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1、,自 动 控 制 理 论,浙江大学控制科学与工程学系,1,课程目标及要求,课程目标 介绍控制理论(control theory; cybernetics)的基本原理 培养对控制系统理论的基本理解能力 学习如何分析并设计自动控制系统 课程要求 预习，课堂听讲，复习 按时完成家庭作业 考核标准 平时成绩：20% 期中测试：20% 期末考试：60%,2,课程目标及要求,联系方式（徐正国） 办公室：玉泉校区控制系新楼507室 电子邮箱： 手机：15088698499,3,参考书目 1. 自动控制原理；孙优贤等，2011，化工出版社 2. 自动控制原理 (第五版) ；胡寿松主编, 2008, 科学出版社
2、 3. 化工过程控制原理(第二版)；周春晖主编, 1998, 化工出版社 4. 自动控制系统 (第八版) ；汪小帆,李翔译, 2004, 高等教育出 版社 5. 现代控制系统(第八版), 谢红卫等译, 2004，高教出版社 6. 动态系统的反馈控制 (第四版) ；朱齐丹等译, 电子工业出版社,课程目标及要求,4,课程目标及要求,参考书目 1. John J.DAzzo, Constantine H.Houpis, 2001, 2006 Linear Control System Analysis and Design (Fourth or Fifth Edition) 2. Gene F.Fr
3、anklin, J.David Powell, Abbas Emami-Naeini. Feedback Control of Dynamic Systems（Fourth Edition) 3. Karl Johan Astrom & Richard M. Murray, 2008 Feedback Systems-An Introduction for Scientists and Engineers 4. Benjamin C.Kuo, Farid Golnaraghi, Automatic Control Systems (Eighth Edition),第一章 绪 论,绪论,基本概念
4、 学科发展背景 数学基础 工程控制问题 课程安排 结语 方块图的基本构成,7,控制能够做什么？,使系统按照期望的要求工作 保持被控变量（物理量）恒定 改善不稳定系统，使其稳定 减少扰动的影响，补偿物理量的波动 为系统设计提供便利,8,关键词,模型与建模 数学模型、图、响应曲线、规则等 控制 反馈、动态 优化 静态 、动态,9,关键词（第一章）,（控制）系统 （自动） 控制 输入，输出 开环控制系统 闭环控制系统 （负反馈控制系统） 动态，静态,10,控制是指通过对某个装置或生产过程的某个或某些物理量进行操作，以达到使某个变量保持恒定或沿某个预设轨迹运动的一个动态过程。 控制系统是为了达到某种“
5、目标”设计并按照人们意愿予以实施的一套系统。,控制系统概念,11,手动控制与自动控制,例：汽车驾驶要求控制汽车沿期望路径安全地到达预定的目的地,如果由司机驾驶汽车，则司机对汽车实施了手动控制；也可以设计一套自动驾驶设备，由自动驾驶设备控制汽车行驶，这就形成了一套自动控制系统,12,闭环控制系统：人工驾驶汽车,(a) 汽车驾驶控制系统 (b) 司机利用汽车行驶的实际方向与期望方向之间的误差，来控制并调节车轮转向，使汽车按照期望的路径行驶 (c) 典型的行驶方向响应曲线,自适应巡航控制 (Adaptive Cruise Control-ACC),13,开环控制系统：烤箱,输入变量：黑度或烘烤时间
6、输出变量：面包的黑度或脆度,如果面包的黑度没有达到要求，烤箱也不会自动地调节烘烤时间,14,开环控制系统：直流并励电动机,输入变量：电枢电压 输出变量：电动机轴速,如果由于电动机轴上的机械负载发生变化，而导致电动机轴速偏离了期望值，那么电动机也无法自动修正输入的电枢电压,并激磁场,15,电枢,输入电压,开环系统的基本方块图,开环控制系统：系统输出不影响系统输入,期望输出 设定点/参考值,16,从开环控制系统到闭环控制系统,闭环控制系统中，执行动作源于输出量与输入量之间的比较结果，这将 使系统输出量满足期望值 系统输出受到控制，以达到期望值,闭环控制系统的基本方块图,17,闭环控制系统：家用取暖
7、炉,如果室温低于（或高于）期望温度，暖炉将启动（或关闭），直到室温略微高于（或低于）期望温度,18,闭环控制系统：家用取暖炉,19,闭环控制系统：电梯,Sears Tower的快速电梯能够在满足乘客舒适性的前 提下，在55秒内完成一次提升或下降,Chicago Sears Tower （超过2400级台阶，103层楼层，443米高）,20,闭环控制系统：手动液位控制系统,控制目标：将水箱内液体的液位维持在给定的液位高度上,21,液体流入,阀,液体流出,闭环控制系统：手动液位控制系统,系统构成,22,闭环控制系统：自动控制系统,23,反馈控制,前馈控制,液体流出,阀：执行器,被控变量：液位,液体
8、流入,执行信号,测量装置,实际值,开环/闭环控制系统,控制系统由一组元件组成，每个元件可以由方块图中的方块表示。,24,常用术语,系统：作为一个有机的整体，将一些部件组合在一起完成特定的任务。,控制系统： 由一组元件相互连接构成一个系统，能够提供期望的响应。,被控对象（或过程） ：指被控制的设备、物体、或者一个运行的变化过程，如化学反应过程，炼油生产过程，生物学过程等。 过程的输入输出关系反映了过程的因果关系。,25,参考输入 ：人们希望被控变量能达到的数值，又称给定输入、给定值、给 定信号等。,反馈信号 ：从系统输出端取出并反向送回到系统输入端的信号称为反馈信号。当反馈信号的符号与被比较信号
9、相反时称为负反馈，相同时称为正反馈。,反馈控制 ：将系统的输出量与参考输入进行比较，根据其误差进行控制，力图保持两者间预先设定好的关系。,常用术语,26,控制变量（操作变量）：作用于被控对象，改变对象运行状态的量。,被控变量（系统输出）：被控对象的输出，表征了对象或过程的状态和性能。,偏差信号 ：指期望输出值与实际输出值之间的偏差，往往简称偏差，有时也称为误差。但在反馈控制系统中，参考输入和反馈信号间的偏差也称为误差。所以，在有可能引起误解时，最好能用文字或公式进行说明。,扰动信号 ：使系统的输出量偏离期望值的信号。如果扰动产生在系统内部， 称为内部扰动（简称内扰）；当扰动来自系统外部时，称为
10、外部扰动（简称 外扰）。,常用术语,27,控制器 ：使被控对象具有期望的性能或状态的控制设备。它的作用是将系统输出与参考输入比较，根据得到的偏差，按预先设计好的控制规律给出控制量输出到执行机构。,执行机构 ：执行来自控制器的指令，并将控制作用施加于被控对象，以使被控变量按照预定的控制规律变化。,特性 ：指系统输入与输出之间的关系，可用数学式表示，也可用曲线或图表方式表示。系统特性分为静态特性与动态特性。静态特性是系统稳定以后表现出来的输入输出关系，通常表现为静态的放大倍数；动态特性指的是系统输入输出在从一个平稳状态过渡到另一个平稳状态的过程中所表现出来的特性，又称为过渡过程特性。,开环控制系统
11、 ：输出量不能对系统的控制作用产生影响的系统,闭环控制系统 ：控制系统中将输出量反馈到输入端，对控制作用产生影响的系统就称为闭环控制系统。,反馈单元：提供输出量反馈的系统单元,常用术语,28,参考值输入,控制装置,过程,输出,参考值输入,控制器,执行机构,扰动输入,输出,过程,传感器,参考值输入,控制器,过程,输出,传感器,扰动输入,反馈控制及前馈控制,常用术语,29,现代控制系统实例,30,计算机控制系统,参考输入,误差,计算机,执行器,过程,输出,传感器,现代控制系统实例,31,汽轮发电机协同控制系统,给水,燃料,空气,阀,氧气测量,计算机,温度测量,压力测量,锅炉,涡轮机,轴,发电机,速
12、度调节器,实际发电量,温度、压力、氧气、发电量参考输入,现代控制系统实例：Utah/MIT机械臂,32,Utah/MIT机械臂有18个自由度，由犹他大学工程设计中心和麻省理工学院人工智能实验室联合研制，主要用于科学研究。该机械臂由5个Motorola68000微处理器控制，并由36个高性能电空执行器驱动。该机械臂有4根手指，其中包括1根拇指。此外，该装置利用触觉传感器和腱进行控制。,控制系统分类,反馈控制系统 ；前馈控制系统 ；反馈-前馈控制系统,开环控制系统 ；闭环控制系统,单输入单输出（SISO） 控制系统 ；多输入多输出 （MIMO） 控制系统,定值控制系统 ；随动（伺服）控制系统,模拟
13、（连续）控制系统 ；采样数据（离散）控制系统 线性系统 ；非线性系统 定常系统 ；时变系统,33,绪论,基本概念 学科发展背景 数学基础 工程控制问题 课程安排 结语 方块图的基本构成,34,学科发展背景,最早的控制系统应用可以追溯到中国古代发明的用来指示方向的指南车，那是一个利用齿轮传动系统，根据车轮的转动按扰动控制原理构成的控制系统。 北宋，苏颂和韩公廉在他们制造的水运仪象台里使用了一个天衡装置，实际上就是一个按被调量偏差控制原理构成的闭环控制系统。 公元前三世纪，希腊的凯特斯比斯(Kitesibbios)在油灯中使用了浮子控制器以保持油面液位稳定。 公元一世纪时，赫容(Heron)出版了
14、名为浮力学的书，介绍了好几种用浮阀控制液位的方法。,学科发展背景,壁炉 热气通过气阀从顶部进入 培育器内部双层 温度传感器是酒精水银的器皿 期望温度由杆长度决定 利用酒精热胀冷缩控制气阀的开度,http:/www.asc-cybernetics.org/foundations/timeline.htm,36,1620年左右，荷兰的德勒贝尔(Drebbel)设计了通过控制壁炉温度来给一个培育箱加热的系统 。,学科发展背景,英国人瓦特(J. Watt) 在1784年发明的蒸汽机离心式转速调节器，将具有比例控制作用的反馈控制系统真正引入了工业生产 。,1868年，英国物理学家麦克斯韦尔(J.C.Ma
15、xwell)在他发表的“论调节器”论文中首次从理论上全面地论述了反馈系统的稳定性问题，将控制系统稳定性分析与判别微分方程特征根的实部符号问题联系起来，被公认为是自动控制理论研究的一个重要里程碑。,37,金属球,调速器,输出轴,速度测量值,锅炉,蒸汽,阀,蒸汽机,数学家劳斯(E.J.Routh)和霍尔维茨(A.Hurwitz)分别在1877年、1895年独立地 给出了对于高阶线性系统的稳定性代数判据。 1892年，俄国的数学家李雅普诺夫(A. M. Lyapunov)用严格的数学分析方法全 面地论述了稳定性理论及方法，提出了李雅普诺夫稳定性判别方法。 1903年，莱特兄弟(Wright Brot
16、hers)实现了飞行控制。 1910年，斯佩里(Sperry)发明了陀螺仪和导航辅助仪。 1927年，贝尔实验室的布莱克(Black)发明了反馈电子放大器。 奈奎斯特(H. Nyquist)在1932年提出了基于频率响应实验数据的负反馈系统稳 定性的判据。,学科发展背景,38,1940年，波特(H. Bode )在研究通信系统频域方法时，提出了频域响应的对 数坐标图描述方法，进一步简化了频域分析方法。 1942年，齐格勒(J. G. Zigler)与尼科尔斯(N. B. Nichols)给出了PID控制器的 最优参数整定法。 1942年，维纳(Wiener)提出了最优滤波器设计方法。 1948年，伊万斯(W. Evans)提出了根轨迹方法，给出了系统参数变化与时域 性能变化之间直观的图示分析方法。 1956年，苏联庞特里亚金(I. S. Pontryagin)发表“最优控制的 极大值原则”论文，阐述了最优控制的必要条件。 1957年，美国贝尔曼(R. Bel
