自控ppt第一章

自动控制理论电气工程学院林飞1•任课教师：林飞2电力电子研究所电气楼602电话：51687064-18Email：[e-mail]•助教：赵莹莹电气楼609[e-mail]•1.1控制系统的基本概念•1.2本课程的主要内容及应用•1.3控制理论发展历史概述第一章绪论1.1基本概念(Basicdefinitions)控制系统：对于由各互相联系的部件组成的系统，控制是使系统中的某些量按照指定的规律进行变化(包括恒定)。Acontrolsystemisaninterconnectionofcomponentsformingasystemconfigurationthatwillprovideadesiredsystemresponse.控制目标：体温恒定为37°调节中枢：下丘脑产热器官：肌肉(收缩)、内脏(代谢)散热器官：皮肤、汗腺、毛细血管温觉、冷觉感受器人体体温控制系统冷觉感受器传入神经下丘脑的体温调节中枢传出神经骨骼肌战栗，皮肤立毛肌收缩肾上腺分泌肾上腺素血管平滑肌收缩血流量减少皮肤立毛肌收缩，缩小汗毛孔减少散热甲状腺分泌甲状腺激素温觉感受器传入神经下丘脑的体温调节中枢传出神经血管平滑肌舒张血流量增大汗腺分泌增加散热体温调节的生物控制系统调定点+-产热过程散热过程温度感受器干扰体温体温调节中枢体核温度控制目标：体温恒定为37°调节中枢：下丘脑产热器官：肌肉(收缩)、内脏(代谢)散热器官：皮肤、汗腺、毛细血管温觉、冷觉感受器控制系统要素参考值控制器执行器传感器负反馈基于系统的输出与参考信号之间的偏差，力图减小这种偏差。控制机理控制系统实例温度控制(Temperaturecontrol)电机转速控制(speedcontrolofelectricalmachines)电网频率控制(Thefrequencycontrolofpowergrid)无人驾驶列车(Driverlesstrain)反导系统(Anti-missiledefensesystem)自动控制(AutomaticControl)：就是在没有人的直接参与的情况下，利用自动控制装置实现控制作用。控制系统实例电炉温度控制•控制任务：炉温恒定•工作原理调压器加热器电阻电炉电压电流温度时序控制•结构：只有前向通道•特点：简便易行；无抗扰能力。扰动•改进：扰动补偿控制系统实例电炉温度控制•控制任务：炉温恒定•工作原理•结构：具有反馈通道！扰动调压器加热器电阻电炉电压电流温度给定温度人的眼睛大脑、手+-误差控制系统实例电炉温度控制控制系统实例电炉温度自动控制•控制任务：炉温恒定•工作原理•结构：具有反馈通道；按偏差控制。扰动调压器加热器电阻电炉电压电流温度给定温度温度测量控制器+-误差•优点：抗扰动能力强，控制精度高基本概念1对象(Plants)任何被控的物体或过程，称为对象或被控对象。Anyphysicalobjecttobecontrollediscalledaplant.2被控变量(ControlledVariables)被控变量是一种被测量和被控制的量值或状态。Thecontrolledvariableisthequantityorconditionthatismeasuredandcontrolled.基本概念3控制信号或操作变量(ControlSignalorManipulatedVariable)控制信号或操作变量是由控制器改变的量值或状态，它将影响被控变量的值。ThecontrolsignalorManipulatedVariableisthequantityorconditionthatisvariedbythecontrollersoastoaffectthevalueofthecontrolledvariable.4扰动(Disturbances)扰动是一种对系统输出量产生不利影响的信号。Adisturbanceisasignalthattendstoadverselyaffectthevalueoftheoutputofthesystem.5误差(Error)期望值减去实际输出的差值。Theerroristhequantitythatthereferenceinputminusestheoutput.基本概念6反馈控制(Feedbackcontrol)能在存在扰动的情况下，力图减小系统的输出与参考信号之间的误差，并且其工作原理正是基于这种偏差的。Feedbackcontrolreferstoanoperationthat,inthepresenceofdisturbances,tendstoreducethedifferencebetweentheoutputofasystemandsomereferenceinputanddoessoonthebasisofthisdifference.负反馈与正反馈基本概念开环控制系统(Open-LoopControlSystems)：系统的输出对控制作用没有影响，无反馈。闭环控制系统(Closed-LoopControlSystems):对系统的输出进行测量，并利用反馈作用。控制系统结构复合控制结构控制系统的组成框图反馈量控制器Gc输入量+-被控对象Go反馈环节H输出量urc控制量偏差en扰动量b1.2课程内容及应用1、恒值控制系统与随动控制系统根据跟踪对象的运动特性分类。2、线性系统与非线性系统根据系统数学性质的不同来分类。线性系统满足迭加原理。系统输入u1(t)，输出产生y1(t)，输入u2(t)，产生y2(t)，则系统输入)()(21tbutau输出为)()(21tbytay非线性系统不满足迭加原理。控制系统分类3、连续时间系统与离散时间系统根据时间信号的不同方式来对系统进行分类。u(t)t0u(nT)t0T2TnT连续时间信号离散时间信号计算机控制系统A/D-+给定值数字控制器输出执行器D/A数字计算机受控对象传感器控制系统分类4、单输入－单输出系统与多输入－多输出系统根据控制对象端口信号数量来分类。系统uy系统umyru2y2u1y1SISO系统MIMO系统其他的分类方法，如集中参数系统与分布参数系统、确定性系统与随机控制系统等。控制系统分类控制系统任务1、主要工作针对被控对象，设计控制器，使得被控对象的输出满足要求。反馈量控制器Gc输入量+-被控对象Go反馈环节H输出量urc控制量偏差en扰动量b控制系统分析与设计控制系统分析与设计确定控制目标确定控制变量确定限制条件确定系统结构(传感器、执行器、控制器等)建立系统模型寻找控制策略并确定可调参数优化参数并分析性能结束满足要求不满足要求2、对自动控制系统的基本要求稳定性响应快跟踪准c(t)t给定值响应缓慢响应快速变化剧烈tc(t)响应平稳t跟踪误差c(t)控制系统任务课程的作用电气工程(EE)学生的主干课。应用自动控制理论可以(1)提高生产率(increasedproductivity)(2)提高性能(improvedperformance)EE的主要控制对象：电机，电力电子变流器，电气设备，电力系统主要应用:机车与动车组，电动汽车与混合动力汽车(EV&HEV),可再生能源，工业自动化等等莱特兄弟自动控制理论的应用莱特兄弟飞机模型宇宙飞船(苏联，1961)1961,attheageof27,Gagarinlefttheearth.ItwasAprilthe12th,9.07Moscowtime(launch-site,Baikonur).108minuteslater,hewasback.Theperiodoforbitalrevolutionwas89:34minutes(thisfigurewascalculatedbyelectroniccomputers).Themissionsmaximumflightaltitudewas327000meters.Themaximumspeedreachedwas28260kilometersperhour.“东方”号宇宙飞船1961年,前苏联宇航员尤里加加林成为第一位进入太空的人。阿波罗11号登月(美国,1969)N.A.Armstrong日本新干线300系和700系高速列车法国AGV高速列车德国ICE高速列车中国CRH380A高速列车混合动力车风力发电系统光伏发电系统智能电网工程组织系统管理R&D样品设计试验产品设计制造和装配检验需要的产品ProductBetterControlProvidesmorefinessebycombiningsensorsandactuatorsinmoreintelligentwaysBetterActuatorsProvidemoreMuscleBetterSensorsProvidebetterVisionInsummary:Sensorsprovidetheeyesandactuatorsthemusclebutcontrolscienceprovidesthefinesse.主要内容章节内容总课时课堂课时实验课时1绪论332控制系统的数学模型8623控制系统的时域分析121024基于根轨迹法的分析与设计131125基于频域法的分析与设计141226线性离散控制系统的分析777非线性控制系统分析77总计64568期末考试，一票否决！课后作业随堂测验期中考试实验课堂表现等成绩评定几点期望学会用控制系统的观点去观察、分析问题：反馈的概念。自动控制理论不只是抽象的数学公式，一定要注意联系物理模型！学会用数学语言进行抽象思维的方式。活学活用，解决问题。主要内容教材及参考书K.Ogata著，卢伯英等译.ModernControlEngineering(现代控制工程-第五版)，电子工业出版社.胡寿松.自控控制原理(第五版).吴麒，王诗宓.自动控制原理(第二版)(上册)R.CDorf,R.H.Bishop.ModernControlSystems(EleventhEdition).自学Matlab/Simulink仿真1.3发展历史概述1.早期控制阶段(1400-1900)水钟地动仪蒸汽机调速器(Flyballgovernor)，1769瓦特(JamesWatt)Water-levelfloatregulator，1765I.PolzunovJamesClerkMaxwell18682.经典控制阶段(1860s-1940s)•瓦特的调速器在调速过程中存在不稳定现象（“设备变得发狂！”）。•当时没有理论指导。•J.C.Maxwell于1868年在论文“论调节器”中首先解释了Watt速度控制系统中出现的不稳定问题，通过线性常微分方程的建立和分析，指出了振荡现象的出现与系统方程根的分布有密切的关系，开辟了用数学方法研究控制系统运动特性的途径。•仅有实践是不够的！英国数学家EdwardJohnRouth德国数学家AdolfHurwitzRouth-Hurwitz稳定性判据俄罗斯数学家、物理学家AleksandrLyapunov(1857-1918)1892年，李雅普诺夫通过了博士论文答辩《运动稳定性的一般问题》PID(比例-积分-微分)控制：•1922年，Minorsky提出PID控制规律公式•1942年，Ziegler和Nichols给出了PID控制器的最优参数整定方法HaroldS.Black(1898–1983),•负反馈放大器的概念(1927)•负反馈放大器稳定性(1930s)H.S.BlackHarryNyquist(February7,1889–April4,1976)•Nyquist稳定性判据(1930s)美国控制理论学家HendrikWadeBode(24December1905–21June1982)•幅频-相频响应(Bode图)(1938)•thefirstrecipientoftheRichardE.BellmanControlHe