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文檔簡介
Chapter1:
IntroductiontoAutomaticControl重點掌握:?控制系統的基本組成?基本的控制方式及反饋控制系統的特點?控制系統的性能要求Maincontents1-1Whatisacontrolsystem?1-2Whyarecontrolsystemsimportant?1-3Whatisanautomaticcontrolsystem?1-4Basiccomponentsandtypesofcontrolsystem.1-5Howtoevaluateaautomatic
controlsystem?1-6Thedevelopmentofautomatic
controltheory.1-1Whatisacontrolsystem?examplesControlofTrafficLightsPowerHeaterFurnaceSwitchFurnacetemperaturecontrolsystem1-1Whatisacontrolsystem?DesiredtemperaturefurnacethermometergasmixervalveairoperatorTemperaturecontrolsystem1-1Whatisacontrolsystem?waterlevelcontrolsystem1-1Whatisacontrolsystem?DefinitionofacontrolsystemAninterconnectionofcomponentsformingasystemconfigurationthatwillprovideadesiredsystemresponse.由相互關聯的部件按一定的結構構成的系統,能夠提供預期的系統響應。1-1Whatisacontrolsystem?1-2Whyarecontrolsystemsimportant?(1)控制系統無處不在.(2)提高產量,降低成本.(3)提高精度、可靠性.(4)能夠在許多人不到達的場所發揮作用.furnacethermometergasmixervalveairDesiredtemperatureoperator1-3Whatisanautomaticcontrolsystem?Acontrolsystemwithoutpeopleinvolvediscalledautomaticcontrolsystem.Definitionofautomaticcontrolsystem1-3Whatisanautomaticcontrolsystem?TemperatureautomaticcontrolsystemGasMixerAirValveMotorAmplifierUTPotentiometerURAmplifierFurnaceThermocouple1-3Whatisanautomaticcontrolsystem?waterlevelautomatic
controlsystem1-3Whatisanautomaticcontrolsystem?1.Accordingtotheformofgivensignal
RegulatorSystemsversusServoSystems(恒值系統和隨動系統)2.AccordingtowhetherthesystemissatisfiedthesuperpositionprincipleLinearSystemsversusNonlinearSystemAlinearsystemsatisfiesthepropertiesofsuperpositionandHomogeneity:(PrincipleofSuperposition).1-4typesandBasiccomponentsofcontrolsystems.SuperpositionPropertysystemsystemsystemHomogeneityPropertysystemsystemPrincipleofsuperposition1-4typesandBasiccomponentsofcontrolsystems.3.Accordingtowhetherthesystem’sparametersare
changedwithtime
Time-InvariantSystemsversusTime-varyingSystem4.Accordingtotheformofthesignal
ContinuousSystemsversusDiscreteSystems
5.AccordingtothenumberofI/O
SISOSystemsversusMIMOSystems6.AccordingtothestructureofthesystemOpen-loopsystem,closed-loopsystem(feedbackcontrolsystems),CompoundControlsystems1-4typesandBasiccomponentsofcontrolsystems.Example:nextpagesTheblockdiagramdescriptionforacontrolsystem:ConvenienceBlockdiagramofcontrolsystems1-4typesandBasiccomponentsofcontrolsystems.1-4typesandBasiccomponentsofcontrolsystems.Desiredoutputresponse(Commandinput)ActuatingdeviceprocessOutputControllerplantExample:PowerHeaterFurnaceSwitch被控對象FurnaceSwitch&HeaterCommandinputOutputControllerPlantFurnacetemperaturecontrolsystem1-4typesandBasiccomponentsofcontrolsystems.Example:TankValve1LeverDisturbance(valve2)Valve1Valve2TankWaterLevelcontrolsystem1-4typesandBasiccomponentsofcontrolsystems.Example:TemperaturecontrolsystemGasMixerAirValveMotorAmplifierUTPotentiometerURAmplifierFurnaceThermocoupleValveMixerAirAmplifierFurnaceCAmplifierThermocoupleMotorURUT1-4typesandBasiccomponentsofcontrolsystems.Example:AnOpen-loopcontrolsystemutilizesanactuatingdevicetocontroltheprocessdirectlywithoutusingfeedback.Openloopcontrol開環控制(Open-loopControl)——系統的輸出端與輸入端之間不存在反饋回路,輸出量對系統的控制作用沒有影響。1-4typesandBasiccomponentsofcontrolsystems.Open-loopControlSystemTheoutputoftheopen-loopsystemhasnoeffectupontheinputsignal.Thereistheneedtoknowanaccuratemodelofindividualcomponents.C被控對象ControllerPlantRUPlantControllerMeasurementnCU1-4typesandBasiccomponentsofcontrolsystems.優點:簡單,相對來說成本低缺點:對可能出現的被控量偏離給定值的偏差沒有任何修正能力,抗干擾能力差,控制精度不高。Featuresofopen-loopcontrol1-4typesandBasiccomponentsofcontrolsystems.Aclosed-loopcontrolsystemusesameasurementofoutputandfeedbackofthesignaltocompareitwiththedesiredoutput(referenceorcommand).Closed-loopcontrolsystemsReferenceinputComparisonControllerPlantOutputMeasurementFeedbacksignal)1-4typesandBasiccomponentsofcontrolsystems.優點:抗干擾能力強,控制精度高缺點:復雜,有時會產生不穩定。Featuresoffeedbackcontrolsystems1-4typesandBasiccomponentsofcontrolsystems.CompoundControlsystemsCombinationofopen-loopandclosed-loopControllerPlantCFeedbackelementR—CompensatorControllerPlantCFeedbackelementR—Compensatorn1-4typesandBasiccomponentsofcontrolsystems.ObjectivesofcontrolTheobjectivesofthecontrolsystemistocontroltheoutputsinsomeprescribedmannerbytheinputsthroughtheelementsofcontrolsystems.通常目標規定為系統的輸入。Ingeneral,theobjectivescanbeidentifiedwithinputs.1-4typesandBasiccomponentsofcontrolsystems.Basiccomponentsofcontrolsystems被控對象(plant,process)測量元件(sensor)可以對被控量進行測量,并轉換成能與輸入信號進行比較的量綱和數值,也稱為反饋元件;比較環節(comparison)實現誤差檢測;執行機構(actuator)實現對受控對象的操控,起到功率放大的作用。控制律或控制算法(algorithm):控制器的核心。1-4typesandBasiccomponentsofcontrolsystems.AnalysisofautomaticcontrolsystemStep1
確定系統任務;Step2
明確:被控對象、被控量、給定值、測量元件、執行機構和比較元件;Step3敘述系統工作原理;Step4
系統原理方框圖。1-4typesandBasiccomponentsofcontrolsystems.terms1.被控對象(plant)
指被控制的設備或過程2.控制器(控制裝置controller) 除了被控制對象之外的各部分的組合;3.控制系統(controlsystem) 受控對象與控制裝置構成控制系統。4.給定值(期望值、輸入量reference/input) 被控制量要求的變化規律(Excitationappliedtoacontrolsystemfromanexternalsource).1-4typesandBasiccomponentsofcontrolsystems.terms5.被控量(controlledvariable) 被控制的物理量;6.輸出(Output)Theresponseobtainedfromasystem(通常與被控量一致。)7.干擾(disturbance) 所有使被控量偏離期望值的因素8.反饋(Feedback)-Theoutputofasystemthatisreturnedtomodifytheinput.1-4typesandBasiccomponentsofcontrolsystems.TurntablespeedcontrolTachometerdcamplifierTurntabledcmotorbatterySpeedsettingAmplifierdcmotorTurntableActualspeedDesiredSpeed(voltage)Tachometer1-4typesandBasiccomponentsofcontrolsystems.amplifierMotorGearingValveActuatorWatercontainerProcesscontrollerFloatmeasurement(Sensor)ErrorFeedbacksignalresistancecomparatorDesiredwaterlevelInputActualwaterlevelOutputThewaterlevelcontrolsystem:Figure1.11-4typesandBasiccomponentsofcontrolsystems.1-5Howtoevaluateacontrolsystem?Specifications(RequirementsonControlSystem)(1)Stability:
Stable
(穩)(Basicrequirement),Thesystemmustbestable(3)Swiftness:Swift,peaktime,settlingtime(快)(Requirementoftransientresponse)Transientprocessofsystem’sstepresponsemustbestableandquick(2)Accuracy:Accurate,
steady-sateerror(準)(Requirementofsteady-state)Outputandtrackingprecisionmustsatisfytherequirementwhentheresponsereachedthesteady-state1-5Howtoevaluateacontrolsystem?1-6HistoryofAutomaticControl1769:JamesWatt’ssteamengineandflyballgovernor.一種憑借直覺的實證性發明。1-6HistoryofAutomaticControl1868:J.C.Maxwellformulatesamathematicalmodelforagovernorcontrolofsteamengine.A.M.Lyapunov(李雅普諾夫,1892年),thefirstandsecondmethodJ.C.Maxwell(麥克斯韋爾),1868年發表《論調節器》Hurwitz(霍爾維茨,1895年)andE.J.Routh(勞斯,1884年)stabilitycriterion1-6HistoryofAutomaticControlBode(波德,1927年)developedamethodofLogarithmicfrequencycharacteristic1932:H.Nyquist(奈奎斯特)developedamethodforanalyzingthestabilityofsystems.W.R.Evans(伊萬斯,1948年)developedroot-locusmethod1-6HistoryofAutomaticControl1948,N.Wienerpublished《Cybernetics》(控制論)Classicalcontroltheoryforsingleinputsingleoutputsystems二次世界大戰中火炮,雷達,飛機以及通訊系統的控制研究直接推動了經典控制的發展。1-6HistoryofAutomaticControl空間軍備競賽催生了現代控制理論蘇聯L.S.Pontryagin(龐特里亞金)提出極大值原理(MaximumPrinciple)(1956)美國R.Bellman發表著名的DynamicProgramming(動態規劃)(1957)L.S.Pontryagin1-6HistoryofAutomaticControl美籍匈牙利人R.E.Kalman發表“OntheGeneralTheoryofControlSystems”等論文,引入狀態空間法分析系統,提出能控性,能觀測性,最佳調節器和kalman濾波等概念,奠定了現代控制理論的基礎(1960)1963年,美國的LoftiZadeh與C.Desoer發表LinearSystems-AStateSpaceApproach。1965年,Zadeh提出模糊集合和模糊控制概念R.E.KalmanC.Desoer1-6HistoryofAutomaticControl1980:Robustcontrolsystemdesignwidelystudied.
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