2020 4 14 自動控制原理 1 自動控制原理戴波 共同努力 戴波010 8129214513681056362daibo 2020 4 14 自動控制原理 3 自動控制實例 水溫控制系統 a 手動控制漫畫 b 自動控制水溫的手動控制和自動控制的示意圖 2020 4 14 自動控制原理 4 熱力系統的例子熱力系統的人工反饋控制 2020 4 14 自動控制原理 5 熱力系統的自動反饋控制 2020 4 14 自動控制原理 6 自動化技術形成時期 18世紀末至20世紀30年代 公元1788年J 瓦特將離心式調速器與蒸汽機的閥門連接起來 構成蒸汽機轉速的閉環自動調速系統 2020 4 14 自動控制原理 7 現代化的工廠 2020 4 14 自動控制原理 8 磁盤驅動器 2020 4 14 自動控制原理 9 信息時代 2020 4 14 自動控制原理 10 信息時代 2020 4 14 自動控制原理 11 計算機科學與技術專業 培養目標 本專業培養具有良好的科學素養 系統地 較好地掌握計算機科學與技術包括計算機硬件 軟件與應用的基本理論 基本知識和基本技能與方法 能在科研部門 教育單位 企業 事業 技術和行政管理部門等單位從事計算機教學 科學研究和應用的計算機科學與技術學科的高級專門科學技術人才 2020 4 14 自動控制原理 12 計算機科學與技術專業 本專業主要職業發展方向和可能的職業發展方向第一類路線 純技術路線 信息產業是朝陽產業 對人才提出了更高的要求 因為這個行業的特點是技術更新快 這就要求從業人員不斷補充新知識 同時對從業人員的學習能力的要求也非常高 第二類路線 由技術轉型為管理 這種轉型尤為常見于計算機行業 比方說編寫程序 是一項腦力勞動強度非常大的工作 隨著年齡的增長 很多從事這個行業的專業人才往往會感到力不從心 因而由技術人才轉型到管理類人才不失為一個很好的選擇 2020 4 14 自動控制原理 13 計算機科學與技術專業 就業要求 1 網絡工程方向 具有扎實的網絡工程專業基礎 較好的綜合素質 能系統地掌握計算機網絡和通信網終技術領域的基本理論 基本知識 能掌握各類網絡系統的組網 規劃 設計 評價的理論 方法與技術 獲得計算機網絡設計 開發及應用方面良好的工程實踐訓練 特別是獲得大型網絡工程開發的初步訓練 2 軟件工程 學習如何采用先進的工程化方法進行軟件開發和軟件生產 計算機軟件主流開發技術 軟件工程 軟件項目過程管理等基本知識與技能 熟練掌握先進的軟件開發工具 環境和軟件工程管理方法 培養學生系統的軟件設計與項目實施能力 勝任軟件開發 管理和維護等相關工作的專業性軟件工程高級應用型人才 2020 4 14 自動控制原理 14 計算機科學與技術專業 就業要求 3 信息工程 以電子技術 計算機技術和通信技術為基礎 以信號與信息的獲取 傳輸 存儲 處理為學習和研究對象 要求系統的學習信息科學的基本理論和基本知識 具有從事信息工程和電子工程的綜合設計 開發 集成應用及維護等能力的高級應用型技術人才 主要的研究領域包括 計算機網絡與移動通信 信號與信息處理新方法 數字圖像處理及壓縮技術 單片機原理及應用 DSP原理及應用和現代通信系統 程控交換等通信領域新技術新業務的研發等 4 網絡與信息安全 以信息安全技術和網絡技術為基礎 以信息安全和網絡協議 網絡產品的研究 開發 運行 管理和維護為學習和研究對象 掌握網絡中實現信息安全的相關技術 系統的學習信息科學和通信系統的基本理論和基本知識 使學生受到嚴格的科學試驗訓練和科學研究初步訓練 具有從事信息安全和網絡工程綜合設計 開發 維護及應用等基本能力的高級應用型技術人才 2020 4 14 自動控制原理 15 課程簡介 一 課程意義 自動控制原理 是信息工程學院專業基礎平臺課程 電氣信息類專業標志性課程 必修課 核心課 是多個專業的考研課程之一 考研內容 自動控制原理 經典 本課程 現代 下學期開 課程位置 2020 4 14 自動控制原理 16 電氣信息類專業 自動化 電氣工程及其自動化計算機科學與技術 通信工程電子信息工程 電子科學與技術生物醫學工程等7個專業 教育部普通高等學校本科專業設置 2001版 電氣信息類人才需求特點 綜合化的趨勢越來越強 創新能力的要求越來越高 需求量越來越大 2020 4 14 自動控制原理 17 電氣信息類專業特點 電類專業 理論基礎是三論 信息論 系統論 控制論 發展趨勢 強電弱電計算機 用計算機進行信息處理 融合越來越強 各專業的特點構成了計算機應用的不同側面 專業知識更新周期越來越短 面臨以信息技術改造后的傳統專業主體地位越來越強的嚴峻挑戰 2020 4 14 自動控制原理 18 應對挑戰 人才培養模式電氣信息類專業基礎平臺 專業課群加強專業基礎教育加強專業課系統性和創新性提高專業的綜合性和適應性組合多方向的特色專業方向加強培養方案的柔性 實現 專業是課程的組合 的理念 努力構建 厚基礎寬口徑 的電氣信息類專業應用型創新人才培養體系 2020 4 14 自動控制原理 19 2020 4 14 自動控制原理 20 是電氣信息類專業重要的技術基礎課 具有較強烈的應用數學色彩 目的是培養學生系統的思維方式 系統的認識和影響事物 2020 4 14 自動控制原理 21 自動控制理論已經發展為理論嚴密 系統完整 邏輯性很強的一門學科 從基本反饋控制原理發展到 自適應控制 優化控制 魯棒控制 大系統控制 智能控制 討論的對象 因果系統 工程系統 系統的廣義性 經濟 社會 工程 生物 環境 醫學等 課程特點 研究系統的共性問題 2020 4 14 自動控制原理 22 二 學習方法 十分重視系統思維方式的建立 建立的越早對課程的理解越容易 因數學色彩較濃 課程有一定難度 要下工夫 多做題 一定要獨立完成作業 注意與前面已修數學課程的聯系和區別 每章結束 一定要寫小結 這是固定作業 2020 4 14 自動控制原理 23 怎樣學好理論課 理論課是指具有嚴格的理論體系 需要定量描述和抽象思維的一類課程 1 廣泛閱讀參考書籍 進行相互印證 深刻理解理論體系 2 完成大量練習 積極討論問題 在試做習題之前 一定要對有關理論內容 有初步的理解 不然則是事倍功半 個人的理解有時會出現偏差 通過集體討論可以糾正錯誤理解或相互補充 3 理論聯系實際 演繹歸納并重 理論聯系實際是一個好的學習方法 許多理論課程采用的是演繹體系 即由一般到個別的過程 但是 工程實踐類的知識往往是歸納體系 即由個別到一般的過程 在學習理論課時 需要正確把握演繹方法和歸納方法的正確運用 2020 4 14 自動控制原理 24 三 參考書1 現代控制工程 第三版 ModernControlEngineering 美 KatsuhikoOgata著電子工業出版社2000 5 特點 經典與現代結合 引入Matlab 國外電子信息科學經典教材系列 90 00元2 自動控制系統 第八版 AutomaticControlSystems 美 BenjaminC Kuoden等著高等教育出版社2004 7 特點 經典與現代結合 把控制理論 實際例子與計算機工具有機結合 給出了計算軟件和虛擬實驗室 47 9元3 現代控制系統 第八版 ModernControlSystems 美 RichardC Dorf等著高等教育出版社2001 6 特點 給出了大量的實際例子 特別是以磁盤驅動控制系統作為 循序漸進設計示例 每章分別研究了磁盤驅動控制系統設計的不同方面 55 00元4 自動控制原理清華大學哈爾濱工業大學等特點 傳統教材 有利于考研 2020 4 14 自動控制原理 25 四 考試方式 期末閉卷考試 70 實驗成績 20 平時成績 10 五 作業每星期一交作業 2020 4 14 自動控制原理 26 第一章自動控制的一般概念 自動控制理論歷史回顧自動控制系統一般概念基本控制方式自動控制系統的分類自動控制系統性能的基本要求典型外部輸入信號本課程的任務 2020 4 14 自動控制原理 27 1 1歷史的回顧 18世紀 JamesWatt為控制蒸汽機速度設計的離心調節器 是自動控制領域的第一項重大成果 公元1788年J 瓦特將離心式調速器與蒸汽機的閥門連接起來 構成蒸汽機轉速的閉環自動調速系統 2020 4 14 自動控制原理 28 1922年 Minorsky研制出船舶操縱自動控制器 并證明了從系統的微分方程確定系統的穩定性的方法 1932年 Nyquist提出了一種根據系統的開環頻率響應 對穩態正弦輸入 確定閉環系統穩定性的方法 1934年 Hezen提出了用于位置控制系統的伺服機構的概念 討論了可以精確跟蹤變化的輸入信號的機電伺服機構 2020 4 14 自動控制原理 29 20世紀40年代 頻率響應法為閉環控制系統工程設計提供了一種可行方法 20世紀40年代末 50年代初Evans提出并完善了根軌跡法 形成了經典控制理論的核心 單輸入單輸出 線性 定常 以傳遞函數為基礎 設計的系統是穩定的 并且滿足一組適當的性能要求 但不是某種意義上的最優系統 20世紀50年代末 控制系統設計問題的重點從設計許多可行系統中的一種系統 轉到設計在某種意義上的最優系統 科學技術發展的需要 設備復雜 工藝要求高 多輸入多輸出的問題開始需要 2020 4 14 自動控制原理 30 20世紀60年代 數字計算機的出現為復雜系統的基于時域分析的現代控制理論提供了可能 現代應用數學新成果不斷推出 宇航技術發展的需要 現代控制理論發展了 利用狀態變量 基于時域分析 從1960年到1980 確定性系統 隨機系統的最佳控制 及復雜系統的自適應和學習控制 都得到充分的研究 從1980年到現在 現代控制理論進展集中于魯棒控制 H 控制及其相關課題 2020 4 14 自動控制原理 31 古典控制理論以傳遞函數為基礎研究單輸入 單輸出一類定常控制系統的分析與設計問題 這些理論由于其發展較早 現已臻成熟 現代控制以狀態空間法為基礎 研究多輸入 多輸出 時變 非線性一類控制系統的分析與設計問題 系統具有高精度和高效能的特點 2020 4 14 自動控制原理 32 何謂控制何謂自動控制 是指在沒有人直接參與的條件下 利用控制裝置使被控對象按照預定的技術要求進行工作 自動控制系統 是指能夠對被控對象的工作狀態進行自動控制的系統 它由被控對象和控制裝置組成 1 2一般概念 手動控制 2020 4 14 自動控制原理 33 被控對象 指需要給以控制的機器 設備或生產過程 被控對象是控制系統的主體 例如火箭 鍋爐 機器人 電冰箱等 控制裝置則指對被控對象起控制作用的設備總體 有測量變換部件 放大部件和執行裝置 被控變量 指被控對象中要求保持給定值 要按給定規律變化的物理量 被控量又稱輸出量 輸出信號 給定值 作用于自動控制系統的輸入端并作為控制依據的物理量 給定值又稱輸入信號 參考輸入 干擾量 除給定值之外 凡能引起被控量變化的因素 都是干擾 干擾又稱擾動 前向通道 反饋通道 開環 閉環 2020 4 14 自動控制原理 34 1 3控制系統基本控制方式 閉環控制 復合控制 開環控制 2020 4 14 自動控制原理 35 控制裝置與受控對象之間只有順向作用而無反向聯系 開環控制 前饋控制 開環 閉環控制 2020 4 14 自動控制原理 37 閉環控制系統的方框圖 方框圖中的幾種表示法 2020 4 14 自動控制原理 38 2020 4 14 自動控制原理 39 復合控制 2020 4 14 自動控制原理 40 1 4自動控制系統的分類 開環控制閉環控制 反饋控制 復合控制 按控制方式分 2020 4 14 自動控制原理 41 機械系統 恒張力系統電氣系統機電系統 全自動照相機 光機電結合液壓系統 伺服液壓缸 汽車發動機 大型的仿真模擬臺氣動系統生物系統 按元件類 型分 2020 4 14 自動控制原理 42 按系統功用分 溫度控制系統 壓力控制系統 位置控制系統 2020 4 14 自動控制原理 43 線性系統 非線性系統 連續系統 定常系統 時變系統 確定性系統 不確定性系統 按系統性能分 離散系統 2020 4 14 自動控制原理 44 恒值控制系統 隨動系統 程序控制系統 按參據量變化規律分 2020 4 14 自動控制原理 45 線性連續控制系統 由系數判定線性時變系統 線性定常系統線性定常系統根據參考輸入量又可分為 恒值控制系統 隨動系統 程序控制系統 2020 4 14 自動控制原理 46 系統主要特點 1 恒值控制系統參考輸入是個常值 要求被控量也等于常值 外部擾動的存在 被控量偏離參考量而出現偏差 控制系統根據偏差產生控制作用 以克服擾動的影響 使被控量恢復到給定的常值 2 隨動系統參考輸入是預先未知的隨時間任意變化的函數 要求被控量以盡可能小的誤差跟隨參考輸入量變化 2020 4 14 自動控制原理 47 3 程序控制系統參考輸入是按預定規律隨時間變化的函數 要求被控量迅速 準確地復現 線性定常離散系統 非線性控制系統 非線性系統的線性化 2020 4 14 自動控制原理 48 線性 非線性系統連續 離散性系統定常 時變性系統確定 不確定系統 系統類型 按控制方式分 按被控對象分 按系統性能分 分類 按給定值變化規律分 按系統功用分 按給定值操縱的開環控制按干擾補償的開環控制按偏差調節的閉環控制復合控制 閉環反饋為主 開環補償為輔 恒值系統隨動系統程序控制系統 運動控制系統過程控制系統 溫度控制系統壓力控制系統位置控制系統 2020 4 14 自動控制原理 49 穩定性 1對恒值系統 要求當系統受到擾動后 經過一定時間的調整能夠回到原來的期望值 2對隨動系統 被控制量始終跟蹤參據量的變化 穩定性是對系統的基本要求 不穩定的系統不能實現預定任務 穩定性 通常由系統的結構決定與外界因素無關 1 5自動控制系統性能的基本要求 可以歸結為穩定性 長期穩定性 準確性 精度 和快速性 相對穩定性 穩 準 快 2020 4 14 自動控制原理 50 準確性 用穩態誤差來表示 在參考輸入信號作用下 當系統達到穩態后 其穩態輸出與參考輸入所要求的期望輸出之差叫做給定穩態誤差 顯然 這種誤差越小 表示系統的輸出跟隨參考輸入的精度越高 快速性 對過渡過程的形式和快慢提出要求 一般稱為動態性能 穩定高射炮射角隨動系統 雖然炮身最終能跟蹤目標 但如果目標變動迅速 而炮身行動遲緩 仍然抓不住目標 2020 4 14 自動控制原理 51 防空導彈制導 隨動系統 2020 4 14 自動控制原理 52 一個液位控制系統原理圖如下 自動控制器通過比較實際液位與希望液位 并通過調整氣動閥門的開度 對誤差進行修正 從而保持液位不變 試畫出相應的控制系統的方框圖及人工操縱液位控制系統方塊圖 例題1 1 2020 4 14 自動控制原理 53 控制器 比較 放大的作用浮子 液面高度的反饋元件Q2為系統的干擾量氣動閥門 執行