自动控制原理第1章 概论

1、自动控制原理自动控制原理 主讲教师主讲教师: : 蒋大明蒋大明 柳向斌柳向斌 电子信息工程学院电子信息工程学院 办公室办公室: : 九教南九教南103103、九教西、九教西401401 电话电话: 51688286: 51688286、5168410551684105 邮箱：邮箱： 自动控制原理自动控制原理 蒋大明蒋大明课程简介课程简介v自动化自动化( (铁道信号铁道信号) )专业基础课专业基础课v基础理论性课程基础理论性课程v工科院校共有工科院校共有v自动化类硕士研究生入学考试唯一专业课自动化类硕士研究生入学考试唯一专业课自动控制原理自动控制原理 蒋大明蒋大明课程简介课程简介v第一章第一章

2、自动控制的一般概念自动控制的一般概念v第二章第二章 模型模型v第三章第三章 时域分析法时域分析法v第第四章四章 根轨迹法根轨迹法v第五章第五章 频率法频率法v第六章第六章 控制系统的校正控制系统的校正v第七章第七章 采样系统分析采样系统分析自动控制原理自动控制原理 蒋大明蒋大明参考书目参考书目n胡寿松胡寿松 自动控制原理自动控制原理（第五版）（第五版） 科学出版社科学出版社n吴吴 麒麒 自动控制原理自动控制原理 清华大学出版社清华大学出版社n李友善李友善 自动控制原理自动控制原理 国防大学出版社国防大学出版社n多种多种 自动控制习题集自动控制习题集自动控制原理自动控制原理 蒋大明蒋大明自动控制

3、理论的发展历程自动控制理论的发展历程 最早应用于工业过程中的自动最早应用于工业过程中的自动反馈控制器是英国人反馈控制器是英国人瓦特瓦特在在 1769年发明的飞球控制器，它被用来年发明的飞球控制器，它被用来控制蒸汽机的转速。控制蒸汽机的转速。 机械装置用来测量驱动杆的转机械装置用来测量驱动杆的转速并利用飞球的转动来控制阀门，速并利用飞球的转动来控制阀门，进而控制进入蒸汽机的蒸汽流量。进而控制进入蒸汽机的蒸汽流量。当转速增大时，飞球离开轴线，当转速增大时，飞球离开轴线，重心上移，于是关紧阀门。重心上移，于是关紧阀门。自动控制原理自动控制原理 蒋大明蒋大明自动控制理论的发展历程自动控制理论的发展历程

4、 18681868年以前，自动控制系统的特点是凭借直觉的实证性发明，年以前，自动控制系统的特点是凭借直觉的实证性发明，缺乏缺乏理论基础理论基础。 俄国俄国人认为，最早的具有人认为，最早的具有历史意义的反馈系统是由历史意义的反馈系统是由 Polzunov 于于1765 年发明的年发明的用于水位控制的浮球调节器。用于水位控制的浮球调节器。 浮球探测水位并控制在锅浮球探测水位并控制在锅炉入水口上的阀门。炉入水口上的阀门。自动控制原理自动控制原理 蒋大明蒋大明自动控制理论的发展历程自动控制理论的发展历程经典控制论的产生：经典控制论的产生：n 1868年，英国本土的瓦特调节器出现剧烈振荡，英国物理学家麦

5、克斯年，英国本土的瓦特调节器出现剧烈振荡，英国物理学家麦克斯韦韦发表发表论调速器论调速器。n 恩格斯说：恩格斯说：“社会上一旦有技术上的需要，则这种需要比之十所大学社会上一旦有技术上的需要，则这种需要比之十所大学更能把科学推向前进更能把科学推向前进”。n 20世纪初叶，长途电话革命促成经典控制论世纪初叶，长途电话革命促成经典控制论-时域法、频域法和根轨时域法、频域法和根轨迹法。迹法。n 二战之前，贝尔实验室主要研究纽约到旧金山二战之前，贝尔实验室主要研究纽约到旧金山3000哩的长途电话线。哩的长途电话线。n 1927年，贝尔实验室的年，贝尔实验室的Bode用频域法分析反馈放大器。用频域法分析反

6、馈放大器。n 1932年，奈奎斯特提出频域判据判断系统的稳定性，解决反馈放大年，奈奎斯特提出频域判据判断系统的稳定性，解决反馈放大器出现器出现“嗡嗡作响嗡嗡作响”的不稳定振荡。的不稳定振荡。自动控制原理自动控制原理 蒋大明蒋大明自动控制理论的发展历程自动控制理论的发展历程 n 1940年以前，控制系统设计采用年以前，控制系统设计采用“试凑法试凑法”；1940年以后，数学和分析的年以后，数学和分析的方法在实用性方面有了很大发展，控制工程因而发展成为一门工程科学。方法在实用性方面有了很大发展，控制工程因而发展成为一门工程科学。n 二战期间，飞机自动驾驶仪器、火炮定位系统、雷达天线控制系统以及其他二

7、战期间，飞机自动驾驶仪器、火炮定位系统、雷达天线控制系统以及其他 军用系统都对系统的复杂性及性能提出了更高的要求，自动控制理论及应用军用系统都对系统的复杂性及性能提出了更高的要求，自动控制理论及应用得到了巨大的发展得到了巨大的发展 。n 1948年，维纳年，维纳控制论控制论发表，奠定了控制论的基础。发表，奠定了控制论的基础。n 1954年，钱学森在美国出版了年，钱学森在美国出版了工程控制论工程控制论（Engineering Cybernetics)，系统地揭示了控制论对自动控制、航空航天、电子通信等科，系统地揭示了控制论对自动控制、航空航天、电子通信等科学技术的意义和深远影响，并提出了一些发展

8、的新方向，吸引了大批数学家、学技术的意义和深远影响，并提出了一些发展的新方向，吸引了大批数学家、工程技术专家从事控制理论的研究，推动了五、六十年代控制理论的发展。工程技术专家从事控制理论的研究，推动了五、六十年代控制理论的发展。自动控制原理自动控制原理 蒋大明蒋大明自动控制理论的发展历程自动控制理论的发展历程n 50年代末年代末，控制系统的设计问题的重点由设计可行系统发展为某种意，控制系统的设计问题的重点由设计可行系统发展为某种意义上的最佳系统。义上的最佳系统。n 1956年，苏联数学家庞特里亚金创立年，苏联数学家庞特里亚金创立“极大值原理极大值原理”。n 1957年，美国数学家贝尔曼创立年，

9、美国数学家贝尔曼创立“动态规划动态规划”，为最优控制提供了有，为最优控制提供了有效的理论工具；多输入、多输出的复杂系统使经典控制论遇到挑战；效的理论工具；多输入、多输出的复杂系统使经典控制论遇到挑战；n 1960年后，数字计算机的出现和普及使基于矩阵运算的状态空间法得年后，数字计算机的出现和普及使基于矩阵运算的状态空间法得到发展和普及；复杂系统的时域分析成为可能。到发展和普及；复杂系统的时域分析成为可能。n 1960年前后，美国应用数学家卡尔曼在其博士论文中提出年前后，美国应用数学家卡尔曼在其博士论文中提出“状态空间状态空间理论理论”，标志着现代控制理论的诞生。，标志着现代控制理论的诞生。随着

10、人类卫星和空间时代的到来，控制工程又有了新的推动力。随着人类卫星和空间时代的到来，控制工程又有了新的推动力。自动控制原理自动控制原理 蒋大明蒋大明自动控制理论的发展历程自动控制理论的发展历程现代控制理论的应用：现代控制理论的应用：n 1957年，苏联发射第一颗人造卫星。年，苏联发射第一颗人造卫星。n 1966年，苏联发射探测器在月球软着陆。年，苏联发射探测器在月球软着陆。n 1969年，美国阿波罗载人宇宙飞船登陆月球。年，美国阿波罗载人宇宙飞船登陆月球。自动控制原理自动控制原理 蒋大明蒋大明自动控制理论的发展历程自动控制理论的发展历程n经典控制理论经典控制理论 : 40-50年代年代n现代控制

11、理论现代控制理论 : 60年代年代n大系统理论，智能控制大系统理论，智能控制 : 80年代年代n控制理论的分支：控制理论的分支：最优控制：最优控制： 性能最优的控制律。性能最优的控制律。自适应控制：系统特性变动下可自动调整控制。自适应控制：系统特性变动下可自动调整控制。智能控制：人工智能与自动控制的交叉，包括模糊控制、专家系统、智能控制：人工智能与自动控制的交叉，包括模糊控制、专家系统、学习控制。学习控制。鲁棒控制：模型出现偏差仍可保持性能。鲁棒控制：模型出现偏差仍可保持性能。自动控制原理自动控制原理 蒋大明蒋大明经典控制理论经典控制理论n研究对象：研究对象：单输入, 单输出, 线性时不变系统

12、。n数学工具数学工具： 拉氏变换。n数学模型：数学模型：微分方程, 传递函数, 动态结构图。n研究方法：研究方法：时域分析法, 根轨迹法和频域分析法。自动控制原理自动控制原理 蒋大明蒋大明现代控制理论现代控制理论n研究对象研究对象：多输入, 多输出, 多变量系统。n研究方法研究方法：状态空间法。n数学工具数学工具：线性代数。n数学模型数学模型：状态方程。自动控制原理自动控制原理 蒋大明蒋大明大系统理论大系统理论, ,智能控制智能控制n研究对象研究对象：规模庞大, 结构复杂, 变量众多。n研究方法：研究方法： 计算机辅助设计。自动控制原理自动控制原理 蒋大明蒋大明控制理论面临的问题控制理论面临的

13、问题n如何避免抽象的理论化。如何避免抽象的理论化。n实际系统的复杂性、强非线性、不确定性、不完全性实际系统的复杂性、强非线性、不确定性、不完全性如何建模等。如何建模等。自动控制原理自动控制原理 蒋大明蒋大明自动化专业的历史沿革自动化专业的历史沿革 1、工业企业电气化(1952)， 2、工业电气化及自动化(60年代)， 3、工业电气自动化(70年代末)， 4、工业自动化(1993, 归口机械工业部)， 5、自动控制(1993, 归口电子工业部)， 6、自动化(1998)。自动控制原理自动控制原理 蒋大明蒋大明我校自动化专业简介我校自动化专业简介n专业演变专业演变: 铁道信号交通信息工程与控制自动

14、控制 自动化 (60人90人180人)n专业特点专业特点: 万金油(褒): 知识面广,什么都能干(就业率最高)。 四不象(贬): 理论功底不如数学专业； 计算机能力比不上计算机专业； 机械, 电气, 化工等知识没有相关专业扎实。 n专业定位专业定位: 国家级重点学科(交通信息工程及控制) 国家级特色专业自动控制原理自动控制原理 蒋大明蒋大明自动化专业国内外状况自动化专业国内外状况n国内: 全国已有200多所高校设立自动化专业. 中国自动化学会教育委员会n国际: 目前国际主流教育体制中没有自动化专业. 出国深造: 偏理: 应用数学 偏工: 电气电子, 机械, 化工, 计算机自动控制原理自动控制原

15、理 蒋大明蒋大明第一章第一章 控制系统的一般概念控制系统的一般概念第一节 引 言n自动控制的定义：不需要人的直接参与而能控制某些物理量按照指定的规律变化.n举例：电冰箱（温度） 列车（速度）自动控制原理自动控制原理 蒋大明蒋大明常用术语常用术语n被控量（被调量）：自动控制系统中需要调节的物理量。n被控对象：被控制的物理量相应的那个生产过程或进行 生产过程的设备、机器、装置。n给定值（参考输入）：根据生产要求，被控量需要达到 的数值。n干扰（扰动）：引起对象中被控量变化的各种外界因素。自动控制原理自动控制原理 蒋大明蒋大明第二节第二节 自动控制的基本形式自动控制的基本形式一、一、 开环控制开环控

16、制信号由给定值给定值至被控量被控量单向单向传递。分类：分类：1、按给定值操纵的开环控制系统例例：固定时间定时的交通灯、电风扇、老式洗衣机。自动控制原理自动控制原理 蒋大明蒋大明2 2、按干扰补偿的开环控制系统、按干扰补偿的开环控制系统一、一、 开环控制开环控制用途：用途：只能对可测干扰进行补偿，对于不可测的扰动及受控对象各功能部件内部参数变化对被控量造成的影响,系统自身无法控制。例：稳压电源n优点：控制器结构简单，成本低n缺点：对各环节要求高以保证满意的控制精度；抗扰动能力差、控制精度难以保证特点：特点：自动控制原理自动控制原理 蒋大明蒋大明信号沿前向通道和反馈通道往复循环。n优点：对各环节要

17、求低；通过偏差控制，可抑制内、外扰动对被控制量产生的影响、精度高；n缺点：控制器结构复杂，其设计与系统分析相对麻烦；n举例：电冰箱，空调，教学过程和智能洗衣机前向通道：前向通道：输入至输出的信号通路；反馈通道：反馈通道：输出至输入的信号通路。二、二、 闭环控制闭环控制自动控制原理自动控制原理 蒋大明蒋大明三、三、 复合控制复合控制 复合控制：复合控制：按扰动控制处是开环；按偏差控制处是闭环。+计算计算执行执行被控对象被控对象测量测量被控量被控量干扰干扰给定值给定值_测量测量自动控制原理自动控制原理 蒋大明蒋大明第三节第三节 控制系统举例控制系统举例烘烤炉温度控制系统烘烤炉温度控制系统n受控对象

18、受控对象烘炉n被控量被控量温度n给定值给定值电位器输出电压n干扰干扰工件温度、环境温度、 煤气压力等n测量元件测量元件热电偶n执行机构执行机构电动机、阀门自动控制原理自动控制原理 蒋大明蒋大明恒值控制系统（输入信号为常值）恒值控制系统（输入信号为常值）n列车，汽车，舰船的速度控制n冰箱，烤箱，空调的温度控制n水箱的液面高度（液位）控制举例：举例：自动控制原理自动控制原理 蒋大明蒋大明位置随动系统（输入信号为时间的函数）位置随动系统（输入信号为时间的函数）n受控对象受控对象工作机械n被控量被控量工作机械角位置n给定值给定值指令转角n干扰干扰影响工作机械角位置的各种因素n测量元件测量元件两个相同的

19、电位器n执行机构执行机构电动机、减速器自动控制原理自动控制原理 蒋大明蒋大明 随动系统随动系统n绘图仪n仿形铣(配钥匙)n火炮系统举例：举例：自动控制原理自动控制原理 蒋大明蒋大明调速系统调速系统 受控对象受控对象电动机 被控量被控量电机转速 给定值给定值给定电位器输出电压 干扰干扰影响转速的各种因素 测量元件测量元件测速发电机自动控制原理自动控制原理 蒋大明蒋大明恒值控制系统恒值控制系统自动控制原理自动控制原理 蒋大明蒋大明计算机控制系统计算机控制系统n举例: 列车运行自动控制系统比较线路比较线路数字计算机数字计算机受控对象D/A测量测量A/D自动控制原理自动控制原理 蒋大明蒋大明CTCS3

20、(CTCS3(中国列车运行控制系统中国列车运行控制系统) )设备结构设备结构GSM-R固定网络自动控制原理自动控制原理 蒋大明蒋大明第四节第四节 控制系统的分类控制系统的分类n 对被控对象的控制方式（结构）对被控对象的控制方式（结构）： 开环控制 闭环控制 复合控制 单输入单输出(SISO)（本课程研究重点） 多输入多输出（MIMO）（现代控制理论）控制系统的其他分类方式控制系统的其他分类方式n输入信号：伺服系统，恒值系统和程序控制系统n信号性质：连续，离散，混合n数学描述：线性（满足叠加原理）和非线性n控制方式：偏差控制，复合控制自动控制原理自动控制原理 蒋大明蒋大明第五节第五节 控制系统组

21、成和对基本性能要求控制系统组成和对基本性能要求n被控对象n控制装置(由具有一定职能的各种基本元件组成 ) 测量元件测量元件：其职能是测量被控制的物理量； 给定元件给定元件：其职能是给出与期望的被控量相对应的系统输入量（即参据量）。 比较元件比较元件：把测量元件检测的被控量实际值与给定元件给出的参据量进行比较，求出它们之间的偏差。 放大元件放大元件：将比较元件给出的偏差进行放大，用来推动执行元件去控制被控对象。 执行元件执行元件：直接推动被控对象，使其被控量发生变化。 校正元件校正元件：亦称补偿元件，它是结构或参数便于调整的元件，用串联或反馈的方式连接在系统中，以改善系统性能。一、控制系统组成一、控制系统组成自动控制原理自动控制原理 蒋大明蒋大明35 输入量输出量串串联联补补偿偿元元件件放放大大元元件件执执行行元元件件被被控控对对象象反反馈馈补补偿偿元元件件图图1 14 4反反馈馈控控制制系系统统基基本本组组成成测测量量元元件件局部反馈主反馈为改善系统性能n用“”号代表比较元件，“-”号代表两者符号相反，“+”号代表两者符号相同。信号沿箭头方向