第1章绪论高教.ppt

E-mail:tansywhut126.com,自动控制原理,Principles of Automatic Control,主讲人： 谭思云,自动控制原理,2,教材与主要参考书,教材: 王万良自动控制原理 北京：高教出版社，2008.6 1.胡寿松自动控制原理第四版. 北京：科学出版社，2001.2 2. 刘慧英,卢京潮 自动控制原理(第四版)导教.导学.导考西安：西北工业大学出版社，2003.11 3. Richardc.Dorf RobertH.Bishop, Modern Control Systems,Ninth Edition,2002,自动控制原理,3,第1章 自动控制的基本概念,1.0 自动控制发展简史 1.1 自动控制系统 1.2 自动控制系统的类型 1.3 对自动控制系统性能的基本要求 1.4 本课程的主要内容及其相互关系,自动控制原理,4,1.0 自动控制发展简史,中国古代自动化方面的成就： 公元前14世纪至前11世纪，中国、埃及和巴比伦出现自动计时漏壶； 公元130年，张衡发明水运浑象，132年研制出自动测量地震的候风地动仪； 公元235年，马钧研制出用齿轮传动自动指示方向的指南车，类似按扰动补偿的自控系统；,自动控制原理,5,中国古代自动化方面的辉煌成就： 公元725年，一行、梁令瓒发明有自动报时机构的水运浑象，其中使用了一个天衡装置，是一个按被调量偏差调节的自动调节器； 公元1086-1092年，苏颂和韩公廉建造具有“天衡”自动调节和自动报时机构的水运仪象台； 公元l135年，宋代王普记述“莲华漏”上使用浮子阀门式机构自动调节漏壶的水位； 公元1637年，明代的天工开物一书中记载有程序控制思想的提花织机结构图。,自动控制原理,6,世界上公认的第一个自动控制系统,1769年瓦特发明蒸汽机,自动控制原理,7,飞球调节器 世界上公认的第一个自动控制系统,1788年瓦特发明飞球调节器，进一步推动蒸汽机的应用，促进了工业的发展。 推动了社会进步是飞球调节器公认为第一个自动控制系统的最主要原因！,自动控制原理,8,没有理论指导使控制技术停滞了一个世纪！,飞球调节器有时使蒸汽机速度出现大幅度振荡。其它自动控制系统也有类似现象。 由于当时还没有自控理论，所以不能从理论上解释这一现象。为了解决这个问题，盲目探索了大约一个世纪之久。,自动控制原理,9,自动控制理论的开端,1868年英国麦克斯韦尔的“论调速器”论文指出： 不应单独研究飞球调节器，必须从整个系统分析控制的不稳定。 建立系统微分方程，分析微分方程解的稳定性，从而分析实际系统是否会出现不稳定现象。这样，控制系统稳定性的分析，变成了判别微分方程的特征根的实部的正、负号问题。 麦克斯韦尔的这篇著名论文被公认为自动控制理论的开端。,自动控制原理,10,经典控制理论的孕育 1875年，英国劳斯提出代数稳定判据。 1895年，德国赫尔维兹提出代数稳定判据。 1892年，俄国李雅普诺夫提出稳定性定义和两个稳定判据。 1932年，美国奈奎斯特提出奈氏稳定判据。 二战中自动火炮、雷达、飞机以及通讯系统的控制研究直接推动了经典控制理论的发展。,自动控制原理,11,经典控制理论的形成 1948年，维纳出版控制论，形成完整的经典控制理论，标志控制学科的诞生。 维纳成为控制论的创始人！ 维纳控制论是关于怎样把机械元件和电气元件组合成稳定的并且具有特定性能的系统的科学。这门新科学的一个非常突出的特点就是完全不考虑能量、热量和效率等因素，可是，在其他各门自然科学中，这些因素是十分重要的。 控制论所讨论的主要问题是一个系统的各个不同部分 之间的相互作用的定性性质，以及整个系统的总体运 动状态。,自动控制原理,12,空间技术促使现代控制理论的产生,二次世界大战结束后，各国大力发展空间技术，经典控制理论不能满足需要，需要研究新的控制理论。,自动控制原理,13,L.S. Pontryagin,1956年前苏联 L.S. Pontryagin 发表“最优过程数学理论”，提出极大值原理 解决卫星发射过程中火箭的最优控制问题。,自动控制原理,14,美籍匈牙利人 R. E. Kalman 1960 年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。,R. E. Kalman,自动控制原理,15,1967年瑞典 Karl J. Astrom 提出最小二乘辩识，解决了线性定常系统参数估计问题和定阶方法，1973年，提出了自适应调节器，建立自适应控制的基础。1993年获得IEEE Medal of Honor。,K. J. Astrom,自动控制原理,16,1970年英国UMIST H.H Rosenbrock 发表State Space and Multivariable Theory 提出多变量系统的频域法。 1974年加拿大 W.M Wonham 发表Linear Multivariable Control: A Geometric Approach。,W.M Wonham,自动控制原理,17,现代控制理论促进了空间技术的发展,现代控制理论在空间技术取得巨大成功，促进了空间技术的发展。,自动控制原理,18,现代控制理论在工业过程控制方面遭遇滑铁卢，促使了智能控制技术的诞生,现代控制理论在空间技术取得巨大成功，但由于工业过程控制中普遍存在的不确定性和干扰，难以取得预期的效果。模拟人的控制技术智能控制，虽然不能实现精确的控制，但对各种复杂系统能够做到比较满意的控制。,自动控制原理,19,1965年，Zadeh提出模糊集合和模糊控制概念。,Lofti Zadeh,自动控制原理,20,自动化技术是当代发展最迅速、应用最广泛、最引人注目的高新技术，是推动新的技术革命和新的产业革命的关键技术，在某种程度上说，自动化是现代化的同义词。,控制理论促进了工业自动化的发展,BMW (德国宝马）轿车的生产过程,自动控制原理,21,现代自动控制系统的监控与操作,自动控制原理,22,Internet,1#子系统 （分厂、车间）,防火墙,总公司管理系统,2#子系统 （分厂、车间）,N#子系统 （分厂、车间）,远程子系统,远程用户,远程服务,外部网络,内部网络,核心交换机,自动控制原理,23,计 算 机 网 络,数 据 库,CIMS的结构与功能,第1章 自动控制的基本概念,1.0 自动控制发展简史 1.1 自动控制系统 1.2 自动控制系统的类型 1.3 对自动控制系统性能的基本要求 1.4 本课程的主要内容及其相互间的关系,第1章 自动控制的基本概念,1.0 自动控制发展简史 1.1 自动控制系统 1.2 自动控制系统的类型 1.3 对自动控制系统性能的基本要求 1.4 本课程的主要内容及其相互间的关系,自动控制原理,26,1.1 自动控制系统,自动控制是在没有人参与的情况下，系统的控制器自动地按照人预定的要求控制设备或过程，使之具有一定的状态和性能。 具有自动控制功能的系统称为自动控制系统。,自动控制原理,27,火炮自动控制系统,自动控制原理,28,自动控制热力系统,自动控制原理,29,直流电机速度控制系统,自动控制原理,30,过程控制系统实例,自动控制原理,31,机电控制系统实例,第1章 自动控制的基本概念,1.0 自动控制发展简史 1.1 自动控制系统 1.2 自动控制系统的类型 1.3 对自动控制系统性能的基本要求 1.4 本课程的主要内容及其相互间的关系,自动控制原理,33,1.2 自动控制系统的类型,1.2.1 开环、闭环与复合控制系统,开环控制系统,自动控制原理,34,开环控制系统的优缺点,开环控制系统的应用场合 逻辑控制 顺序控制 扰动少的场合,优点： 简单，保证系统的稳定性 缺点： 控制精度易受扰动影响 控制精度差（扰动存在时）,自动控制原理,35,直流电机速度开环控制系统,自动控制原理,36,闭环控制系统或负反馈控制系统,自动控制原理,37,反馈控制系统基本组成,1.被控对象：要求实现自动控制的机器设备或生产过程。 2.被控制量：被控制系统所要控制的物理量，一般为输出量。 3.给定值：根据生产要求，被控制量需要达到的数值。 4.扰动：破坏控制量与被控制量之间正常函数关系的因素 5.控制装置：能够对被控对象起控制作用的设备总称。,自动控制原理,38,汽车驾驶中的反馈控制过程,自动控制原理,39,国民经济运行中的反馈控制系统模型,自动控制原理,40,股票市场中的反馈控制系统模型,自动控制原理,41,系统的扰动,汽车中的ABS反馈控制系统,自动控制原理,42,复合控制系统,自动控制原理,43,1.2.2 线性系统与非线性系统,1.2.3 连续系统与离散系统,对于用微分方程描述的系统： 若系统的输入量、输出量及其各阶导数均为线性时，系统为线性系统。,自动控制原理,44,1.2.4 定常系统与时变系统,1.2.5 SISO系统和MIMO系统,1.2.6 集中参数系统与分布参数系统,时变系统实例： 航天器的飞行过程,第1章 自动控制的基本概念,1.0 自动控制发展简史 1.1 自动控制系统 1.2 自动控制系统的类型 1.3 对自动控制系统性能的基本要求 1.4 本课程的主要内容及其相互间的关系,自动控制原理,46,1.3 对自动控制系统性能的基本要求,1.3.1 稳定性,自动控制原理,47,1.3.2 稳态性能（静态性能）,自动控制原理,48,1.3.3 暂态性能（动态性能， 瞬态性能）,自动控制原理,49,1.3.3 暂态性能（动态性能， 瞬态性能）,第1章 自动控制的基本概念,1.0 自动控制发展简史 1.1 自动控制系统 1.2 自动控制系统的类型 1.3 对自动控制系统性能的基本要求 1.4 本课程的主要内容及其相互关系,自动控制原理,51,系统 (机械，电气， 过程等),建模方法,机理或实验,数学模型,性能分析,稳定性、 动态性能、 稳态性能、 鲁棒性等等,若性能 不满足要求 对系统进行校正,校正方法（控制器设计方法）,滞后-超前、PID、LQ最优等,1.4 课程的主要内容及其相互关系,自动控制原理,52,控制理论的三大任务： （1）系统建模（Ch2） （2）系统分析(Ch3- Ch5、 Ch7、 Ch8） （3）系统综合与校正(Ch6 ） 控制系统的三个基本要求： （1）稳稳定性 （2）准控制精度、稳态性能 （3）快快速性、动态性能 反馈控制原理: 输出量期望值与实际值存在偏差，控制器根据偏差产生控制量，调节系统使输出量趋近期望值，消除偏差。,