自动控制原理__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 电子信息工程学院电子信息工程学院 办公室办公室: : 南南103103 电话电话: 51688286: 51688286 邮箱：邮箱：课程简介v第一章 自动控制的一般概念v第二章 模型v第三章 时域分析法v第四章 根轨迹法v第五章 频率法v第六章 控制系统的校正v第七章 采样系统分析参考书目 胡寿松 国防工业出版社 吴 麒 清华大学出版社 李友善 国防大学出版社 多种 自动控制理论的发展历程 最早应用于工业过程中的自动反馈控制器，是英国人瓦特1769年发明的飞球控制器，它被用来控制蒸汽机的转速。 机械装置用来测量驱动杆的转速并利用

2、飞球的转动来控制阀门，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，重心上移，于是关紧阀门。 俄国人认为，最早的具有历史意义的反馈系统是由Polzunov于1765年发明的用于水位控制的浮球调节器。 浮球探测水位并控制在锅炉入水口上的阀门。自动控制理论的发展历程 18681868年以前，自动控制系统的特点是凭借知觉的实证性发明，缺乏理论基础。自动控制理论的发展历程经典控制论的产生： 1868年，英国本土的瓦特调节器出现剧烈振荡, 英国物理学家麦克斯韦发表论调速器。 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更能把科学推向前进”。 20世纪初叶，长途电话革命促成经典

3、控制论（时域法、频域法、根轨迹法）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。 1927年，贝尔实验室的Bode用频域法分析反馈放大器；1932年，奈奎斯特提出频域判据判断系统的稳定性， 解决反馈放大器出现“嗡嗡作响”的不稳定振荡。自动控制理论的发展历程 1940年以前，控制系统设计采用“试凑法”；1940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。 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 。 1948年，维纳控制论发表，奠定

4、了控制论的基础。 1954年，钱学森在美国出版了工程控制论（Engineering Cybernetics)，系统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。自动控制理论的发展历程 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。 50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义上的最佳系统。 1956年，苏联数学家庞特里亚金创立“极大值原理”。 1957年，美国数学家贝尔曼创立“动态规划”，为最优控制提供了有效的理论工具；多输入、多输

5、出的复杂系统使经典控制论遇到挑战； 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到发展和普及；复杂系统的时域分析成为可能。 1960年前后，美国应用数学家卡尔曼在其博士论文中提出“状态空间理论”，标志着现代控制理论的诞生。自动控制理论的发展历程 现代控制理论的应用： 1957年，苏联发射第一颗人造卫星。 1966年，苏联发射探测器在月球软着陆。 1969年，美国阿波罗载人宇宙飞船登陆月球。 自动控制理论的发展历程 经典控制理论 : 40-50年代 现代控制理论 : 60年代 大系统理论，智能控制 : 80年代 控制理论的分支： 最优控制： 性能最优的控制律。 自适应控制：系

6、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、学 习控制。 鲁棒控制：模型出现偏差仍可保持性能。经典控制理论 研究对象: 单输入, 单输出, 线性时不变系统.n数学工具: 拉氏变换.n数学模型: 微分方程, 传递函数, 动态结构图.n研究方法: 时域分析法, 根轨迹法, 频域分析法.现代控制理论 研究对象: 多输入, 多输出, 多变量系统.n研究方法: 状态空间法.n数学工具: 线性代数.n数学模型: 状态方程.大系统理论, ,智能控制 研究对象: 规模庞大, 结构复杂, 变量众多.n研究方法: 计算机辅助设计.控制理论面临的问题 如何避免抽象的理论

7、化。 实际系统的复杂性、强非线性、不确定性、不完全性，如何建模。自动化专业的历史沿革 工业企业电气化(1952) 工业电气化及自动化(60年代) 工业电气自动化(70年代末) 工业自动化(1993, 归口机械工业部) 自动控制(1993, 归口电子工业部) 自动化(1998)我校自动化专业简介 专业演变: 铁道信号交通信息工程与控制自动控制 自动化 (60人90人180人)n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: 国家级重点学科(交通信

8、息工程及控制) 北京交通大学的特色专业自动化专业国内外状况 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 考研唯一专业课 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, 计算机第一章 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）常用术语 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

9、需要达到的 数值。 干扰（扰动）引起对象中被控量变化的各种外界因素.第二节 自动控制的基本形式一、 开环控制 信号由给定值至被控量单向传递。n优点：控制简单n缺点：对各环节要求高n举例：自动化流水线，一般洗衣机第二节 自动控制的基本形式二、 闭环控制 信号沿前向通道和反馈通道往复循环。n优点：对各环节要求低n缺点：控制复杂n举例：电冰箱，智能洗衣机，教学过程第三节 控制系统举例烘烤炉温度控制系统n受控对象烘炉n被控量温度n给定值电位器输出电压n干扰工件温度、环境温n 度、煤气压力等n测量元件热电偶n执行机构电动机、阀门恒值控制系统 列车, 汽车, 舰船速度控制 冰箱, 烤箱, 空调温度控制 水

10、箱液面高度控制位置随动系统 受控对象工作机械 被控量工作机械角位置 给定值指令转角 干扰影响工作机械角位 置的各种因素 测量元件两个相同的电 位器 执行机构电动机、减速器 随动系统 绘图仪 仿形铣(配钥匙) 大门 机车同步操控调速系统 受控对象电动机 被控量转速 给定值给定电位 器输出电压 干扰影响转速的 各种因素 测量元件测速发 电机恒值控制系统计算机控制系统 举例: 列车运行自动控制系统比较线路A/D比较线路数字计算机受控对象D/A测量测量CTCS3CTCS3系统设备结构系统设备结构GSM-R固定网络第四节 对控制系统的性能要求理想：被控量和给定值在任何时刻其变化规律都相等。 即：C（t）

11、= R ( t ) 通常把系统受外加信号（给定值或扰动）作用后，被控量随时间变化的全过程称为系统的动态过程（过渡过程）。 控制性能由动态过程表示。控制性能主要表现在三个方面 稳：指动态过程的振荡倾向和系统重新恢复平衡工作状 态的能力。n快：指动态过程持续时间的长短。n准：指系统过渡到新的平衡状态后，或受扰重新恢复平 衡后，最终保持的精度。本章小结 自动控制的定义 常用术语 控制系统的基本形式 控制系统举例 控制系统的性能自动控制理论的发展历程 最早应用于工业过程中的自动反馈控制器，是英国人瓦特1769年发明的飞球控制器，它被用来控制蒸汽机的转速。 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，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，重心上移，于是关紧阀门。现代控制理论 研究对象: 多输入, 多输出, 多变量系统.n研究方法: 状态空间法.n数学工具: 线性代数.n数学模型: 状态方程.大系统理论, ,智能控制 研究对象: 规模庞大, 结构复杂, 变量众多.n研究方法: 计算机辅助设计.自