为二战雷达技术做出积极贡献。 ;总结;3 智能控制技术 90年代开始发展 专家系统 模糊控制 神经网络;. 自动控制的概念及应用 1.控制：是使某些物理量按指定的规律变化（包括保持恒定），以保证生产的安全性，经济性及产品质量等要求的技术手段。 2.自动控制：就是应用自动化仪表或控制装置代替人，自动地对机器设备或生产过程进行控制，使之达到预期的状态或性能要求。;控制 = 传感装置 + 计算部分 +执行机构 = 反馈;现代工程应用;反馈控制的其他应用;经典控制举例  例1: 倒立摆系统;例2: 拥挤控制和互联网;例3：机器人足球;;控制工具;2自动控制的几个定义;2自动控制的几个定义;3 控制系统的分类;2、按方程类型分：线性系统和非线性系统。线性系统满足叠加原理 如 ;3、按参数类型分：定常系统和时变系统 ;4、按信号类型分：连续系统和离散系统;5、按变量个数分：单输入单输出，多输入多输出 ;4 控制系统的组成;5 控制系统要求的性能;6 控制方法;参考输入;2 闭环控制;;储水槽液面自动调节系统（闭环系统）;飞机俯仰角闭环控制系统;;闭环控制系统典型结构;闭环与开环控制系统比较;??开环： 简单 不准确（希望1000r/min，实际 950r/min） 闭环： 准确 复杂、设备多 ;静差问题 无静差系统的调节作用历史影响，钟表调节 有静差系统的调节误差维持 系统原理结构的理解。对干扰来说和对输入来说的静差问题。静差（输入和输出）。 反馈控制原理：利用误差来产生调节作用并进而消除或减小误差。 反馈极性问题及解决 正反馈：误差的调节作用是使误差进一步增加； 负反馈：误差的调节作用使得误差减小或消除。 ;参考输入;复合控制;系统分析与控制：不同方法原理，不同工具，不同概念的综合 结构：系统建模及转换，系统分析，系统设计方法。 思想:闭环是未知待求的，开环是已知，简单的；容易分析。闭环断开即开环 根据开环的分析来设计闭环系统 ;时域：直接分析设计闭环的系统特性(响应,零极点) ，(根轨迹法：???据开环的零极点分布分析闭环极点分布) 频域：通过期望的开环特性来设计闭环系统性能 时域方法的基础：状态方程，适应面广，适于计算机控制。 频域方法主要基于传递函数，比较适于单变量系统。;方法内容 建模:模型的表示与转换 系统分析和控制的基础是系统的数学模型：建立系统的数学模型，表示、转换（适用于不同分析法）。 系统分析 系统分析包括：稳定性分析和性能分析，性能分析包括静态分析和动态分析，稳定、准确、快速要求 系统控制 系统控制是基于系统分析的结论，设计校正装置，改进或设计控制器。;定性分析;参考书;附录 拉普拉斯变换;2.常用函数的拉氏变换 (1)例1.求阶跃函数f(t)=A·1(t) ,t0 单位阶跃函数f(t)=1(t) 为 ;(2)例2.求单位脉冲函数f(t)=δ(t)的拉氏变换。; （3）例3.求指数函数f(t)= 的拉氏变换