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1、第一章 Automatic Control TheoryElectronics Information EngineeringSichuan University自动 控制 原理第一章 自动控制的一般概念Overview of Automatic C 2009 2自动控制原理 第一章 内容p自动控制发展简史p自动控制系统 概念及示例p自动控制系统的类型p对自动控制系统性能的基本要求p控制系统计算机辅助分析与设计工具p本课程的主要内容及其相互关系 2009 3自动控制原理 p公元前 14世纪至前 11世纪，中国、埃及和巴比伦出现自动计时漏壶p B.C.200 Float regulator me
2、chanism (Greece)p B.C.50 Water clock (Middle east)自动控制发展简史 古代自动化装置辉煌成就 2009 4自动控制原理 p 公元 130年，张衡发明 水运浑象 ， 132年研制出自动测量地震的 候风地动仪自动控制发展简史：古代自动化装置辉煌成就 2009 5自动控制原理 自动控制发展简史：古代自动化系统辉煌成就 p记里鼓车和指南车 2009 6自动控制原理 自动控制发展简史：古代自动化系统辉煌成就 p 公元 235年，马钧研制出用齿轮传动自动指示方向的指南车，类似 按扰动补偿 的自控系统p 我国科技史学家王振铎复原的指南车的模型，收藏于国家
3、博物馆：差动齿轮装置 2009 7自动控制原理 自动控制发展简史：古代自动化系统辉煌成就 p公元 725年，一行、梁令瓒发明有自动报时机构的水运浑象，其中使用了天衡装置， 是一个按被调量偏差调节 的自动调节器p北宋 (1086）苏颂等人制造集浑象演示、浑仪观测、报时三重功能于一体的大型水运仪象台 2009 8自动控制原理 自动控制发展简史：古代自动化系统辉煌成就p 水运仪象台 2009 9自动控制原理 自动控制发展简史：古代自动化系统辉煌成就 p 水运仪象台的齿轮传动系统 2009 10自动控制原理 自动控制发展简史：古代自动控制系统辉煌成就 p 公元 1637年，明代 宋应星 著 天工开物
4、中记载 有 程序控制思想的提花织机结构图 2009 11自动控制原理 自动控制发展简史：自动控制理论准备p Sir Isaac Newton (16421727) Mathematical modelingp Brook Taylor (16851731) Taylor seriesp Pierse Simon Laplace (1749 1827) Laplace Transform p 1769 First automatic controller (James Watt) 2009 12自动控制原理 自动控制发展简史：蒸汽机及其调节器 p 1782年， Watt发明了具有连杆、飞轮和离心
5、调速器的双动作蒸汽机，比纽可门蒸汽机大大提高了热效率和可靠性。p 成为普遍用于工业和交通运输业的 “ 万能动力机 ”。 James Watt (1736-1819) 2009 13自动控制原理 1788年瓦特发明飞球调节器， 进一步推动蒸汽机的应用自动控制发展简史：蒸汽机速度自动调节器世界公认第一个自动控制系统 2009 14自动控制原理 自动控制发展简史 飞球调节器结构 2009 15自动控制原理 没有进一步的理论指导使控制技术几乎停滞了一个世纪！u问题：飞球调节器有时会使蒸汽机速度出现大幅度振荡。其它自动控制系统也有类似现象。当时还没有形成自控理论体系，不能从理论上解释这一现象。为了解决
6、这一问题，盲目探索了大约一个世纪之久 自动控制发展简史：自动控制理论孕育 2009 16自动控制原理 u1868年， Maxwell 的 “论调速器 ”论文指出： 不应单独研究飞球调节器，必须从整个系统分析控制的不稳定。建立系统微分方程，分析微分方程解的稳定性，从而分析实际系统是否会出现不稳定现象。 Maxwell的这篇论文被公认为自动控制理论的开端。自动控制发展简史：自动控制理论开端Jame Clerk Maxwell (1831-1879) 2009 17自动控制原理 1875年，英国劳斯 (Edward John Routh)提出代数稳定判据 .1895年，德国赫尔维兹 (Hurwi
7、tz)提出另一种代数稳定判据 .1892年，俄国李雅普诺夫 (Liapunov)提出稳定性定义和两个稳定判据 .1932年， 美国物理学家 奈奎斯特 (Harry Nyquist)提出了频域内研究系统的 频率响应法 ，并 提出奈氏稳定判据 .自动控制发展简史：经典控制理论的孕育 2009 18自动控制原理 二次世界大战，系统和控制思想空前活跃，自动控制理论取得了长足进步。 1945年伯德 (Bode)在前人基础上发表了关于控制系统频域设计方法的著作； 1948年伊万思 (W.R.Evans)提出并且完善了根轨迹方法；自动控制发展简史：经典控制理论的形成 2009 19自动控制原理 自动控制发展
8、简史：控制论 (Cybernetics)的确立p 1948年，美国数学家 维 纳(N. Weiner)出版了 控制论 关于在动物和机器中控制与通讯的科学 p 书中论述了控制理论的一般方法 ,推广了反馈的概念 ,为控制理论这门学科奠定了基础。控制论奠基人 维纳 2009 20自动控制原理 自动控制发展简史 经典控制理论u经典控制理论以 传递函数与脉冲传递函数 为基础，主要研究单输入 -单输出（ SISO）、 线性定常系统的分析和设计问题。u数学基础：微分、差分方程，复变函数，积分变换等。 2009 21自动控制原理 二次世界大战结束后，各国大力发展空间技术，经典控制理论不能满足需要，需要研究新的
9、控制理论。我国著名科学家钱学森将控制理论应用于工程实践， 1954年出版 工程控制论 。现代控制理论在空间技术取得巨大成功，促进了空间技术的发展。自动控制发展简史 发展现代控制理论 2009 22自动控制原理 自动控制发展简史 现代控制理论u 方法： 状态空间法，状态变量的能控、能观性，系统性能的最优化 u 特点：时域法，统一处理 SISO、 MIMO系统u 数学基础：线性代数，矩阵理论 2009 23自动控制原理 现代控制理论在工业过程控制方面遭遇“挫折 ”，促使了智能控制技术的诞生！n现代控制理论在空间技术取得巨大成功，但由于工业过程控制中普遍存在的不确定性和干扰，难以取得预期的效果。模拟
10、人的控制技术 智能控制 ，虽然不能实现精确的控制，但对各种复杂系统能够做到比较满意的控制。自动控制发展简史 智能控制 2009 24自动控制原理 第一章 内容p自动控制发展简史p自动控制系统 概念及示例p自动控制系统的类型p对自动控制系统性能的基本要求p控制系统计算机辅助分析与设计工具p本课程的主要内容及其相互关系 2009 25自动控制原理 家用电器：p 电扇： 控制转速p 电冰箱、空调、电饭煲： 控制温度等p 洗衣机： 控制水位、转速、时间等 2009 26自动控制原理 交通系统：p 安全、快捷、舒适、准点 2009 27自动控制原理 制造自动化系统（ MAS）：数控机床 2009 28自
11、动控制原理 拉提琴灵巧手排爆 步行吹笛 足球比赛机器人： 2009 29自动控制原理 军事，国防： 2009 30自动控制原理 宇航： 2009 31自动控制原理 什么是自动控制？控制汽车沿预定路线行驶 2009 32自动控制原理 月球探测卫星沿预定轨道的运行 2009 33自动控制原理 自动控制过程被 控对 象预定的运行实际的运行控 制装 置扰动驱动调整反馈使之具有一定的运动状态和性能 2009 34自动控制原理 热力系统的自动控制自动控制系统示例方块图：系统原理图的简化 2009 35自动控制原理 自动控制系统组成与信号举例被控对象反馈信号给定温度(参据量 )比较环节给定电位器控制信号 电
12、加热炉e 温度变送器uf电热丝温度传感器功率放大器现场测量信号+-交流电源 u被控量 （炉温）+-反馈测量环节放大元件b控制器偏差信号 2009 36自动控制原理 p 采用负反馈并利用偏差进行控制的过程。p 在反馈控制系统中，控制装置对被控对象施加的控制作用，是取自被控量的反馈信息，用来不断修正被控量的偏差，从而实现对被控对象进行控制的任务。 反馈控制（闭环控制）原理 2009 37自动控制原理 第一章 内容p自动控制发展简史p自动控制系统 概念及示例p自动控制系统类型p对自动控制系统性能的基本要求p控制系统计算机辅助分析与设计工具p本课程的主要内容及其相互关系 2009 38自动控制原理 控
13、制系统的不同分类p 按输入 /输出量变化规律分类p 调节系统、随动系统p 恒值控制系统、程序控制系统、跟踪控制系统 p 按被控对象运行特性及被控量分类p 运动控制系统，过程控制系统p 按元件类型分类p 机械、电气、液压、气动、机电一体、光机电一体、生物、化学等控制系统p 按系统性能、描述模型分类p 连续（模拟）控制系统，数字（离散）控制系统p 线性控制系统，非线性控制系统p 定常（时不变）系统，变常（时变）系统p 确定性与不确定性系统，静态与动态系统 p 按控制方式分类p 开环控制系统、闭环控制系统、复合控制系统 2009 39自动控制原理 控制系统的不同分类（续）p 按系统结构及复杂度的分类p 单回路系统，多回路系统；p SISO、 MIMOp 按控制理论、控制规律分类p 基于经典控制理论的控制系统p 基于现代控制理论的控制系统p 基于智能控制理论的控制系统p 按系统功能和构成的分类p 监视控制与数据采集系统 SC&DASp 直接数字控制系统 DDCS p 计算机监督控制系统 SCCSp 基于控制网络的分级控
