自动控制原理 第1章 绪论

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1、1教材与主要参考书 1.教材: 胡寿松自动控制原理第5版. 北京 ：科学出版社，2007 2. Farid Golnaraghi Benjamin C. KuoAutomatic Control Systems,Wiley,2009 3. 刘慧英,卢京潮 自动控制原理(第四版)导教 .导学.导考西安：西北工业大学出版社， 2003.11 4. Richardc.Dorf RobertH.Bishop, Modern Control Systems,12th Edition,2011胡寿松1937年生于南京，1960年毕业于北京航空航天大学自 动制系，长期致力于控制理论与应用的研究和教学，现任南

2、 京航空航天大学教授、博士生导师。近年来，主持国家自然 科学基金项目6项，省部级科研项目8项，发表论文200余篇 ；自1961年起一直担任“自动控制原理”课程主讲，该课程 被评为“2003年国家精品课程”，1980年起先后主讲“现代控 制理论”、“最优控制理论”等8门本科及研究生课程；出版 自动控制原理、自动控制原理简明教程、最优控制 理论与系统等教材、专著与译著22部，教学软件自动 控制原理电子版2套。曾获国家教学成果奖3项，全国高等学校优秀教材奖1 项，省部级教学成果奖、优秀教材奖、科技进步奖等6项； 2003年荣获首届国家级教学名师奖。234第1章 自动控制的基本概念 1.0 自动控制发

3、展简史 1.1 自动控制系统 1.2 自动控制系统的类型 1.3 对自动控制系统性能的基本要求 1.4 本课程的主要内容及其相互关系51.0 自动控制发展简史中国古代自动化方面的成就 ： 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； 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； 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；6水运浑象仪： 制作:张衡 时间:东汉 用途:用于演示浑天说思想的天文仪器。 水运浑象仪用精铜铸成，主体是一个球体模型，代表天球。 球体可以绕天轴转动。天球的表面画有二十八宿和各种

4、恒星，还 有赤道圈、黄道圈及二十四节气等。天球外面有两个圆环，一个 是地平圈，一个是子午圈。天轴支架在子午圈上，和地平斜交成 36度，就是说北极高出地平36度，这是洛阳地区的北极仰角，也 是洛阳地区的地理纬度。天球半露于地平圈之上，半隐于地平圈 之下。这些设计与浑天说理论是完全一致的。张衡又利用当时已 得到发展的机械方面的技术，巧妙地把计量时间用的漏壶与浑象 仪联系起来，即以漏水为原动力，并利用漏壶的等时性，通过齿 轮系的传动，使浑象仪每日均匀地绕轴旋转一周。这样，浑象仪 就能自动地、近似正确地把天象演示出来，并使浑象仪上的天象 出没与实际天象相吻合，几可达到逼真的程度。水运浑象仪是世 界上有

5、明确记载的第一台用水力发动的天文仪器。通过它的演示 ，形象地表达了浑天说思想，从而使浑天说宇宙论得以传播和推 广，并得到了社会的广泛承认。 7中国古代自动化方面的辉煌成就： 公元725年，一行、梁令瓒发明有自动报时机构的水运浑象，其中使用了一个天衡装置，是一个按被 调量偏差调节的自动调节器； 公元1086-1092年，苏颂和韩公廉建造具有“天衡”自动调节和自动报时机构的水运仪象台； 公元l135年，宋代王普记述“莲华漏”上使用浮子阀门式机构自动调节漏壶的水位； 公元1637年，明代的天工开物一书中记载有程序控制思想的提花织机结构图。 8世界上公认的第一个自动控制系统1769年瓦特发明蒸汽机 9

6、飞球调节器 世界上公认的第一个自动控制系统 1788年瓦特发明飞球 调节器，进一步推 动蒸汽机的应用， 促进了工业的发展 。 推动了社会进步是飞 球调节器公认为第一 个自动控制系统的最 主要原因！10没有理论指导使控制技术停滞了一个世纪！ 飞球调节器有时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。 由于当时还没有自控理论，所以不能从理 论上解释这一现象。为了解决这个问题， 盲目探索了大约一个世纪之久。 11自动控制理论的开端 1868年英国麦克斯韦尔的“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 ，

7、从而分析实际系统是否会出现不稳定现象。 这样，控制系统稳定性的分析，变成了判别微 分方程的特征根的实部的正、负号问题。 麦克斯韦尔的这篇著名论文被公认为自动控制 理论的开端。12经典控制理论的孕育 1875年，英国劳斯提出代数稳定判据。 1895年，德国赫尔维兹提出代数稳定判据 。 1892年，俄国李雅普诺夫提出稳定性定义 和两个稳定判据。 1932年，美国奈奎斯特提出奈氏稳定判据 。 二战中自动火炮、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 。13经典控制理论的形成 1948年，维纳出版控制论，形成完整的经典 控制理论，标志控制学科的诞生。维纳成为控制论的创始人！ 维纳控制

8、论是关于怎样把机械元件和电气元 件组合成稳定的并且具有特定性能的系统的科学 。这门新科学的一个非常突出的特点就是完全不 考虑能量、热量和效率等因素，可是，在其他各 门自然科学中，这些因素是十分重要的。 控制论所讨论的主要问题是一个系统的各个不同 部分 之间的相互作用的定性性质，以及整个系 统的总体运 动状态。14 系统：有若干相互制约、相互依赖的事物组合 而成的具有一定功能的整体称为系统。或者说 为实现规定功能以达到某一给定目标而构成的 相互关联的一组元件称为系统。15空间技术促使现代控制理论的产生 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， 需要研究新的控制理论。

9、16L.S. Pontryagin1956年前苏联L.S. Pontryagin发表“最优过程数 学理论”，提出极 大值原理解决卫星发射过 程中火箭的最优 控制问题。171957年世界第一颗人造地球卫星(Sputnik)由苏联发射成功Sputnik 1 was the first artificial satellite launched into space 1957. Laika. Sputnik 218Oct. 4, 1957: Launch of the rocket carrying Sputnik, the first man-made satellite. Photos of t

10、he launch were not initially released. This photo is a still from a 1967 Soviet documentary film. K.S. Pavlovitch (1906-1966), Russian spacecraft designer and header of the Vostok and Voskhod projects. 191961年，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, at the age of 27, Gagarin left the earth. It was

11、April the 12th, 9.07 Moscow time (launch-site, Baikonur). 108 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 kilomete

12、rs per hour. 宇宙哥伦布-加加林A stamp issued by Russia to memorize Y. GagarinCapsule 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.201966年，苏联发射“月球”9号探测器，首次在月面软 着陆成功， 1969年，美国“阿波罗”11号把宇航员N. A. Armstrong送上月球。N

13、.A. Armstrong21美籍匈牙利人R. E. Kalman1960 年引入状态空 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。R. E. Kalman221967年瑞典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， 1973年，提出了自适应 调节器，建立自适应控 制的基础。1993年获得 IEEE Medal of Honor。K. J. Astrom231970年英国UMIST H.H Rosenbrock 发表State Space and Multivariable T

14、heory 提出多变量系统的频域 法。1974年加拿大 W.M Wonham 发表Linear Multivariable Control: A Geometric Approach。W.M Wonham 24现代控制理论促进了空间技术的发展 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。251981年美国“哥伦比亚”号航天飞机首次发射成功261996年第一台火星探测器Sojourner在火星表面软着陆27旅行者Voyager 一号， 二号开始走出太阳系， 对茫茫太空进行探索284050年代形成 适用于SISO（单输入单输出）系统 基于：二战军工技术目标：反馈控制系统的稳定 基本

15、方法：传递函数，频率法，PID调节器 (频域)现代控制理论6070年代形成 适用于MIMO （多输入多输出）系统 基于： 冷战时期空间技术，计算机技术目标：最优控制基本方法：状态空间表达式经典控制理论29现代控制理论在工业过程控制方面遭遇 滑铁卢，促使了智能控制技术的诞生 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。301965年，Zadeh提出模糊集合和模糊控制概念。Lofti Zadeh31自动动化技术术是当代发发展最迅速、应应用最广泛

16、、最引人注 目的高新技术术，是推动动新的技术术革命和新的产业产业 革命的 关键键技术术，在某种程度上说说，自动动化是现现代化的同义词义词 。控制理论促进了工业自动化的发展BMW (德国宝马马）轿车轿车 的生产过产过 程32现代自动控制系统的监控与操作33Internet1#子系统 （分厂、车间）防火墙总公司管理系统2#子系统 （分厂、车间）N#子系统 （分厂、车间）远程子系统远程用户远程服务外部网络 内部网络核心交换机34自动控 制理论时域法经典控制理论 (19世纪中叶- 20世纪50年代)线性非线性根轨迹法频域法波波夫法李雅普诺夫法描述函数法相平面法采样控制Z变换法现代控制理论 (60年代以来)状态反馈控制 最优控制 智能控制 预测控制 自适应控制 模糊控制 大系统多层分散控制35锅炉设备的压力和温度自动保持恒定数控机床按照预定的程序自动地切削工件导弹发射与制导系统，自动地使导弹攻击敌方目标无