自动控制原理第一章绪论.

2019/12/17自动控制原理2019/12/172第一章绪论1、控制理论的发展2、自动控制的一般概念3、反馈控制系统的组成4、控制系统的分类5、本课程的研究内容2019/12/173•18世纪，JamesWatt为控制蒸汽机速度设计的离心调节器，是自动控制领域的第一个历程碑。（反馈—控制的精髓）•1892年，Lyapunov“论运动的稳定性”发表，是自动控制领域的第二个历程碑。（上升为理论）•1922年，Minorsky研制出船舶操纵自动控制器，并证明了从系统的微分方程确定系统的稳定性的方法。•1932年，Nyquist提出了一种根据系统的开环频率响应(对稳态正弦输入)，确定闭环系统稳定性的方法。•1934年，Hezen提出了用于位置控制系统的伺服机构的概念，讨论了可以精确跟踪变化的输入信号的机电伺服机构。一、控制理论的发展2019/12/174•19世纪40年代，频率响应法为闭环控制系统提供了一种可行方法，Evans提出并完善了根轨迹法。•19世纪50年代末，控制系统设计问题的重点从设计许多可行系统中的一种系统，转到设计在某种意义上的最佳系统。•19世纪60年代，数字计算机的出现为复杂系统的基于时域分析的现代控制理论提供了可能。•从1960年到1980，确定性系统、随机系统的最佳控制，及复杂系统的自适应和学习控制，都得到充分的研究。•从1980年到现在，现代控制理论进展集中于鲁棒控制、控制及其相关课题。一、控制理论的发展2019/12/175一、控制理论的发展•经典控制理论（19世纪初－19世纪50年代初）以传递函数为基础研究单输入-单输出的定常控制系统的分析与设计问题。这些理论由于其发展较早，现已臻成熟。•现代控制理论（19世纪50年代初－19世纪80年代）以状态空间法为基础，研究多输入-多输出、时变、非线性控制系统的分析与设计问题。系统具有高精度和高效能的特点。•智能控制（19世纪80年代－）以模糊理论、神经网络、专家系统等为基础，研究复杂控制系统的分析与设计问题。系统具有最优化、智能化等特征。2019/12/176二、自动控制的一般概念1、控制与自动控制控制：使被控量（或对象或过程）按照一定的规律变化。Q2Q1L2HL1入水口出水口观测比较运算H执行液位控制2019/12/177Q2入水口出水口观测比较运算执行Q1L2H浮子（眼睛）控制器（大脑）气动阀门（手）自动控制自动控制：通过仪器仪表或自动化装置代替人工操作达到一定的控制目的2019/12/1782、自动控制系统控制理论的研究对象：系统(动态系统)系统的特征：整体性、抽象性、相对性由相互关联和相互制约的若干“部分”所组成的具有特定功能的“整体”。自动控制系统：将被控对象和控制装置按照一定的方式连接起来，构成一个具有特定功能的有机整体，以实现自动控制的目的，即构成自动控制系统。2019/12/1793、开环控制与闭环控制例1-1电动机转速控制系统（开环）ωθucug电位器电动机负载+放大器ωugucθ电位器放大器电动机及负载输出量对控制作用没有影响的系统称为开环控制系统，其控制方式称为开环控制。负载的变化会对转速造成影响，使其偏离设定值2019/12/1710例1-2电动机转速控制系统（闭环）ω测速发电机Δuuf＋――ugθuc负载+放大器给定值ω０，当ωω０，反馈电压uf将减小，Δu（＝uc-uf）将增大，电动机的输入电压ug增大，其结果会使电动机轴的转速增大。ufΔu—ωugucθ电位器放大器电动机及负载测速发电机输出对系统的控制作用产生影响的系统称为闭环控制系统或反馈控制系统。反馈电压Uf的存在减小了负载变化带来的影响2019/12/1711开环控制系统与闭环控制系统的比较•闭环控制系统的特点偏差控制，可以抑制内、外扰动对被控制量产生的影响。精度高、结构复杂，设计、分析麻烦。•开环控制系统的特点顺向作用，没有反向的联系，没有修正偏差能力，抗扰动性较差。结构简单、调整方便、成本低。2019/12/1712Q1hL1Q2L2Q2Q1hL1L2负反馈控制系统正反馈控制系统正反馈与负反馈调节器的控制作用能够减小偏差2019/12/1713例1-3炉温控制系统三、反馈控制系统的组成电热炉ugΔuucufWE＋－放大器热电偶电阻丝被控对象-TugΔuufuc电位器W放大器电阻丝电热炉热电偶对象执行元件检测元件给定元件放大元件比较能源元件2019/12/1714反馈控制系统的构成典型方框图输出量－放大元件给定元件测量元件执行元件被控对象e比较元件负号代表负反馈基本反馈控制系统方框图2019/12/1715输出量主反馈-放大元件给定元件测量元件执行元件被控对象e反馈补偿元件局部反馈串联补偿元件典型反馈控制系统方框图控制装置2019/12/17河北大学电信学院16反馈控制系统的基本组成1、被控对象2、控制装置(由具有一定职能的各种基本元件组成)•测量元件：其职能是测量被控制的物理量;•给定元件：其职能是给出与期望的被控量相对应的系统输入量•比较元件：把测量元件检测的被控量实际值与给定元件给出的•给定值进行比较，求偏差信号。•放大元件：将比较元件给出的偏差信号放大，用来推动执行元•件去控制被控对象。•执行元件：直接推动被控对象，使其被控量发生变化。•校正元件：亦称补偿元件，它是结构或参数便于调整的元件，用串联或反馈的方式连接在系统中，以改善系统性能。2019/12/1717热力系统的人工反馈控制蒸汽冷水热水温度计图1-1热力系统的人工反馈控制排水2019/12/1718热力系统的自动反馈控制自动控制器热水冷水蒸汽温度测量装置排水图1-2热力系统的自动反馈控制控制阀2019/12/1719四、自动控制系统的分类开环控制闭环控制(反馈控制)复合控制按控制方式分恒值控制系统随动系统程序控制系统按给定值变化规律温度控制系统压力控制系统位置控制系统按系统功用分2019/12/1720按系统性能分线性系统非线性系统定常系统时变系统确定性系统不确定性系统连续系统离散系统分布参数系统集总系统2019/12/1721五、本课程的研究内容系统的校正与综合系统分析数学模型线性离散控制系统非线性控制系统时域分析根轨迹分析频域分析自动控制原理（第二章）（第三章）（第四章）（第五章）（第六章）（第七章）（第八章）2019/12/1722参考书：•《自动控制原理》，吴麒，清华大学出版社；•《自动控制原理》,胡寿松，科技出版社；•《现代控制工程》第三版，[美]KatsuhikoOgata，；•《线性控制系统分析与设计》（英文版），JohnJ.Dazzo清华大学出版社；•《自动控制原理习题集》，胡寿松，国防工业出版社；•《自动控制理论重点难点及典型题解析》，张爱民，西安交通大学出版社等。2019/12/1723系统的整体性1、系统在结构上的整体性，即系统由“部分”所组成，各组成部分之间的相互作用是通过物质、能量和信息的交换来实现的。2、突出系统行为和功能的整体性，系统本身可以具有其组成部分所没有的功能。因此，对于有着相同组成部分但它们的关联和相互作用不同的两个系统可以呈现出完全不同的行为和特征。Q1hL1Q2L2Q2Q1hL1L22019/12/1724系统的抽象性不考虑具体系统的物理、自然、或社会含义，而把它抽象化为一个一般意义下的系统而加以研究。LRCUi(t)Uo(t)i(t)mKX(t)F(t))()()()(22tutudttduRCdttudLCioooKtFtxdttdxKfdttxdKm)()()()(22系统运动特征相同2019/12/1725系统的相对性：“系统”和“部分”这种称谓具有相对的属性。系统1系统2系统3系统部分1部分2部分3环境大系统太阳系巨系统