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1、自动控制原理胡寿松第六第一章ppt第一页，共八十页。控制理论：自动化学科的重要理论基础引引 言言研究自动控制共同规律的技术科学研究自动控制共同规律的技术科学自动控制技术应用自动控制技术应用自动控制系统自动控制系统第二页，共八十页。课程的性质和特点自动控制是一门技术学科，从方法论的角度来研究系统的建立、分析与设计。自动控制原理是本学科的专业基础课，是自动控制理论的基础课程，该课程与其它课程的关系如下。微积分（含微分方程微积分（含微分方程）电机与拖动电机与拖动模拟电子技术模拟电子技术线性代数线性代数电路理论电路理论信号与系统信号与系统自动控制理论自动控制理论复变函数、拉普拉斯变换复变函数、拉普拉斯
2、变换大学物理（力学、热力学）大学物理（力学、热力学）第三页，共八十页。课程学习要面临课程学习要面临数学基础宽而深数学基础宽而深控制原理抽象控制原理抽象计算复杂且繁琐计算复杂且繁琐绘图困难绘图困难计算机数学语言计算机数学语言MATLABMATLAB数值解数值解/ /解析解（数学运算）解析解（数学运算）第四页，共八十页。控制理论的内容控制理论的内容 二十世纪三项科学革命：控制论、量二十世纪三项科学革命：控制论、量子论、相对论子论、相对论 控制论： 经典控制理论经典控制理论 现代控制理论（智能控制理论）现代控制理论（智能控制理论）第五页，共八十页。导 读自动化技术几乎渗透到国民经济的各个领域及社会生
3、活的各个方面，是当代发展最迅速、应用最广泛、最引人注目的高科技，是推动新的技术革命和新的产业革命的关键技术，在某种程度上说，自动化是现代化的同义词。自动控制原理研究分析、设计自动控制系统的基本方法。本章主要讲什么内容?从介绍自动控制的发展历史入手，引出自动控制理论分析、设计自动控制系统的基本思想，然后介绍自动控制的基本概念，以及对自动控制系统的基本要求，使读者对自动控制理论的总的目标有个大致的了解。第六页，共八十页。飞机导航系统飞机导航系统飞机导航系统飞机导航系统制导导弹制导导弹 现代的高新技术让导弹长上了“眼睛”和“大脑”，利用负反馈控制原理去紧紧盯住目标第七页，共八十页。哈勃望远镜特殊地卫
4、星中巴资源卫星 人造地球卫星控制其准确地进入预定轨道运行并回收第八页，共八十页。雷达技术 雷达操作时，天线就要不停地转动。天线的作用是把雷达操作时，天线就要不停地转动。天线的作用是把雷达中产生的无线电波按照一定的方向向外发射出去，并雷达中产生的无线电波按照一定的方向向外发射出去，并把被反射回来的无线电波接收下来。正因为天线所起的作把被反射回来的无线电波接收下来。正因为天线所起的作用好似人的眼睛一样，因此雷达要注视和侦察整个天空的用好似人的眼睛一样，因此雷达要注视和侦察整个天空的状况，天线就要不停地转动，用一个驱动马达使天线作状况，天线就要不停地转动，用一个驱动马达使天线作360360度的旋转，
5、这样它就能在度的旋转，这样它就能在360360度范围内进行度范围内进行“搜索搜索”。第九页，共八十页。10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。 第十页，共八十页。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
6、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！第十一页，共八十页。自动控制原理国家精品课程 浙江工业大学自动化研究所12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。 第十二页，共八十页。自动控制原理国家精品课程 浙江工业大学自动化研究所13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
7、程解的稳定性，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。第十三页，共八十页。14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。第十四页，共八十页。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
8、论的创始人！维纳控制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。第十五页，共八十页。空间技术促使现代控制理论的产生现代控制理论促进了空间技术的发展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。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。第十六页，共八十页。17现代控制理论在工业过程控制方面
9、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。第十七页，共八十页。经典控制理论(古典控制理论)以传递函数为基础，研究单输入以传递函数为基础，研究单输入-单输出定单输出定常控制系统的分析与设计问题：常控制系统的分析与设计问题：线性控制系统分析：时域分析、稳定性与稳态线性控制系统分析：时域分析、稳定性与稳态误差分析、根轨迹分析、频域分析。误差分析、根轨迹分析、频域分析。非线性控制系统分析：相平面分析、描述函非线性控制系
10、统分析：相平面分析、描述函数分析。数分析。（连续控制系统、离散控制系统）（连续控制系统、离散控制系统）第十八页，共八十页。第十九页，共八十页。现代控制理论以状态空间法为基础，研究多输入以状态空间法为基础，研究多输入-多输出多输出时变、非线性、高精度、高效能控制系统的分析时变、非线性、高精度、高效能控制系统的分析与设计问题：与设计问题：（线性系统、自适应控制、最优控制、鲁棒控（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、最佳估计、容错控制、系统辨识、集散控制、大系统复杂系统）制、大系统复杂系统）智能控制（专家系统、模糊控制、神经网络、智能控制（专家系统、模糊
11、控制、神经网络、遗传算法）遗传算法）第二十页，共八十页。第二十一页，共八十页。参考资料参考资料自动控制原理（第六版）自动控制原理（第六版） 胡寿松胡寿松MATLABMATLAB与控制理论实验教程与控制理论实验教程 汪宁汪宁 自动控制理论自动控制理论 夏德铃夏德铃自动控制原理习题集自动控制原理习题集 胡寿松胡寿松第二十二页，共八十页。实例（示意图）实例（示意图）人工（手动）控制：（1）对象：储液系统（2）目标：液位（3）眼睛：观察 液位变化（4）大脑：分析、比 较、判断（5）手/脚：动作执行第一章第一章 自动控制基本原理与方式自动控制基本原理与方式第二十三页，共八十页。实例（示意图）实例（示意图
12、）自动控制：（1）对象：储液系统（2）目标：液位（3）传感器：检测 液位变化（4）控制器：控制功能（5）执行器：完成控制 动作传传感感器器信号信号信号驱动设备信号驱动设备第二十四页，共八十页。控制原理框图（控制理念）控制原理框图（控制理念）对象对象手脚手脚 （执行器）（执行器）大脑大脑 （控制器）（控制器）眼睛眼睛 （传（传感器）感器） 控制控制对象对象执行装置执行装置控制器控制器测量装置测量装置第二十五页，共八十页。1-1 自动控制系统的一般概念自动控制系统的一般概念自动控制：是指没有人直接参与的情况下，利用控制自动控制：是指没有人直接参与的情况下，利用控制装置（称控制器），使整个生产过程或
13、工作机械（称装置（称控制器），使整个生产过程或工作机械（称被控对象）的某个工作状态或参数（即被控量）自动被控对象）的某个工作状态或参数（即被控量）自动地按照预定的规律运行。地按照预定的规律运行。自动控制系统：能够实现自动控制任务的系统，由控自动控制系统：能够实现自动控制任务的系统，由控制器与控制对象组成。制器与控制对象组成。控制对象控制对象控制器控制器输入量输入量输出量输出量扰动量扰动量?第二十六页，共八十页。(- -)utug扰动扰动 给定给定 装置装置 放大器放大器 电动机电动机 转速反转速反 馈装置馈装置 触发器触发器 晶阐管可晶阐管可 控整流器控整流器控控 制制 装装 置置受控对象受控
14、对象n 方框图方框图ueudoRP1ugR0R0R1-utRP2- -+- -+ TGMudouc直直流流电电机机调调速系统速系统+3.反馈控制原理反馈控制原理第二十七页，共八十页。控制对象：要求实现自动控制的机器、控制对象：要求实现自动控制的机器、设备或生产过程。设备或生产过程。控制器：对控制对象起控制作用的控制控制器：对控制对象起控制作用的控制装置总体。装置总体。输入量：作用于控制系统输入端，并可输入量：作用于控制系统输入端，并可使系统具有预定功能或预定输出的物理使系统具有预定功能或预定输出的物理量。量。输出量：位于控制系统输出端，并要求输出量：位于控制系统输出端，并要求实现自动控制的物理
15、量。实现自动控制的物理量。扰动量：破坏系统输入量和输出量之间扰动量：破坏系统输入量和输出量之间预定规律的信号。预定规律的信号。4.反馈控制系统的基本组成反馈控制系统的基本组成第二十八页，共八十页。自动控制系统控制原理方框图自动控制系统控制原理方框图控制控制对象对象执行装置执行装置控制器控制器测量装置测量装置控制器控制器比较环节比较环节输入量输入量偏差偏差测量值测量值输出量输出量控制量控制量扰动量扰动量控制动作控制动作广义对象广义对象自动控制装置自动控制装置第二十九页，共八十页。自动控制系统的组成及术语自动控制系统的组成及术语 典型反馈控制系统的原理如图所示典型反馈控制系统的原理如图所示 第三十
16、页，共八十页。(1)被控对象:它是控制系统所控制和操纵的对象,它接受控制量并输出被控制量。(2)控制器:接收变换和放大后的偏差信号,转换为对被控对象进行操作的控制信号。(3)放大变换环节:将偏差信号变换为适合控制器执行的信号。它根据控制的形式、幅值及功率来放大变换。第三十一页，共八十页。(4)校正装置:为改善系统动态和静态特性而附加的装置。如果校正装置串联在系统的前向通道中,称为串联校正装置;如果校正装置接成反馈形式,称为并联校正装置,又称局部反馈校正。(5)反馈环节:它用来测量被控量的实际值,并经过信号处理,转换为与被控制量有一定函数关系,且与输入信号同一物理量的信号。反馈环节一般也称为测量变送环节。(6)给定环节:产生输入控制信号的装置。 第三十二页，共八十页。(1)输入信号:泛指对系统的输出量有直接影响的外界输入信号,既包括控制信号又包括扰动信号。其中控制信号又称控制量、参考输入、或给定值。(2)输出信号:是指反馈控制系统中被控制的物理量,它与输入信号之间有一定的函数关系。(3)反馈信号:将系统(或环节)的输出信号经变换、处理送到系统(或环节)的输入端的信号,称为反馈信号。若此信
