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1、自动控制原理,邓颖娜 E-mail:,Principles of Automatic Control,考察方式,考试成绩：70平时成绩：30（包括作业、提问、测验、出勤等）,自动控制原理参考教材,自动控制原理-简明教程，胡寿松，科学出版社,课程性质和特点,自动控制原理是一门技术学科，从方法论的角度来研究系统的建立、分析与设计。 自动控制原理是一门专业基础课，与其他课程关系：,微积分（含微分方程）,电机与拖动,模拟电子技术,线性代数,电路理论,信号与系统,自动控制理论,复变函数、拉普拉斯变换,大学物理（力学、热力学）,如何学好这门课？,打好基础高等数学（微积分）、积分变换（拉氏变换）做好预习提前
2、了解课程内容听好课掌握基本理论和基本方法做好习题应用学到的基本理论和基本方法解决实际问题,第一章 绪论,自动控制的概述,自动控制理论体系,自动控制组成及分类,自动控制系统性能要求,1,2,3,4,第一节 自动控制概述,为什么需要自动控制？什么是自动控制、自动控制系统？自动控制怎样发展而来？,第一节 自动控制概述,为什么需要自动控制？,第一节 自动控制概述,自动控制 定义1：在脱离人的直接干预，利用控制装置（简称控制器）使被控对象（或生产过程等）的某一物理量（如温度、压力、PH值等）准确地按照预期的规律运行。 定义2：是指机器设备在没有人直接参与的情况下，经过自动检测、信息处理、分析判断、操纵控
3、制实现预期的目标。,自动化（Automation 或 Automatization）什么叫自动控制？什么叫自动控制系统？自动控制主要研究解决什么问题（举例说明）？,第一节 自动控制概述,自动控制系统是指为实现上述控制目的，由相互制约的各部分按一定规律组成的具有特定功能的整体。 随着电子计算机技术的发展和应用，自动控制技术在各领域都具备重要作用：飞机导航、姿态控制火炮、雷达、核动力、跟踪系统航空 航天工、农业生产过程,第一节 自动控制概述,飞机导航、 姿态控制,第一节 自动控制概述,火炮、雷达、跟踪系统,第一节 自动控制概述,航空 航天,第一节 自动控制概述,现代化工厂,第一节 自动控制概述,工
4、业生产过程,化工过程,轧钢过程,汽车加工,装箱加工过程,第一节 自动控制概述,自动控制是现在才有的吗？古代就有自动化方面的成就公元前14世纪至前11世纪，自动计时漏壶公元130年，张衡地动仪公元235年，马钧指南车,？,第一节 自动控制概述,世界上公认的第一个自动控制系统：飞球调节器,1769年瓦特发明 蒸汽机,18世纪由于没有理论指导，自动控制发展停滞了一个世纪！,蒸汽机原理,主要是一个汽缸，汽缸运动到右侧末端时，打开右侧进气阀向汽缸右侧冲高压水蒸汽，打开左侧排气阀，高压水蒸汽推动活塞向左运动，运动最左端时，打开左侧进气阀关闭右侧排气阀，向汽缸左侧冲高压水蒸汽，使汽缸活塞向右运动。将汽缸活塞
5、的往复运动通过联杆滑块曲轴转化为旋转运动。各阀门的开关也是通过联杆滑块带动滑阀进行的。常见在老式蒸气机车（火车）上。,第一节 自动控制概述,1913年美国建成最早的 汽车装配流水线,1952年美国MIT研制出第一台数控机床,第一节 自动控制概述,1954年第一台工业机器人,1981年美国“哥伦比亚”号航天飞机首次发射成功,第一节 自动控制概述,汽车自动焊接生产线,自动立体仓库,第一节 自动控制概述,注塑机,自动搬运车,第一节 自动控制概述,机器人足球比赛,月球车,第一节 自动控制概述,机器人干活,机器人跳舞,自动控制理论,经典控制,现代控制,大系统控制,智能控制,线性系统理论 非线性系统理论
6、采样控制理论 单输入、单输出单变量系统,多输入、多输出多变量系统,多输入、多输出、多扰动、多变量系统过程控制信息处理,无数学模型 不确定系统非线性系统,第二节 自动控制理论体系,第二节 自动控制理论体系,经典控制理论研究主要对象：单输入、单输出单变量系统如：调节电压改变电机的速度；调整方向盘改变汽车的运动轨迹等现代控制理论研究主要对象：多输入、多输出多变量系统如: 汽车看成是一个具有两个输入（驾驶盘和加速踏板）和两个输出（方向和速度）的控制系统,第二节 自动控制理论体系,大系统理论过程控制与信息处理的结合研究主要对象：多输入、多输出、多干扰、多变量的系统如：人体，我们就可以看作为一个大系统，其
7、中有体温 的控制、情感的控制、人体血液成分的控制等等。智能控制理论研究主要对象：无数学模型，非线性、不确定系统如：卖货郎多城市卖货最短路径（TSP）问题。地铁停站控制问题。,第二节 自动控制理论体系,经典控制理论 ( 19世纪初 ) 时域法复域法 (根轨迹法)频域法 现代控制理论 ( 20世纪60年代 )线性系统 自适应控制最优控制 鲁棒控制最佳估计 容错控制系统辨识 集散控制 大系统理论 ( 20世纪60年代 ) 智能控制理论 ( 20世纪70年代 )专家系统 模糊控制神经网络 遗传算法,第三节 自动控制组成及分类,控制系统的组成：输入部分 控制系统 输出部分 理解方式 从物理角度上看，自动
8、控制研究的是特定激励作用下的系统响应变化情况； 从数学角度上看，研究的是输入与输出之间的映射关系,第三节 自动控制组成及分类,例：飞机仰角控制,给定装置,放大器,舵机,飞机,反馈电位器,垂直陀螺仪,0,c,扰动,俯仰角控制系统方块图,第三节 自动控制组成及分类,例：,第三节 自动控制组成及分类,控制系统的基本组成输入信号系统控制目标的反映，是人意志的具体体现。 控制系统主要完成对有关信号的变换、处理，发出控制量，驱动执行机构完成控制功能。，包括放大器，执行装置，测量元件等。 输出信号系统的控制结果，反映了被控对象的运行状态,第三节 自动控制组成及分类,按信号传递路径分类：开环控制 闭环控制 复
9、合控制按系统的控制作用分类恒值控制系统 过程控制系统 随动系统 按系统传输信号的性质来分类连续系统 离散系统 按描述系统的数学模型不同来分类线性系统 非线性系统,主要分类方法,第三节 自动控制组成及分类,按信号传递路径分类,闭环控制,开环控制,复合控制,优点：简单/稳定/成本低 缺点：精度低,开环系统和闭环系统的结合,优点：应用广泛、精度高 缺点：设备多、复杂对内部误差不敏感稳定性不易控制,第三节 自动控制组成及分类,开环控制 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 应用：控制量的变化规律可预知时；干扰易于抑制时；被控量很难测量时采样开环控制,第三节
10、自动控制组成及分类,闭环控制 特点：系统输出信号与测量元件之间存在反馈回路 “闭环” 的含义：将输出信号通过测量元件反馈到系统的输入端，通过比较、控制来减小系统误差,第三节 自动控制组成及分类,按控制作用分类,过程控制,恒值控制,随动控制,或称自动调节系统 输入信号是恒定的数值 代表系统：恒温 恒压控制系统,输入信号是未知函数 要求输出量跟随输入信号变化 代表系统：火炮跟踪,或称程序控制系统 输入信号是已知的函数 按照预定程序运行，被控量迅速、准确 复现输入 代表系统：化工、流量控制,第三节 自动控制组成及分类,按系统传输信号的性质来分类连续系统 特点：系统各部分信号都是模拟的连续函数。 目前
11、工业中普遍采用的常规仪表PID调节器的控制系统。离散系统 特点：系统的某一处或几处信号以脉冲序列或数码形式传递的控制系统。 方式：采用脉冲开关或采样开关，将连续信号转为离散信号。 其中离散信号以脉冲形式传递的系统又叫脉冲控制系统 离散信号以数码形式传递的系统又叫数字控制系统。,第三节 自动控制组成及分类,按描述系统的数学模型不同来分类线性系统特点：系统由线性元件构成，描述运动规律的数学模型为线性微分方程。 运动方程一般形式,第三节 自动控制组成及分类,非线性系统 特点：在构成系统的环节中有一个或一个以上的非线性环节 理论研究不如线性系统完整，目前尚无通用方法,第四节 自动控制系统性能要求,基本
12、要求什么是稳定：系统被扰动后，当扰动撤离，经过一段时间系统仍能返回到原来的平衡状态 由系统结构决定,稳、准、快,闭环系统稳定是前提,第五节 典型外作用,为什么研究典型外作用？系统的响应与信号形式有关，输入信号不同，系 统的响应不同典型外作用脉冲信号（Pulse Function）阶跃信号（Step Function）斜坡信号（Ramp Function）抛物线信号（Parabolic Function）,第五节 典型外作用,脉冲信号（Pulse Function） 无限脉冲信号有限脉冲信号,第五节 典型外作用,阶跃信号（Step Function）,第五节 典型外作用,斜坡信号（Ramp Function）,第五节 典型外作用,抛物线信号（Parabolic Function）,本章的基本要求,
