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1、关于课程的相关背景内容,1、英文课名： Principle of Automatic Control 2、学 时：60学时（实验10学时） 3、学 分：4学分 4、课程性质：必修专业基础课 5、与相关课程的关系： 先修课程：高等数学、电路原理、模拟电子技术、电机及拖动基础 后续课程：直流调速、交流调速、毕业设计 6、开课目的与任务： （1）掌握自动控制系统的基本概念和分析、综合系统的方法； （2）具有初步分析和解决自动控制方面相关问题的能力； （3）为后续专业课的学习及毕业设计、报考研究生打下基础。 7、课程重点、难点、手段和方法 重点：从系统获得传递函数、动态结构图，会用时域法、根轨迹法和频
2、率法分析线性系统。掌握校正装置的设计方法，会用描述函数法、相平面法分析非线性系统。掌握离散系统基本概念和基本理论。 难点：开环频率特性的绘制；奈氏判据及对数稳定判据判断系统的稳定性；校正装置设计；相平面法分析非线性系统。 方法及手段：以CAI教学为主，通过一定数量的习题、实验，深入掌握本课程的基本概念、基本理论和方法。,1、内容较多，讲课速度快。 2、针对主要内容，多结合例题、习题讲解。 3、涉及高等数学的内容较多，希望对相关知识做好 复习工作。 4、扩展了一些教材之外的内容，希望同学做好笔记。 5、重要的知识点更细致些，重要的内容结合例题详解。 6、讲课过程中，可以多渗透一些将来考试的内容。
3、 7、有些过程需要详细了解的，手写其过程。 8、自觉维护课堂秩序。,关于课堂教学的几点问题,最终成绩平时(10分)实验(10分)考试(80分) 平时考勤作业课堂测验 考试100分8080分,关于课程成绩,1、胥布工主编.自动控制原理. 电子工业出版社,2011.1 2、胡寿松编.自动控制原理(第4版).国防工业出版社，2006.6 3、白文峰编.自动控制原理.吉林科学技术出版社，2003.8 4、于希宁、刘红军编.自动控制原理.中国电力出版社，2007.6 5、张爱民编.自动控制理论重点难点及典型题解析.西安交通大学出版社，2006.8 6、胡寿松，沈程智编.自动控制原理习题集. 国防工业出版
4、社,1990,参考书,1、打好基础,高等数学（微积分）、积分变换（拉氏变换）,2、做好预习,3、听好课,讲课的速度较快、了解课程内容,掌握基本理论和基本方法,4、做好习题,应用学到的基本理论和基本方法解决实际问题,本课程学习方法,第1章 绪论,自动控制理论是自动化学科的重要理论基础，专门研究有关自动控制系统中基本概念、基本原理和基本方法。 本章介绍开环控制和闭环控制，控制系统的基本原理和组成，控制系统的类型，以及对控制系统的基本要求。,内容提要,开环控制，闭环控制，控制装置，被控对象 ，稳定性，稳态误差，动态特性。,知识要点,1.1 引言,1.1.1 相关术语,1、自动控制：在人不直接参与的情
5、况下，利用自动控制装置使工作机械或生产过程自动地按预定规律运行，或使被控量（工作机械或生产过程的某个物理参数）按预定的要求变化。 举例：炉温控制系统，数控机床。 2、自动控制系统：能够对被控对象的工作状态进行自动控制 的系统。 一般由控制器和被控对象组成。 3、控制系统分类： 1）开环控制系统 2）闭环控制系统 3）复合控制系统,1.1.2 控制系统的发展史,三千年前发明了“铜壶滴漏”装置; 公元前2世纪发明了用来模拟天体运动和研究天体运动规律的“浑天仪”; 两千一百年前研制出指南车; 公元132年产生了世界上第一架自动测量地震的“地动仪”; 公元3世纪发明了自动记录里数的“记里鼓车”。,开始
6、多用于工业：压力、温度、流量、位移、湿度、粘度自动控制; 后来进入军事领域：飞机自动驾驶、火炮自动跟踪、导弹、卫星、宇宙飞船自动控制; 目前渗透到更多领域：大系统、交通管理、图书管理等; 生物学系统：生物控制论、波斯顿假肢、人造器官; 经济系统：模拟经济管理过程、经济控制论,自动控制成为一门学科是从1945发展起来的。,1.胚胎萌芽期（1945年以前） 十八世纪以后，蒸汽机的使用提出了调速稳定等问题 1765年俄国人波尔祖诺夫发明了锅炉水位调节器 1784年英国人瓦特发明了调速器，蒸汽机离心式调速器 1877年产生了古氏判据和劳斯稳定判据 十九世纪前半叶，动力使用了发电机、电动机 促进了水利、
7、水电站的遥控和程控的发展以及电压、电流的自动调节技术的发展 十九世纪末，二十世纪初，使用内燃机 促进了飞机、汽车、船舶、机器制造业和石油工业的发展，产生了伺服控制和过程控制 二十世纪初第二次世界大战，军事工业发展很快 飞机、雷达、火炮上的伺服机构，总结了自动调节技术及反馈放大器技术，搭起了经典控制理论的架子，但还没有形成学科。,四个阶段:,瓦特改良的蒸汽机,2.经典控制理论时期（ 20世纪4060年代）,1945年美国人波德(Bode)写了“网络分析和反馈放大器设计”一文, 奠定了经典控制理论基础, 在西方国家开始形成了自动控制学科; 1947年美国出版了第一本自动控制教材“伺服机件原理”;
8、1948年美国麻省理工学院出版了另一本“伺服机件原理”教材, 建立了现在广泛使用的频率法。 20世纪50年代是经典控制理论发展和成熟的时期。主要内容为频率法(拉氏变换及Z变换)、根轨迹法、相平面法、描述函数法、稳定性的代数判据和几何判据、校正网络等, 这些理论基本解决了单输入-单输出自动控制系统的有关问题。,3.现代控制理论时期（50年代末-60年代初）,空间技术的发展迫切要求对多输入/多输出、高精度、参数时变系统进行分析与设计, 这是经典控制理论无法有效解决的问题, 于是出现了新的自动控制理论, 称为“现代控制理论”。 1960年卡尔曼(Kalman)发表了“控制系统的一般理论”, 1961
9、年又与Bush发表了“线性过滤和预测问题的新结果”。西方国家公认卡尔曼奠定了现代控制理论的基础。他的主要工作是引进了 “校正”的概念。 现代控制理论的主要内容为: 状态空间法、系统辨识、最佳估计、最优控制和自适应控制。,4.大系统和智能控制理论时期 （ 20世纪70年代后）,这一理论是控制理论向广度和深度发展的结果。 大系统是指规模庞大、 结构复杂、变量众多的信息与控制系统, 它涉及生产过程、 交通运输、计划管理、环境保护、空间技术等多方面的控制和信息处理问题。 智能控制系统是具有某些仿人智能的工程控制与信息处理系统, 其中最典型的例子就是智能机器人。,1.1.3 自动控制要解决的基本问题,自
10、动控制是使一个或一些被控制的物理量按照另一个物理量即控制量的变化而变化或保持恒定，一般地说如何使控制量按照给定量的变化规律变化，就是一个控制系统要解决的基本问题。,1.1.4 自动控制技术的作用,1. 自动控制技术的应用不仅使生产过程实现了自动化，极大地提高了劳动生产率，而且减轻了人的劳动强度。,2. 自动控制使工作具有高度的准确性，大大地提高了武器的命中率和战斗力，例如火炮自动跟踪系统必须采用计算机控制才能打下高速高空飞行的飞机。,3. 某些人们不能直接参与工作的场合就更离不开自动控制技术了，例如原子能的生产、火炮或导弹的制导等等。,1.1.5 自动控制技术的典型应用,1.2 自动控制的基本
11、原理,自动控制系统：把被控对象与控制装置按照一定的方式连接起来，组成的一个有机整体称为自动控制系统。,自动控制：在没有人直接参与的情况下，利用控制装置，使被控对象（机器设备或生产过程）的某个参数（被控量）自动地按照预定规律来运行。,人工控制：人工控制是人工操作实现：测量、求误差、控制、再测量、再求误差、再控制的循环过程。,1)操作员将期望的液位值(即水 位高度)记在大脑中； 2)操作员用眼读取实际液位值； 3)操作员将液位期望值与实际值比较得出偏差值； 4)操作员根据偏差的大小和性质（正负性），决定如何通过用手打开或关闭阀门的方式来调节经过阀门的水量大小，达到维持液位恒定的控制目标。,1.2.
12、1 人工控制与自动控制,1. 人工控制,自动控制：没有人直接参与，利用自动控制装置，使工作机械或生产过程自动地按照预定规律运行或使某些物理量按预定要求变化。,自动控制与人工控制的工作原理十分相似,自动控制装置与人的器官对应的、能完成相应功能的元件有： 给定元件：能根据液位期望值来调节连杆长度的环节代替人的大脑记下液位期望值； 测量元件：浮子作为传感器代替人的眼睛测取实际液位值； 比较元件：浮子和连杆组合代替人的大脑计算出液位偏差值； 校正元件：杠杆机构代替人的大脑对偏差的大小和性质作出判断（作为决策机构作出如何校正的决定）； 执行元件：带动进水阀代替人手打开或关闭阀门调节经过阀门的水量大小。
13、由此可见，组成自动控制装置的元件一般应包括：给定元件，测量元件，比较元件，校正元件和执行元件，而上述液位自动控制系统就是由这些元件和被控对象（水池）组成的有机整体。,一. 开环控制 在自动控制系统中，信号由输入端到输出端的传递是单向的，没有形成一个闭环系统，这种控制形式称为开环控制。,1.2.2 开环控制与闭环控制,例：开环调速系统,电位器：产生电压 可控硅整流电路： 产生直流输出电压 电动机：带动负载执行机构 励磁绕组：提供励磁电流,1）该系统中被控量，输入量，对象执行机构等。 2）工作过程。 3）扰动量：对系统输出量产生相反作用的量。 该系统扰动量： TL；电流波动；元件参数变化,1、系统
14、组成及各环节作用,2、工作原理：,3、系统框图,输出量：控制系统的被控量电机转速n 输入量：影响系统输出的外界输入给定电压Ug （给定输入、扰动输入） 控制装置：可控硅整流电路 被控对象：电动机,4、开环控制系统的特点,1）系统输出量对控制作用无影响 2）无反馈环节 3) 出现干扰靠人工消除 4）无法实现高精度控制,二. 闭环控制,在自动控制系统中，信号由输入端到输出端的传递方向既有顺向作用，又有反向作用的控制过程。,例：闭环调速系统,测速发电机（TG）将机械能（n）转换成电能（Uf）。,1）系统组成及各环节作用,2）工作原理：,闭环调速过程：,TLn Uf Uk n,TLn Uf Uk n,
15、3）系统框图,1、闭环系统的基本组成。,1) 控制对象：进行控制的设备或过程。（工作机械） 2) 执行机构：执行机构直接作用与控制对象。（电动机） 3) 检测装置：用来检测被控量。（TG） 4) 中间环节：一般指放大元件。（放大器，整流电路） 5) 给定环节：设定被控量的给定值。（电位器） 6) 比较环节：将所测的被控量与给定量比较，确定两者偏 差量。,2、闭环控制系统的方框图,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。信号沿箭头方向从输入端到达输出端的传输通路称前向通路；系统输出量经测量元件反馈到输入端的传输通路称主反馈通路。前向通路与主反馈通路共同构成主回路
16、。此外，还有局部反馈通路以及由它构成的内回路。,相关说明：,反馈：输出量送回至输入端并与输入信号比较的过程。 负反馈：反馈的信号是与输入信号相减而使偏差越来越小。,3、闭环控制系统的特点,1) 系统输出量对控制作用有直接影响。 2）有反馈环节，并应用反馈减小误差。 3）当出现干扰时，可以自动减弱其影响。 4）系统可能工作不稳定。,1.2.3 开环控制与反馈控制的比较,开环 优点 :结构简单，成本低廉，工作稳定，当输入信号和扰动能预先知道时，控制效果较好。,缺点：不能自动修正被控制量的偏离，系统的元件参数变化以及外来的未知扰动对控制精度影响较大。,闭环 优点：具有自动修正被控制量出现偏离的能力，可以修正元件参数变化以及外界扰动引起的误差，控制精度高。,缺点：被控量可能出现振荡，甚至发散。,1.2.4 自动控制系统的组成及术语,典型反馈控制系统的原理如图所示：,1、被控对象：它是控制系统所控制和操纵的对象，它接受控制量并输出被控制量。 2、
