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1、自动控制原理,Automatic Control Theory,http:/,Chapter 1Preface 绪论,自动控制原理,第 1 章 绪 论,自动控制的发展历史控制系统的基本概念控制系统的分类控制系统的响应模态与基本要求,3,自动控制的发展是一个很长的过程,自动控制是人类在认识世界和发明创新的过程中发展起来的一门重要的科学技术。依靠它，人类可以从笨重，重复性的劳动中解放出来，从事更富创造性的工作。自动化技术是当代发展迅速，应用广泛，最引人瞩目的高技术之一，是推动新的技术革命和新的产业革命的关键技术。自动化也即大范围自动控制系统的应用，从而达到现代化。,自动控制的发展历史,4,自动控制
2、原理,I.前期控制(Early Control)（1400B.C.1900）,(0)中国，埃及和巴比伦出现自动计时漏壶(1400B.C.1100B.C.)。孙武著孙子兵法(600B.C.),(1)秦昭王时，李冰主持修筑都江堰体现的系统观念和实践(300B.C.),西汉漏壶,5,自动控制原理,(3)中国张衡发明水运浑象，研制出自动测量地震的候风地动仪(132年),(2)亚历山大的希罗发明开闭庙门和分发圣水等自动装置(100年),I.前期控制(Early Control)（1400B.C.1900）,6,自动控制原理,(4)中国马钧研制出用齿轮传动的自动指示方向的指南车(235年),(5)中国北宋
3、苏颂制造的水运仪象台(1086年),I.前期控制(Early Control)（1400B.C.1900）,7,自动控制原理,(6)英国J.Watt用离心式调速器控制蒸汽机的速度(1788年),(7)英国J.C.Maxwell发表“论调速器”(On Governors)论文(1868年),I.前期控制(Early Control)（1400B.C.1900）,8,自动控制原理,(8)英国E.J.Routh建立Routh判据(Routh-Hurwitz Stability Criteria)(1875年),(9)俄国A.M.Lyapunov博士论文“论运动稳定性的一般问题”(1892年),(10
4、)英国J.M.Gray设计出第一艘全自动蒸汽轮船“东方”号(Great Eastern)(1866年),I.前期控制(Early Control)（1400B.C.1900）,9,自动控制原理,(11)由徐寿设计的中国第一艘蒸汽轮船“黄鹄”号(L20m,25T,10km/hr)在安庆内军械所下水(1866)。次年，中国第一艘木质明轮蒸汽舰船“恬古”号在江南造船厂下水。,操江号(62mx10m),392匹马力，600T排水，备炮9门,I.前期控制(Early Control)（1400B.C.1900）,10,自动控制原理,II.经典控制前期(The Pre-classical Period)(
5、1900-1935),(1)美国福特(Ford Motor)汽车公司建成最早的汽车装配流水线(1913),(2)美国N.Minorsky研制出用于船舶驾驶的伺服结构，提出PID控制方法(1922),(3)美国MIT的Vannevar Bush研制成第一台大型模拟计算机(Differential Analyzer)(1928),V.Bush,11,自动控制原理,(4)美国H.S.Black提出放大器性能的负反馈方法(Negative Feedback Amplifier)(1927),H.S.Black,II.经典控制前期(The Pre-classical Period)(1900-1935)
6、,12,自动控制原理,(5)美国E.Sperry以及C.Mason研制出火炮控制器(1925)，气压反馈控制器(1929),II.经典控制前期(The Pre-classical Period)(1900-1935),13,自动控制原理,III.经典控制(Classical Control)（1935-1950）,(1)美国贝尔实验室的H.Bode(1938)，以及Nyquist(1940)提出频率响应法,(2)美国Taylor仪器公司的J.G.Ziegler和N.B.Nichols提出PID参数的最佳调整法(1942),(3)美国MIT的N.Wiener研究随机过程的预测(1942)，提出W
7、iener滤波理论(1942)，发表控制论(Cybernetics)一书(1948)，标志着控制论学科的诞生。,N.B.Nichols,N.Wiener,N.Wiener,shown here in 1954 with Yuk Wing Lee(left)and Amar G.Bose,discussing an aspect of statistical communication theory,14,自动控制原理,(4)自动控制的基础为闭环控制。控制论的奠基人N.Wiener 给出的定义为：“Feedback is a method of controlling a system by i
8、nserting into it the result of its past performance”,闭环控制系统的结构框图：,15,自动控制原理,III.经典控制(Classical Control)（1935-1950）,(5)美国的H.Hazen发表“关于伺服结构理论”(Theory of Servome-chanism)(1934)，并在MIT建立伺服机构实验室(Servomechanism Laboratory)(1939),H.Hazen,III.经典控制(Classical Control)（1935-1950）,16,自动控制原理,(6)英国A.M.Turine提出图灵计算
9、机的设想(1937),(7)在贝尔实验室Bode领导的火炮控制系统研究小组工作的C.Shannon提出继电器逻辑自动化理论(1938)，随后，发表专著通信的数字理论(The Mathematical Theory of Communication)，奠定了信息论的基础(1948),C.E.Shannon,III.经典控制(Classical Control)（1935-1950）,17,自动控制原理,(8)MIT Radiation Laboratory在研究SCR-584雷达控制系统的过程中，创立了Nichols Chart Design Method，R.S.Philips的工作On No
10、ise in Servomechanisms，以及Hurwicz(1947)的数字控制系统(Sampled Data System),(9)美国W.Evans提出根轨迹法(Root Locus Method)(1948)，以单输入线性系统为对象的经典控制研究工作完成。,(10)多本有关经典控制的经典名著相继出版，包括Ed.S.Smith的Automatic Control Engineering(1942)，H.Bode的Network Analysis and Feedback Amplifier(1945)，L.A.MacColl的Fundamental Theory of Servome
11、chanisms(1945)，以及钱学森的工程控制论(Engineering Cybernetics)(1954),Lan J.Chu,III.经典控制(Classical Control)（1935-1950）,18,自动控制原理,现代控制(Modern Control)(1950-),二次世界大战中火炮，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。五十年代后兴起的现代控制起源于冷战时期的军备竞赛，如导弹(发射，操纵，指导及跟踪)，卫星，航天器和星球大战，以及计算机技术的出现(英国科学家A.J.G.MacFarlane)。,19,自动控制原理,(2)美国R.Bellman在RA
12、ND Coporation数学部的支持下，发表著名的Dynamic Programming，建立最优控制的基础(1957),(3)国际自动控制联合会(IFAC)成立(1957)，中国为发起国之一，第一届学术会议于莫斯科召开(1960),(1)苏联L.S.Pontryagin发表“最优过程数学理论”，提出极大值原理(Maximum Principle)(1956),L.S.Pontryagin,现代控制(Modern Control)(1950-),20,自动控制原理,(4)美国MIT的Servomechanism Laboratory研制出第一台数控机床(1952),现代控制(Modern C
13、ontrol)(1950-),21,自动控制原理,(5)世界第一颗人造地球卫星(Sputnik)由苏联发射成功(1957),Sputnik 1 was the first artificial satellite launched into space,1957.Laika.Sputnik 2,22,自动控制原理,Oct.4,1957:Launch of the rocket carrying Sputnik,the first man-made satellite.Photos of the launch were not initially released.This photo is a
14、 still from a 1967 Soviet documentary film.,K.S.Pavlovitch(1906-1966),Russian spacecraft designer and header of the Vostok and Voskhod projects.,现代控制(Modern Control)(1950-),23,自动控制原理,(6)美国George Devol研制出第一台工业机器人样机(1954)，两年后，被称为机器人之父的Joseph Engelberger创立了第一家机器人公司，Unimation,R.E.Kalman,现代控制(Modern Cont
15、rol)(1950-),24,自动控制原理,(7)美籍匈牙利人R.E.Kalman发表“On the General Theory of Control Systems”等论文，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(1960),(8)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),1961,at the age of 27,Gagarin left the earth.It was April the 12th,9.07 Moscow time(launch-site,Baikonur).1
16、08 minutes later,he was back.The period of orbital revolution was 89:34 minutes(this figure was calculated by electronic computers).The missions maximum flight altitude was 327 000 meters.The maximum speed reached was 28 260 kilometers per hour.,宇宙哥伦布-加加林,A stamp issued by Russia to memorize Y.Gagar
17、in,Capsule used in first manned orbit of earth,In 1961,the first human to pilot a spacecraft,Yuri Gagarin,was launched by the Soviet Union aboard Vostok I.,现代控制(Modern Control)(1950-),25,自动控制原理,(9)1963年,美国的Lofti Zadeh与C.Desoer发表Linear Systems-A State Space Approach。1965年，Zadeh提出模糊集合和模糊控制概念,(10)美国的E.
18、I.Jury 发表“数字控制系统”(Sampled-Data Control System)，建立了数字控制及数字信号处理的基础(1958),C.Desoer,现代控制(Modern Control)(1950-),26,自动控制原理,(11)苏联发射“月球”9号探测器，首次在月面软着陆成功(1966)，三年后(1969)，美国“阿波罗”11号把宇航员N.A.Armstrong送上月球。,N.A.Armstrong,现代控制(Modern Control)(1950-),27,自动控制原理,(12)瑞典Karl J.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(196
19、7)，六年后，提出了自启调节器，建立自适应控制的基础。Astrom于1993年获得IEEE Medal of Honor。,K.J.Astrom,(13)英国H.H Rosenbrock 发表State Space and Multivariable Theory(1970)。加拿大W.M Wonham 发表Linear Multivariable Control:A Geometric Approach(1974)。,W.M Wonham,现代控制(Modern Control)(1950-),28,自动控制原理,(14)美国的M.E.Merchant提出计算机集成制造的概念(1969),现
20、代控制(Modern Control)(1950-),29,自动控制原理,(15)美国ARPA计算机网络初步建成(1971),(16)日本Fanuc公司研制出由加工中心和工业机器人组成的柔性制造单元(1976),现代控制(Modern Control)(1950-),30,自动控制原理,(17)美国R.Brockett提出用微分几何研究非线性控制系统(1976)，意大利A.Isidori出版(Nonlinear Control Systems)(1985)。,A.Isidori,R.Brockett,现代控制(Modern Control)(1950-),31,自动控制原理,(18)加拿大G.
21、Zames提出H 鲁棒控制设计方法(1981年),(19)美国“哥伦比亚”号航天飞机首次发射成功(1981年),Gorge Zames,现代控制(Modern Control)(1950-),32,自动控制原理,(20)美国A.Bryson 和Y.C Ho 发表Applied Optimal Control(1969)。Y.C Ho 和X.R Cao等提出离散事件系统理论(1983),(21)中国批准863高技术计划，包括自动化领域的计算机集成制造系统和智能机器人两个主题(1986),A.Bryson,Yu C.Ho,P.Kokotovic,现代控制(Modern Control)(1950-
22、),33,自动控制原理,(22)IEEE Control Systems Award 获得者。,现代控制(Modern Control)(1950-),34,自动控制原理,(23)第一台火星探测器Sojourner在火星表面软着陆(1996),(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,现代控制(Modern Control)(1950-),35,自动控制原理,36,自动控制的发展和现状,以维纳1948年的控制论为标志，经典控制理论正式形成。第一时期 经典控制理论时期 20世纪40年代末到50年代初第二时期 现代控制理论时期 20世纪60年代第三时期 大系统理论
23、、智能控制理论时期 20世纪70始至今,自动控制原理,自动控制原理,控制系统的发展,自动控制理论是研究自动控制系统组成，进行系统分析设计的一般性理论，是研究自动控制过程共同规律的技术学科。它是一个方法论。本课程在重点在经典控制理论，它主要以传递函数为基础研究单输入单输出线性定常系统的分析和设计问题。,37,该课程与其它课程的关系,38,自动控制原理,自动控制原理,第 1 章 绪 论,自动控制的发展历史控制系统的基本概念控制系统的分类控制系统的响应模态与基本要求,39,自动控制原理,为消除不确定的干扰的影响，借助于某些仪器设备等工具（控制装置）使对象（被控对象）的一个或多个属性（被控变量）满足期
24、望的运动变化要求的操作过程称为控制，用人工操作称为人工控制，不要人的干预完全借助仪器设备来完成的控制称为自动控制。,控制系统的基本概念,右图的被控对象：水池被控变量：水池的水位控制装置：阀门干扰：阀门前后压力变化、出水量的变化等,40,自动控制原理,自动控制的定义：是指在没有人直接参与的情况下，利用控制装置（控制器），使机器、设备或生产过程（被控对象）的某一工作状态或参数（被控量）自动按照预定的规律运行。,自动控制系统：由被控对象(水池)和控制装置(测量装置-浮子；运算装置-连杆杠杆；执行装置-阀门)构成的实现自动控制功能的统一有机整体。,控制系统的基本概念,41,自动控制系统的工作原理,为什
25、么自动控制是一个系统？各对象间是怎么相互作用制约的？,系统：为了达到某一目的，由多个对象相互作用相互制约，组成的具有确定功能的有机整体。,浮子的水位信息连杆杠杆的比例运算阀门开度变化进水流量变化水池水位变化,控制系统的基本概念,42,自动控制原理,自动控制原理,系统中存在信息的传递。从被控对象输出端获得的信息通过中间环节（称为反馈环节）再送回控制器的输入端的过程，称为反馈。,控制系统的应用领域：冰箱、空调、洗衣机、电梯、汽车、电厂锅炉、酿酒过程、航空航天等各种机器或生产过程控制以及军事领域。,控制系统的基本概念,43,方块图的基本元素：（1）：环节、元件（2）：信号（物理量）及传递方向（3），
26、：比较点（信号叠加）（4）：引出点（分支、信号强度）（5）+/-：符号的意义（正、负反馈）,控制系统的基本概念,44,自动控制原理,控制系统的基本概念,方框图中的几种表示法：,系统的方框图,45,自动控制原理,自动控制原理,控制系统的基本概念,被控对象：控制系统中需要进行控制的受控客体。被控变量：被控制对象上需要实现其期望要求的物理量。常见的控制系统被控变量如冰箱温度、电机的转速、飞机姿态角、船的航迹、电网的电压频率和相位、生产过程中的压力、流量、温度、湿度等。控制装置：代替人对生产设备和工艺过程施加控制作用的装置。给定输入量（参考输入）：用于参照比较被控变量的物理量称为给定量或参考输入。给定
27、量表征被控变量的期望值或受控对象的期望状态。扰动量：妨碍给定量对被控量进行正常控制的所有因素称为扰动量。如果扰动量产生在系统内部称为内扰；扰动量产生在系统外部称为外扰。给定量和扰动量都是自动控制系统的输入量。,46,基本控制方式,闭环控制,开环控制,炉温开环控制,控制系统的基本概念,47,自动控制原理,控制任务 炉温保持恒定工作原理 调压器电压 加热电阻电流 加热炉温,特点：系统的输出端与输入端不存在反馈回路，输出量对系统的控制作用不发生影响的系统。只有从输入端到输出端的信号前向通道，不存在由输出端到输入端的信号反馈通路。按给定值控制，无抗扰动能力，精度低。环节简单，容易实现，稳定性好。,炉温
28、开环控制,控制系统的基本概念,48,自动控制原理,控制装置与受控对象之间只有顺向作用而无反向联系。,按给定值工作的开环控制,按扰动补偿的开环控制(前馈控制),两种开环控制,49,自动控制原理,开环控制的特点及应用特点：结构简单，成本较低，但精度差。目前国民经济各部门都广泛应用开环控制系统，如自动售货机、自动洗衣机、产品自动生产流水线及交通指挥的红绿灯转换等。开环控制系统难以保持被控变量满足希望的要求，比如无论扰动大小都要使炉温保持恒定，就需人工干预。,控制系统的基本概念,50,自动控制原理,人工干预过程用眼观察温度计测量炉温大脑中比较实际与给定温度相应调整(增加或减小)电压,手动控制电加热炉方
29、框图,51,自动控制原理,人工闭环炉温控制,人工闭环控制作用 人工的关键性作用是使系统的输出量参与了系统的控制，形成了信号传递的闭环回路。系统一旦出现偏差，就调整控制量，从而保证了输出量的恒定。人工控制系统也叫做人工反馈系统，或叫人工闭环控制系统。这儿如果用自动控制装置来取代人工操作功能，就变成自动控制系统。,控制系统的基本概念,52,自动控制原理,图1.6概念：前向通道反馈反馈通道负反馈正反馈反馈控制系统,控制任务：电机转速保持恒定,闭环控制系统,控制系统的基本概念,53,自动控制原理,电机转速闭环控制系统工作原理,控制结构,控制系统的基本概念,54,自动控制原理,闭环控制系统特点 系统的输
30、出端与输入端存在反馈通路，输出量对系统的控制作用发生影响的系统。存在从输入端到输出端的信号前向通道和从输出端到输入端的信号反馈通路，形成一个闭合的回路。按偏差控制，有抗扰动能力，精度高。结构复杂，稳定性降低，实现较困难。,控制系统的基本概念,55,自动控制原理,自动控制原理,56,闭环控制系统又称反馈控制系统，是应用最广泛的控制方式。负反馈假设各环节输入输出是正特性（同向变化），把输出量送回输入端，并与输入信号相比较并参与决策控制的过程，称为负反馈。闭环控制通常采用负反馈方式，并利用偏差进行决策控制的过程（利用偏差修正偏差）。由于引入了被控量的反馈信息，整个控制过程成为闭合的，信息传递构成了回
31、路，称为闭环。应当指出，反馈控制系统不限于工程范畴，在各种非工程范畴内，诸如社会学、经济学和生物学中，也存在着反馈控制系统。,闭环控制系统,控制系统的基本概念,如何判断反馈还是前馈？,反馈（有回路，阀改变的控制量影响了被测量）,前馈（无回路，阀的改变不影响测量）,信息传递存在回路。,控制系统的基本概念,57,自动控制原理,自动控制原理,第 1 章 绪 论,自动控制的发展历史控制系统的基本概念控制系统的分类控制系统的响应模态与基本要求,58,控制系统的分类,按信号结构特点分类,59,自动控制原理,复合控制,将开环控制方式和闭环控制方式组合在一起的控制方式,控制系统的分类,60,自动控制原理,各种
32、系统组成结构,控制系统的分类,61,自动控制原理,自动控制原理,按给定信号变化特点分类 恒值控制系统 输入信号是一个恒定的数值。如：工业生产中的恒温、恒压等自动控制系统。随动系统 输入信号是一个未知函数。要求控制系统的输出量跟随输入信号变化。如：火炮自动跟踪系统。程序控制系统 输入信号是一个已知的函数但不一定是恒定的。系统的控制过程按预定的程序进行，要求被控量能迅速准确地复现输入，如化工中的压力、温度、流量控制。恒值控制系统可看成输入等于常值的程序控制系统。,控制系统的分类,62,按控制系统元件特性分类：,线性系统、非线性系统,叠加性：当有几个输入信号同时作用于系统时，系统的总响应等于每个输入
33、信号单独作用所产生响应之和（叠加）。,控制系统的分类,63,自动控制原理,续1,均匀性：当输入信号倍乘一常数时，则响应也倍乘同一常数。即，若r(t)c(t)，则kr(t)kc(t)。,控制系统的分类,64,自动控制原理,举例1：,设系统的输入信号为r(t)，输出信号为c(t)，试判断 c(t)=r(t)+5时，系统是否是线性系统？,解：,控制系统的分类,65,自动控制原理,不是线性系统，但令y=c-5即可转化为线性系统。,自动控制原理,控制系统的输入输出满足均匀和叠加性，就叫线性控制系统，否则叫非线性系统，但部分非线性系统可线性化，不能线性化的叫本质非线性。含有非线性环节的控制系统叫非线性控制
34、系统。,描述系统模型的线性微分方程的系数是不随时间而变化的常数，则这种线性系统称为线性定常系统。,若线性微分方程的系数是时间的函数，则这种线性系统称为线性时变系统。,控制系统的分类,66,非线性(P17),67,自动控制原理,按控制信号形式分,信号连续,信号离散,控制系统的分类,68,自动控制原理,按系统内部传输信号的性质分为连续控制和离散控制系统。,控制系统中各部传输信号都是时间t的连续函数，则称这类系统为连续控制系统,计算机控制系统的方框图,若在控制系统内部有一个或一个以上的信号是时间t的离散信号，则称这类系统为离散控制系统。计算机控制系统是一种常见离散控制系统。,控制系统的分类,69,自
35、动控制原理,输入信号数量：单输入单输出系统 多输入多输出系统系统参数分布特征：集中参数系统、分布参数系统元件类型：机电系统、气动系统、液压系统、生物系统等系统功用：温度控制系统、压力控制系统、位置控制系统等按控制理论方法：最优控制、自适应控制、模糊控制、预测控制等,按其他参数分,控制系统的分类,70,自动控制原理,自动控制系统分类的补充说明,严格地讲，任何实际系统都是非线性的,严格地讲，任何系统都是时变的,严格地讲，任何系统都是随机的,控制系统的分类,71,自动控制原理,自动控制原理,第 1 章 绪 论,自动控制的发展历史控制系统的基本概念控制系统的分类控制系统的响应模态与基本要求,72,对控
36、制系统的要求:1.稳定：是保证控制系统正常工作的先决条件。2.快速：动态性能，可量化评价。3.准确：（过度结束后的）稳态值应尽量与期望值一致。,暂态过程特点:下图中,(a)非周期振荡；(b)收敛振荡；(c)等幅振荡；(d)发散振荡。,控制系统的响应模态与基本要求,73,自动控制原理,自动控制系统性能的基本要求（三个方面）稳定（先决条件）平衡的系统受到短暂的扰动后其运动性能经有限时间后恢复到原来平衡状态的能力。稳定是一切自动控制系统必须满足的最基本要求。系统稳定与否只由系统自身的结构参数决定而与外界因素无关。,控制系统的响应模态与基本要求,74,自动控制原理,稳定的控制系统在阶跃信号或扰动信号的
37、作用下，其响应的暂态过程是应该收敛的。如果系统设计不当，则在阶跃信号下或扰动信号的作用下，相应的幅值振荡可能成为等幅振荡，甚至成为振幅逐渐增大的发散振荡，发生这种情况的系统称为不稳定系统。系统稳定性包括两个方面的含义。（1）系统稳定，是系统的绝对要求。（2）系统输出响应振荡的强烈程度，称为相对稳定性。例如系统是稳定的，但是在阶跃信号作用下，响应振荡很强烈，而且振荡的衰减很慢，则该系统虽然属于稳定系统，但相对稳定性差。,控制系统的响应模态与基本要求,75,自动控制原理,稳定性比较,自动控制原理,76,相对稳定性好,相对稳定性差,过渡过程性能（快速性要求）：系统受到短暂的扰动后其运动性能从偏差平衡
38、点恢复到原来平衡状态的能力，由系统的结构参数决定与外界因素无关。描述过渡过程性能可以用平稳性和快速性加以衡量，一般称为动态性能。如：上升时间、峰值时间、调整时间、超调量。稳态误差（控制精度或准确性要求）：过渡过程结束后的输出响应系统过渡过程结束后，期望的稳态输出量与实际的稳态输出量之差叫稳态误差。误差越小，表示系统的输出跟随参考输入的精度越高。,简单地说：稳、快、准,控制系统的响应模态与基本要求,77,自动控制原理,1 稳：（基本要求 稳定）要求系统要稳定，并稳定性好2 快：（动态要求）系统阶跃响应的过渡过程 要平稳，快速3 准：（稳态要求）系统响应达到稳态时，输出跟踪精度要高注意：三个要求是相互矛盾的，实际应用时只能折中考虑。,控制系统的响应模态与基本要求,78,自动控制原理,自动控制原理课程的任务与体系结构,79,自动控制原理,对于一个具体的控制系统，如何从理论上对它的动态性能和稳定精度进行定性的分析和定量的计算。根据对系统性能的要求，如何合理地设计校正装置，使系统的性能能全面地满足技术上的要求。,本课程要研究的两大课题,80,自动控制原理,课 程 小 结,1.自动控制的一般概念 基本控制方式 控制系统的基本组成 控制系统的分类 对控制系统的要求 课程研究的内容2.要求掌握的知识点 负反馈控制系统的特点及原理 由系统工作原理图绘制方框图,81,自动控制原理,
