自动控制原理 第一章 概论

1、自动控制原理,主讲教师: 蒋大明 电子信息工程学院 办公室: 南103 电话: 51688286 邮箱：,课程简介,第一章 自动控制的一般概念 第二章 模型 第三章 时域分析法 第四章 根轨迹法 第五章 频率法 第六章 控制系统的校正 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

2、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,1868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

3、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，奠定了控制论的基础。 1954年，钱学森在美国出版了工

4、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、多输出的复杂系统使经典控制论遇到挑战； 1

5、960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：系统特性变动下可自动调整控制。 智

6、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.,数学工具: 拉氏变换.,数学模型: 微分方程, 传递函数, 动态结构图.,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.,研究方法: 状态空间法.,数学工具: 线性代数.,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.,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化。 实际系统的复杂性、强

7、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),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.,专业定位: 国家级重点学科(交通信息工程及控制) 北京交通

8、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,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.,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,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。,给定值(参考输入) 根据生产要求，被控量需要达到的 数值。

9、,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。,优点：控制简单 缺点：对各环节要求高 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。,优点：对各环节要求低 缺点：控制复杂 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,受控对象烘炉,被控量温度,给定值电位器输出电压,干扰工件温度、环境温 度、煤气压力等,测量元件热电偶,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 水箱

10、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,CTCS3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）= 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