上課 1-自動(dòng)控制的一般概念

自動(dòng)控制理論主講教師:凌有鑄Tel:0553―2871262

E-mail:lyz7985@歡迎任何形式的意見(jiàn)和建議!1本課程學(xué)習(xí)的基本要求：1、課前預(yù)習(xí)；2、按時(shí)完成課程專(zhuān)業(yè)；3、遵守學(xué)習(xí)紀(jì)律。1、胡壽松，自動(dòng)控制原理習(xí)題解析，科學(xué)出版社，2007。2、緒方勝?gòu)↘atsuhikoOgata），ModernControlEngineering（第4版），電子工業(yè)出版社，2007。3、MorrisDriels．LinearControlSystemEngineering．清華大學(xué)出版社，2008。4、RichardC.Dorf．ModernControlSystems(第9版)．科學(xué)出版社，2004。參考文獻(xiàn)：2第1章自動(dòng)控制的一般概念第2章控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型第3章線性系統(tǒng)的時(shí)域分析法第4章線性系統(tǒng)的根軌跡法第5章線性系統(tǒng)的頻域分析法第6章線性系統(tǒng)的校正方法第7章線性離散系統(tǒng)的分析與校正第8章非線性控制系統(tǒng)分析本課程的主要內(nèi)容：

先修課程有：《高等數(shù)學(xué)》、《積分變換》、《復(fù)變函數(shù)》、《普通物理》、《電路分析》、《模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)》、《數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)》等。

后續(xù)課程主要有：《現(xiàn)代控制理論》、《電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)》、《計(jì)算機(jī)控制技術(shù)》、《過(guò)程控制系統(tǒng)》等。3第一章自動(dòng)控制的一般概念§1.1自動(dòng)控制的基本原理與方式§1.2自動(dòng)控制系統(tǒng)示例§1.3動(dòng)控制系統(tǒng)的分類(lèi)§1.4對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求§1.5自動(dòng)控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)工具41、什么是自動(dòng)控制？什么是反饋？自動(dòng)控制對(duì)人類(lèi)活動(dòng)有何意義？2、反饋控制系統(tǒng)是怎樣實(shí)現(xiàn)控制作用的？試舉例說(shuō)明。3、自動(dòng)控制系統(tǒng)基本控制方式有哪些？各有什么特點(diǎn)？畫(huà)出其職能方框圖。4、反饋控制系統(tǒng)主要有哪幾部分組成？各組成部分有什么功能？5、試敘述電冰箱中溫度控制系統(tǒng)的控制溫度過(guò)程。6、對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求有哪些（如何評(píng)價(jià)自動(dòng)控制系統(tǒng)的優(yōu)劣）？預(yù)習(xí)思考題51、自動(dòng)控制（AutomaticControl）：所謂自動(dòng)控制是指在沒(méi)有人直接參與的情況下，利用控制裝置使被控對(duì)象或過(guò)程自動(dòng)地按預(yù)定規(guī)律運(yùn)行。自動(dòng)控制系統(tǒng)（AutomaticControlSystem）：無(wú)需人直接干預(yù)、能夠自動(dòng)達(dá)到某一控制目標(biāo)而構(gòu)成的相互關(guān)聯(lián)的一個(gè)集合體或裝置。自動(dòng)控制系統(tǒng)由控制裝置、被控對(duì)象等組成。2、采用自動(dòng)控制的目的和意義：在復(fù)雜的控制系統(tǒng)中，由于系統(tǒng)中各變量之間存在者錯(cuò)綜復(fù)雜的關(guān)系，所以就很難進(jìn)行人工操縱。特別是在人力不可能企及的場(chǎng)合、“自毀滅系統(tǒng)”中更需要自動(dòng)控制裝置。即使在簡(jiǎn)單的系統(tǒng)中，采用自動(dòng)控制器也有利于消除人工操縱造成的誤差、降低勞動(dòng)強(qiáng)度、提高生產(chǎn)率?！?.1自動(dòng)控制的基本原理與方式一、基本概念6水溫控制（人工）3、示例7水溫控制（自動(dòng)）

8水位控制（人工）9水位控制（人工）10水位控制（自動(dòng)）11Furnacetemperaturecontrolsystem（Artificial）AirFurnaceThermometerGasMixerValveOperatorDesiredtemperature12GasMixerAirValveMotorAmplifierUTPotentiometerURAmplifierFurnaceThermocoupleFurnacetemperaturecontrolsystem（Automatic）13二、自動(dòng)控制的發(fā)展簡(jiǎn)史水鐘原理圖

1、約在公元前三世紀(jì)中葉，古希臘就運(yùn)用反饋控制原理設(shè)計(jì)了浮子調(diào)節(jié)器，并應(yīng)用于水鐘和油燈中。142、在古老的風(fēng)力、水力、鐘表等機(jī)構(gòu)中，人們不自覺(jué)地應(yīng)用自動(dòng)調(diào)節(jié)原理。十八世紀(jì)是蒸氣機(jī)取得突破發(fā)展的時(shí)期。巴本蒸汽機(jī)：法國(guó)數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家巴本（D.Papin，1647—1712）于1690年在德國(guó)發(fā)明了第一部活塞式蒸汽機(jī)，但巴本設(shè)計(jì)的蒸汽機(jī)卻從來(lái)沒(méi)有在生產(chǎn)中發(fā)揮作用，他的蒸汽機(jī)所派上的唯一實(shí)際的用場(chǎng)就是把水抽到宮殿頂部的水箱中來(lái)為宮殿下的噴泉供水。此時(shí)巴本是德國(guó)馬堡大學(xué)（Philipps-UniversityMarburg）的數(shù)學(xué)教授。塞維利蒸汽機(jī)：英國(guó)工程師塞維利（T.Savery，1650—1715）1698年制造了一種無(wú)活塞式蒸汽機(jī)用于排除礦井中的積水（礦井抽水的代價(jià)高，一個(gè)礦廠用500頭馬）。塞維利將他的機(jī)器命名為“礦工之友”。因?yàn)槿S利的蒸汽機(jī)不僅熱效率非常低，提升水的高度非常有限，而且很容易發(fā)生爆炸事故，這使得塞維利的機(jī)器一直無(wú)法打開(kāi)市場(chǎng)。紐科門(mén)蒸汽機(jī)：英國(guó)鐵匠紐科門(mén)（T.Newcomen，1663—1729）于1712年制成了較為實(shí)用的蒸汽機(jī)，他綜合了巴本的汽缸活塞和塞維利能形成真空的凝氣器裝置的優(yōu)點(diǎn)，研制了第一臺(tái)包括工作機(jī)、動(dòng)力機(jī)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的以三環(huán)節(jié)、分立性為特征的機(jī)器，比塞維利機(jī)的效率提高了5倍。這臺(tái)蒸汽機(jī)的汽缸活塞直徑為30.48厘米，每分鐘往復(fù)12次，功率為5.5馬力。但熱效率低，燃料消耗量大，僅適用于煤礦等燃料充足的地方，主要用途仍然是排除礦坑中的積水。15瓦特蒸汽機(jī)：詹姆斯·瓦特（JamesWatt，1736—1819）是一個(gè)制造教學(xué)儀器的工匠。1757年瓦特被格拉斯哥大學(xué)（UniversityofGlasgow）雇傭?yàn)榻叹咧谱骱托蘩砑脊ぁ?764年在修理紐可門(mén)蒸汽機(jī)時(shí)，注意到它的缺點(diǎn)，找出了其效率低的主要原因：除了漏汽、散熱等造成熱量的浪費(fèi)外，主要缺陷在于每一沖程都要用冷水將汽缸冷卻一次，從而耗了大量熱量，使絕大部分蒸汽沒(méi)有被有效利用。針對(duì)這一缺陷，瓦特提出了減少蒸汽消耗，提高熱機(jī)效率的兩項(xiàng)措施：一是為了使汽缸始終保持蒸汽所必須具有的溫度，必須在汽缸外加上絕熱外套或通以蒸汽或用其它方法對(duì)汽缸加熱；二是使作功后的蒸汽盡可能快地冷卻，液化成水并要使這一過(guò)程在汽缸外進(jìn)行，為此必須設(shè)置一個(gè)獨(dú)立于汽缸的冷凝器，在機(jī)械傳動(dòng)方面也要改進(jìn)。并于1765年發(fā)明了設(shè)有與汽缸壁分開(kāi)的凝汽器的蒸汽機(jī)，于1769年取得了英國(guó)的專(zhuān)利。在1782年，瓦特發(fā)明了具有連桿、飛輪和離心調(diào)速器的雙動(dòng)作蒸汽機(jī)，制成了新的可實(shí)用的蒸汽機(jī)。這種雙動(dòng)作式蒸汽機(jī)，把閥門(mén)安裝得可利用蒸汽的壓力來(lái)推動(dòng)活塞，既可向前又可向后。并借助連桿和飛輪把活塞的直線運(yùn)動(dòng)變成了圓周運(yùn)動(dòng)。1788年為了保持蒸汽機(jī)的勻速運(yùn)轉(zhuǎn)，他把一個(gè)離心調(diào)速器連接在進(jìn)汽閥門(mén)上，使其自動(dòng)調(diào)節(jié)進(jìn)汽量。這種裝置稱(chēng)為“蒸氣機(jī)離心調(diào)速器”是最早在技術(shù)上使用的自動(dòng)控制器。16173、1868年以前，自控裝置和系統(tǒng)的設(shè)計(jì)還處于直覺(jué)階段，沒(méi)有系統(tǒng)的理論指導(dǎo)，因此在控制系統(tǒng)的各項(xiàng)性能（如穩(wěn)、準(zhǔn)、快）的協(xié)調(diào)控制方面經(jīng)常出現(xiàn)問(wèn)題。1868年，英國(guó)物理學(xué)Maxwell針對(duì)蒸汽機(jī)在某些條件下轉(zhuǎn)速會(huì)發(fā)生振蕩的問(wèn)題，在“OnGovernors”論文中用常系數(shù)線性微分方程描述了調(diào)速器—蒸汽機(jī)—負(fù)荷系統(tǒng)，指出系統(tǒng)穩(wěn)定性取決于特征方程的根是否具有負(fù)的實(shí)部，開(kāi)辟了用數(shù)學(xué)方法研究控制系統(tǒng)的途徑。4、1877年，英國(guó)數(shù)學(xué)家Routh提出了根據(jù)多項(xiàng)式的系數(shù)決定多項(xiàng)式在右半平面的根的數(shù)目（ATreatiseontheStabilityofMotion），從而可不求系統(tǒng)微分方程的根亦可判別系統(tǒng)的穩(wěn)定性。5、1892年，俄羅斯數(shù)學(xué)力學(xué)家Lyapunov在其博士論文（TheGeneralProblemoftheStabilityofMotion）提出了為當(dāng)今學(xué)術(shù)界廣為應(yīng)用且影響巨大的李亞普諾夫方法。6、1895年，瑞士數(shù)學(xué)家Hurwitz在不了解Routh工作的情況下（Ontheconditionsunderwhichanequationhasonlyrootswithnegativerealparts），獨(dú)立給出了根據(jù)多項(xiàng)式的系數(shù)決定多項(xiàng)式的根是否都具有負(fù)實(shí)部的另一中方法。187、1928年，在美國(guó)電話電報(bào)公司（AT&T）Bell實(shí)驗(yàn)室工作的Black在從事電子管放大器的失真和不穩(wěn)定問(wèn)題研究過(guò)程中，提出了負(fù)反饋放大器并對(duì)其進(jìn)行了數(shù)學(xué)分析。8、20世紀(jì)30年代，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室建設(shè)一個(gè)長(zhǎng)距離電話網(wǎng)，需要配置高質(zhì)量的高增益放大器。在使用中，發(fā)現(xiàn)該放大器在一些條件下會(huì)變得不穩(wěn)定，從而變?yōu)檎袷幤鳌?932年，Nyquist發(fā)表了論文“Regenerationtheory”，建立了頻率域分析和設(shè)計(jì)方法。其不僅可以判斷系統(tǒng)是否穩(wěn)定，而且還可以判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定裕量。9、1940年，Bode引入了半對(duì)數(shù)坐標(biāo)系，使頻率特性的繪制工作更加適用于工程設(shè)計(jì)。10、1942年，Harris引入了傳遞函數(shù)的概念，使頻率域更加抽象化，因而也更有普遍意義。傳遞函數(shù)是在Laplace變換的基礎(chǔ)上引入的。11、1942年，Ziegler和Nicholsti提出PID參數(shù)的最佳調(diào)整法。12、1948年，Evans提出了根軌跡法（GraphicalAnalysisofControlSystem，ControlSystemSynthesisbyRootLocusMethod）。頻域法和根軌跡法構(gòu)成了經(jīng)典控制理論的主要內(nèi)容。1913、在脈沖控制理論領(lǐng)域，首先作出重要貢獻(xiàn)的是乃奎斯特和香農(nóng)(ClaudeElwoodShannon，1916-2001)。乃氏首先證明把正弦信號(hào)從它的采樣值復(fù)現(xiàn)出來(lái)，每周期至少必須進(jìn)行兩次采樣。香農(nóng)于1949年完全解決了這個(gè)問(wèn)題（通訊的數(shù)學(xué)理論，AMathematicalTheoryofCommunication，TheBellSystemTechnicalJournal,Vol.XXVIIJuly,1948No3；噪聲中的通訊CommunicationinPresenceofNoise.Proc.IRE,37,10-21，奠定了信息論基礎(chǔ)）。拉格茲尼（J.R.Ragazzini）和扎德（L.A.Zadeh）于1952年分別提出和定義了Z變換方法，并在此基礎(chǔ)上發(fā)展起脈沖控制系統(tǒng)理論。14、1948年，Wiener的《控制論，或關(guān)于在動(dòng)物和機(jī)器中控制和通訊的科學(xué)》（CyberneticsorControlandCommunicationintheanimalandthemachines）的出版，標(biāo)志著控制論的正式誕生。經(jīng)典控制理論控制對(duì)象：?jiǎn)屋斎雴屋敵?、線性、定常控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)工具：積分變換等解決的問(wèn)題：系統(tǒng)的穩(wěn)定性控制思想：間接控制20二次世界大戰(zhàn)中的雷達(dá)、火炮、飛機(jī)以及通訊系統(tǒng)的控制研究直接推動(dòng)了控制理論的發(fā)展。經(jīng)典控制理論的方法基本上能滿足第二次世界大戰(zhàn)中軍事技術(shù)上的需要和戰(zhàn)后工業(yè)發(fā)展上的需要。五十年代后冷戰(zhàn)時(shí)期的軍備競(jìng)賽，如導(dǎo)彈（發(fā)射、操縱、制導(dǎo)、跟蹤）、衛(wèi)星、航天器和星球大戰(zhàn)，空間技術(shù)迅速發(fā)展，迫切需要解決多變量系統(tǒng)的最優(yōu)控制問(wèn)題（諸如把宇宙火箭和人造衛(wèi)星用最少燃料或最短時(shí)間準(zhǔn)確地發(fā)射到預(yù)定軌道一類(lèi)的控制問(wèn)題）。在多變量系統(tǒng)中，特別是對(duì)非線性、時(shí)變系統(tǒng)，經(jīng)典控制理論的方法有其局限性。另外計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展加速了現(xiàn)代控制理論的興起。到60年代初，一套以狀態(tài)空間法（1958年，Kalman）、極大值原理（1956年，Pontryagin）、動(dòng)態(tài)規(guī)劃（1957年，Bellman）、卡爾曼-布什濾波為基礎(chǔ)的分析和設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的新的原理和方法已經(jīng)確立，這標(biāo)志著現(xiàn)代控制理論的形成?，F(xiàn)代控制理論控制對(duì)象：多輸入多輸出、非線性、時(shí)變控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)工具：微分方程、矩陣?yán)碚摰冉鉀Q的問(wèn)題：系統(tǒng)的最優(yōu)性控制思想：直接控制21三、自動(dòng)控制的基本方式

1、按給定值操縱的開(kāi)環(huán)控制：系統(tǒng)的輸出端與輸入端之間不存在反饋回路，輸出量對(duì)系統(tǒng)的控制作用沒(méi)有影響的控制方式稱(chēng)為開(kāi)環(huán)控制。職能方框圖（方塊圖）

22例、水位控制系統(tǒng)23例、爐溫控制系統(tǒng)24開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)：1）無(wú)反饋環(huán)節(jié)，系統(tǒng)輸出量對(duì)控制作用無(wú)影響，控制裝置只按給定值來(lái)控制受控對(duì)象；2）控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，相對(duì)來(lái)說(shuō)成本低；3）對(duì)可能出現(xiàn)的被控量偏離給定值的偏差沒(méi)有任何修正能力，抗干擾能力差，控制精度不高。252、按干擾補(bǔ)償