天津大学自动化原理第一绪论

1、课程性质、地位和任务：课程性质、地位和任务：自动控制原理自动控制原理解决控制系统分析解决控制系统分析和设计中最一般的规律和方法问题，并不深入涉及具体的控制和设计中最一般的规律和方法问题，并不深入涉及具体的控制系统设计，是控制工程研究设计者必修的技术基础课。系统设计，是控制工程研究设计者必修的技术基础课。 技术基础课未来工作基础课知识知识学习学习能力能力培养培养工作工作能力能力自动控制原理自动控制原理Theories of Automatic Control 1-11-1控制系统的组成和基本结构控制系统的组成和基本结构自动控制：在无人直接参与的情况下，使被控对象按预定的规律运行。控制的实质：控制

2、的实质是使系统能稳妥地保持预定的工作状态，在各种不利因素的影响下不至于动摇不定、不听指挥。控制系统：为完成某一特定任务，由一些有特定功能且相互联系相互影响的环节组成的一个整体。其中的主要环节有：被控对象某一台机器或设备，某一个生产或工艺过程等。执行机构功率放大器、执行电机、阀门等。给定环节电位器、指令开关、旋转变压器等。测量装置测速发电机、旋转变压器、热电偶、电位器等。比较元件差动放大器、机械差动装置、电桥电路等。校正装置由无源或有源器件组成的电路，单片机和计算机等。第一章第一章 绪绪 论论开环控制系统：自动控制的任务：根据参考输入决定控制作用并施加在被控对象上，使被控对象的输出等于参考输入规

3、定的数值。自动控制系统有开环控制和闭环控制两种基本的控制方式。开环控制的特点：由输入到输出信号是单方向传递的。反馈控制系统（闭环控制）：在反馈控制系统中被控对象的输出信号反方向引到控制系统的输入端，与参考输入相比较并参与控制，信号沿前向通路和反馈通路闭路传输。反馈控制是控制系统最基本的控制方式，它具有下述特点：1、可以有效地克服扰动对系统的影响，降低系统对前向通道中各环节特性参数变化的灵敏度。2、对反馈通道测量装置的要求高。3、因为被控对象对控制输入的响应要有一个过程，存在时间的延迟不适当的控制策略会使系统出现振荡甚至不稳定，无法完成预定的控制任务。复合控制：在控制工程中，闭环控制系统响应的快

4、速性、控制精度、抗干扰能力与系统的稳定性往往是一对矛盾。在某些情况下，将开环控制方式和闭环控制方式相结合，往往可以达到好的控制效果。上图给出的复合控制的原理框图体现了这一设计思想，其中控制作用是与误差有关的反馈控制、与扰动有关的补偿控制、与参考输入有关的前馈控制三项的和。 经典控制理论的研究内容：单输入单输出反馈控制系统的分析和综合。其中，对被控对象的分析是第一步，主要包括控制系统及各组成部分的描述，响应特性分析和稳定性分析。在分析的基础上，进行控制系统的结构设计、控制器设计或控制算法设计，即系统综合。经典控制理论的研究方法：基于传递函数描述的根轨迹法（时域法）和频率特性方法（频域法）。1-2

5、1-2自动控制理论的内容和发展自动控制理论的内容和发展自动控制理论经典控制理论现代控制理论最优控制系统辨识自适应控制.公元前公元前300年公元前年公元前1年年 古希腊古希腊 浮球调节装置浮球调节装置 1681 Dennis Papin 锅炉压力调节器锅炉压力调节器 1769 James Watt 飞球离心调节器飞球离心调节器 1868 Maxwell 蒸汽机调节器的数学模型蒸汽机调节器的数学模型1927 Black 负反馈放大器负反馈放大器1932 Nyquist 系统的稳定性分析方法系统的稳定性分析方法1948 Evans 根轨迹法根轨迹法经典控制理论形成于20世纪三、四十年代，以三项理论性

6、成果为标志：1、奈奎斯特(Nyquist)关于反馈控制系统稳定性的结果。2、伯德(Bode)引入的对数增益图和线性相位图即伯德图。3、伊万思(Evans)提出的根轨迹法。经典控制理论的应用在第二次世界大战期间取得了巨大的成功，其中，自动火炮跟踪系统和V2火箭自动导航系统是最为突出的范例。现代控制理论的研究内容：多输入多输出（MIMO）复杂系统分析和综合的理论和方法。二次大战结束后，在20世纪50年代蓬勃兴起的航天技术需求推动下，1960年前后，控制理论开始了从经典理论到现代理论的过渡，到70年代现代控制理论的基本框架已经形成，研究结果在上世纪60年代初至70年代初美国组织实施的载人登月工程中取

7、得了辉煌成就。1950s Bellman 状态空间法状态空间法 动态规划法动态规划法 庞德李亚金庞德李亚金 极大值原理极大值原理1960s Kalman 能控性、能观性能控性、能观性 滤波滤波1970 Rosenbrok 线性多变量频域法线性多变量频域法1980 Robust 控制系统设计控制系统设计按输入信号的特征分为恒值控制系统、程序控制系统、随动控制系统（伺服系统）；按信号传输过程是否连续分为连续控制系统、离散控制系统；按系统构成元件是否线性分为线性控制系统、非线性控制系统等。被控对象： 电加热炉被控量：炉温测量装置：热电偶给定装置：电位器执行机构：电机、齿轮箱功率放大M热电偶电炉丝22

8、0VACurute=ur-ut电加热炉电加热炉温控制系统1-31-3反馈控制系统示例反馈控制系统示例速度（恒速）控制系统速度（恒速）控制系统被控对象：发动机系统输出量：发动机转速执行机构：阀门和动力油缸给定、测量和调节装置：离心机燃料阀门开关高压油动力油缸发动机负载瓦特式发动机速度控制系统如下图所示。离心式速度调节装置数控机床是数字控制机床的简称，是一种数控机床是数字控制机床的简称，是一种装有程序控制系统的自动化机床。装有程序控制系统的自动化机床。与普通机床相比，数控机床有如下特点：1、加工精度高，具有稳定的加工质量； 2、可进行多坐标的联动，能加工形状复杂的零件；3、加工零件改变时，一般只需

9、要更改数控程序，可节省生产准备时间；4、生产率高； 5、机床自动化程度高，可以减轻劳动强度。数控加工中心数控加工中心数控车床数控车床五轴联动加工五轴联动加工程序控制系统程序控制系统机器人技术是机器人技术是20世纪人类伟大发明之一。在世纪人类伟大发明之一。在制造业中，工业机器人甚至已成为不可少的制造业中，工业机器人甚至已成为不可少的核心装备，世界上有近百万台工业机器人正核心装备，世界上有近百万台工业机器人正与工人朋友并肩战斗在各条战线上。与工人朋友并肩战斗在各条战线上。装配机器人装配机器人焊接机器人焊接机器人程序控制系统程序控制系统函数记录仪位置随动控制系统函数记录仪位置随动控制系统97E234

10、856U17urt函数记录仪原理示意图1放大器 2伺服机 3测速发电机 4减速器 5电位器 6滑线变阻器 7线轮 8纸带机 9输入函数导弹发射架方位随动控制系统导弹发射架方位随动控制系统导弹发射架方位随动控制系统原理图被控对象发射架，被控量发射架的旋转角，执行机构功率放大装置、电机和齿轮传动机构，给定、测量和比较装置同位仪制导武器通过某种制导手段随时测定它与目标之间的相对位置和相对运动，根据偏差的大小形成控制信号，控制制导武器的运动轨道，使之最终命中目标。制导武器系统的制导技术有自主式自主式、寻的式寻的式、遥控遥控式式和复合式复合式等四种。 制导技术是按照一定规律控制武器的飞行方向、姿态、高度

11、制导技术是按照一定规律控制武器的飞行方向、姿态、高度和速度，引导其准确攻击敌方目标的军用技术。和速度，引导其准确攻击敌方目标的军用技术。 智能电网把分散的大型和小型发电商和电力用户都整合到一个总体结构中，具有很高的透明度和灵活性，允许最终用户作为产消合一的“生产消费者”参与能源市场的活动。中国拥有世界上增长最快的风电市场，到2020年，中国国内风电厂运行中的总装机容量有望达到15万兆瓦，电力供给不稳定问题要靠储能和协调调度控制来解决。串联式并联式混联式EV(电动汽车)PEV（纯电动）HEV(混合动力车)FCV(燃料电池汽车)HEV(混合动力车)电动汽车是解决交通工具多能源和环境问题的技术途径，电动汽车的移动能源储存器作用，是智能电网的最佳补充，电动交通和可再生能源结合在一起，可最大程度地减少污染。控制系统的性能主要由系统的稳定性、控制精度、快速性和抗扰性能来衡量，不同的性能指标往往是相互矛盾制约的。1-41-4控制系统的性能指标控制系统的性能指标控制系统对阶跃指令的响应控制系统对阶跃扰动的响应参考书籍：自动控制原理，胡寿松，科学出版社自动控制原理，孙虎章，中央广播电视大学出版社现代控制工程，尾形克彦，卢伯英等译，电子工业出版社MATLAB在自动控制中的应用，吴晓燕，张双选，西安电子科技大学出版社教材的主要内容：第1章 绪论（反馈控制系统简介，控