自動控制原理4系2013

1、自動控制原理(5.5學分76+12學時 )何朕主要內容主要內容第一章第一章 控制系統(tǒng)的一般概念控制系統(tǒng)的一般概念(2學時學時)第二章第二章 控制系統(tǒng)的數(shù)學模型控制系統(tǒng)的數(shù)學模型(12學時學時)第三章第三章 線性系統(tǒng)的時域分析線性系統(tǒng)的時域分析(14學時學時)第四章第四章 根軌跡法根軌跡法(14學時學時)第五章第五章 線性系統(tǒng)的頻域分析線性系統(tǒng)的頻域分析(22學時學時)第六章第六章 非線性控制系統(tǒng)分析非線性控制系統(tǒng)分析(10學時學時)實驗實驗序號實驗項目名稱學時實驗要求實驗類型每組人數(shù)1二階系統(tǒng)模擬機仿真2必修綜合22小功率隨動系統(tǒng)的分析與校正4必修綜合23調速系統(tǒng)的分析與校正4必修綜合24控制

2、系統(tǒng)的計算機輔助設計2必修綜合1成績組成及比例成績組成及比例參考文獻參考文獻 裴裴 潤，潤，自動控制原理自動控制原理 胡壽松，胡壽松，自動控制原理自動控制原理 Ogata， 現(xiàn)代控制工程現(xiàn)代控制工程 李友善，李友善，自動控制原理自動控制原理上課時間 1-14周 周一，3-4節(jié)，致知14 周二，3-4節(jié)，致知21 周四，5-6節(jié)，致知21考試時間考試時間16周周五周周五(12月月20日日)15:30-17:301104101 致知23 1104102 致知34 1104103 致知24 1140101、401 致知33 第一章第一章 控制系統(tǒng)的一般概念控制系統(tǒng)的一般概念 一、自動控制發(fā)展的歷程二

3、、二、自動控制系統(tǒng)的分類三、控制系統(tǒng)的組成四、對控制系統(tǒng)的基本要求一、自動控制發(fā)展的歷程 前期控制經典控制現(xiàn)代控制后現(xiàn)代控制前期控制中國，埃及和巴比倫出現(xiàn)自動計時漏壺(1400B.C. 1100B.C.)。元延佑三年（公元元延佑三年（公元1316年）造年）造 西漢漏壺西漢漏壺中國張衡研制出自動測量地震的候風地動儀(132年)中國明代宋應星所著天工開物記載有程序控制思想的提花織機結構圖(1637年)英國J. Watt用離心式調速器控制蒸汽機的速度(1788年)英國J. Watt用離心式調速器控制蒸汽機的速度(1788年)J.C. Maxwell (1831- 1879), 法國科學家，于1868

4、年發(fā)表文章“On Governors, 成功解決了二階及三階系統(tǒng)的穩(wěn)定性。隨后，1877年劍橋大學的E.J.Routh與1895年瑞典的Hurwitz分別解決了多階系統(tǒng)的穩(wěn)定性判斷。 俄國A.M. Lyapunov博士論文“論運動穩(wěn)定性的一般問題” (1892年)經典控制Wright Brothers 于1903年12月17日完成了人類歷史上首次動力飛行，開創(chuàng)了航空業(yè)的新篇章。只有鸚鵡才喋喋不休，但它永遠也飛不高。只有鸚鵡才喋喋不休，但它永遠也飛不高。 西奧多馮卡門（1881年1963年），匈牙利猶太人，1936年入美國籍，是20世紀最偉大的美國工程學家，開創(chuàng)了數(shù)學和基礎科學在航空和航天和其他

5、技術領域的應用，被譽為“航空航天時代的科學奇才”。他所在的加利福尼亞理工學院實驗室后來成為美國國家航空和航天噴氣實驗室， 我國著名科學家錢偉長、錢學森、郭永懷都是他的親傳弟子馮卡門：“我是研究科學的。有一位偉大的科學家用他的定律證明了比空氣重的東西是絕對飛不起來的，怎么”。法爾芒幽默地回答：“是那個研究蘋果落地的人嗎？幸好我沒有讀過他的書，不然，今天就不會得到這次飛行的獎金了。我只是個畫家、賽車手，現(xiàn)在又成了飛行員。至于飛機為什么會飛起來，不關我的事，您作為教授，應該研究它。祝您成功，再見！” 天氣動力學研究的道路。我要不惜一切努力去研究風以及在風中飛行的全部奧秘?？傆幸惶煳視蚍柮⒅v清楚他

6、的飛機為什么能上天的道理的錢學森（1911.12.11-2009.10.31），男，漢族，浙江省杭州人。中國航天事業(yè)的奠基人，中國兩彈一星功勛獎章獲得者，被譽為“中國航天之父”、“中國導彈之父”、“中國自動化控制之父”和“火箭之王”。錢學森生前常對人說，對他一生影響最深和幫助最大的有兩個人，一個是開國總理周恩來，一個是自己的岳父蔣百里?！拔覀兘Y婚44年的生活是很幸福的。在1950年到1955年美國政府對我迫害期間，她管家，為此付出了巨大犧牲；蔣英是女高音歌唱家，她與我的專業(yè)相差很遠，但，正是由于她為我介紹了音樂藝術，使我豐富了對世界的深刻認識，學會了廣闊的思維方法.”美 國 福 特(Ford

7、Motor)汽車公司建成最早的汽車裝配流水線(1913)E. Sperry(1860-1930), 創(chuàng)立Sperry公司。由他們設計和制造的陀螺儀和各種控制裝置被廣泛的應用到二戰(zhàn)時期的美軍軍艦、魚雷、火炮、雷達和飛機上。L.Sperry(1892-1923), 在1914年的巴黎航展中，成功地演示了陀螺儀全自動機身平衡與穩(wěn)定，為航空業(yè)的快速發(fā)展做出了重要的貢獻。美國H.S. Black提出放大器性能的負反饋方法(Negative Feedback Amplifier) (1927)H. S. Black自動控制的基礎為閉環(huán)控制?？刂普摰牡旎薔.Wiener 給出的定義為：“Feedback

8、is a method of controlling a system by inserting into it the result of its past performance” 閉環(huán)控制系統(tǒng)的結構框圖：美國E. Sperry以及C. Mason研制出火炮控制器(1925)，氣壓反饋控制器(1929)火力控制(1940年前)Bell LabsParkinson二次大戰(zhàn)后期的火控系統(tǒng)美國貝爾實驗室的應用數(shù)學家 H. Bode(1938)，美國耶魯大學的物理學博士 Nyquist(1940)提出頻率響應法。美國Taylor儀器公司的J. G. Ziegler和N. B. Nichols提出P

9、ID參數(shù)的最佳調整法(1942)N.B. Nichols美國MIT的N. Wiener研究隨機過程的預測(1942)，提出Wiener濾波理論(1942)，發(fā)表控制論(Cybernetics)一書(1948)，標志著控制論學科的誕生。李郁榮（Y.W. Lee, 1904-1989), 廣東人，麻省理工學院N. Wiener的首位博士生(1930年)，曾任職于清華大學電機系(1931-1937)，早期為Wiener理論的工程應用與推廣作了大量的工作。1946年回到MIT電機系(1946-1969)，與Shannon一起成為該系最知名的兩個學科帶頭人。其主要工作包括隨機通訊(statistical

10、 communication theory)和電路理論，培養(yǎng)了大批電子工程領域中的知名學者和工程師，被譽為MIT的最偉大的教育家之一。在貝爾實驗室Bode領導的火炮控制系統(tǒng)研究小組工作的C. Shannon提出繼電器邏輯自動化理論(1938)，隨后，發(fā)表專著 通 信 的 數(shù) 字 理 論 ( T h e Mathematical Theory of Communication)，奠定了信息論的基礎(1948)C. E. ShannonJ. Von Neuman (1903-1957)發(fā)明首臺數(shù)字計算機，創(chuàng)立Game theory 現(xiàn)代控制 二次世界大戰(zhàn)中火炮，雷達，飛機以及通訊系統(tǒng)的控制研究直接

11、推動了經典控制的發(fā)展。五十年代后興起的現(xiàn)代控制起源于冷戰(zhàn)時期的軍備競賽，如導彈(發(fā)射，操縱，指導及跟蹤)，衛(wèi)星，航天器和星球大戰(zhàn)，以及計算機技術的出現(xiàn)。(1) 蘇聯(lián)L.S. Pontryagin發(fā)表“最優(yōu)過程數(shù)學理論”，提出極大值原理(Maximum Principle)(1956)(2) 美國R. Bellman在RAND Corporation數(shù)學部的支持下，發(fā)表著名的Dynamic Programming，建立最優(yōu)控制的基礎(1957)(3) 國際自動控制聯(lián)合會(IFAC)成立(1957)，中國為發(fā)起國之一，第一屆學術會議于莫斯科召開(1960)(5) 美籍匈牙利人R. E. Kalma

12、n發(fā)表“On the General Theory of Control Systems”等論文，引入狀態(tài)空間法分析系統(tǒng)，提出能控性，能觀測性，最佳調節(jié)器和kalman 濾波等概念，奠定了現(xiàn)代控制理論的基礎(1960)(4) 世界第一顆人造地球衛(wèi)星(Sputnik)由蘇聯(lián)發(fā)射成功(1957)現(xiàn)代后控制理論 經典控制理論現(xiàn)代控制理論現(xiàn)代后控制理論Postmodern Control Theory研究對象傳遞函數(shù)狀態(tài)空間模型線性分式變換(LFT)研究內容帶寬裕度特征值方差、范數(shù)奇異值魯棒穩(wěn)定性設計/計算工具Bode圖Nyquist圖Nichols圖李亞譜諾夫方程Riccati方程線性矩陣不等式(L

13、MI)Robust and Optimal Control二、自動控制系統(tǒng)的分類 閉環(huán)控制：閉環(huán)控制： 開環(huán)控制：開環(huán)控制：1、閉環(huán)控制與開環(huán)控制、閉環(huán)控制與開環(huán)控制閉環(huán)控制閉環(huán)控制開環(huán)控制開環(huán)控制優(yōu)點優(yōu)點精度高精度高抗干擾能力強抗干擾能力強系統(tǒng)結構和調試簡單系統(tǒng)結構和調試簡單缺點缺點系統(tǒng)結構、設計和調試復雜，可能系統(tǒng)結構、設計和調試復雜，可能產生失控產生失控不穩(wěn)定不穩(wěn)定抗干擾能力差抗干擾能力差閉環(huán)控制與開環(huán)控制的比較2、伺服系統(tǒng)與定值控制系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)與定值控制系統(tǒng)3、控制系統(tǒng)的其它類型、控制系統(tǒng)的其它類型 線性系統(tǒng)與非線性系統(tǒng)。 計算機控制系統(tǒng)與模擬控制系統(tǒng)。 運動控制系統(tǒng)與過程控制系統(tǒng)。 定常系統(tǒng)與時變系統(tǒng)。三、控制系統(tǒng)的組成控制對象