第1章-绪论高教.ppt

E mail wwl 国家精品课程自动控制原理 PrinciplesofAutomaticControl 主讲人 王万良 自动控制原理 国家精品课程浙江工业大学自动化研究所 2 自动控制原理 国家精品课程网站http 210 32 200 206 zdkz index asp 自动控制原理 国家精品课程浙江工业大学自动化研究所 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 国家精品课程浙江工业大学自动化研究所 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 国家精品课程浙江工业大学自动化研究所 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 国家精品课程浙江工业大学自动化研究所 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 国家精品课程浙江工业大学自动化研究所 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 国家精品课程浙江工业大学自动化研究所 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 国家精品课程浙江工业大学自动化研究所 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 国家精品课程浙江工业大学自动化研究所 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的发展 自动控制原理 国家精品课程浙江工业大学自动化研究所 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 国家精品课程浙江工业大学自动化研究所 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 国家精品课程浙江工业大学自动化研究所 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 国家精品课程浙江工业大学自动化研究所 14 1957年世界第一颗人造地球卫星 Sputnik 由苏联发射成功 Sputnik1wasthefirstartificialsatellitelaunchedintospace 1957 Laika Sputnik2 自动控制原理 国家精品课程浙江工业大学自动化研究所 15 Oct 4 1957 LaunchoftherocketcarryingSputnik thefirstman madesatellite Photosofthelaunchwerenotinitiallyreleased Thisphotoisastillfroma1967Sovietdocumentaryfilm K S Pavlovitch 1906 1966 RussianspacecraftdesignerandheaderoftheVostokandVoskhodprojects 自动控制原理 国家精品课程浙江工业大学自动化研究所 16 1961年 苏联东方 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 attheageof27 Gagarinlefttheearth ItwasAprilthe12th 9 07Moscowtime launch site Baikonur 108minuteslater hewasback Theperiodoforbitalrevolutionwas89 34minutes thisfigurewas calculatedbyelectroniccomputers Themissionsmaximumflightaltitudewas327000meters Themaximumspeedreachedwas28260kilometersperhour 宇宙哥伦布 加加林 AstampissuedbyRussiatomemorizeY Gagarin Capsuleusedinfirstmannedorbitofearth In1961 thefirsthumantopilotaspacecraft YuriGagarin waslaunchedbytheSovietUnionaboardVostokI 自动控制原理 国家精品课程浙江工业大学自动化研究所 17 1966年 苏联发射 月球 9号探测器 首次在月面软着陆成功 1969年 美国 阿波罗 11号把宇航员N A Armstrong送上月球 N A Armstrong 自动控制原理 国家精品课程浙江工业大学自动化研究所 18 美籍匈牙利人R E Kalman1960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 国家精品课程浙江工业大学自动化研究所 19 1967年瑞典KarlJ 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IEEEMedalofHonor K J Astrom 自动控制原理 国家精品课程浙江工业大学自动化研究所 20 1970年英国UMISTH HRosenbrock发表StateSpaceandMultivariableTheory提出多变量系统的频域法 1974年加拿大W MWonham发表LinearMultivariableControl AGeometricApproach W MWonham 自动控制原理 国家精品课程浙江工业大学自动化研究所 21 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 国家精品课程浙江工业大学自动化研究所 22 1981年美国 哥伦比亚 号航天飞机首次发射成功 自动控制原理 国家精品课程浙江工业大学自动化研究所 23 1996年第一台火星探测器Sojourner在火星表面软着陆 自动控制原理 国家精品课程浙江工业大学自动化研究所 24 旅行者Voyager一号 二号开始走出太阳系 对茫茫太空进行探索 自动控制原理 国家精品课程浙江工业大学自动化研究所 25 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 国家精品课程浙江工业大学自动化研究所 26 1965年 Zadeh提出模糊集合和模糊控制概念 LoftiZadeh 自动控制原理 国家精品课程浙江工业大学自动化研究所 27 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 国家精品课程浙江工业大学自动化研究所 28 现代自动控制系统的监控与操作 自动控制原理 国家精品课程浙江工业大学自动化研究所 29 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 国家精品课程浙江工业大学自动化研究所 30 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 国家精品课程浙江工业大学自动化研究所 33 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 国家精品课程浙江工业大学自动化研究所 34 火炮自动控制系统 自动控制原理 国家精品课程浙江工业大学自动化研究所 35 自动控制热力系统 自动控制原理 国家精品课程浙江工业大学自动化研究所 36 直流电机速度控制系统 自动控制原理 国家精品课程浙江工业大学自动化研究所 37 过程控制系统实例 自动控制原理 国家精品课程浙江工业大学自动化研究所 38 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 国家精品课程浙江工业大学自动化研究所 40 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 国家精品课程浙江工业大学自动化研究所 41 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 国家精品课程浙江工业大学自动化研究所 42 直流电机速度开环控制系统 自动控制原理 国家精品课程浙江工业大学自动化研究所 43 闭环控制系统或负反馈控制系统 负反馈控制系统与正反馈控制系统的分析 自动控制原理 国家精品课程浙江工业大学自动化研究所 44 汽车驾驶中的反馈控制过程 自动控制原理 国家精品课程浙江工业大学自动化研究所 45 国民经济运行中的反馈控制系统模型 自动控制原理 国家精品课程浙江工业大学自动化研究所 46 股票市场中的反馈控制系统模型 自动控制原理 国家精品课程浙江工业大学自动化研究所 47 系统的扰动 汽车中的ABS反馈控制系统 自动控制原理 国家精品课程浙江工业大学自动化研究所 48 复合控制系统 自动控制原理 国家精品课程浙江工业大学自动化研究所 49 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 国家精品课程浙江工业大学自动化研究所 50 1 2 4定常系统与时变系统 1 2 5SISO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 国家精品课程浙江工业大学自动化研究所 52 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 国家精品课程浙江工业大学自动化研究所 53 1 3 2稳态性能 静态性能 自动控制原理 国家精品课程浙江工业大学自动化研究所 54 1 3 3暂态性能 动态性能 瞬态性能 自动控制原理 国