自動控制原理第1章緒論.ppt

1、,1,教材與主要參考書,1.教材: 胡壽松自動控制原理第5版. 北京：科學(xué)出版社，2007 2. Farid Golnaraghi Benjamin C. KuoAutomatic Control Systems,Wiley,2009 3. 劉慧英,盧京潮 自動控制原理(第四版)導(dǎo)教.導(dǎo)學(xué).導(dǎo)考西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2003.11 4. Richardc.Dorf RobertH.Bishop, Modern Control Systems,12th Edition,2011,胡壽松,1937年生于南京，1960年畢業(yè)于北京航空航天大學(xué)自動制系，長期致力于控制理論與應(yīng)用的研究和教學(xué)，現(xiàn)任南

2、京航空航天大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師。近年來，主持國家自然科學(xué)基金項目6項，省部級科研項目8項，發(fā)表論文200余篇；自1961年起一直擔(dān)任“自動控制原理”課程主講，該課程被評為“2003年國家精品課程”，1980年起先后主講“現(xiàn)代控制理論”、“最優(yōu)控制理論”等8門本科及研究生課程；出版自動控制原理、自動控制原理簡明教程、最優(yōu)控制理論與系統(tǒng)等教材、專著與譯著22部，教學(xué)軟件自動控制原理電子版2套。 曾獲國家教學(xué)成果獎3項，全國高等學(xué)校優(yōu)秀教材獎1項，省部級教學(xué)成果獎、優(yōu)秀教材獎、科技進(jìn)步獎等6項；2003年榮獲首屆國家級教學(xué)名師獎。,2,3,4,第1章 自動控制的基本概念,1.0 自動控制發(fā)展簡史 1

3、.1 自動控制系統(tǒng) 1.2 自動控制系統(tǒng)的類型 1.3 對自動控制系統(tǒng)性能的基本要求 1.4 本課程的主要內(nèi)容及其相互關(guān)系,5,1.0 自動控制發(fā)展簡史,中國古代自動化方面的成就： 公元前14世紀(jì)至前11世紀(jì)，中國、埃及和巴比倫出現(xiàn)自動計時漏壺； 公元130年，張衡發(fā)明水運渾象，132年研制出自動測量地震的候風(fēng)地動儀； 公元235年，馬鈞研制出用齒輪傳動自動指示方向的指南車，類似按擾動補償?shù)淖钥叵到y(tǒng)；,6,水運渾象儀： 制作:張衡 時間:東漢 用途:用于演示渾天說思想的天文儀器。 水運渾象儀用精銅鑄成，主體是一個球體模型，代表天球。球體可以繞天軸轉(zhuǎn)動。天球的表面畫有二十八宿和各種恒星，還有赤道

4、圈、黃道圈及二十四節(jié)氣等。天球外面有兩個圓環(huán)，一個是地平圈，一個是子午圈。天軸支架在子午圈上，和地平斜交成36度，就是說北極高出地平36度，這是洛陽地區(qū)的北極仰角，也是洛陽地區(qū)的地理緯度。天球半露于地平圈之上，半隱于地平圈之下。這些設(shè)計與渾天說理論是完全一致的。張衡又利用當(dāng)時已得到發(fā)展的機械方面的技術(shù)，巧妙地把計量時間用的漏壺與渾象儀聯(lián)系起來，即以漏水為原動力，并利用漏壺的等時性，通過齒輪系的傳動，使渾象儀每日均勻地繞軸旋轉(zhuǎn)一周。這樣，渾象儀就能自動地、近似正確地把天象演示出來，并使渾象儀上的天象出沒與實際天象相吻合，幾可達(dá)到逼真的程度。水運渾象儀是世界上有明確記載的第一臺用水力發(fā)動的天文儀器

5、。通過它的演示，形象地表達(dá)了渾天說思想，從而使渾天說宇宙論得以傳播和推廣，并得到了社會的廣泛承認(rèn)。,7,中國古代自動化方面的輝煌成就： 公元725年，一行、梁令瓚發(fā)明有自動報時機構(gòu)的水運渾象，其中使用了一個天衡裝置，是一個按被調(diào)量偏差調(diào)節(jié)的自動調(diào)節(jié)器； 公元1086-1092年，蘇頌和韓公廉建造具有“天衡”自動調(diào)節(jié)和自動報時機構(gòu)的水運儀象臺； 公元l135年，宋代王普記述“蓮華漏”上使用浮子閥門式機構(gòu)自動調(diào)節(jié)漏壺的水位； 公元1637年，明代的天工開物一書中記載有程序控制思想的提花織機結(jié)構(gòu)圖。,8,世界上公認(rèn)的第一個自動控制系統(tǒng),1769年瓦特發(fā)明蒸汽機,9,飛球調(diào)節(jié)器 世界上公認(rèn)的第一個自動

6、控制系統(tǒng),1788年瓦特發(fā)明飛球調(diào)節(jié)器，進(jìn)一步推動蒸汽機的應(yīng)用，促進(jìn)了工業(yè)的發(fā)展。 推動了社會進(jìn)步是飛球調(diào)節(jié)器公認(rèn)為第一個自動控制系統(tǒng)的最主要原因！,10,沒有理論指導(dǎo)使控制技術(shù)停滯了一個世紀(jì)！,飛球調(diào)節(jié)器有時使蒸汽機速度出現(xiàn)大幅度振蕩。其它自動控制系統(tǒng)也有類似現(xiàn)象。 由于當(dāng)時還沒有自控理論，所以不能從理論上解釋這一現(xiàn)象。為了解決這個問題，盲目探索了大約一個世紀(jì)之久。,11,自動控制理論的開端,1868年英國麥克斯韋爾的“論調(diào)速器”論文指出： 不應(yīng)單獨研究飛球調(diào)節(jié)器，必須從整個系統(tǒng)分析控制的不穩(wěn)定。 建立系統(tǒng)微分方程，分析微分方程解的穩(wěn)定性，從而分析實際系統(tǒng)是否會出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象。這樣，控制系統(tǒng)

7、穩(wěn)定性的分析，變成了判別微分方程的特征根的實部的正、負(fù)號問題。 麥克斯韋爾的這篇著名論文被公認(rèn)為自動控制理論的開端。,12,經(jīng)典控制理論的孕育 1875年，英國勞斯提出代數(shù)穩(wěn)定判據(jù)。 1895年，德國赫爾維茲提出代數(shù)穩(wěn)定判據(jù)。 1892年，俄國李雅普諾夫提出穩(wěn)定性定義和兩個穩(wěn)定判據(jù)。 1932年，美國奈奎斯特提出奈氏穩(wěn)定判據(jù)。 二戰(zhàn)中自動火炮、雷達(dá)、飛機以及通訊系統(tǒng)的控制研究直接推動了經(jīng)典控制的發(fā)展。,13,經(jīng)典控制理論的形成 1948年，維納出版控制論，形成完整的經(jīng)典控制理論，標(biāo)志控制學(xué)科的誕生。 維納成為控制論的創(chuàng)始人！ 維納控制論是關(guān)于怎樣把機械元件和電氣元件組合成穩(wěn)定的并且具有特定性能

8、的系統(tǒng)的科學(xué)。這門新科學(xué)的一個非常突出的特點就是完全不考慮能量、熱量和效率等因素，可是，在其他各門自然科學(xué)中，這些因素是十分重要的。 控制論所討論的主要問題是一個系統(tǒng)的各個不同部分 之間的相互作用的定性性質(zhì)，以及整個系統(tǒng)的總體運 動狀態(tài)。,14,系統(tǒng)：有若干相互制約、相互依賴的事物組合而成的具有一定功能的整體稱為系統(tǒng)?；蛘哒f為實現(xiàn)規(guī)定功能以達(dá)到某一給定目標(biāo)而構(gòu)成的相互關(guān)聯(lián)的一組元件稱為系統(tǒng)。,15,空間技術(shù)促使現(xiàn)代控制理論的產(chǎn)生,二次世界大戰(zhàn)結(jié)束后，各國大力發(fā)展空間技術(shù)，經(jīng)典控制理論不能滿足需要，需要研究新的控制理論。,16,L.S. Pontryagin,1956年前蘇聯(lián) L.S. Pont

9、ryagin 發(fā)表“最優(yōu)過程數(shù)學(xué)理論”，提出極大值原理 解決衛(wèi)星發(fā)射過程中火箭的最優(yōu)控制問題。,17,1957年世界第一顆人造地球衛(wèi)星(Sputnik)由蘇聯(lián)發(fā)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 re

10、leased. This photo is a still from a 1967 Soviet documentary film.,K.S. Pavlovitch (1906-1966), Russian spacecraft designer and header of the Vostok and Voskhod projects.,19,1961年，蘇聯(lián)東方-號飛船載著加加林進(jìn)入人造地球衛(wèi)星軌道，人類宇航時代開始了。,1961, at the age of 27, Gagarin left the earth. It was April the 12th, 9.07 Moscow ti

11、me (launch-site, Baikonur). 108 minutes later, he was back . The 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.,宇宙哥倫布-加加林,A stamp i

12、ssued by Russia to memorize Y. Gagarin,Capsule used in first manned 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，蘇聯(lián)發(fā)射“月球”9號探測器，首次在月面軟著陸成功， 1969年，美國“阿波羅”11號把宇航員N. A. Armstrong送上月球。,N.A. Armstrong,21,美籍匈牙利人 R. E

13、. Kalman 1960 年引入狀態(tài)空間法分析系統(tǒng)，提出能控性，能觀測性，最佳調(diào)節(jié)器和kalman 濾波等概念，奠定了現(xiàn)代控制理論的基礎(chǔ)。,R. E. Kalman,22,1967年瑞典 Karl J. Astrom 提出最小二乘辯識，解決了線性定常系統(tǒng)參數(shù)估計問題和定階方法，1973年，提出了自適應(yīng)調(diào)節(jié)器，建立自適應(yīng)控制的基礎(chǔ)。1993年獲得IEEE Medal of Honor。,K. J. Astrom,23,1970年英國UMIST H.H Rosenbrock 發(fā)表State Space and Multivariable Theory 提出多變量系統(tǒng)的頻域法。 1974年加拿大

14、W.M Wonham 發(fā)表Linear Multivariable Control: A Geometric Approach。,W.M Wonham,24,現(xiàn)代控制理論促進(jìn)了空間技術(shù)的發(fā)展,現(xiàn)代控制理論在空間技術(shù)取得巨大成功，促進(jìn)了空間技術(shù)的發(fā)展。,25,1981年美國“哥倫比亞”號航天飛機首次發(fā)射成功,26,1996年第一臺火星探測器Sojourner在火星表面軟著陸,27,旅行者Voyager 一號，二號開始走出太陽系， 對茫茫太空進(jìn)行探索,28,4050年代形成 適用于SISO（單輸入單輸出）系統(tǒng) 基于：二戰(zhàn)軍工技術(shù) 目標(biāo)：反饋控制系統(tǒng)的穩(wěn)定 基本方法：傳遞函數(shù)，頻率法，PID調(diào)節(jié)器

15、(頻域),現(xiàn)代控制理論,6070年代形成 適用于MIMO （多輸入多輸出）系統(tǒng) 基于： 冷戰(zhàn)時期空間技術(shù)，計算機技術(shù) 目標(biāo)：最優(yōu)控制 基本方法：狀態(tài)空間表達(dá)式,經(jīng)典控制理論,29,現(xiàn)代控制理論在工業(yè)過程控制方面遭遇滑鐵盧，促使了智能控制技術(shù)的誕生,現(xiàn)代控制理論在空間技術(shù)取得巨大成功，但由于工業(yè)過程控制中普遍存在的不確定性和干擾，難以取得預(yù)期的效果。模擬人的控制技術(shù)智能控制，雖然不能實現(xiàn)精確的控制，但對各種復(fù)雜系統(tǒng)能夠做到比較滿意的控制。,30,1965年，Zadeh提出模糊集合和模糊控制概念。,Lofti Zadeh,31,自動化技術(shù)是當(dāng)代發(fā)展最迅速、應(yīng)用最廣泛、最引人注目的高新技術(shù)，是推動新

16、的技術(shù)革命和新的產(chǎn)業(yè)革命的關(guān)鍵技術(shù)，在某種程度上說，自動化是現(xiàn)代化的同義詞。,控制理論促進(jìn)了工業(yè)自動化的發(fā)展,BMW (德國寶馬）轎車的生產(chǎn)過程,32,現(xiàn)代自動控制系統(tǒng)的監(jiān)控與操作,33,Internet,1#子系統(tǒng) （分廠、車間）,防火墻,總公司管理系統(tǒng),2#子系統(tǒng) （分廠、車間）,N#子系統(tǒng) （分廠、車間）,遠(yuǎn)程子系統(tǒng),遠(yuǎn)程用戶,遠(yuǎn)程服務(wù),外部網(wǎng)絡(luò),內(nèi)部網(wǎng)絡(luò),核心交換機,34,35,鍋爐設(shè)備的壓力和溫度自動保持恒定 數(shù)控機床按照預(yù)定的程序自動地切削工件 導(dǎo)彈發(fā)射與制導(dǎo)系統(tǒng)，自動地使導(dǎo)彈攻擊敵方目標(biāo) 無人駕駛飛機按照預(yù)定航跡自動升降和飛行 人造衛(wèi)星準(zhǔn)確地進(jìn)入預(yù)定軌道運行并回收 自動控制技術(shù)的

17、應(yīng)用范圍已擴(kuò)展到生物、醫(yī)學(xué)、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)管理和其它許多社會生活領(lǐng)域。,自動控制的應(yīng)用,第1章 自動控制的基本概念,1.0 自動控制發(fā)展簡史 1.1 自動控制系統(tǒng) 1.2 自動控制系統(tǒng)的類型 1.3 對自動控制系統(tǒng)性能的基本要求 1.4 本課程的主要內(nèi)容及其相互間的關(guān)系,第1章 自動控制的基本概念,1.0 自動控制發(fā)展簡史 1.1 自動控制系統(tǒng) 1.2 自動控制系統(tǒng)的類型 1.3 對自動控制系統(tǒng)性能的基本要求 1.4 本課程的主要內(nèi)容及其相互間的關(guān)系,38,1.1 自動控制系統(tǒng),自動控制是在沒有人參與的情況下，系統(tǒng)的控制器自動地按照人預(yù)定的要求控制設(shè)備或過程，使之具有一定的狀態(tài)和性能。 具有自動控

18、制功能的系統(tǒng)稱為自動控制系統(tǒng)。,39,火炮自動控制系統(tǒng),40,自動控制熱力系統(tǒng),41,直流電機速度控制系統(tǒng),42,一.自動控制系統(tǒng) 由控制裝置與被控對象結(jié)合起來的，能夠?qū)Ρ豢貙ο蟮囊恍┪锢砹窟M(jìn)行自動控制的一個有機整體。 1.被控對象：要求實現(xiàn)自動控制的機器設(shè)備或生產(chǎn)過程。 2.被控制量：指被控制系統(tǒng)所要控制的物理量，一般指系統(tǒng)的輸出量。,43,3.給定值：根據(jù)生產(chǎn)要求，被控制量需要達(dá)到的數(shù)值。 4.擾動：破壞控制量與被控制量之間正常函數(shù)關(guān)系的因素。（外部擾動、內(nèi)部擾動） 5.控制裝置：能夠?qū)Ρ豢貙ο笃鹂刂谱饔玫脑O(shè)備總稱。,44,二.控制系統(tǒng)的兩種基本形式 兩種基本形式：開環(huán)控制系統(tǒng) ， 閉環(huán)控

19、制系統(tǒng) 三.開環(huán)控制系統(tǒng) 定義：只有正向作用，沒有反饋控制作用的控制系統(tǒng)。（輸出量不會對系統(tǒng)的控制作用產(chǎn)生影響）,45,例1. 直流電機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng),方框圖為：,46,四.閉環(huán)控制系統(tǒng) 定義：輸出量與輸入量之間有反向聯(lián)系，由輸入量與主反饋信號之間的偏差對輸出量進(jìn)行控制的系統(tǒng)叫閉環(huán)控制系統(tǒng)。 反饋：是把系統(tǒng)輸出量全部或一部分回送到輸入端，以增強或減弱輸入信號的效應(yīng)。,47,例2 引入反饋后的直流電機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng),48,方框圖,49,正反饋用于控制系統(tǒng)的內(nèi)回路,負(fù)反饋,正反饋,減弱輸入信號作用,檢測偏差，糾正偏差 按偏差控制,增強輸入信號作用,使系統(tǒng)的偏差越來越大(振蕩),50,五.重要概念,主反

20、饋：,前向通道：,主反饋通道：,系統(tǒng)輸出端至系統(tǒng)輸入端的信號叫主反饋信號，相應(yīng)的反饋叫主反饋。,系統(tǒng)輸入端到輸出量之間的通道。,輸出量到主反饋信號之間的通道。,局部反饋：,對應(yīng)內(nèi)回路。,51,單位反饋系統(tǒng)：,非單位反饋系統(tǒng)：,主反饋信號等于輸出量的系統(tǒng)。,主反饋信號不等于輸出量的系統(tǒng)。,主回路：,給定元件：,前向通道與主反饋通道構(gòu)成的回路。,給出與系統(tǒng)輸出量希望值相對應(yīng)的系統(tǒng)輸入量。,52,測量元件：,比較元件：,放大元件：,執(zhí)行元件：,比較系統(tǒng)的輸入量和反饋信號，并給出兩者間的偏差。,測量輸出量并轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)信號。,放大偏差信號以適應(yīng)執(zhí)行元件動作的要求。,操作被控對象，使被控量變化。,第1章

21、自動控制的基本概念,1.0 自動控制發(fā)展簡史 1.1 自動控制系統(tǒng) 1.2 自動控制系統(tǒng)的類型 1.3 對自動控制系統(tǒng)性能的基本要求 1.4 本課程的主要內(nèi)容及其相互間的關(guān)系,54,1.2 自動控制系統(tǒng)的類型,1.2.1 開環(huán)、閉環(huán)與復(fù)合控制系統(tǒng),開環(huán)控制系統(tǒng),55,開環(huán)控制系統(tǒng)的優(yōu)缺點,開環(huán)控制系統(tǒng)的應(yīng)用場合 邏輯控制 順序控制 擾動少的場合,優(yōu)點： 簡單，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性 缺點： 控制精度易受擾動影響 控制精度差（擾動存在時）,56,直流電機速度開環(huán)控制系統(tǒng),57,閉環(huán)控制系統(tǒng)或負(fù)反饋控制系統(tǒng),負(fù)反饋控制系統(tǒng)與正反饋控制系統(tǒng)的分析,58,汽車駕駛中的反饋控制過程,59,復(fù)合控制系統(tǒng),60,

22、1.2.2 線性系統(tǒng)與非線性系統(tǒng),1.2.3 連續(xù)系統(tǒng)與離散系統(tǒng),對于用微分方程描述的系統(tǒng)：若系統(tǒng)的輸入量、輸出量及其各階導(dǎo)數(shù)均為線性時，系統(tǒng)為線性系統(tǒng)。,61,1.2.4 定常系統(tǒng)與時變系統(tǒng),1.2.5 SISO系統(tǒng)和MIMO系統(tǒng),1.2.6 集中參數(shù)系統(tǒng)與分布參數(shù)系統(tǒng),時變系統(tǒng)實例： 航天器的飛行過程,第1章 自動控制的基本概念,1.0 自動控制發(fā)展簡史 1.1 自動控制系統(tǒng) 1.2 自動控制系統(tǒng)的類型 1.3 對自動控制系統(tǒng)性能的基本要求 1.4 本課程的主要內(nèi)容及其相互間的關(guān)系,63,穩(wěn),準(zhǔn),快,穩(wěn)定性是控制系統(tǒng)正常工作的先決條件。,控制精度是控制系統(tǒng)重要的性能指標(biāo)（穩(wěn)態(tài)誤差、穩(wěn)態(tài)性能）。,過渡過程時間和最大超調(diào)量是控制系統(tǒng)的動態(tài)性能指標(biāo)。,64,1.3 對自動控制系統(tǒng)性能的基本要求,1.3.1 穩(wěn)定性,65,1.3.2 穩(wěn)態(tài)性能（靜態(tài)性能）,66,1.3.3 暫態(tài)性能（動態(tài)性