第1章自動控制的基本概念(上)-v1

化工與環(huán)境學(xué)院《過程裝備與控制工程》專業(yè)陳祥光2014年3月——過程控制原理——前言◆本專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)（適合于本科工程教育專業(yè)認證）多年來，根據(jù)我國社會經(jīng)濟發(fā)展對人才的需求和行業(yè)、企業(yè)界相關(guān)技術(shù)人員的交流，對本專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)作了適當(dāng)修改，其論述如下：

培養(yǎng)目標(biāo)：適應(yīng)社會主義現(xiàn)代化建設(shè)需要，德智體美等全面發(fā)展，基礎(chǔ)扎實、理工結(jié)合、素質(zhì)全面、實踐能力和創(chuàng)造能力強的研究發(fā)展型人才。本專業(yè)培養(yǎng)具備控制工程、化學(xué)工程、機械工程等方面的知識，能在石油化工、生物化工、火化工、能源環(huán)保、食品輕工、冶金建材等領(lǐng)域，從事過程測控系統(tǒng)設(shè)計、自動化儀表開發(fā)、微計算機應(yīng)用及過程信息管理等方面的高級工程技術(shù)人才。

——前言一、本課程的性質(zhì)和地位《過程控制原理》是“過程裝備與控制工程”專業(yè)一門必修的專業(yè)基礎(chǔ)課程。

重點：在于學(xué)習(xí)分析和構(gòu)建反饋控制系統(tǒng)的基本理論和基本方法，它不僅為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)，而且又是直接為解決實際控制系統(tǒng)問題提供理論和方法的課程。二、本課程的主要任務(wù)

能夠比較系統(tǒng)地理解和掌握分析與構(gòu)建自動控制系統(tǒng)的基本理論和方法,并對系統(tǒng)的運動規(guī)律有深入的認識和正確的理解。通過本課程的學(xué)習(xí)，應(yīng)做到：1．掌握經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論的基本概念、控制系統(tǒng)的基本分析方法和設(shè)計方法。2．培養(yǎng)學(xué)生對于目前在工業(yè)過程中廣泛應(yīng)用的反饋控制有寬厚的理論基礎(chǔ)。3．為學(xué)生在生產(chǎn)實踐中進一步研究和設(shè)計控制系統(tǒng)打下扎實的基礎(chǔ)。4．理論聯(lián)系實際,跟蹤新技術(shù)的發(fā)展，增強創(chuàng)新能力。

——前言三、教學(xué)內(nèi)容及學(xué)時分配

本教學(xué)內(nèi)容分為經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論兩大部分，共10章，96學(xué)時(經(jīng)典控制部分48學(xué)時,現(xiàn)代控制部分48學(xué)時)。四、考核與成績評定

本課程采用單獨命題閉卷考試。要求學(xué)生做一定數(shù)量的練習(xí)題?？己顺煽兏鶕?jù)筆試成績、完成作業(yè)情況以及課堂學(xué)習(xí)(基本概念測試)情況進行綜合評定?！把浴把晕?、本課程的具體要求

★掌握經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論的基本概念、控制系統(tǒng)的基本分析方法和設(shè)計方法。

★在上課時，認真聽講、積極回答問題；課后按時完成一定數(shù)量的練習(xí)題。

★勤于思索、敢于提問、理論聯(lián)系實際,樹立開拓進取、勇攀科學(xué)高峰的精神?！把粤?、教科書、參考書

[1]陳祥光，黃聰明，何恩智.自動控制原理[M].北京：高等教育出版社,2009.11[2]陳祥光，黃聰明.自動控制原理及應(yīng)用[M].清華大學(xué)出版社,2011.11[2]張愛民主編.自動控制原理[M].北京：清華大學(xué)出版社,2006.[3]R.C.Dorf,R.H.Bishop著,謝紅衛(wèi)等譯.現(xiàn)代控制系統(tǒng)[M].北京:高等教育出版社,2002[4]G.F.Franklin,J.D.Powellel.FeedbackControlofDynamicsystem[M].Addision-Wesley,2002——前言六、教科書、參考書[5]胡壽松主編.自動控制原理[M].北京:科學(xué)出版社，2001[6]王詩宓等編著.自動控制理論例題習(xí)題集[M].北京:清華大學(xué)出版社，2002

—本專業(yè)的特色1.以廣義化工（包括火炸藥化工、石油化工、生物化工、冶煉、造紙、水泥、醫(yī)藥、食品、紡織等對物料進行各種物理、化學(xué)加工處理過程）為對象；2.研究廣義化工過程參數(shù)（如溫度、壓力、流量、液位、界面等）和特殊參數(shù)（如成份、濕度、密度、粘度、組份、金屬含量、非金屬含量等）在線檢測和控制；3.研究廣義化工生產(chǎn)過程（大系統(tǒng)）故障檢測、安全保護、動態(tài)數(shù)學(xué)模型、最優(yōu)化方法，研制開發(fā)工業(yè)自動化儀器儀表,實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化、智能化及網(wǎng)絡(luò)化；4.確保廣義化工生產(chǎn)過程運行在安全、高效、低耗、節(jié)能和低污染的最佳狀態(tài)?！緦I(yè)的特色——化工生產(chǎn)過程（過程控制）——化工生產(chǎn)過程（過程控制）——聚合反應(yīng)器控制系統(tǒng)（化學(xué)化工）—帶控制點的賴氨酸發(fā)酵工藝流程圖（生物化工）—某抗生素發(fā)酵罐工藝流程圖（過程控制）——第1章自動控制的基本概念

1.1簡述自動控制理論的發(fā)展1.2控制系統(tǒng)工作原理1.3自動控制系統(tǒng)的類型

1.4基本術(shù)語與概念——1.1簡述自動控制理論的發(fā)展

自動化技術(shù)的發(fā)展歷史是一部人類以自己的聰明才智延伸和擴展的歷史﹐自動化是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的結(jié)晶﹐也是信息科學(xué)發(fā)展的重要標(biāo)志,它的發(fā)展充分體現(xiàn)了科學(xué)技術(shù)的綜合作用。

古代人類在長期生產(chǎn)和生活中﹐為了減輕自己的勞動強度﹐逐漸產(chǎn)生利用自然界動力代替人力、畜力﹐以及用自動裝置代替人的部分繁難的腦力活動的愿望﹐經(jīng)過漫長歲月的探索﹐他們互不相關(guān)地創(chuàng)造出一些原始的自動裝置。

1770年，瓦特(James.Watt)發(fā)明的蒸汽發(fā)動機離心式調(diào)速機構(gòu),也是一個很好的反饋控制系統(tǒng),如圖1-1a所示?！?.1簡述自動控制理論的發(fā)展圖1-1a蒸汽發(fā)動機離心式調(diào)速機構(gòu)流量增大流量減小轉(zhuǎn)速增大轉(zhuǎn)速減小圖1-1b蒸汽發(fā)動機離心式調(diào)速機構(gòu)——1.1簡述自動控制理論的發(fā)展圖1-1c水位浮球調(diào)節(jié)器浮球上升，閥門關(guān)?。桓∏蛳陆?，閥門開大。

1868年,麥克斯威爾（J.C.Maxwell）發(fā)表了“論調(diào)節(jié)器”一文,利用線性微分方程對離心式調(diào)速機構(gòu)的動態(tài)性能進行了分析和研究。普遍認為,這是有關(guān)反饋控制理論的第一篇正式發(fā)表的研究論文。

——1.1簡述自動控制理論的發(fā)展

在1895年，勞斯（Routh）和赫爾維茨（Hurwits），把這種思想擴展到高階微分方程描述的更為復(fù)雜的系統(tǒng)，他們獨立的發(fā)現(xiàn)了，兩種著名的代數(shù)判據(jù)，以用于判斷由任意階線性定常微分方程所描述的系統(tǒng)穩(wěn)定性。

在1932年，奈奎斯特（H.Nyquist）提出一種基于系統(tǒng)開環(huán)頻率特性判別系統(tǒng)穩(wěn)定與否的判據(jù)，它能夠給出一個穩(wěn)定系統(tǒng)趨于不穩(wěn)定的程度的一種簡單度量方法，稱為奈奎斯特穩(wěn)定判據(jù)。在1948年，伊文思（W.R.Evans）根據(jù)反饋系統(tǒng)開環(huán)、閉環(huán)傳遞函數(shù)之間的內(nèi)在聯(lián)系，提出了由開環(huán)傳遞函數(shù)尋求閉環(huán)特征根（即閉環(huán)極點）的根軌跡法。——1.1簡述自動控制理論的發(fā)展把第二次世界大戰(zhàn)前后形成的、基于Laplace變換獲取系統(tǒng)（或環(huán)節(jié)）傳遞函數(shù)，基于方塊圖方法獲系統(tǒng)獲取系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，以頻率響應(yīng)和根軌跡作為設(shè)計方法的控制理論，稱為經(jīng)典控制理論。而把在1960年前后形成的、以系統(tǒng)的狀態(tài)變量描述作為數(shù)學(xué)模型，以最優(yōu)控制和卡爾曼濾波作為設(shè)計方法的控制理論，稱為現(xiàn)代控制理論。——1.1簡述自動控制理論的發(fā)展——1.1簡述自動控制理論的發(fā)展——1.1簡述自動控制理論的發(fā)展表1-1續(xù)

自動控制就是利用各類自動控制裝置和儀表代替人的操作,使生產(chǎn)過程或機器設(shè)備自動地按預(yù)定的規(guī)律運行,或使它的某些參數(shù)（如溫度壓力、流量、成分、電流、電壓、轉(zhuǎn)數(shù)等）按預(yù)定要求變化或在一定的精度范圍內(nèi)保持恒定。

一些實例如下圖所示。——1.2控制系統(tǒng)的工作原理圖1-2儲槽液位比例控制系統(tǒng)——1.2控制系統(tǒng)的工作原理圖1-3室內(nèi)加熱控制系統(tǒng)圖1-4閉環(huán)控制系統(tǒng)原理圖溫度測量部件室內(nèi)環(huán)境調(diào)節(jié)器執(zhí)行裝置——1.2控制系統(tǒng)的工作原理圖1-5防空雷達跟蹤控制系統(tǒng)——1.2控制系統(tǒng)的工作原理圖1-6某一溫度控制系統(tǒng)控制器被控對象執(zhí)行裝置測量部件——1.2控制系統(tǒng)的工作原理——1.2控制系統(tǒng)的工作原理(d)控制器轉(zhuǎn)換器執(zhí)行裝置被控對象(1)一種基于人工的反饋控制系統(tǒng)——1.2控制系統(tǒng)的工作原理圖1-7基于人工操作的液位控制系統(tǒng)設(shè)定值目測值——1.2控制系統(tǒng)的工作原理(2)一種基于控制器的反饋控制系統(tǒng)圖1-8基于控制器的液位自動控制系統(tǒng)——1.2控制系統(tǒng)的工作原理圖1-7基于人