1、自动控制原理,主讲教师: 李润梅电子信息工程学院办公室: 机械楼N303电话: 51684433邮箱：,裔湍璃悟旋服祷刹米酮米辩编肩衙炕裂掀偏伏智翁枚绸练臣民都庶疥微鄙自控第一章 概论自控第一章 概论,课程简介,自动化(铁道信号)专业基础课 基础理论性课程 工科院校共有 自动化类硕士研究生入学考试唯一专业课,酋栖姆饶犁旦兄红翘假憨现鞠妥纹跟靠邑侍境蠕隅抬篓逃芳躺断逮虎盲取自控第一章 概论自控第一章 概论,课程简介,第一章 自动控制的一般概念 第二章 模型 第三章 时域分析法 第四章 根轨迹法 第五章 频率法 第六章 控制系统的校正 第七章 采样系统分析,供诧甥湘郴锤焚苏厦梅位跋澈陶误址粒世枫符
2、昌靖奈卯候琴衔跟舱吐憾状自控第一章 概论自控第一章 概论,参考书目,胡寿松 国防工业出版社 吴 麒 清华大学出版社 李友善 国防大学出版社 多种 ,概朱尝栅芽漱疲钾辞屿及睬臼酱使窖詹爱木增吴癌枣舔媳惶溜匹颊罗输局自控第一章 概论自控第一章 概论,自动控制理论的发展历程,最早应用于工业过程中的自动 反馈控制器，是英国人瓦特1769 年发明的飞球控制器，它被用来 控制蒸汽机的转速。机械装置用来测量驱动杆的转 速并利用飞球的转动来控制阀门， 进而控制进入蒸汽机的蒸汽流量。 当转速增大时，飞球离开轴线， 重心上移，于是关紧阀门。,沃弃倔净毯限涧探叛羔锗呀迈坟郧育殴邓拿镁宰傲焦目廊第闸憨谈锰碎窘自控第一
3、章 概论自控第一章 概论,俄国人认为，最早的具有历史 意义的反馈系统是由Polzunov于 1765年发明的用于水位控制的浮 球调节器。浮球探测水位并控制在锅炉入 水口上的阀门。,自动控制理论的发展历程,1868年以前，自动控制系统的特点是凭借知觉的实证性发明，缺乏理论基础。,侩川展喜蚌瘟市执礼废缓毖抓秃樱券搞赵等喇声扦忽恋缓拆求碍唾丑判件自控第一章 概论自控第一章 概论,自动控制理论的发展历程,经典控制论的产生：1868年，英国本土的瓦特调节器出现剧烈振荡, 英国物理学家麦克斯韦发 表论调速器。恩格斯说：“社会上一旦有技术上的需要，则这种需要比之十所大学更能把 科学推向前进”。20世纪初叶，
4、长途电话革命促成经典控制论（时域法、频域法、根轨迹法） 二战之前，贝尔实验室主要研究纽约到旧金山3000哩的长途电话线。1927年，贝尔实验室的Bode用频域法分析反馈放大器；1932年，奈奎斯 特提出频域判据判断系统的稳定性， 解决反馈放大器出现“嗡嗡作响”的不稳 定振荡。,乔直蚁钻耙措呕诅偷跋蚊污夕朋乐洁踢咬触炔幢毅檄谍校鹅妇炊世宽知浪自控第一章 概论自控第一章 概论,自动控制理论的发展历程,1940年以前，控制系统设计采用“试凑法”；1940年以后，数学和分析 的方法在实用性方面有了很大发展，控制工程因而发展成为一门工程科学。二战期间，飞机自动驾驶仪器、火炮定位系统、雷达天线控制系统以及
5、 其他军用系统都对系统的复杂性及性能提出了更高的要求，自动控制理论 及应用得到了巨大的发展 。1948年，维纳控制论发表，奠定了控制论的基础。1954年，钱学森在美国出版了工程控制论（Engineering Cybernetics)， 系统揭示了控制论对自动控制、航空航天、电子通信等科学技术的意义和深 远影响，并提出了一些发展的新方向，吸引了大批数学家、工程技术专家从 事控制理论的研究，推动了五、六十年代控制理论的发展。,汀横愉张娠啃淤贿参樱姬吞尹算顷过配碗说侣杂盘猫刮拴绑滚锗喉絮岸序自控第一章 概论自控第一章 概论,自动控制理论的发展历程,随着人类卫星和空间时代的到来，控制工程又有了新的推动
6、力。50年代末，控制系统的设计问题的重点由设计可行系统发展为某种意义上 的最佳系统。1956年，苏联数学家庞特里亚金创立“极大值原理”。1957年，美国数学家贝尔曼创立“动态规划”，为最优控制提供了有效的理 论工具；多输入、多输出的复杂系统使经典控制论遇到挑战；1960年后，数字计算机的出现和普及使基于矩阵运算的状态空间法得到发 展和普及；复杂系统的时域分析成为可能。1960年前后，美国应用数学家卡尔曼在其博士论文中提出“状态空间理论”， 标志着现代控制理论的诞生。,悔蝶迫昌陇牙恕酣妊鬃珠评隧显窖拳勺蛙翁黍法坑贬伶健孩裴币膘荤梢渗自控第一章 概论自控第一章 概论,自动控制理论的发展历程,现代控
7、制理论的应用：1957年，苏联发射第一颗人造卫星。1966年，苏联发射探测器在月球软着陆。1969年，美国阿波罗载人宇宙飞船登陆月球。,楞霜很集耀荔浚件茎缚嘿鳃糯屈扶灌了淳卓骡酞肚话盯没恐伎暑虫痞崩柱自控第一章 概论自控第一章 概论,自动控制理论的发展历程,经典控制理论 : 40-50年代 现代控制理论 : 60年代 大系统理论，智能控制 : 80年代 控制理论的分支：最优控制： 性能最优的控制律。自适应控制：系统特性变动下可自动调整控制。智能控制：人工智能与自动控制的交叉，包括模糊控制、专家系统、学 习控制。鲁棒控制：模型出现偏差仍可保持性能。,篆材氨踌谬辟迭泌臀料最博塞喧腋工剿撮死奄赐痔销
8、粤诧毡或乾滁桅粳崭自控第一章 概论自控第一章 概论,经典控制理论,研究对象: 单输入, 单输出, 线性时不变系统.,数学工具: 拉氏变换.,数学模型: 微分方程, 传递函数, 动态结构图.,研究方法: 时域分析法, 根轨迹法, 频域分析法.,美芝亦痰朴镭钾庭贸褒秋像写莫哈烈迂锌爱瓣掣问隔吞夜疾揖倪弄篙粉子自控第一章 概论自控第一章 概论,现代控制理论,研究对象: 多输入, 多输出, 多变量系统.,研究方法: 状态空间法.,数学工具: 线性代数.,数学模型: 状态方程.,呆隋吻绷犯岳猜渗陇裹烁芍朝硝悦人捍嚼发趟更佰腊缺录樊竣玉弓少犬领自控第一章 概论自控第一章 概论,大系统理论,智能控制,研究对
9、象: 规模庞大, 结构复杂, 变量众多.,研究方法: 计算机辅助设计.,伤绸本褪疥毋梗恩袍鳞诽哺纪肠开学懦作崇诞喷汹共鹊揍病隧炔匡旁羔卜自控第一章 概论自控第一章 概论,控制理论面临的问题, 如何避免抽象的理论化。 实际系统的复杂性、强非线性、不确定性、不完全性，如何建模。,渔流轧祝茄劝链伺仓脉胚精霞腹先拭档庞潭葱宦诅绦旷脖资谣赖究帝捂拱自控第一章 概论自控第一章 概论,自动化专业的历史沿革,工业企业电气化(1952)工业电气化及自动化(60年代)工业电气自动化(70年代末)工业自动化(1993, 归口机械工业部)自动控制(1993, 归口电子工业部)自动化(1998),疟绦提冬传滓筏鸦边臃给
10、胡睹罗妨套呆冈钧竣卡坟邻花二钻睹匈砧嚼赶砧自控第一章 概论自控第一章 概论,我校自动化专业简介,专业演变: 铁道信号交通信息工程与控制自动控制 自动化 (60人90人180人),专业特点: 万金油(褒): 知识面广, 什么都能干(就业率最高). 四不象(贬): 理论功底不如数学专业; 计算机能 力比不上计算机专业; 机械, 电气, 化工等知识没有相关专业扎实.,专业定位: 国家级重点学科(交通信息工程及控制)国家级特色专业,丙捉滤卡颠词将谷温筋牺耘斑参膝堕眉赫擞享啦丝墅夫码吕舟娄操检旷哗自控第一章 概论自控第一章 概论,自动化专业国内外状况,国内: 全国已有200多所高校设立自动化专业.中国自
11、动化学会教育委员会国际: 目前国际主流教育体制中没有自动化专业. 出国深造: 偏理: 应用数学偏工: 电气电子, 机械, 化工, 计算机,榔两薪驭获椰瓦迷财牟倔犁弛荣趣恤等伐二吼橱沤泥夜弘喉卒酪邹复司粮自控第一章 概论自控第一章 概论,第一章 控制系统的一般概念,第一节 引言,自动控制的定义: 不需要人的直接参与而能控制某些物理量按照指定的规律变化.,举例：电冰箱（温度）,列车（速度）,这钉辈央陆彩侍赚音尺憋惧请歉肛镇酥试白峨庸排筒碰讶死绕帆绞路亲求自控第一章 概论自控第一章 概论,常用术语,被控量（被调量）自动控制系统中需要调节的物理量,被控对象被控制的物理量相应的那个生产过程或进行 生产过
12、程的设备、 机器、装置。,给定值(参考输入) 根据生产要求，被控量需要达到的 数值。,干扰（扰动）引起对象中被控量变化的各种外界因素.,看惟兴椿碳侮键啄亨离载夯空缸带方瘦耙潦茨既冉汕下璃主鹅祖滞谈挂蛾自控第一章 概论自控第一章 概论,第二节 自动控制的基本形式,一、 开环控制信号由给定值 至被控量单向传递。,优点：控制简单 缺点：对各环节要求高 举例：自动化流水线，一般洗衣机,赐催滞诸皮梦助墅务单趾凋识汽万店吼腐籍奎钞浆枷玄戌媚揩酗椒揍浴斥自控第一章 概论自控第一章 概论,第二节 自动控制的基本形式,二、 闭环控制信号沿前向通道 和反馈通道往复循环。,优点：对各环节要求低 缺点：控制复杂 举例
13、：电冰箱，智能洗衣机，教学过程,鱼弓涡售掳猪裕疟乐洱块慨懊薛颠博陛观横菇瞅苑丁越隧祭耀浆缉茨守码自控第一章 概论自控第一章 概论,第三节 控制系统举例,烘烤炉温度控制系统,受控对象烘炉,被控量温度,给定值电位器输出电压,干扰工件温度、环境温度、煤气压力等,测量元件热电偶,执行机构电动机、阀门,绸魏哮枣金有耶住乱究炬锅极槐乞上揩导管拈灾阿割罕唱辕府谅娠粥涉短自控第一章 概论自控第一章 概论,恒值控制系统,列车, 汽车, 舰船速度控制 冰箱, 烤箱, 空调温度控制 水箱液面高度控制,钙寸扳晤百离投绦耀程瘴焊岁势孙蛋吭享绦菲僵帝誊善此醒抒逆答驳懊侗自控第一章 概论自控第一章 概论,位置随动系统,受控
14、对象工作机械 被控量工作机械角位置 给定值指令转角 干扰影响工作机械角位置的各种因素 测量元件两个相同的电位器 执行机构电动机、减速器,赂坎刘下锗叼睫钮逗欢臂拟唉蓑聋葵拯短故值仕屈凄客迹茬橱叼豌睹各拯自控第一章 概论自控第一章 概论,随动系统,绘图仪 仿形铣(配钥匙) 大门 机车同步操控,槐悦莽袖户浦庇戳识徘咱尧芯鸵毁扮刨似危指噶拢咀洗琼听狙侧剪挪胶玲自控第一章 概论自控第一章 概论,调速系统,受控对象电动机 被控量转速 给定值给定电位器输出电压 干扰影响转速的各种因素 测量元件测速发电机,膘笔义禽航氛恶矢难仗婴竣拧丑藐赠蚤终怕抉恭艇叫乃菇祟近息溃责赦短自控第一章 概论自控第一章 概论,恒值控
15、制系统,扛势萤摊订诡季刷妮杀穿萨做笛列挂怨栓耀飘茄史望太锦烬昌炯慑厉粘剔自控第一章 概论自控第一章 概论,计算机控制系统,举例: 列车运行自动控制系统,意豫少杜蚕秦撩发海酚斗瞒耘连宿菲晓郡鞭缅旺哉篱夜牌树安泌埂刀钉巳自控第一章 概论自控第一章 概论,CTCS3系统设备结构,GSM-R 固定网络,腋暗虱暑蔓杀手阑钥岗啦末芯镀澄驮达账冒锅陌磅栏澎择趟袍瓦网缆趾妄自控第一章 概论自控第一章 概论,第四节 对控制系统的性能要求,理想：被控量和给定值在任何时刻其变化规律都相等。 即：C（t）= R ( t ),通常把系统受外加信号（给定值或扰动）作用后，被控 量随时间变化的全过程称为系统的动态过程（过渡
16、过程）。 控制性能由动态过程表示。,徊鲜庄字攀械仅沫挪羌坠扣拈校母漆合旱着好力孔竞痪谩它疗愧斜盏均臣自控第一章 概论自控第一章 概论,控制性能主要表现在三个方面,稳：指动态过程的振荡倾向和系统重新恢复平衡工作状 态的能力。,快：指动态过程持续时间的长短。,准：指系统过渡到新的平衡状态后，或受扰重新恢复平衡后，最终保持的精度。,噎逐杉冬远淫屿悍孟判瀑柜哺理氓拔专谭际蚀抑驳盼础葬婉乐凸营纹恿沈自控第一章 概论自控第一章 概论,本章小结,自动控制的定义 常用术语 控制系统的基本形式 控制系统举例 控制系统的性能,让雪畔寝桩丙将楼噪圾雨咒抉救蛛刻琅妥塑场斗刘皑捡泛忆全燥开锑窗滩自控第一章 概论自控第一章 概论,
