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第一章导论-控制工程或自动控制-上海交通大学课件

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上海交通大学现代控制课程ppt

上海交通大学现代控制课程ppt

控制理论的基本概念
自动控制：在无人直接参与的情况下，通过控制器使被控对象或过 程自动地按照预定要求进行。 对象：是一个设备，它是由一些机器零件有机地组合在一起的，其 作用是完成一个特定的动作。称任何被控物体（如加热炉、化学 反应器或宇宙飞船）为对象。 过程：称任何被控制的运行状态为过程，其具体例子如化学过程、 经济学过程、生物学过程。
反馈控制：反馈控制是这样一种控制过程，它能够在存在扰动的情 况下，力图减小系统的输出量与参考输入量（也称参据量）（或 者任意变化的希望的状态）之间的偏差，而且其工作正是基于这 一偏差基础之上的。在这里，反馈控制仅仅是对无法预计的扰动 （即那些预先无法知道的扰动）而设计的，因为对于可以预计的 或是已知的扰动来说，总是可以在系统加以校正的，因而对于他 们的测量是完全不必要的。
现代控制理论发展的主要标志
卡尔曼：状态空间法
卡尔曼：能控性与能观性
庞特里雅金：极大值原理
现代控制理论的主要内容
线性控制系统理论 有限维线性时不变系统是实际中最经常遇到的一类系统，因此多变 量线性系统理论一直是多年来研究的重心。其主要内容有系统的结构 问题，如能控性、能观测性、最小性等；以及关于反馈控制问题，如 极点配置、解耦、鲁棒控制等问题。 系统辨识 简而言之，所谓系统辨识就是利用系统(设备)在试验或运行中测得 的数据构造出系统的数学模型，并估计其参数的理论和方法。 自适应控制 自适应控制所研究的对象是具有不确定性的系统。自适应控制是一 个比较复杂的问题，也是控制理论用于实际的重要问题，是目前非常 活跃的研究课题，并且正朝着更高级更复杂的自学习及智能控制系统 等方向发展。
经典控制理论的发展
概括地说，古典控制理论主要包括一个核心概念：传递函数。两 个基本方法：频率响应及根轨迹法。原则上它们只适合用来对单输 入 - 单输出控制系统进行分析、综合与设计。 17 世纪瓦特 (watt)飞锤控制器的应用，可以看成是自动控制学 科发展的起点。到了19世纪后半叶，虽然自动控制技术已取得了许 多重大的进展，例如到1870年，已经在闭环系统中应用完善的PID 控制，与此同时，反馈原理也开始用于笨重机械 ——伺服机械的控 制，但是在控制理论方面却进展迟缓。直到上世纪20年代，常微分 方程及稳定性代数检验方法仍然是控制工程师的唯一分析工具。控 制理论进一步发展的关键性转机来自另一个重要的技术领域 ——通 讯工程。1932年奈奎斯特(Nyquist)的《再生理论》一文，开辟了 频域法的新途径。经过大约10年的时间，控制理论的微分方程法几 乎完全被频域法所取代。

《控制工程导论》课件

《控制工程导论》课件

执行器
控制系统中的关键部件，用于实现对系统的控制。
控制器的基本结构
1 反馈控制
根据测量值对系统进行调整，以实现期望输出。
2 前馈控制
根据预测值对控制系统进行调整，提前消干扰。3 组合控制同时使用反馈控制和前馈控制，以实现更好的控制效果。
运动控制系统和传动控制系统
1
运动控制系统
用于控制物体的位置、速度和加速度，常用于机器人和自动化设备。
《控制工程导论》PPT课 件
控制工程导论是一门介绍控制工程基本概念和应用的课程。本课程将探讨控 制系统的分类、信号处理、控制器结构、运动控制系统、控制系统建模与仿 真等内容。
控制工程基础
介绍控制工程的基本概念和含义，以及系统控制理论的应用。控制工程是一门研究如何通过动态系统控制来实 现目标的学科。
控制系统的特点
自动化
控制系统能够自动执行任务，降低人为干预的需 求。
鲁棒性
控制系统对参数变化和外界扰动具有较强的适应 能力。
稳定性
控制系统能够保持稳定的状态，不受外界干扰的 影响。
响应速度
控制系统能够快速响应输入变化并实现期望输出。
传感器和执行器
传感器
控制系统中的重要元件，用于感知环境和系统参数 的变化。
2
传动控制系统
用于控制机械元件的运动和力，常用于机械传动系统、汽车和船舶。
3
电机控制系统
用于控制电机的速度和转矩，常用于电动车、风力发电等。
控制系统建模与仿真
介绍控制系统建模的方法和技术，以及如何使用仿真工具进行系统性能评估和优化。
PID控制器及其应用
介绍PID控制器的原理和特点，展示其在工业自动化和机器人控制中的广泛应 用。

《控制工程导论》课件

《控制工程导论》课件

小和变化速率。
被控对象
定义
被控对象是指需要实现某种控制目标的物理系统或设备。
特性
被控对象的特性决定了控制系统的性能和稳定性。了解被控对象的 动态特性和静态特性对于控制系统设计至关重要。
建模
被控对象通常通过数学模型进行描述，以便于分析和设计控制系统 。
传感器
功能
传感器负责检测被控对象 的输出信号，并将其转换 为可处理的电信号或数字 信号。
稳态性能的指标
包括稳态误差、静态误差系数等，用于描述系统在 稳态条件下输出的准确度和稳定性。
稳态性能的改善方法
通过调整系统参数、优化控制算法等手段， 减小系统的稳态误差，提高系统的稳态性能 。
04
控制系统的分析与设计
BIG DATA EMPOWERS TO CREATE A NEW
ERA
数学模型的建立
数学模型是描述系统输入、输出变量以及内部状态变量之间关系的数学表达式。
在控制系统的分析与设计中，数学模型的建立是至关重要的第一步。通过数学模型，可以定量地描述 系统的动态行为，为后续的分析和设计提供基础。常见的数学模型有微分方程、传递函数、状态方程 等。
控制系统分析
控制系统分析是评估系统性能的过 程，包括稳定性、动态响应和稳态误 差等。
BIG DATA EMPOWERS TO CREATE A NEW
ERA
工业控制系统
总结词
工业控制系统广泛应用于制造业、电力、水处理等领域，通 过自动化控制技术实现生产过程的优化和效率提升。
详细描述
工业控制系统通过各种传感器、控制器和执行器等设备，实 时监测和控制生产过程中的各种参数，如温度、压力、流量 、液位等，确保生产过程的稳定、高效和安全。

第1章 自动控制理论的一般概念PPT课件

第1章 自动控制理论的一般概念PPT课件
. Wiener发表《控制论》(Cybernetics)一书(1948)，标 志着控制论学科的诞生。
红河学院自动化系
N. Wiener
在贝尔实验室Bode领导的火炮控制系统研究小组工作的C. Shannon提 出继电器逻辑自动化理论(1938)，随后，发表专著《通信的数字理论》 (The Mathematical Theory of Communication)，奠定了信息论的基础
美国W. Evans提出根轨迹法(Root Locus Method) (1948)，以单输 入线性系统为对象的经典控制研究工作完成。 多本有关经典控制的经典名著相继出版，包括Ed. S. Smith的 Automatic Control Engineering (1942)，H. Bode的Network Analysis and Feedback Amplifier(1945)，以及钱学森的《工程控 红河学制院论自动》化(E系ngineering Cybernetics) (1954)
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
红河学院自动化系
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
自动控制原理
教学课件
红河学院自动化系
本课程的性质和任务
《自动控制原理》课程是电子信息类专业，特别是自 动化专业的一门专业基础课，该课程是为学生建立系 统观点、掌握控制原理的一门必修课程。本门课程的 前续课程是：高等数学、电工基础、工程数学等，在 学习了以上内容以后进入本门课程的学习。 本门课程一共包括8章，前面7章主要介绍经典控制理 论的内容，第8章介绍现代控制理论的基本概念。在前 面7章中，主要介绍经典控制理论的主要分析方法：数 学模型的建立、时域分析法、根轨迹分析法、频率分 析法、控制系统的综合与校正、采样控制系统基础； 第8章主要介绍现代控制理论的相关内容。

自动控制理论课件ppt课件

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闭环
开环
（反馈） （前馈）
复合
定值
程序
随动
线性
非线性
电动
气动
液动
连续
离散
第四节 对自动控制系统的基本要求
控制系统性能指标评价
稳定性
稳态性能
动态性能
前馈控制方案举例
补水流量
优点： 调节速度快； 结构简单，造价低。 缺点： 抗干扰能力单一； 调节品质难以保证。
用水流量
第一章 绪论
第一节 概述 第二节 自动控制系统的一般概念 第三节 自动控制系统的分类 第四节 对自动控制系统的基本要求
第一节 概 述
自动控制理论—设计、分析与应用自动控制系统的基础理论知识。
自动控制系统—在无人直接参与的前提下，实现生产过程自动化的所有设 备的整体。
“自动控制”所涉及到的领域—遍及工业生产、军事、航空航天及日常生 活的每一个领域，还有替代实施规范操作的机器人
学习 “自动控制理论”课程最终所要达到的目的
➢ 掌握“全面评价自动控制系统控制水平”的能力； ➢ 了解“改善系统性能”的基本方法； ➢ 了解“设计满足用户要求的自动控制系统”的基本思路。
主要内容及承上启下的关系
本课程设计到的基础理论知识
自动控制系统应用实例
相关概念：
1、开环顺序控制 系统
2、闭环控制系统
给定值
测量值
控制信号
控制量
执行器
检测变送器
干扰 被调量被控对象ຫໍສະໝຸດ 关注负反馈自动控制系统的共性:
组成 --- 设备、信号的名称。调节机理 ---依据偏差调节，消除偏差为目的。
第三节 自动控制系统分类
类别
按系统结构分类 按给定值特性分类 按系统模型特征分类 按执行机构特性分类 按系统传输信号形式分类

第二章1控制工程或自动控制上海交通大学课件-PPT文档

第二章1控制工程或自动控制上海交通大学课件-PPT文档

b m d d m t r m ( t) b m - 1 d d m t - 1 m r - ( 1 t) b 1 d d r ( tt) b 0 r ( t) ( 2 - 3 )
其中，a i , b j (i =0,1,2,…….n; j =0,1,2…….m) 均
为实数，由系统本身的结构参数所决定。
输入F(t)，输出y(t)理论
依据:牛顿第二定律,物体 所受的合外力等于物体 质量与加速度的乘积.
Fma
18.04.2021
8
F(t)外力 ＋mg
F1(弹簧 的拉力)
m
F2阻尼器的阻力
F1 ky (t)
F2
f
dy (t) dt
a
d 2 y(t) dt2
F ( t) m g F 1 F 2 m a m d2 dy t2 (t)fdy d (tt)ky(t)F(t)m g
(2 1 )
u C (t) C 1i(t)d t,
i(t) C duC(t) dt
(2 -2 )
（两边求导）
L Cd2 d utC 2(t)R Cdu d C t(t)uC(t)ur(t)
18.04.2021
7
例二 弹簧阻尼系统
机械位移系统,物体在外力F(t)作用下产生位 移y(t)，写出运动方程。
(1) 用一个简单系统去研究与其相似的复杂系统;
(2) 为控制系统的计算机数字仿真提供了基础.
(3) 二阶系统是一个十分典型的、有代表性的系统.
18.04.2021
10
推广到一般情况，系统的时域 数学模型 ——微分方程
d n c (t) d n -1 c (t)
d c (t)
an d tn an -1d tn -1 a 1 d t a0 c (t)

自动控制原理第一章PPT课件

自动控制原理第一章PPT课件

-
16
首次冲出太阳系 （美国伽利略号木 星 探 测 器 ， 1989 年）
-
仿人机器人 （日本，2001年）
17
神舟五号载人航天成功（中国，2003年）
-
18
勇气号、机遇号火星探测器（美国，2004年）
-
19
“作为技术科学的控制论，对工程技术、生物
和生命现象的研究和经济科学，以及对社会研
究都有深刻的意义，比起相对论和量子论对社
（1）装置用方框表示 （2）信号用带箭头的线段表示 （3）信号引出点 （4）信号相加点（比较点）
-
27
方框（块）图 中的符号
控制系统框图的基本组成单元
元部件 信号（物理量）及传递方向 比较点 引出点 － 表示负反馈
-
返回 28
1-２自动控制系统基本控制方式
1. 开环控制 2. 闭环控制 3. 复合控制
近年来，我国在自动化仪表、工业调节器、数字控 制技术、航天工程、核动力工程等方面的研究和应用 取得了长足进展。
-
22
二．自动控制理论
1．定义 自动控制理论是研究自动控制共同规律的技术科 学. 2．分类 （1）经典控制理论：以传递函数为基础，主要研 究单输入—单输出，线性定常系统的分析和设计问题 。 （2）现代控制理论：主要研究具有高性能，高精 度的多变量多参数系统的最优控制问题。
-
25
三、自动控制系统
1．定义： 为了实现各种复杂的控制任务，将被控对象 和控制装置按照一定的方式连接起来组成的一 个有机总体。
控制装置（控制器）：外加的设备或装置. 被控对象（process, plant, controlled system ）：设备或生产过程.

自动控制理论课件

自动控制理论课件
于期望值。
自动控制系统定义： 是一个带有反馈装置的动力学系统。系统能自动而连
续地测量被控制量，并求出偏差，进而根据偏差的大小 和正负极性进行控制，而控制的目的是力图减小或消除 所存在的偏差。
自动控制系统：为了实现各种复杂的 控制任务，首先要将被控对象和控制装置 按照一定的方式连接起来，组成一个有机 整体，这就是自动控制系统。
3、随动控制系统（或称伺服系统）
这类系统的特点是输入信号是一个未知函数， 要求输出量跟随给定量变化。如雷达天线跟踪系 统，当被跟踪目标位置未知时属于这类系统。随 动系统是指参考输入量随时间任意变化的系统。 其任务是要求输出量以一定的精度和速度跟踪参 考输入量，跟踪的速度和精度是随动系统的两项 主要性能指标。
应用场合：
1. 控制量的变化规律可以预知。 2. 可能出现的干扰可以抑制。 3. 被控量很难测量。
应用较为广泛，如家电、加热炉、车床等等。
闭环控制
控制装置与受控对象之间，不但有顺向作用， 而且还有反向联系. 闭环控制又称为反馈控制或按偏差控制。
例 转速负反馈直流电动机调速系统
给系定统电组压成：
反直馈流电电压机
控制系统的组成
比较
r(t) 元件 + e(t)
串联
+
输入 偏差 校正元件
放大元件
信号 - 信号
-
执行元件
扰动
控制对象 C(t)
输 出
主 反 馈
并联校正元件
局部反馈
信
号
测量元件
主反馈
典型自动控制系统方块图
测量反馈元件——用以测量被控量并将其转换成 与输入量同一物理量后，再反馈到输入端以作比 较。
比较元件——用来比较输人信号与反馈信号。
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(6) J· Von· Neuman（1903-1957）发明首台数字计算机(1946) ，创立Game Theory (1944) (7) 在贝尔实验室Bode领导的火炮控制系统研究小组工作的C. Shannon 提出继电器逻辑自动化理论(1938)，随后，发表专著《通信的数字理论 》(The Mathematical Theory of Communication)，奠定了信息论的基础
(7) 美籍匈牙利人R. E. Kalman发表“On the General Theory of Control Systems”等论文， 引入状态空间法分析系统，提出能控性，能观 测性，最佳调节器和kalman 滤波等概念，奠 定了现代控制理论的基础(1960)
R.E. Kalman
2013-8-8
2013-8-8
8
(8) 英国E.J. Routh建立Routh判据(Routh-Hurwitz Stability Criteria)(1875年
)
(9) 俄国A.M. Lyapunov博士论文“论运动稳定性的一般问题” (1892年)
(10) 英国J. M. Gray设计出第一艘全自动蒸汽轮船“东方”号(Great Eastern)(1866年)
2013-8-8
9
(11)由徐寿设计的中国第一艘蒸 汽轮船“黄鹄”号(L20m, 25T, 10km/hr)在安庆内军械所下水 (1866)。次年，中国第一艘木质 明轮蒸汽舰船“恬古”号在江南 造船厂下水。
操江号(62mx10m), 392匹马力， 600T排水，备炮9门
2013-8-8
10
2.经典控制前期(The Pre-classical Period)(1900-1935)

简单地说：控制论指的是感 觉和机器方面的控制和通讯。 控制论就是研究动物 （包括 人类）、自动机器和有机体 的控制和通讯的理论。
2013-8-8
13
维纳：控制科学的鼻祖


1894年，维纳出生在美国密苏里州哥伦比亚市的 一个犹太人的家庭中 1906年，进入土夫兹学院学习(12岁) 1909年，获数学学士学位(15岁) 1913年, 关于数理逻辑的论文获哈佛大学博土学 位(19岁) 1933年任美国国家科学院院士 1948年，发表了划时代的著作《控制论》。控制 论指的是感觉和机器方面的控制和通讯。控制论 就是研究动物 （包括人类）、自动机器和有机体 的控制和通讯的理论。 在系统工作中，反馈控制给定控制信号使动作装 置(器官)动作。动作结果由感觉装置(器官)检测 出来，并反馈回去与给定信号相比较。如果比较 有偏差，偏差信号会继续控制动作装置(器官)动 作，直到偏差信号消失为止。
Lan J. Chu
(9) 美国W. Evans提出根轨迹法(Root Locus Method) (1948)，以单 输入线性系统为对象的经典控制研究工作完成。 (10) 多本有关经典控制的经典名著相继出版，包括Ed. S. Smith 的Automatic Control Engineering (1942)，H. Bode的Network Analysis and Feedback Amplifier(1945)，L.A. MacColl的 Fundamental Theory of Servomechanisms (1945)，以及钱学森的 《工程控制论》(Engineering Cybernetics) (1954)
26
(8) 苏联东方-１号飞船载着加加林进入人造地球卫星轨道，人类宇航 时代开始了(1961)
1961, at the age of 27, Gagarin left the earth. It was April the 12th, 9.07 Moscow time (launch-site, Baikonur). 108 minutes later, he was back . The period of orbital revolution was 89:34 minutes (this figure was "calculated by electronic computers"). The missions maximum flight altitude was 327 000 meters. The maximum speed reached was 28 260 kilometers per hour.
自动控制原理
上海交通大学电信学院自动化系 Email: xpguan@
2012年9月
第一章
Civilization
导
论
自动控制技术与人类进步 Automatic Control & Human
自动控制是人类在认识世界和发明创新的过程中发展 起来的一门重要的科学技术。依靠它，人类可以从 笨重，重复性的劳动中解放出来，从事更富创造性 的工作。 自动化技术是当代发展迅速，应用广泛，最引人瞩目 的高技术之一，是推动新的技术革命和新的产业革 命的关键技术。自动化也即现代化。
V. Bush
2013-8-8
11
(4) 美国H.S. Black提出放大器性能的负反馈方法(Negative Feedback Amplifier) (1927)
H. S. Black
2013-8-8
12
(5) 自动控制的基础为闭环控制。控制论的奠基人N.Wiener
给出的定义为：
“Feedback is a method of controlling a system by inserting into it the result of its past performance”
2013-8-8
5
(2) 亚历山大的希罗发明开闭庙门和分发圣水等自动装置(100年)
(3) 中国张衡发明水运浑象，研制出自动测量地震的候风地动仪(132年)
2013-8-8
6
(4) 中国马钧研制出用齿轮传动的自动指示方向的指南车(235年)
(5) 中国明代宋应星所著《天工开物》 记载有程序控制思想(CNC)的提花织 机结构图(1637年)
2013-8-8
21
(1) 苏联L.S. Pontryagin发 表“最优过程数学理论”， 提出极大值原理(Maximum Principle)(1956)
L.S. Pontryagin
(2) 美国R. Bellman在 RAND Cooperation 数学部的支持下，发 表著名的Dynamic Programming，建立 最优控制的基础(1957) (3) 国际自动控制联合会(IFAC)成立(1957)，中国为发起国之一，第一 届学术会议于莫斯科召开(1960)
2013-8-8
14
李郁荣（Y·W·Lee，1904-1989），广东人， N·Wiener的首位博士生（1930年），曾任职 于清华大学电机系（1931-1937），早期为 N·Wiener理论的工程应用与推广作了大量的 工作。1946年回到MIT电机系（1946-1969）， 与Shannon一起成为该系最著名的两位学科带 头人。其主要工作包括随机通讯（ Statistical Communication Theory）和电路 理论，培养了大批电子工程领域中的知名学者 和工程师，被誉为MIT最伟大的教育家之一
2013-8-8 22
(4) 美国MIT的Servomechanism Laboratory研制出第一台数控机床 (1952)
2013-8-8
23
(5) 世界第一颗人造地球卫星(Sputnik)由苏联发射成功(1957)
1957. Laika. Sputnik 2 Sputnik 1 was the first artificial satellite launched into space
N. Wiener
2013-8-8
17
(4) 美国的H. Hazen发表“关于伺服结构理论”(Theory of Servome-chanism) (1934)，并在MIT建立伺服机构实验室 (Servomechanism Laboratory) (1939)
H. Hazen
2013-8-8
18
(5) 英国A. M. Turine提出图灵计算机的设想(1937)
2013-8-8
24
Oct. 4, 1957: Launch of the rocket carrying Sputnik, the first manmade satellite. Photos of the launch were not initially released. This photo is a still from a 1967 Soviet documentary film.
N.B. Nichols
(3) 美国MIT的N. Wiener研究随机过程的预测(1942)，提出Wiener滤 波理论(1942)，发表《控制论》(Cybernetics)一书(1948)，标志着控 制论学科的诞生。
N. Wiener, shown here in 1954 with Yuk Wing Lee (left) and Amar G. Bose, discussing an aspect of statistical communication theory
K.S. Pavlovitch(1906-1966), Russian spacecraft designer and header of the Vostok and Voskhod projects.
2013-8-8
25
(6) 美国George Devol研制出第一台工业机器人样机(1954)，两 年后，被称为机器人之父的Joseph Engelberger创立了第一家 机器人公司，Unimation
2013-8-8