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1、1自动控制原理主 讲 韩 敏 E-mail： 助 课 许美玲2第一章 自动控制的基本概念（2学时）控制系统导论，反馈控制系统的工作原理、分类 方法、基本要求。第二章 系统的数学模型（8学时）控制系统数学模型，控制系统微分方程的建立及非 线性方程的线性化。第三章 时域分析 （8学时）控制系统的时域分析法，典型输入信号，系统的性 能指标，一阶系统的瞬态响应分析，系统稳定性分 析。3第四章 根轨迹法 （8学时）根轨迹法，根轨迹的基本概念，绘制根轨迹的基 本规则。第五章 频率响应法 （12 学时）线性系统的频域分析，频率特性的概念，开环系 统的幅相频率特性曲线。第六章 控制系统的校正 （6学时）线性
2、系统的校正方法，校正与综合的概念，校正 的基本方式，基本控制规律，常用校正装置及其 特性。4第七章 非线性控制系统 （10学时）非线性系统理论，非线性系统的特点、研究方法， 典型非线性特性的数学描述及特性。第八章 离散控制系统 （10学时）线性离散控制系统，系统分类，采样过程的数学描 述，采样定理，零阶保持器。5第一章 自动控制的基本概念 Chapter 1 The basic concept of automatic control1-1 概述 (Introduction) 1-2 自动控制的基本方式 (Basic mode) 1-3 自动控制的分类 (Classification) 1-4
3、 自动控制系统的性能指标 (Performance index) 1-5 自动控制系统中的常用术语 (Common terms) 1-6 当前自动化学科的研究方向 (Research interests)61-1 概述 (Introduction)自动控制原理：自动控制原理：自动控制技术的基础理论自动控制：自动控制：是指在无人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置，使机器、设备或生产过程的 某个工作状态或参数自动地按照预定的规律运行 控制装置控制装置 或控制器或控制器被控对象被控对象被控量被控量给定量给定量7自动控制系统自动控制系统(Automatic control system)(Auto
4、matic control system)：是 由控制器、被控对象等部件为了一定的目的有 机地联接成一个进行自动控制的整体。控制系统通常由软件平台+硬件系统构成软件平台：软件平台：上位机操作系统、数据库等 硬件系统：硬件系统：控制用计算机、检测机构等控制系统的目标： v 理论上满足静态特性，实际应用中动静特 性都要满足 v 系统要满足稳定性 v 系统要可靠，要有应用价值8日常生活中的自动控制微波炉自动售票机空调自动门航天器太空仓空气控制系统9h使导弹与目标间距离h(t) 逐渐减小并趋于零。军事中的自动控制导弹的控制10航天中的自动控制神舟飞船11工业中的自动控制最先进的加工中心12工业中的自动
5、控制龙门刨床13工业中的自动控制电动汽车14控制论(Cybernetics)是怎样形成的自动 化发展简史 早期早期 探索探索 经典控经典控 制理论制理论 时期时期现代控制现代控制 理论时期理论时期智能控智能控 制时期制时期15v随着生产的发展，控制技术也在不断地发展，尤其 是计算机的更新换代，更加推动了控制理论不断地 向前发展。控制理论的发展过程一般可分为三个阶 段：控制论是怎样形成的自动化发展简史20世纪之前，科学家的早期探索第一阶段。20世纪初60年代，称为“经典控制理论”时 期。第二阶段。20世纪6070年代，称为“现代控制理论”时期 。第三阶段。20世纪70年代末至今。向着“大系统理论
6、”和“智 能控制”方向发展。16v我国北宋时期(10861089年)天文学家苏颂、韩公 廉建造了水运仪象台十七-十八世纪，动力装置成为研究重点，风车技术 和蒸气机取得突破发展。v1679年法国物理学家丹尼斯巴本制造了第一台蒸汽 机的工作模型。 v1698年托马斯塞维利、1712年托马斯纽科门制造 了早期的工业蒸汽机 。v1750年，安得鲁. 米克尔为风车引入了“扇尾”传动装 置，使风车自动地面向风。随后，威廉. 丘比特对其 改进，使得风车能够自动调整传动速度。v1765年，俄国人普尔佐诺夫(I.Polzunov)发明了蒸汽 锅炉水位调节器。1、20世纪之前：科学家的早期探索早期的蒸汽机工作效率
7、太低，难以推广 17要保持无论外界负载怎么变化，转速都要保持恒 定，需要不断地随着外界负载的变化而相应地改 变供气量的大小，如果靠人工去控制气门显然非 常紧张和吃力。问题：瓦特在发明了蒸汽机后，发现不变的供气 量会使机器因为外界负荷的变换而产生转速的忽 高忽低，外界负荷大了同样的供气量机器的转速 就得下降，外界负荷小了同样的供气量机器的转 速就要上升。1、20世纪之前：科学家的早期探索 v 1760年1800年，詹姆斯.瓦特对蒸气机进行了 彻底得改造，终于使其得到广泛的应用。18解决方法：1788年，瓦特研制成了蒸汽机离心式调 速器，使它能够保持蒸汽机转速“恒定”。瓦特离心式调速器示意图蒸汽机
8、1通过皮带轮带动工具机2 转动；当2负荷增大时，蒸汽机1 的转子速度降低，这时装在转子 上的伞齿轮3的转速也下降，安装 在伞齿轮转轴上的一对飞锤4转速 下降，并下垂，带动滑块5下降， 滑块带动杠杆6将蒸汽机进汽阀门 7打开，加大进气量，转子速度上 升，从而达到恒速的目的。v 蒸汽机离心式调速器19瓦特离心式调速器的负反馈原理图被控量是蒸汽机 转子的转速控制量是蒸汽 的输入量反馈量误差反馈系数20瓦特离心式调速器的负反馈原理图根据原理图，有如下方程：联立三个方程，有如果Q不变，n基本也不会变 ，这里假定K和b都是常数。 如果负荷变化引起转速n变化 ，那么改变的只是Qf，亦即 ，通常称 为误差。这
9、是一个反向调节过程：所以称它为：闭环负反馈控制 (Closed-loop negative feedback control) 原理21v 劳斯赫尔维茨(Routh-Hurwitz )判据问题：瓦特调速器并没有达到预期的效果，反而引 起“晃动”。解决方法：1868年，英国物理学家J.C.麦克斯维尔（ Maxwell）把蒸汽机晃动现象变成线性微分方程来研 究，而线性微分方程解的收敛性取决于它的特征值 的符号。他指出只有这些根都是负实根，或者具有 负实部的复根，这个方程所描述的系统才是稳定的 。问题：如何解高阶代数方程成为新的问题。22得到的启示！ “晃动” J.C. 麦克斯维尔微分方程 劳斯赫尔
10、维茨判据这就是科学的规律!解决方法：1877年，英国人E.劳斯（Routh）和德 国人A.赫尔维茨（Hurwitz）两人各自独立研究， 利用特征方程系数得到判别系统稳定性的方法， 从而省去了解系统特征方程的过程。（第三章内 容）v 劳斯赫尔维茨(Routh-Hurwitz )判据23v 负反馈原理 (Negative feedback)问题：在铺设从纽约到旧金山的长途电话线时，由 于距离过长，输送的电话信号产生了衰减和畸变。1928年8月2日，在贝尔实验室工作的H.布莱克（ Black） ，在前往曼哈顿西街的上班途中，在哈得孙 河的渡船上灵光一闪，发明了在当今控制理论中占 核心地位的负反馈放大
11、器。由于手头没有合适的纸 张，他将其发明记在了一份纽约时报上，这份早报 已成为一件珍贵的文物珍藏在AT&T的档案馆中。2、第一阶段：20世纪初60年代，“经典控 制理论”时期24解决方法：1927年-1932年，H.布莱克等人利用负反 馈原理设计了具有线性负反馈的电子管放大器，解 决了由于放大器的非线性放大系数Kn引起的信息畸 变问题。设放大器输入信号为F1，输出信号为F2，非线性放 大系数为Kn，而线性负反馈系数K可表达为：v负反馈原理25当 时，具有线性负反馈放大器(闭环)放大系 数K取下式上式表明闭环系统具有线性负反馈放大器的放大系 数K与反馈通道的线性系数 成反比，因而能够消 除放大器
12、的非线性畸变。v负反馈原理26解决方法：1932年，在贝尔实验室工作的H.奈奎 斯特(Nyquist）在解释放大器振荡问题时，建立 了奈奎斯特稳定性判据。称之为奈奎斯特频率法 。（第五章内容）问题：虽然畸变消除了，但又产生了放大振荡问 题，放大系数太大、太小都会造成系统的不稳定 。 v 奈奎斯特频率法 (Nyquist Frequency-Response Method)27奈奎斯特频率法的重要贡献在于：它可以利用物理上能够测量的开环系统频率特性 来判别闭环系统的稳定性、静态误差和过渡过程 某些品质指标等一系列问题。 不用直接去解微分方程，只要画出开环系统的频 率特性，就能知道系统稳定性如何，
13、并可以估计 出系统的品质指标，而且还能知道应该采取什么 措施可以使系统稳定下来，进一步提高系统的品 质指标等等。v 奈奎斯特频率法28vPID控制器v(Proportional Integral Derivative Controller)瓦特所用的小锤控制转速，实际上就是纯比例调节 （P）。比例作用比较容易被人理解，因此在工业 领域得到了广泛应用。问题：在应用过程中，人们发现这种控制方法有很 大的局限。系统被控对象很不容易达到要设定的目 标值，我们现在称之为存在静态偏差。29解决方法：1939 年，Foxboro 仪器公司为了克服静 态偏差问题，手动增强调节系统的比例作用，使得 系统调节“恰
14、好”弥补偏差。他们称之为“重置”（ Reset）。后来人们专门设置了自动重置技术（ Automatic reset），每一时刻都根据上一时刻的偏 差，自动修改系数，在偏差不为零的时候，执行机 构一直动作下去，这就是积分作用（I）。同年，Taylor 仪器公司发布了一款全新设计的气动 控制器：Fulscope，新仪器提供了“预动作”（Pre- act）控制作用，就是微分作用（D）。 vPID控制器301936 年，英国诺夫威治市帝国化学有限公司的考 伦德（Albert Callender）和斯蒂文森（Allan Stevenson）等人给出了一个温度控制系统的PID 控 制器的方法，并于1939
15、年获得美国专利。 PIDPID理论正式诞生理论正式诞生vPID控制器31二战期间（1939-1945）：战争的需要使自动控 制理论和应用得到巨大发展。利用反馈控制的方 法设计和制造了飞机自动驾驶仪、火炮定位系统 、雷达天线控制系统以及其他军用系统。这些系 统的复杂性和对高性能的要求，进一步促进并完 善了自动控制理论的发展。 v 二战期间的理论发展321940年，H.W.伯德（Bode）引入了半对数坐标系（ Bode图），把复数运算变成代数运算，大大地简化 了频率特性的绘制。（第五章内容）1942年，H.哈利斯（Harris）在拉普拉斯变换的基 础上引入了传递函数(Transfer functi
16、on)概念，用方 框图、环节、输入、输出等信息传输的概念描述系 统的性能和关系。（第二章内容） 1941年，前苏联学者哥德发尔布把线性系统伯德频 率法推广到非线性系统，不仅能解决某些非线性系 统的稳定性问题，还能改善系统的性能指标。这种 方法被成为描述函数法(Describing function method)。 （第七章内容）v 二战期间的理论发展331948年，埃文斯（W.R.Evans）提出了一种在复平 面上由开环系统极、零点确定闭环系统极零点的图 解方法根轨迹法 (Root locus approach) 。（第 四章内容）v 二战之后的理论成熟1948年，英国人维纳在火炮控制中发现了反馈的 概念，出版了控制关于在动物和机器中控 制和通讯的科学，奠定了控制论的基础。341954年，我国著名科学家钱学森出版了工程控制 论，他系统地总结了20世纪前几十年来
