郑州大学自动控制原理第一章PPT

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1、1 自动控制原理自动控制原理 2015. 72一、一、自动控制原理自动控制原理 与其它课程的关系与其它课程的关系自动控制自动控制原理原理电机与拖动电机与拖动电子技术电子技术线性代数线性代数微积分（含微分方程）微积分（含微分方程）复变函数、拉普拉斯变换复变函数、拉普拉斯变换电路理论电路理论大学物理（力学、热力学）大学物理（力学、热力学）电力电子技术电力电子技术各类控制系统课程各类控制系统课程3二、二、自动控制学科的特点自动控制学科的特点1应用广泛应用广泛小至电子表，大至人造卫星，几乎包括各个领域。小至电子表，大至人造卫星，几乎包括各个领域。开始开始多用于工业：压力、温度、流量、位移、湿度、多用于

2、工业：压力、温度、流量、位移、湿度、粘度自动控制粘度自动控制后来后来进入军事领域：飞机自动驾驶、火炮自动跟踪、进入军事领域：飞机自动驾驶、火炮自动跟踪、导弹、卫星、宇宙飞船自动控制导弹、卫星、宇宙飞船自动控制目前目前渗透到更多领域：大系统、交通管理、图书管渗透到更多领域：大系统、交通管理、图书管理等理等生物学系统：生物控制论、波斯顿假肢、人造器官生物学系统：生物控制论、波斯顿假肢、人造器官经济系统：模拟经济管理过程、经济控制论经济系统：模拟经济管理过程、经济控制论42日益重要日益重要v 很难想象现代生活和生产过程没有自很难想象现代生活和生产过程没有自动控制装置如何能够继续？动控制装置如何能够继

3、续？ 你敢让大型你敢让大型发电机组用人工控制来运行吗发电机组用人工控制来运行吗? 你愿意你愿意使用不能自动控制温度的电冰箱吗？使用不能自动控制温度的电冰箱吗？5v3发展迅速发展迅速从离心重锤式的简单自动机械到具有从离心重锤式的简单自动机械到具有每秒运行上亿次的每秒运行上亿次的CPU的智能机器人，的智能机器人，自动控制学科发展日新月异。自动控制学科发展日新月异。越来越复杂和越来越精确的控制要求越来越复杂和越来越精确的控制要求以及高度发展的现代科技以及高度发展的现代科技(如计算机如计算机)是是促进自动控制学科飞速发展的重要原促进自动控制学科飞速发展的重要原因。因。6 三、自动控制理论的内容三、自动

4、控制理论的内容自动控制理论自动控制理论经典控制理论经典控制理论(19世纪中叶世纪中叶-20世纪世纪50年代年代)线性线性非线性非线性根轨迹法根轨迹法频域法频域法 时域法时域法描述函数法描述函数法相平面法相平面法采样控制采样控制Z变换法变换法现代控制理论现代控制理论(60年代以来年代以来)状态反馈控制状态反馈控制最优控制最优控制智能控制智能控制预测控制预测控制自适应控制自适应控制模糊控制模糊控制大系统多层分散控制大系统多层分散控制7四、四、 自动控制理论的基本问题自动控制理论的基本问题v控制系统的分析控制系统的分析典型信号下的响应典型信号下的响应 (阶跃响应阶跃响应)数学模型数学模型 (传递函数

5、传递函数,状态方程，频率特性状态方程，频率特性)性能指标性能指标 (稳态误差稳态误差,超调量等超调量等)v控制系统的设计控制系统的设计性能要求性能要求 (性能指标性能指标,约束条件约束条件)控制器的结构和参数设计和整定控制器的结构和参数设计和整定性能校核性能校核 (计算计算,仿真仿真,实验实验)89v1.1 引言引言v1.2 自动控制系统举例及术语自动控制系统举例及术语v1.3 闭环控制和开环控制闭环控制和开环控制v1.4 自动控制系统的基本组成和分类自动控制系统的基本组成和分类v1.5 对自动控制系统的基本要求对自动控制系统的基本要求10 1.1 引言引言四个阶段四个阶段: 胚胎萌芽期胚胎萌

6、芽期 经典控制理论时期、经典控制理论时期、 现代控制理论时期、现代控制理论时期、 大系统和智能控制时期大系统和智能控制时期 一一.控制系统的发展史控制系统的发展史111.胚胎萌芽期胚胎萌芽期 十八世纪以后，蒸汽机的使用提出了调速稳定等问题十八世纪以后，蒸汽机的使用提出了调速稳定等问题十九世纪前半叶，动力使用了发电机、电动机十九世纪前半叶，动力使用了发电机、电动机促进了水利、水电站的遥控和程控的发展以及电压、电流的自动调节技术促进了水利、水电站的遥控和程控的发展以及电压、电流的自动调节技术 的发展。的发展。十九世纪末，二十世纪初，使用内燃机十九世纪末，二十世纪初，使用内燃机促进了飞机、汽车、船舶

7、、机器制造业和石油工业的发展，产生了伺服控促进了飞机、汽车、船舶、机器制造业和石油工业的发展，产生了伺服控制和过程控制。制和过程控制。 17651765年俄国人波尔祖诺夫发明了锅炉水位调节器；年俄国人波尔祖诺夫发明了锅炉水位调节器； 17841784年英国人瓦特发明了调速器，蒸汽机离心式调速器；年英国人瓦特发明了调速器，蒸汽机离心式调速器；二十世纪初第二次世界大战，军事工业发展很快二十世纪初第二次世界大战，军事工业发展很快飞机、雷达、火炮上的伺服机构，总结了自动调节技术及反馈放大器技术，飞机、雷达、火炮上的伺服机构，总结了自动调节技术及反馈放大器技术，搭起了经典控制理论的架子，但还没有形成学科

8、。搭起了经典控制理论的架子，但还没有形成学科。122. 经典控制理论时期经典控制理论时期18841884年：年：E. J. RouthE. J. Routh提出劳斯稳定性判据。提出劳斯稳定性判据。18951895年：年：A. HurwifzA. Hurwifz提出赫尔维茨稳定性判据。提出赫尔维茨稳定性判据。19321932年：年：H. NyquistH. Nyquist提出奈奎斯特稳定性判据。提出奈奎斯特稳定性判据。 19451945年：年：H. W. BodeH. W. Bode提出反馈放大器的一般设计方法。提出反馈放大器的一般设计方法。19481948年：年：EvansEvans提出并完善

9、了根轨迹法提出并完善了根轨迹法 19481948年：年：N. WienerN. Wiener发表发表控制论控制论 19541954年：钱学森在美国完成年：钱学森在美国完成工程控制论工程控制论主要内容：主要内容： 对单输入单输出系统进行分析，采用频率法、根轨迹法、相平面法、对单输入单输出系统进行分析，采用频率法、根轨迹法、相平面法、描述函数法；讨论系统稳定性的代数和几何判据以及校正网络等。描述函数法；讨论系统稳定性的代数和几何判据以及校正网络等。134. 大系统和智能控制时期大系统和智能控制时期 各学科相互渗透，要分析的系统越来越大，越来越复杂。例各学科相互渗透，要分析的系统越来越大，越来越复杂

10、。例如人工智能、智能机器人等。如人工智能、智能机器人等。 空间技术的发展提出了许多复杂控制问题，用于导弹、人空间技术的发展提出了许多复杂控制问题，用于导弹、人造卫星和宇宙飞船上。造卫星和宇宙飞船上。Kalman Kalman “控制系统的一般理论控制系统的一般理论”奠定奠定了现代控制理论的基础，解决多输入、多输出、时变参数、了现代控制理论的基础，解决多输入、多输出、时变参数、高精度复杂系统的控制问题。高精度复杂系统的控制问题。3. 现代控制理论时期现代控制理论时期14研究对象研究对象数学工具数学工具常用分析方常用分析方法法局限性局限性经典经典控制控制理论理论单输入单输入-单输单输出线性定常系出

11、线性定常系统统微分方程，微分方程，传递函数传递函数时域分析法，时域分析法，频域分析法频域分析法,根轨迹分析根轨迹分析法法对复杂多变量系统、对复杂多变量系统、时变和非线性系统时变和非线性系统无能为力无能为力现代现代控制控制理论理论多输入多输入-多输多输出变系数，非出变系数，非线性等系统线性等系统线性代数、线性代数、矩阵理论矩阵理论状态空间法状态空间法 比较繁琐（但由于比较繁琐（但由于计算机技术的的迅计算机技术的的迅速发展，这一局限速发展，这一局限性已克服性已克服)经典控制理论与现代控制理论的比较经典控制理论与现代控制理论的比较15二二.自动控制要解决的基本问题自动控制要解决的基本问题 自动控制是