現(xiàn)代控制系統(tǒng)chapter 1

1、1 Automatic Control Theory 自動(dòng)控制原理自動(dòng)控制原理 黃金城黃金城 2 自動(dòng)控制原理自動(dòng)控制原理 上課時(shí)間與地點(diǎn)上課時(shí)間與地點(diǎn) 第第112周：周： 周一周一 第第1-2節(jié)節(jié) 博學(xué)樓博學(xué)樓1J1B403 周三周三 第第1-2節(jié)節(jié) 博學(xué)樓博學(xué)樓1J1B403 3學(xué)分學(xué)分 學(xué)分學(xué)分 3 自動(dòng)控制原理自動(dòng)控制原理 教材與參考書(shū)教材與參考書(shū) 胡壽松胡壽松 主編主編 自動(dòng)控制原理自動(dòng)控制原理 科學(xué)出版社科學(xué)出版社 劉劉 丁丁 主編主編 自動(dòng)控制理論自動(dòng)控制理論 機(jī)械工業(yè)出版社機(jī)械工業(yè)出版社 R.C.多爾夫主編多爾夫主編現(xiàn)代控制系統(tǒng)（英文版）現(xiàn)代控制系統(tǒng)（英文版） 科學(xué)出版社科學(xué)出

2、版社 教材：教材： 參考書(shū)：參考書(shū)： 趙千川趙千川 馮梅馮梅 譯譯 現(xiàn)代控制系統(tǒng)現(xiàn)代控制系統(tǒng) 清華大學(xué)出版社清華大學(xué)出版社 4 Contents of the Course Chap. 1 Introduction to Control Systems (Dorf, Chap. 1) 1.1 Introduction 1.2 Examples of Control Systems 1.3 Types of Control Systems 1.4 The main research contents about automatic control systems 自動(dòng)控制原理自動(dòng)控制原理 課程內(nèi)

3、容課程內(nèi)容 5 Contents of the Course Chap. 2 Mathematical Models of Systems (Dorf, Chap. 2) 自動(dòng)控制原理自動(dòng)控制原理 課程內(nèi)容課程內(nèi)容 2.1 微分方程微分方程 (Differential equations) 2.2 物理系統(tǒng)的線性近似物理系統(tǒng)的線性近似 (Linear approximations of physical systems ) 2.4 傳遞函數(shù)傳遞函數(shù) (Transfer function) 2.5 框圖框圖 (Block diagrams) 2.6 框圖的等值變換框圖的等值變換 (Equival

4、ent Transformations of Block Diagrams) 2.7 信號(hào)流圖信號(hào)流圖 (Signal-flow graph) 2.3 拉普拉斯變換和反變換拉普拉斯變換和反變換 (Laplace Transform and Invers Laplace Transform) 6 Contents of the Course Chap. 3 Time domain analysis of control systems (Dorf, Chap. 4,5&6) 自動(dòng)控制原理自動(dòng)控制原理 課程內(nèi)容課程內(nèi)容 3.1 Time-Domain Indices 3.2 The analysi

5、s of First-Order Systems 3.3 The analysis of Second-Order Systems 3.4 Transient Response of High-Order Sys 3.5 The Routh Stability Criterion 3.6 Steady-State Error 7 Contents of the Course Chap. 4 The Root Locus Method (Dorf, Chap. 7) 自動(dòng)控制原理自動(dòng)控制原理 課程內(nèi)容課程內(nèi)容 4.1 4.1 根軌跡的概念（根軌跡的概念（The root locus concep

6、t ） 4.2 4.2 根軌跡的繪制根軌跡的繪制 (The sketching of root locus ) 4.3 4.3 推廣的根軌跡推廣的根軌跡 ( Generalized root locus ) 8 Contents of the Course Chap. 5 Frequency domain analysis of control systems (Dorf, Chap. 8&9) 自動(dòng)控制原理自動(dòng)控制原理 課程內(nèi)容課程內(nèi)容 5.1 5.1 頻率響應(yīng)的基本概念頻率響應(yīng)的基本概念 （Basic concept of frequency response ） 5.2 5.2 頻率響應(yīng)

7、圖頻率響應(yīng)圖 (Frequency response plots ) 5.3 5.3 頻域穩(wěn)定性頻域穩(wěn)定性 ( Stability in frequency domain ) 5.4 5.4 穩(wěn)定裕量穩(wěn)定裕量 ( Stability margins ) 9 Grading Policy Final grade will be determined as follows: Event% of Final grade Final Exam ordinary achievement 20% 80% 自動(dòng)控制原理自動(dòng)控制原理 成績(jī)?cè)u(píng)定成績(jī)?cè)u(píng)定 10 1.1 Introduction 1.2 Examp

8、les of Control Systems 1.3 Types of Control Systems 1.4 The main research contents about automatic control systems 自動(dòng)控制原理自動(dòng)控制原理 第一章第一章 導(dǎo)論導(dǎo)論 11 自動(dòng)控制原理自動(dòng)控制原理 第一章第一章 導(dǎo)論導(dǎo)論 12 自動(dòng)控制原理自動(dòng)控制原理 第一章第一章 導(dǎo)論導(dǎo)論 13 自動(dòng)控制原理自動(dòng)控制原理 第一章第一章 導(dǎo)論導(dǎo)論 14 自動(dòng)控制原理自動(dòng)控制原理 第一章第一章 導(dǎo)論導(dǎo)論 15 自動(dòng)控制原理自動(dòng)控制原理 第一章第一章 導(dǎo)論導(dǎo)論 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維護(hù)容易，不存在穩(wěn)定性問(wèn)題。結(jié)

9、構(gòu)簡(jiǎn)單，維護(hù)容易，不存在穩(wěn)定性問(wèn)題。 (Simple configuration, easy maintenance and no stability problems) 對(duì)元器件的要求比較高；系統(tǒng)抗干擾能力差。對(duì)元器件的要求比較高；系統(tǒng)抗干擾能力差。 (Higher requirement for components and inferior disturbance rejection ability) 16 自動(dòng)控制原理自動(dòng)控制原理 第一章第一章 導(dǎo)論導(dǎo)論 17 自動(dòng)控制原理自動(dòng)控制原理 第一章第一章 導(dǎo)論導(dǎo)論 利用偏差進(jìn)行控制，增強(qiáng)抗干擾能力。利用偏差進(jìn)行控制，增強(qiáng)抗干擾能力。 (Us

10、ing the difference as a means of control, enhancing anti-interference ability) 提高控制精度。提高控制精度。 (Improving control accuracy) 18 自動(dòng)控制原理自動(dòng)控制原理 第一章第一章 導(dǎo)論導(dǎo)論 19 自動(dòng)控制原理自動(dòng)控制原理 第一章第一章 導(dǎo)論導(dǎo)論 控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)(Control system) A control system is an interconnection of components forming a system configuration that will pr

11、ovide a desired system response. 自動(dòng)控制系統(tǒng)自動(dòng)控制系統(tǒng) (Automatic control system) An automatic control system is a system which can fulfill control tasks without involving a person . 人工控制系統(tǒng)人工控制系統(tǒng) (Manual control system) 20 自動(dòng)控制原理自動(dòng)控制原理 第一章第一章 導(dǎo)論導(dǎo)論 (a)汽車(chē)轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng) (b)駕駛員利用實(shí)際和期望的行駛方向的差來(lái)控制方向盤(pán)的調(diào)整(c)典型的行駛方向響應(yīng) 21 自動(dòng)控制

12、原理自動(dòng)控制原理 第一章第一章 導(dǎo)論導(dǎo)論 22 自動(dòng)控制原理自動(dòng)控制原理 第一章第一章 導(dǎo)論導(dǎo)論 23 amplifierMotor GearingValve Actuator Water container Process controller Float measurement (Sensor) - Error Feedback signal resistance comparator Desired water level Input Actual water level Output Fig. 1.8 For the Fig.1.1, The water level control s

13、ystem: Figure 1.1 Automatic Fluid Level CS 自動(dòng)控制原理自動(dòng)控制原理 第一章第一章 導(dǎo)論導(dǎo)論 24 自動(dòng)控制原理自動(dòng)控制原理 第一章第一章 導(dǎo)論導(dǎo)論 25 自動(dòng)控制原理自動(dòng)控制原理 第一章第一章 導(dǎo)論導(dǎo)論 圖1.11 采用高靈敏度攝像機(jī)來(lái)檢測(cè)半導(dǎo)體晶片的三軸控制系統(tǒng) 26 自動(dòng)控制原理自動(dòng)控制原理 第一章第一章 導(dǎo)論導(dǎo)論 圖1.12 蒸汽發(fā)電機(jī)的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng) 27 自動(dòng)控制原理自動(dòng)控制原理 第一章第一章 導(dǎo)論導(dǎo)論 28 自動(dòng)控制原理自動(dòng)控制原理 第一章第一章 導(dǎo)論導(dǎo)論 圖1.15 國(guó)民收入的一個(gè)反饋控制系統(tǒng)模型 29 自動(dòng)控制原理自動(dòng)控制原理 第一章第

14、一章 導(dǎo)論導(dǎo)論 1.3 Types of Control Systems 30 自動(dòng)控制原理自動(dòng)控制原理 第一章第一章 導(dǎo)論導(dǎo)論 31 自動(dòng)控制原理自動(dòng)控制原理 第一章第一章 導(dǎo)論導(dǎo)論 圖1-15線性元件的特性 (a)方框圖 (b)特性圖 32 自動(dòng)控制原理自動(dòng)控制原理 第一章第一章 導(dǎo)論導(dǎo)論 圖116 非線性元件靜態(tài)特性舉例 (a)方框圖 (b)飽和非線性 (c)死區(qū)非線性 (d)磁滯非線性 (e)繼電型非線性 (f)帶有死區(qū)的繼 電型非線性 (g)具有磁滯的繼電型非線性 33 自動(dòng)控制原理自動(dòng)控制原理 第一章第一章 導(dǎo)論導(dǎo)論 34 自動(dòng)控制原理自動(dòng)控制原理 第一章第一章 導(dǎo)論導(dǎo)論 圖117

15、 采樣開(kāi)關(guān)將連續(xù)信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡x散信號(hào) (a)采樣開(kāi)關(guān)；(b)連續(xù)信號(hào)(Continuous signal) x(t)；(c)離散信號(hào)(Discrete signal)(tx 35 系統(tǒng)系統(tǒng) system I o SISO系統(tǒng)系統(tǒng) 系統(tǒng)系統(tǒng) system I o I I o o 11 2 2 m m MIMO系統(tǒng)系統(tǒng) 自動(dòng)控制原理自動(dòng)控制原理 第一章第一章 導(dǎo)論導(dǎo)論 按控制系統(tǒng)的輸入和輸出信號(hào)的數(shù)量按控制系統(tǒng)的輸入和輸出信號(hào)的數(shù)量 36 自動(dòng)控制原理自動(dòng)控制原理 自動(dòng)控制系統(tǒng)研究的主要內(nèi)容 (The main research contents about automatic control sy

16、stems) 第一章第一章 導(dǎo)論導(dǎo)論 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) (Control systems design) 控制系統(tǒng)分析控制系統(tǒng)分析 (Control systems analysis) 37 自動(dòng)控制系統(tǒng)被控量的動(dòng)態(tài)過(guò)程自動(dòng)控制系統(tǒng)被控量的動(dòng)態(tài)過(guò)程(transient response): (transient response): 自動(dòng)控制原理自動(dòng)控制原理 第一章第一章 導(dǎo)論導(dǎo)論 圖1-18 自動(dòng)控制系統(tǒng)被控量的動(dòng)態(tài)過(guò)程 (a)單調(diào)過(guò)程；(b)衰減振蕩過(guò)程；(c)等幅振蕩過(guò)程；(d)發(fā)散振蕩過(guò)程 38 自動(dòng)控制原理自動(dòng)控制原理 第一章第一章 導(dǎo)論導(dǎo)論 一、控制系統(tǒng)分析 (Contro

17、l systems analysis) 1.穩(wěn)定性 (Stability) 3.準(zhǔn)確性 (Accuracy) 2.快速性 (Rapidness) 39 自動(dòng)控制原理自動(dòng)控制原理 第一章第一章 導(dǎo)論導(dǎo)論 二、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) (Control systems design) 設(shè)計(jì)過(guò)程 (The design process) 40 自動(dòng)控制原理自動(dòng)控制原理 第一章第一章 導(dǎo)論導(dǎo)論 41 自動(dòng)控制原理自動(dòng)控制原理 第一章第一章 導(dǎo)論導(dǎo)論 (a) (b) (c) (d) 42 Example: Insulin Delivery Control System （胰島素注射控制系統(tǒng)）（胰島素注射控制系統(tǒng)）

18、自動(dòng)控制原理自動(dòng)控制原理 第一章第一章 導(dǎo)論導(dǎo)論 健康人的血糖和胰島素水平健康人的血糖和胰島素水平 43 自動(dòng)控制原理自動(dòng)控制原理 第一章第一章 導(dǎo)論導(dǎo)論 44 Solution: E1.7 Describe the block diagram of the speed control system of a motorcycle with a human driver. 45 P1.1 Many luxury automobiles have thermostatically controlled air-conditioning systems for the comfort of the

19、 passengers. Sketch a block diagram of an air-conditioning system where the driver sets the desired interior temperature on a dashboard panel. Identify the function of each element of the thermostatically controlled cooling system. Solution: 46 P1.2 In the past, control systems used a human operator

20、 as part of a closed-loop control system. Sketch the block diagram of the valve control system shown in Figure P1.2. Figure P1.2 47 Solution: 48 P1.13 A common example of a two-input control system is a home shower with separate valves for hot and cold water. The objective is to obtain (1) a desired temperature of the shower water and (2) a desired flow of water. Sketch a block diagram of the closed-loop control system. Solution: 49 P1.8 The student-teacher learning process is inherently a feedback process intended to reduce the system error to a minimum. With the aid of Figure