第1章 自动控制系统的基本概念

《第1章 自动控制系统的基本概念》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第1章 自动控制系统的基本概念（114页珍藏版）》请在文档大全上搜索。

1、自动控制原理昆明理工大学信息工程与自动化学院自动化系1自动控制原理 昆明理工大学信息工程与自动化学院自动控制原理昆明理工大学信息工程与自动化学院自动化系2课程性质课程性质 自动控制原理自动控制原理是与所有工程技术是与所有工程技术相关的相关的技术基础课技术基础课工程中的数学。工程中的数学。基础课技术基础课未来工作知识知识学习学习能力能力培养培养工作工作能力能力自动控制原理昆明理工大学信息工程与自动化学院自动化系3课程任务课程任务 任务：任务：1.1.掌握控制系统的基本理论掌握控制系统的基本理论2.2.掌握控制系统的分析和设计方法掌握控制系统的分析和设计方法自动控制原理昆明理工大学信息工程与自动化

2、学院自动化系4课程基本内容v控制系统基本概念v物理系统建模方法v时域分析方法v复域分析方法v频域分析方法v系统校正v其他自动控制原理昆明理工大学信息工程与自动化学院自动化系5教材及主要参考书v自动控制原理 李玉惠 晋帆主编 向凤红主审 清华大学出版社 2008参考书 v自动控制原理 陈玉宏 向凤红主编 重庆大学出版社 2002v自动控制原理 王建辉 主编 清华大学出版社 2006v自动控制理论与设计 上海交大出版社 徐薇莉等vAutomatic Control SystemBenjamin C. Kuo （高教出版社 ）v现代控制工程第四版。 美Katsuhiko Ogata著，卢伯英、于海勋

3、等译，电子工业出版社，2003.7 自动控制原理昆明理工大学信息工程与自动化学院自动化系6第1章 自动控制系统的基本概念v1.1 引言 v1.2 开环控制系统和闭环控制系统v1.3 自动控制系统的基本构成v1.4 自动控制系统的分类和应用v1.5 对自动控制系统的基本要求自动控制原理昆明理工大学信息工程与自动化学院自动化系71.1 引言v 自动控制的自然系统和人造系统v 自动控制理论发展简史v 自动控制中的常用术语自动控制原理昆明理工大学信息工程与自动化学院自动化系8自动控制的自然系统和人造系统v 人体自然系统 体温控制系统 心跳控制系统 眼球聚焦系统 新陈代谢系统 血液系统 呼吸系统 肾肝肺

4、系统 这些系统持续的自动控制是我们保持健康的基本条件。 这些系统是在人们非有意识干预的情况下自动运行的。 自动控制原理昆明理工大学信息工程与自动化学院自动化系9 天体自然系统 银 河 系 的 恒 星 运 动 自动控制原理昆明理工大学信息工程与自动化学院自动化系10 季节自然系统 四 季 气 候 变 更自动控制原理昆明理工大学信息工程与自动化学院自动化系11人造系统全自动洗衣机电冰箱 电饭煲 电梯控制系统温度控制系统水位控制系统速度控制系统刹车防抱死系统 自动控制原理昆明理工大学信息工程与自动化学院自动化系12自动控制理论发展简史自动控制理论发展简史 古希腊水钟原理图（公元前300年-公元前1年

5、） 浮塞V1V2V3自动控制原理昆明理工大学信息工程与自动化学院自动化系13公元前我国的自动计时漏壶公元132年张衡研制出自动测量地震的候风地动仪自动控制原理昆明理工大学信息工程与自动化学院自动化系14公元235年马钧研制出能自动指示方向的指南车自动控制原理昆明理工大学信息工程与自动化学院自动化系15V1V2 1787年，James Watt 为控制蒸汽机速度设计的离心调节器，是自动控制领域的第一项重大成果。自动控制原理昆明理工大学信息工程与自动化学院自动化系16v但瓦特离心调速器在调速过程中存在不稳定现象（“设备变得发狂！”），当时并没有理论指导，所有的努力都集中在改进调速器本身（重量、弹簧

6、、摩擦）。 J.C.Maxwell把调节器跟调节对象合在一起，看作一个系统，1868年在论文“论调节器”中首先解释了Watt速度控制系统中出现的不稳定问题，通过线性常微分方程的建立和分析，指出了振荡现象的出现与从系统导出的一个代数方程根的分布有密切的关系，开辟了用数学方法研究控制系统运动特性的途径。自动控制原理昆明理工大学信息工程与自动化学院自动化系17v1877年 E.J.Routh和1895年 A.Hurwitz分别独立地建立了直接根据代数方程的系数判别系统稳定性的准则。v1892年A.M.Lyapunov用严格的数学分析方法全面地论述了稳定性问题,Lyapunov稳定性理论至今仍然是分析

7、系统稳定性的重要方法。v1922年，Minorsky研制出船舶操纵自动控制器，并证明了从系统的微分方程确定系统的稳定性的方法。 自动控制原理昆明理工大学信息工程与自动化学院自动化系18v1925年英国电气工程师O.亥维赛把拉普拉斯变换应用到求解电路网络的问题上，创立了运算微积分，随后被应用到分析自动控制系统的问题上，并取得了显著的成就。v早期的载波电话失真严重，解决放大器的非线性累积和无序振荡，成为电话远程传输的关键。19271927年年8 8月月，贝尔实验室的电气工程师布莱克(H.S.Black)在轮渡上的灵光一现，催生了最实用的负反馈控制装置。负反馈信号放大器获得了极好的线性度，解决电子管

8、放大器失真问题和自激振荡问题，极大地促进了电话的广泛应用。 自动控制原理昆明理工大学信息工程与自动化学院自动化系19v1932年，Nyquist提出了一种根据系统的开环频率响应(对稳态正弦输入)，确定闭环系统稳定性的方法。随后,H.W.Bode和N.B.Nichols等在20世纪30年代末和40年代初进一步发展了频率响应法。v1934年，Hezen提出了用于位置控制系统的伺服机构的概念，讨论了可以精确跟踪变化的输入信号的机电伺服机构。自动控制原理昆明理工大学信息工程与自动化学院自动化系20早期的防空火炮控制，一般需要 3 个人来实施伺服控制， （一个方位角，一个高低角，还有一个引信）。1940

9、1940年，同样来自贝尔实验室的年轻的工程师帕金森用反馈控制方法，解决了这个问题。当时，他是一个低职位的工程师，让他承担的任务是绕电位计，就在1940年春天的一个晚上，他做了一个梦。他梦到既然用电位计可以控制电压记录笔，那么，它也应该可以控制火炮的发射。他的这个梦，同样促进了自动控制技术的发展。 火炮随动控制自动控制原理昆明理工大学信息工程与自动化学院自动化系21高炮的控制系统（1945年）自动控制原理昆明理工大学信息工程与自动化学院自动化系22到了二十世纪40年代，尼可尔斯深入研究了PID（Proportion, Integral, Differential）调节问题。 他在MIT仅有的一台

10、模拟机（又叫微分分析仪）上做了大量的仿真实验，最后列出来了PID的整定表。控制工程中，有一项工作历经60多年，至今还在使用的，就是尼可尔斯编排的这个PIDPID整定表整定表。自动控制原理昆明理工大学信息工程与自动化学院自动化系23v1948年，美国科学家W.R.Evans提出了有名的根轨迹的分析方法，并于1950年进一步应用于反馈控制系统的设计，形成了与频率响应方法相对应的另一核心方法根轨迹法。v1954年，中国科学家钱学森全面地归纳总结了经典控制理论，在美国出版了国际上第一本经典控制理论的著作工程控制论工程控制论。 v1956年，前苏联科学家L.S.Pontryagin提出极大值原理。同年美

11、国数学家R.Bellman创立动态规划。极大值原理和动态规划为最优控制提供了理论工具。v1959年美国数学家R.E.Kalman提出了著名的卡尔曼滤波器，1960年又提出能控性和能观测性的概念。 自动控制原理昆明理工大学信息工程与自动化学院自动化系24v19世纪60年代，数字计算机的出现为复杂系统的基于时域分析的现代控制理论提供了可能。v从1960年到1980，确定性系统、随机系统的最佳控制，及复杂系统的自适应和学习控制，都得到充分的研究。v从1980年到现在，现代控制理论进展集中于鲁棒控制、H控制及其相关课题。自动控制原理昆明理工大学信息工程与自动化学院自动化系25v经典控制理论v现代控制理