自动控制原理第1章_绪论.

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1、E-mail:国国 家家 精精 品品 课课 程程自动控制原理自动控制原理主讲人：主讲人： 王王 万万 良良自动控制原理国家精品课程 浙江工业大学自动化研究所2导 读为什么要介绍本章?自动化技术几乎渗透到国民经济的各个领域及社会生活的各个方面，是当代发展最迅速、应用最广泛、最引人注目的高科技，是推动新的技术革命和新的产业革命的关键技术，在某种程度上说，自动化是现代化的同义词。自动控制原理研究分析、设计自动控制系统的基本方法。本章主要讲什么内容?从介绍自动控制的发展历史入手，引出自动控制理论分析、设计自动控制系统的基本思想，然后介绍自动控制的基本概念，以及对自动控制系统的基本要求，使读者对自动控制

2、理论的总的目标有个大致的了解。第第1 1章章 自动控制的基本概念自动控制的基本概念自动控制原理国家精品课程 浙江工业大学自动化研究所3第第1 1章章 自动控制的基本概念自动控制的基本概念 1.0 1.0 自动控制发展简史自动控制发展简史 1.1 1.1 自动控制系统自动控制系统 1.2 1.2 自动控制系统的类型自动控制系统的类型 1.3 1.3 对自动控制系统性能的基本要求对自动控制系统性能的基本要求 1.4 1.4 本课程的主要内容及其相互关系本课程的主要内容及其相互关系自动控制原理国家精品课程 浙江工业大学自动化研究所41.0 自动控制发展简史中国古代自动化方面的成就：中国古代自动化方面

3、的成就： 公元前公元前1414世纪至前世纪至前1111世纪，中国、世纪，中国、埃及和巴比伦出现埃及和巴比伦出现自动计时漏壶自动计时漏壶； 公元公元130130年，张衡年，张衡(78-139,(78-139,东汉东汉) )发明水运浑象，发明水运浑象，132132年研制出年研制出自动自动测量地震的候风地动仪测量地震的候风地动仪； 公元公元235235年，马钧研制出用齿轮传年，马钧研制出用齿轮传动自动指示方向的动自动指示方向的指南车指南车，类似，类似按扰动补偿的自控系统；按扰动补偿的自控系统；自动控制原理国家精品课程 浙江工业大学自动化研究所5中国古代自动化方面的辉煌成就：中国古代自动化方面的辉煌成

4、就： 公元公元725年，一行、梁令瓒发明有自动报时机构的年，一行、梁令瓒发明有自动报时机构的水运浑象水运浑象，其中使用了一个天衡装置，是一个按，其中使用了一个天衡装置，是一个按被调量偏差调节的自动调节器；被调量偏差调节的自动调节器； 公元公元1086-1092年，苏颂和韩公廉在开封建成年，苏颂和韩公廉在开封建成“水水运仪象台运仪象台”,把时钟机械和观测用浑仪结合起来，把时钟机械和观测用浑仪结合起来，这比西方罗伯特这比西方罗伯特.胡克早六个世纪胡克早六个世纪 ； 公元公元l135年，宋代王普记述年，宋代王普记述“莲华漏莲华漏”上使用浮上使用浮子子阀门式机构阀门式机构自动调节漏壶的水位自动调节漏壶

5、的水位； 公元公元1637年，明代的年，明代的天工开物天工开物一书中记载有一书中记载有程序控制思想的程序控制思想的提花织机提花织机结构图。结构图。 自动控制原理国家精品课程 浙江工业大学自动化研究所6十八世纪，各种动力装置成为人们研究的重点。十八世纪，各种动力装置成为人们研究的重点。1750年，安得鲁年，安得鲁. 米克尔米克尔(1719-1811)发明发明风车扇尾传动装置风车扇尾传动装置，使风车自动地面向风。使风车自动地面向风。威廉威廉. 丘比特对自动开合的百叶窗式翼板进行改进，使其能丘比特对自动开合的百叶窗式翼板进行改进，使其能够自动地调整风车的传动速度。这种可调整的调节器在够自动地调整风车

6、的传动速度。这种可调整的调节器在1807年取的专利权。年取的专利权。托马斯托马斯.米德和斯蒂芬米德和斯蒂芬.胡泊分别于胡泊分别于 1787年和年和1789年获得年获得风车风车离心调速器离心调速器的专利权。的专利权。1765年俄国的波尔祖诺夫发明了蒸汽机锅炉的水位年俄国的波尔祖诺夫发明了蒸汽机锅炉的水位自动调节器。自动调节器。这在俄国被认为是世界上第一个自动这在俄国被认为是世界上第一个自动调节器。调节器。 国外古代自动化方面的辉煌成就：国外古代自动化方面的辉煌成就：自动控制原理国家精品课程 浙江工业大学自动化研究所7世界上公认的第一个自动控制系统世界上公认的第一个自动控制系统英国格拉斯哥大学的仪

7、器修理工瓦特在英国格拉斯哥大学的仪器修理工瓦特在纽可门蒸汽机汽缸外增加了冷凝器，纽可门蒸汽机汽缸外增加了冷凝器，1769年他的年他的“在火力机中减少蒸汽和燃在火力机中减少蒸汽和燃料消耗的一种新方法料消耗的一种新方法”专利获得批准。专利获得批准。1774年瓦特制成新型单向蒸汽机，年瓦特制成新型单向蒸汽机，1781年将往返运动改成旋转运动，年将往返运动改成旋转运动，1782年改进为双向作用蒸汽机。年改进为双向作用蒸汽机。马克思的马克思的资本资本论论评价为评价为“才才找到一种原动找到一种原动机机”。自动控制原理国家精品课程 浙江工业大学自动化研究所8飞球调节器飞球调节器世界上公认的第一个自动控制系统

8、世界上公认的第一个自动控制系统 图 1.1 飞球调节器原理图 关 汽阀联结器 开 调节器轴 套环 汽轮机轴 1788年瓦特发明飞球年瓦特发明飞球调节器，进一步推动调节器，进一步推动蒸汽机的应用，促进蒸汽机的应用，促进了工业的发展。了工业的发展。 推动了社会进步是飞推动了社会进步是飞球调节器公认为第一球调节器公认为第一个自动控制系统的最个自动控制系统的最主要原因！主要原因！自动控制原理国家精品课程 浙江工业大学自动化研究所9没有理论指导使控制技术停滞了一个世纪！没有理论指导使控制技术停滞了一个世纪！ 飞球调节器有时使蒸汽机速度出现大幅度飞球调节器有时使蒸汽机速度出现大幅度振荡。其它自动控制系统也

9、有类似现象。振荡。其它自动控制系统也有类似现象。 由于当时还没有自控理论，所以不能从理由于当时还没有自控理论，所以不能从理论上解释这一现象。论上解释这一现象。 为了解决这个问题，盲目探索了大约一个为了解决这个问题，盲目探索了大约一个世纪之久。世纪之久。 自动控制原理国家精品课程 浙江工业大学自动化研究所10自动控制理论的开端自动控制理论的开端 1868年英国麦克斯韦尔的年英国麦克斯韦尔的“论调速器论调速器”论文指出：论文指出： 不应单独研究飞球调节器，必须从整个系统分析控不应单独研究飞球调节器，必须从整个系统分析控制的不稳定。制的不稳定。 建立系统微分方程，分析微分方程解的稳定性，从建立系统微

10、分方程，分析微分方程解的稳定性，从而分析实际系统是否会出现不稳定现象。而分析实际系统是否会出现不稳定现象。 这样，控制系统稳定性的分析，变成了判别微分方这样，控制系统稳定性的分析，变成了判别微分方程的特征根的实部的正、负号问题。程的特征根的实部的正、负号问题。 麦克斯韦尔的这篇论文被公认为自动控制理论的开麦克斯韦尔的这篇论文被公认为自动控制理论的开端。端。自动控制原理国家精品课程 浙江工业大学自动化研究所111875年，英国劳斯（年，英国劳斯（1831- 1907）提出代数稳定判据。）提出代数稳定判据。约在约在1875年，年，Maxwell担任了剑桥担任了剑桥Adams Prize的评奖委员。

11、这的评奖委员。这项两年一次的奖授予在该委员会所选科学主题方面竟争的最佳项两年一次的奖授予在该委员会所选科学主题方面竟争的最佳论文。论文。1877年该项奖的主题是年该项奖的主题是“运动的稳定性运动的稳定性”。E.J.Routh在这项竟赛中以其跟据多项式的系数决定多项式在右在这项竟赛中以其跟据多项式的系数决定多项式在右半平面的根的数目的论文夺得桂冠。半平面的根的数目的论文夺得桂冠。Routh的这一成果现在被称为劳斯判据。的这一成果现在被称为劳斯判据。Routh工作的意义在于开始建立有关动态稳定性的系统理论。工作的意义在于开始建立有关动态稳定性的系统理论。 1895年，瑞士数学家赫尔维兹提出另外一种