自动控制原理第1章绪论.ppt

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1、,1,教材与主要参考书,1.教材:胡寿松自动控制原理第5版.北京：科学出版社，20072.Farid Golnaraghi Benjamin C.KuoAutomatic Control Systems,Wiley,20093.刘慧英,卢京潮 自动控制原理(第四版)导教.导学.导考西安：西北工业大学出版社，2003.114.Richardc.Dorf RobertH.Bishop,Modern Control Systems,12th Edition,2011,胡寿松,1937年生于南京，1960年毕业于北京航空航天大学自动制系，长期致力于控制理论与应用的研究和教学，现任南京航空航天大学教授、

2、博士生导师。近年来，主持国家自然科学基金项目6项，省部级科研项目8项，发表论文200余篇；自1961年起一直担任“自动控制原理”课程主讲，该课程被评为“2003年国家精品课程”，1980年起先后主讲“现代控制理论”、“最优控制理论”等8门本科及研究生课程；出版自动控制原理、自动控制原理简明教程、最优控制理论与系统等教材、专著与译著22部，教学软件自动控制原理电子版2套。曾获国家教学成果奖3项，全国高等学校优秀教材奖1项，省部级教学成果奖、优秀教材奖、科技进步奖等6项；2003年荣获首届国家级教学名师奖。,2,3,4,第1章 自动控制的基本概念,1.0 自动控制发展简史1.1 自动控制系统1.2

3、 自动控制系统的类型1.3 对自动控制系统性能的基本要求1.4 本课程的主要内容及其相互关系,5,1.0 自动控制发展简史,中国古代自动化方面的成就：公元前14世纪至前11世纪，中国、埃及和巴比伦出现自动计时漏壶；公元130年，张衡发明水运浑象，132年研制出自动测量地震的候风地动仪；公元235年，马钧研制出用齿轮传动自动指示方向的指南车，类似按扰动补偿的自控系统；,6,水运浑象仪：制作:张衡 时间:东汉 用途:用于演示浑天说思想的天文仪器。水运浑象仪用精铜铸成，主体是一个球体模型，代表天球。球体可以绕天轴转动。天球的表面画有二十八宿和各种恒星，还有赤道圈、黄道圈及二十四节气等。天球外面有两个

4、圆环，一个是地平圈，一个是子午圈。天轴支架在子午圈上，和地平斜交成36度，就是说北极高出地平36度，这是洛阳地区的北极仰角，也是洛阳地区的地理纬度。天球半露于地平圈之上，半隐于地平圈之下。这些设计与浑天说理论是完全一致的。张衡又利用当时已得到发展的机械方面的技术，巧妙地把计量时间用的漏壶与浑象仪联系起来，即以漏水为原动力，并利用漏壶的等时性，通过齿轮系的传动，使浑象仪每日均匀地绕轴旋转一周。这样，浑象仪就能自动地、近似正确地把天象演示出来，并使浑象仪上的天象出没与实际天象相吻合，几可达到逼真的程度。水运浑象仪是世界上有明确记载的第一台用水力发动的天文仪器。通过它的演示，形象地表达了浑天说思想，

5、从而使浑天说宇宙论得以传播和推广，并得到了社会的广泛承认。,7,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。,8,世界上公认的第一个自动控制系统,1769年瓦特发明蒸汽机,9,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

6、蒸汽机的应用，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！,10,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。,11,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

7、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。,12,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。,13,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

8、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。,14,系统：有若干相互制约、相互依赖的事物组合而成的具有一定功能的整体称为系统。或者说为实现规定功能以达到某一给定目标而构成的相互关联的一组元件称为系统。,15,空间技术促使现代控制理论的产生,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。,16,L.S.Pontryagin,1956年前苏联L.S.Pontryagin发表“最优过程数学理论”，提出极大值原理解决卫星发射过程中火箭的最优控

9、制问题。,17,1957年世界第一颗人造地球卫星(Sputnik)由苏联发射成功,Sputnik 1 was the first artificial satellite launched into space,1957.Laika.Sputnik 2,18,Oct.4,1957:Launch of the rocket carrying Sputnik,the first man-made satellite.Photos of the launch were not initially released.This photo is a still from a 1967 Soviet do

10、cumentary film.,K.S.Pavlovitch(1906-1966),Russian spacecraft designer and header of the Vostok and Voskhod projects.,19,1961年，苏联东方-号飞船载着加加林进入人造地球卫星轨道，人类宇航时代开始了。,1961,at the age of 27,Gagarin left the earth.It was April the 12th,9.07 Moscow time(launch-site,Baikonur).108 minutes later,he was back.The

11、 period of orbital revolution was 89:34 minutes(this figure was calculated by electronic computers).The missions maximum flight altitude was 327 000 meters.The maximum speed reached was 28 260 kilometers per hour.,宇宙哥伦布-加加林,A stamp issued by Russia to memorize Y.Gagarin,Capsule used in first manned

12、orbit of earth,In 1961,the first human to pilot a spacecraft,Yuri Gagarin,was launched by the Soviet Union aboard Vostok I.,20,1966年，苏联发射“月球”9号探测器，首次在月面软着陆成功，1969年，美国“阿波罗”11号把宇航员N.A.Armstrong送上月球。,N.A.Armstrong,21,美籍匈牙利人R.E.Kalman1960 年引入状态空间法分析系统，提出能控性，能观测性，最佳调节器和kalman 滤波等概念，奠定了现代控制理论的基础。,R.E.Kalm

13、an,22,1967年瑞典Karl J.Astrom提出最小二乘辩识，解决了线性定常系统参数估计问题和定阶方法，1973年，提出了自适应调节器，建立自适应控制的基础。1993年获得IEEE Medal of Honor。,K.J.Astrom,23,1970年英国UMISTH.H Rosenbrock发表State Space and Multivariable Theory提出多变量系统的频域法。1974年加拿大W.M Wonham 发表Linear Multivariable Control:A Geometric Approach。,W.M Wonham,24,现代控制理论促进了空间技术

14、的发展,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。,25,1981年美国“哥伦比亚”号航天飞机首次发射成功,26,1996年第一台火星探测器Sojourner在火星表面软着陆,27,旅行者Voyager 一号，二号开始走出太阳系，对茫茫太空进行探索,28,4050年代形成 适用于SISO（单输入单输出）系统 基于：二战军工技术目标：反馈控制系统的稳定 基本方法：传递函数，频率法，PID调节器(频域),现代控制理论,6070年代形成 适用于MIMO（多输入多输出）系统 基于：冷战时期空间技术，计算机技术目标：最优控制基本方法：状态空间表达式,经典控制理论,29,现代控制理论在工业

15、过程控制方面遭遇滑铁卢，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。,30,1965年，Zadeh提出模糊集合和模糊控制概念。,Lofti Zadeh,31,自动化技术是当代发展最迅速、应用最广泛、最引人注目的高新技术，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。,控制理论促进了工业自动化的发展,BMW(德国宝马）轿车的生产过程,32,现代自动控制系统的监控与操作,33,Intern

16、et,1#子系统（分厂、车间）,防火墙,总公司管理系统,2#子系统（分厂、车间）,N#子系统（分厂、车间）,远程子系统,远程用户,远程服务,外部网络,内部网络,核心交换机,34,35,锅炉设备的压力和温度自动保持恒定 数控机床按照预定的程序自动地切削工件 导弹发射与制导系统，自动地使导弹攻击敌方目标 无人驾驶飞机按照预定航迹自动升降和飞行 人造卫星准确地进入预定轨道运行并回收 自动控制技术的应用范围已扩展到生物、医学、环境、经济管理和其它许多社会生活领域。,自动控制的应用,第1章 自动控制的基本概念,1.0 自动控制发展简史1.1 自动控制系统1.2 自动控制系统的类型1.3 对自动控制系统性

17、能的基本要求1.4 本课程的主要内容及其相互间的关系,第1章 自动控制的基本概念,1.0 自动控制发展简史1.1 自动控制系统1.2 自动控制系统的类型1.3 对自动控制系统性能的基本要求1.4 本课程的主要内容及其相互间的关系,38,1.1 自动控制系统,自动控制是在没有人参与的情况下，系统的控制器自动地按照人预定的要求控制设备或过程，使之具有一定的状态和性能。具有自动控制功能的系统称为自动控制系统。,39,火炮自动控制系统,40,自动控制热力系统,41,直流电机速度控制系统,42,一.自动控制系统由控制装置与被控对象结合起来的，能够对被控对象的一些物理量进行自动控制的一个有机整体。1.被控

18、对象：要求实现自动控制的机器设备或生产过程。2.被控制量：指被控制系统所要控制的物理量，一般指系统的输出量。,43,3.给定值：根据生产要求，被控制量需要达到的数值。4.扰动：破坏控制量与被控制量之间正常函数关系的因素。（外部扰动、内部扰动）5.控制装置：能够对被控对象起控制作用的设备总称。,44,二.控制系统的两种基本形式 两种基本形式：开环控制系统，闭环控制系统三.开环控制系统定义：只有正向作用，没有反馈控制作用的控制系统。（输出量不会对系统的控制作用产生影响）,45,例1.直流电机转速控制系统,方框图为：,46,四.闭环控制系统定义：输出量与输入量之间有反向联系，由输入量与主反馈信号之间

19、的偏差对输出量进行控制的系统叫闭环控制系统。反馈：是把系统输出量全部或一部分回送到输入端，以增强或减弱输入信号的效应。,47,例2 引入反馈后的直流电机转速控制系统,48,方框图,49,正反馈用于控制系统的内回路,负反馈,正反馈,减弱输入信号作用,检测偏差，纠正偏差 按偏差控制,增强输入信号作用,使系统的偏差越来越大(振荡),50,五.重要概念,主反馈：,前向通道：,主反馈通道：,系统输出端至系统输入端的信号叫主反馈信号，相应的反馈叫主反馈。,系统输入端到输出量之间的通道。,输出量到主反馈信号之间的通道。,局部反馈：,对应内回路。,51,单位反馈系统：,非单位反馈系统：,主反馈信号等于输出量的

20、系统。,主反馈信号不等于输出量的系统。,主回路：,给定元件：,前向通道与主反馈通道构成的回路。,给出与系统输出量希望值相对应的系统输入量。,52,测量元件：,比较元件：,放大元件：,执行元件：,比较系统的输入量和反馈信号，并给出两者间的偏差。,测量输出量并转换成标准信号。,放大偏差信号以适应执行元件动作的要求。,操作被控对象，使被控量变化。,第1章 自动控制的基本概念,1.0 自动控制发展简史1.1 自动控制系统1.2 自动控制系统的类型1.3 对自动控制系统性能的基本要求1.4 本课程的主要内容及其相互间的关系,54,1.2 自动控制系统的类型,1.2.1 开环、闭环与复合控制系统,开环控制

21、系统,55,开环控制系统的优缺点,开环控制系统的应用场合 逻辑控制 顺序控制 扰动少的场合,优点：简单，保证系统的稳定性缺点：控制精度易受扰动影响控制精度差（扰动存在时）,56,直流电机速度开环控制系统,57,闭环控制系统或负反馈控制系统,负反馈控制系统与正反馈控制系统的分析,58,汽车驾驶中的反馈控制过程,59,复合控制系统,60,1.2.2 线性系统与非线性系统,1.2.3 连续系统与离散系统,对于用微分方程描述的系统：若系统的输入量、输出量及其各阶导数均为线性时，系统为线性系统。,61,1.2.4 定常系统与时变系统,1.2.5 SISO系统和MIMO系统,1.2.6 集中参数系统与分布

22、参数系统,时变系统实例：航天器的飞行过程,第1章 自动控制的基本概念,1.0 自动控制发展简史1.1 自动控制系统1.2 自动控制系统的类型1.3 对自动控制系统性能的基本要求1.4 本课程的主要内容及其相互间的关系,63,稳,准,快,稳定性是控制系统正常工作的先决条件。,控制精度是控制系统重要的性能指标（稳态误差、稳态性能）。,过渡过程时间和最大超调量是控制系统的动态性能指标。,64,1.3 对自动控制系统性能的基本要求,1.3.1 稳定性,65,1.3.2 稳态性能（静态性能）,66,1.3.3 暂态性能（动态性能，瞬态性能）,67,1.3.3 暂态性能（动态性能，瞬态性能）,第1章 自动

23、控制的基本概念,1.0 自动控制发展简史1.1 自动控制系统1.2 自动控制系统的类型1.3 对自动控制系统性能的基本要求1.4 本课程的主要内容及其相互关系,69,系统(机械，电气，过程等),建模方法,机理或实验,数学模型,性能分析,稳定性、动态性能、鲁棒性等等,若性能不满足要求对系统进行校正,校正方法（控制器设计方法）,滞后-超前、PID、LQ最优等,1.4 课程的主要内容及其相互关系,70,为了能对不同的控制系统的性能用统一的标准来恒量，通常需要选择几种典型的外作用。,典型外作用,1.选取原则（1）在现场及实验中容易产生（2）系统在工程中经常遇到，并且是最不利的外 作用。（3）数学表达式

24、简单，便于理论分析。,71,（1）数学表达式,2.阶跃函数,（2）图形：,R=1时的阶跃函数称为单位阶跃函数，常用1(t)表示。,常用阶跃函数作为评价系统动态性能的典型外作用。,72,（1）.数学表达式,（2）图形：,3.斜坡函数(速度函数),R=1,称为单位速度函数。,73,4.加速度函数,（1）数学表达式,(2)图形,R=1时称为单位加速度函数。,74,5.脉冲函数,（1）数学表达式,(2)图形：,A=1时，称为单位脉冲函数，记作(t)。,75,6.正弦函数,(1).数学表达式,(2).图形,典型的周期性外作用函数。（频率特性）,76,控制理论三大任务,1、建立数学模型2、系统分析3、系统综合,数学模型是系统分析与综合的基础,分析系统性能指标与系统结构及参数的关系，为确定控制方法提供依据,设计控制器、加入校正装置，改变系统结构或参数，使系统性能满足要求,