第一章-自动控制的一般概念.ppt

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自自动动控控制制理理论论I齐鲁工业大学齐鲁工业大学电气学院电气学院主讲教师：

主讲教师：

刘雪真刘雪真教学目的：

教学目的：

掌握经典掌握经典线性定常连续系统、线性定常离散线性定常连续系统、线性定常离散系统、非线性控制系统系统、非线性控制系统的分析与综合方法的分析与综合方法;掌握反馈控制原理的应用掌握反馈控制原理的应用以及分析和设计的以及分析和设计的一般规律一般规律;具备具备分析和设计自动控制系统的初步能力分析和设计自动控制系统的初步能力，对与理论有关的实际物理问题有一般的了解。

对与理论有关的实际物理问题有一般的了解。

本课程的任务：

本课程的任务：

（1）建立系统的数学模型建立系统的数学模型：

这是从工程实际到理论的：

这是从工程实际到理论的一个抽象过程一个抽象过程。

（第二章）；（第二章）；

（2）系统分析：

系统分析：

即系统是已知的，求系统的三大性能即系统是已知的，求系统的三大性能指标。

分析方法分别为：

指标。

分析方法分别为：

（a）基于微分方程理论的时域分析法（第三章）基于微分方程理论的时域分析法（第三章）（b）基于传递函数的根轨迹法（第四章）基于传递函数的根轨迹法（第四章）（c）基于频率特性的频域分析法基于频率特性的频域分析法（第五章第五章）（3）系统校正系统校正（设计设计）（第六章（第六章）第七章介绍了第七章介绍了线性离散系统线性离散系统进行分析和校正进行分析和校正;第八章介绍了第八章介绍了非线性系统非线性系统的分析方法。

的分析方法。

总学时：

总学时：

80（其中理论课学时：

（其中理论课学时：

74实验学时：

实验学时：

6）总学分：

总学分：

5期末考试和平时考核相结合。

期末考试和平时考核相结合。

其中，期末考试成绩占其中，期末考试成绩占70%，平时考核成绩占，平时考核成绩占30%。

期末考试采取闭卷考试形式；平时考核包括实验、作。

期末考试采取闭卷考试形式；平时考核包括实验、作业和平时上课情况。

业和平时上课情况。

参考教材参考教材参考教材参考教材1.吴麒主编，吴麒主编，自动控制原理自动控制原理，清华大学出版社，清华大学出版社2.陈渝光主编，陈渝光主编，电气自动控制原理与系统电气自动控制原理与系统，机械工，机械工业出版社业出版社3.李友善主编，李友善主编，自动控制原理自动控制原理，国防科技出版社，国防科技出版社4.4.夏德钤主编，夏德钤主编，夏德钤主编，夏德钤主编，自动控制理论自动控制理论自动控制理论自动控制理论，北京轻工业学院北京轻工业学院北京轻工业学院北京轻工业学院5.王划一等，王划一等，自动控制原理自动控制原理，国防工业出版社国防工业出版社第一章第一章自动控制的一般概念自动控制的一般概念1-1自动控制的基本原理与方式自动控制的基本原理与方式1-2自动控制系统示例自动控制系统示例1-3自动控制系统的分类自动控制系统的分类1-4对自动控制系统的基本要求对自动控制系统的基本要求1-5自动控制系统的分析与设计工具自动控制系统的分析与设计工具一、自动控制的一、自动控制的基本原理基本原理是什么？

是什么？

二、典型自动控制系统的二、典型自动控制系统的基本组成基本组成有哪些有哪些？

三、自动控制系统的三、自动控制系统的基本要求基本要求是什么？

是什么？

1-1自动控制的基本原理与方式自动控制的基本原理与方式1.自动控制技术及其应用自动控制技术及其应用2.自动控制科学自动控制科学3.反馈控制原理反馈控制原理4.反馈控制系统的基本组成反馈控制系统的基本组成5.自动控制系统基本控制方式自动控制系统基本控制方式现代社会和现代生活现代社会和现代生活离不开对一些物理量的离不开对一些物理量的控制控制，包，包括实现对这种控制的括实现对这种控制的自动化自动化。

例如例如:

公共电网上的电压是公共电网上的电压是50Hz、220伏的交流电。

电压伏的交流电。

电压偏离这些给定值，会引起电器工作的不正常，甚至损坏。

偏离这些给定值，会引起电器工作的不正常，甚至损坏。

为此，在发电厂就要设法控制电压、频率这两物理量为为此，在发电厂就要设法控制电压、频率这两物理量为恒恒值值，这要采用，这要采用自动调压自动调压和和自动调频自动调频装置。

装置。

在工业生产中，如在化肥厂控制反应釜（塔）内温度在工业生产中，如在化肥厂控制反应釜（塔）内温度和压力为和压力为恒值恒值，使化学反应速度加快。

，使化学反应速度加快。

在机械加工厂金属切削机床上，经常是控制工件或刀在机械加工厂金属切削机床上，经常是控制工件或刀具的转速为具的转速为恒值恒值，使产品的质量、产量能提高。

，使产品的质量、产量能提高。

什么是自动化？

什么是自动化？

1.1.自动控制技术及应用自动控制技术及应用（a）手动控制手动控制（b）自动控制自动控制水温的手动控制和自动控制的示意图水温的手动控制和自动控制的示意图自自动动控控制制时时利利用用各各种种元元件件和和仪仪表表来来进进行行温温度度的的测测量量、与与给给定定值值进进行行比比较较、决决定定蒸蒸汽汽阀阀往往哪哪个个方方向向旋旋转转和和旋旋转转多多大大的的角角度度。

如如，温温度度测测量量元元件件、控控制制记记录录仪仪表表和和调节阀等。

调节阀等。

什么是自动化？

什么是自动化？

什么是自动控制（什么是自动控制（AutomaticControl）？

）？

自动控制自动控制自动控制自动控制是指在是指在是指在是指在无人直接参与无人直接参与无人直接参与无人直接参与的情况下，利用外加的情况下，利用外加的情况下，利用外加的情况下，利用外加的设备或装置（称为的设备或装置（称为的设备或装置（称为的设备或装置（称为控制装置控制装置控制装置控制装置或控制器），使机器、或控制器），使机器、或控制器），使机器、或控制器），使机器、设备或生产过程（统称为设备或生产过程（统称为设备或生产过程（统称为设备或生产过程（统称为被控对象被控对象被控对象被控对象）的某个工作状态）的某个工作状态）的某个工作状态）的某个工作状态或参数（即或参数（即或参数（即或参数（即被控量被控量被控量被控量）自动地按照预定的规律运行自动地按照预定的规律运行自动地按照预定的规律运行自动地按照预定的规律运行。

控制理论在发展社会生产力中的作用控制理论在发展社会生产力中的作用

（1）.军事、航天领域军事、航天领域火炮、雷达、跟踪系统；火炮、雷达、跟踪系统；人造卫星、宇宙飞船。

人造卫星、宇宙飞船。

（2）工业生产过程工业生产过程轧钢过程轧钢过程化工化工水泥制造水泥制造造纸造纸（3）现代农业生产现代农业生产疫疫情情检检测测自自动动灌灌概概农农产产品品质质量量检检测测

（1）古代自动装置：

古代自动装置：

公元前公元前14世纪至公元前世纪至公元前11世纪，在中国出现了世纪，在中国出现了自动计时装置刻漏自动计时装置刻漏；三国时期，使用了自动指示方向的三国时期，使用了自动指示方向的指南车指南车；公元一世纪古埃及和希腊的发明家创造了教堂公元一世纪古埃及和希腊的发明家创造了教堂庙门的自动开启庙门的自动开启和铜祭司和铜祭司自动洒圣水自动洒圣水等设备；等设备；中国的天文学家张衡发明了对天体运行自动仿中国的天文学家张衡发明了对天体运行自动仿真的浑天仪和真的浑天仪和自动检测地震的地动仪。

自动检测地震的地动仪。

2.自动控制科学自动控制科学

（2）自动控制理论的发展史自动控制理论的发展史（一一一一）经典控制理论（第一阶段）经典控制理论（第一阶段）经典控制理论（第一阶段）经典控制理论（第一阶段）17651765年年年年英国英国英国英国WateWate发明发明发明发明蒸汽机蒸汽机蒸汽机蒸汽机；17881788年年年年WateWate利用反馈原理发明蒸汽机用的利用反馈原理发明蒸汽机用的利用反馈原理发明蒸汽机用的利用反馈原理发明蒸汽机用的离心式调速器离心式调速器离心式调速器离心式调速器；18681868年年年年J.C.Maxwell“OnGovernors”（J.C.Maxwell“OnGovernors”（论调速器论调速器论调速器论调速器）,）,讨论讨论讨论讨论了了了了反馈系统的稳定性反馈系统的稳定性反馈系统的稳定性反馈系统的稳定性；18771877年，年，年，年，18951895年，年，年，年，E.J.RouthE.J.Routh和和和和HurwitzHurwitz先后提出先后提出先后提出先后提出判别系判别系判别系判别系统稳定性的代数方法统稳定性的代数方法统稳定性的代数方法统稳定性的代数方法；18921892年年年年俄国李雅普诺夫在俄国李雅普诺夫在俄国李雅普诺夫在俄国李雅普诺夫在论运动稳定性的一般问题论运动稳定性的一般问题论运动稳定性的一般问题论运动稳定性的一般问题中建立了动力学系统的中建立了动力学系统的中建立了动力学系统的中建立了动力学系统的一般稳定性理论一般稳定性理论一般稳定性理论一般稳定性理论。

经经经经历了四个阶段：

历了四个阶段：

历了四个阶段：

历了四个阶段：

经典控制理论、现代控制理论、经典控制理论、现代控制理论、经典控制理论、现代控制理论、经典控制理论、现代控制理论、大系统控制理论和智能控制理论。

大系统控制理论和智能控制理论。

大系统控制理论和智能控制理论。

大系统控制理论和智能控制理论。

19321932年年年年NyquistNyquist提出了提出了提出了提出了根据频率响应判断系统稳定性根据频率响应判断系统稳定性根据频率响应判断系统稳定性根据频率响应判断系统稳定性的准则的准则的准则的准则；19451945年年年年美国美国美国美国BodeBode在在在在网络分析和反馈放大器设计网络分析和反馈放大器设计网络分析和反馈放大器设计网络分析和反馈放大器设计中提出中提出中提出中提出频率响应分析法频率响应分析法频率响应分析法频率响应分析法BodeBode图图图图；19481948年年年年瑞士瑞士瑞士瑞士W.R.EvansW.R.Evans提出提出提出提出根轨迹法根轨迹法根轨迹法根轨迹法。

至此，经典控制理论成熟。

包括：

时域分析法至此，经典控制理论成熟。

包括：

时域分析法至此，经典控制理论成熟。

包括：

时域分析法至此，经典控制理论成熟。

包括：

时域分析法,频率特性法、根轨迹法等。

频率特性法、根轨迹法等。

频率特性法、根轨迹法等。

频率特性法、根轨迹法等。

经典控制理论：

经典控制理论：

主要研究单输入主要研究单输入单输出（单输出（单变单变量量）、）、线性定常线性定常系统的分析和设计问题。

系统的分析和设计问题。

如如：

调节电压改变电机的速度；调整方向盘改变汽车：

调节电压改变电机的速度；调整方向盘改变汽车的运动轨迹等。

的运动轨迹等。

（二二二二）现代控制理论（第二阶段）现代控制理论（第二阶段）现代控制理论（第二阶段）现代控制理论（第二阶段）19601960年年年年,美美美美R.E.KalmanR.E.Kalman成功地应用了成功地应用了成功地应用了成功地应用了状态空间法，提状态空间法，提状态空间法，提状态空间法，提出能控、能观新概念出能控、能观新概念出能控、能观新概念出能控、能观新概念;19611961年年年年,庞特里亚金证明了最优控制中的庞特里亚金证明了最优控制中的庞特里亚金证明了最优控制中的庞特里亚金证明了最优控制中的极大值原理极大值原理极大值原理极大值原理;19651965年年年年R.BellmanR.Bellman提出了寻求提出了寻求提出了寻求提出了寻求最优控制的动态规划方最优控制的动态规划方最优控制的动态规划方最优控制的动态规划方法法法法。

现代控制理论：

现代控制理论：

主要研究具有高性能、高精度的主要研究具有高性能、高精度的多多变量变参数变量变参数系统的最优控制问题。

系统的最优控制问题。

如，汽车看成是一个具有两个输入（驾驶盘和加速踏板）如，汽车看成是一个具有两个输入（驾驶盘和加速踏板）和两个输出（方向和速度）的控制系统。

和两个输出（方向和速度）的控制系统。

经典控制理论与现代控制理论比较经典控制理论与现代控制理论比较项目项目经典控制理论经典控制理论现代控制理论现代控制理论研究对象研究对象线性定常线性定常系统系统（单输入、单输出单输入、单输出）线性、非线性、定常、线性、非线性、定常、时变系统时变系统（多输入、多输出）（多输入、多输出）