自动控制原理课件.ppt

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1、.,1,第一章 绪论,1. 1 引言1. 2 自动控制系统概述1. 3 自动控制系统的分类1. 4 对控制系统的要求及任务,.,2,主要内容,1.自动控制的基本原理2.概念：自动控制、受控对象、控制器、被控量等3.自动控制系统的基本控制方式和组成4.自动控制系统的分类5.根据系统原理图画方框图的方法6.对控制系统的基本要求,第一章 绪论,.,3,重 点 与 难 点,1、自动控制的基本原理与基本方式2、根据系统原理图画方框图的方法,根据系统原理图画方框图的方法,难 点,重 点,第一章 绪论,.,4,1. 1 引 言,自动控制理论是研究自动控制共同规律的一门科学，目前已形成工程控制论、生物控制论、

2、经济控制论和社会控制论等多个分支。,1.1.1 自动控制理论及应用,控制论的创始人是美国数学家维纳，他的全名是诺伯特维纳（Norbert Wiener，1894-1964） 。,第一章 绪论,.,5,维纳1894年11月26日生于密苏里州的哥伦比亚，1964年3月18日卒于斯德哥尔摩。维纳在其50年的科学生涯中，先后涉足哲学、数学、物理学和工程学，最后转向生物学，在各个领域中都取得了丰硕成果，称得上是恩格斯颂扬过的、20世纪多才多艺和学识渊博的科学巨人。他一生发表论文240多篇，著作14本。他的主要著作有控制论(1948)、维纳选集(1964)和维纳数学论文集(1980)。维纳还有两本自传昔日

3、神童和我是一个数学家。,维纳简介,第一章 绪论,.,6,1945年维纳把反馈的概念推广到生物等一切控制系统，1948年出版了名著控制论，为控制论奠定了基础。,自动控制理论（续）,1954年“中国导弹之父”钱学森（1911.12.112009.10.31）全面地总结和提高了经典控制理论，在美国出版了用英语撰写的、在世界上很有影响的工程控制论一书。,第一章 绪论,.,7,工程控制论是控制论中的一个重要分支，主要研究工程领域的自动控制。,自动控制理论（续）,就是指在没有人直接参与的情况下，利用控制装置使整个生产过程或设备自动地按预定规律运行，或使其某个参数按要求变化。,什么是自动控制?,第一章 绪论

4、,.,8,自动控制技术的应用,当前，自动控制技术已在工农业生产、交通运输、国防建设和航空航天事业等领域获得广泛应用。,比如：人造地球卫星的发射成功与安全返回。,第一章 绪论,.,9,自动控制技术的应用（续）,导弹的准确击中目标,雷达系统的准确跟踪目标,第一章 绪论,.,10,自动控制技术的应用（续）,数控车床按照预定程序自动地切削工件,第一章 绪论,.,11,安全、快捷、舒适、准点,自动控制技术的应用交通系统,第一章 绪论,.,12,自动控制技术的应用家用电器,电扇：控制转速,电冰箱、空调、电饭煲：控制温度,洗衣机：控制水位、强弱、时间等,第一章 绪论,.,13,自动控制理论及应用（续）,自动

5、控制技术的应用，推动了控制理论的发展；而自动控制理论的发展，又指导了控制技术的应用，使其进一步完善。 随着生产和科学技术的发展，自动控制技术已渗透到各种学科领域，成为促进当代生产发展和科学技术进步的重要因素。,第一章 绪论,.,14,1.1.2 自动控制理论的发展概况,按其发展的不同阶段，自动控制理论分为经典控制理论和现代控制理论两大部分。 经典控制理论也就是自动控制原理，是20世纪40年代到50年代形成的一门独立学科。早期的控制系统较为简单，只要列出微分方程并求解之，就可用时域法分析他们的性能。第二次世界大战前后，由于生产和军事的需要，各国均在大力研制新型武器，于是出现了较复杂的控制系统，这

6、些控制系统,第一章 绪论,.,15,经典控制理论的形成,通常是用高阶微分方程来描述的。由于高阶微分方程求解的困难，各种控制系统的理论研究和分析方法就应运而生。1932年奈奎斯特（美国物理学家，18891976）在研究负反馈放大器时创立了有名的稳定性判据，并提出了稳定裕量的概念。 在此基础上，1945年伯德（H.W.Bode）提出了分析控制系统的一种图解方法即频率法，致使研究控制系统的方法由初期的时域分析转到频域分析。随后，1948年伊文斯（W.R.Evans）又创立了另一,第一章 绪论,.,16,种图解法即有名的根轨迹法。追溯到1877年，劳斯（E.Routh）和1895年赫尔维茨（A.Hur

7、witz，瑞士数学家）分别独立地提出了关于判断控制系统稳定性的代数判据。这些都是经典控制理论的重要组成部分。20世纪50年代中期，经典控制理论又添加了非线性系统理论和离散控制理论，从而形成了完整的理论体系。,经典控制理论的形成,第一章 绪论,.,17,20世纪4050年代 经典控制理论 （频域法或复频域法）核心：传递函数，稳定性、稳定裕度等特点：图形方法，直观简便，设置参数少， （以简单控制结构获取相对满意的性能）适用范围：单输入单输出（SISO）系统数学基础：复变函数，积分变换,SISO: Single Input and Single Output,经典控制理论的形成,第一章 绪论,.,1

8、8,20世纪50年代开始，由于空间技术的发展，各种高速、高性能的飞行器相继出现，要求高精度地处理多变量、非线性、时变和自适应等控制问题，20世纪60年代初又形成了现代控制理论。现代控制理论的基础是：1956年庞特里亚金提出了极大值原理，1957年贝尔曼（R.Bellman）提出了动态规划，1960年卡尔曼（R.E.Kalman）提出了最优滤波理论以及状态空间方法的应用。从20世纪60年代至今50年来，现代控制理论又有巨大的发展，并形成了若干学科分支，如线性控制理论、最优控制理论、动态系统辨识、自适应控制、大系统理论等。,现代控制理论的形成,第一章 绪论,.,60 70年代 现代控制理论（状态空

9、间法）核心：状态变量的能控、能观性， 系统性能的最优化特点：时域法，统一处理SISO、MIMO系统， 有完整的理论体系 数学基础：线性代数，矩阵理论缺点：对系统的数学模型精度要求高， 实际性能达不到设计的最优， 所需状态反馈难以直接实现,MIMO: Multi-Input and Multi-Output,第一章 绪论,.,70年代现在 多种新型控制理论多变量频域控制理论 经典SISOMIMO； 基于互质分解的全新的频域优化理论鲁棒控制（robust control）鲁棒性（robustness）：系统存在模型误差或 受到扰动时仍能保持良好性能的能力鲁棒控制：使系统具有良好鲁棒性的控制,第一章

10、 绪论,.,70年代现在 多种新型控制理论智能控制（intelligent control）控制系统具有拟人智能（学习、记忆、判断、推理等）大系统控制、复杂系统控制等被控系统具有高维数、强关联、多约束、多目标、不确定性、分散性、非线性、大时滞、难建模等特征，如电力系统、城市交通系统、网络系统、制造系统、经济系统等,第一章 绪论,.,22,第一章 绪论,经典控制理论以传递函数为数学工具，研究单输入、单输出自动控制系统的分析与设计问题，主要研究方法有时域分析法、根轨迹法和频率特性法。而现代控制理论则以矩阵理论等近代数学方法作为工具，不仅研究系统的输入、输出特性，而且还研究系统的内部特性。它适于研究多输入、多输出的复杂系统，其主要研究方法为状态空间法。 目前，自动控制理论还在继续发展，正向着以控制论、信息论、仿生学为基础的智能控制理论深入。,自动控制理论的发展概况（续）,