《自動控制原理》課件Ch1-Introduction

機械化（

mechanization）自動化（automation）1999年，千禧年來臨之際，邊緣網站的調查：千年發(fā)明之最有哪些？自動化名列第九：為人類制造無所不能的仆人。Cloudgate（云門）,MillenniumPark,Chicago,Illinois,USA自動控制：在沒有人直接參與的情況下，采用控制裝置或機械使被控對象達到預期的目標?；靖拍钭詣踊汗I(yè)過程（加工、制造）中采用自動控制而非人工控制。BycourtesyofProf.CHMenq@OSU自動控制系統(tǒng)：能夠實現自動控制的系統(tǒng)，包括被控對象(plant)控制器(controller)自動控制：在沒有人直接參與的情況下，采用控制裝置或機械使被控對象達到預期的目標。自動控制系統(tǒng)：能夠實現自動控制的系統(tǒng)，包括基本概念

日常生活中的自動控制系統(tǒng)有哪些？電風扇，電梯，智能手機，全自動洗衣機，抽水馬桶水箱，自動取款機（ATM）,掃地機器人,自動售貨機，空調自動化：工業(yè)過程（加工、制造）中采用自動控制而非人工控制。被控對象(plant)控制器(controller)工業(yè)革命以來，人類的科技活動直接催生和發(fā)展了自動控制技術，并從中升華出寶貴的科學財富－－自動控制理論，從而奠定了控制科學與工程的理論基礎。自動控制理論的發(fā)展過程一般可分為三個階段：經典控制理論現代控制理論后現代控制理論19001950196019702000第一階段第二階段第三階段形而上者謂之道，形而下者謂之器?！兑捉洝费芯繉ο髷祵W工具分析方法局限性經典(classical)控制理論SISO線性定常系統(tǒng)微分方程傳遞函數時域法頻域法根軌跡法對復雜多變量系統(tǒng)、時變和非線性系統(tǒng)無能為力研究對象數學工具分析方法局限性經典(classical)控制理論SISO線性定常系統(tǒng)微分方程傳遞函數時域法頻域法根軌跡法對復雜多變量系統(tǒng)、時變和非線性系統(tǒng)無能為力現代(modern)控制理論MIMO變系數、非線性等系統(tǒng)線性代數矩陣理論狀態(tài)空間法基于精確數學模型，實用性、可靠性差研究對象數學工具分析方法局限性經典(classical)控制理論SISO線性定常系統(tǒng)微分方程傳遞函數時域法頻域法根軌跡法對復雜多變量系統(tǒng)、時變和非線性系統(tǒng)無能為力現代(modern)控制理論MIMO變系數、非線性等系統(tǒng)線性代數矩陣理論狀態(tài)空間法基于精確數學模型，實用性、可靠性差后現代(postmodern)控制理論大系統(tǒng)魯棒系統(tǒng)自適應系統(tǒng)模糊數學神經網絡小波變換變結構自適應模糊推理進化算法實用性有待進一步發(fā)展自動控制理論Ⅰ

(經典控制理論)

必修專業(yè)基礎課學時：80課程微信公眾號：xdAutoStudy主講：段學超、周金柱輔導：張潔主講：段學超、周金柱輔導：張潔生長于豫南伏牛山區(qū)的草根80后，游學扎根于三秦大地。以傳道授業(yè)解惑為己任，致力于有教無類的具體化、教育思想的正?；?。喜聞樂見天下莘莘學子人盡其才！院青年教師講課競賽第一名（2014）；校第十屆青年教師講課競賽二等獎（2015）；我院首個課程微信公眾號：XDAutoStudy校優(yōu)質教學質量一等獎（2016）、

二等獎（2014、2015）主頁：/xchduan自動控制理論I課程目錄第一章緒論第二章控制系統(tǒng)的數學模型第三章時域分析法第四章根軌跡法第五章頻域分析法第六章控制系統(tǒng)的設計與校正第七章非線性控制系統(tǒng)第八章采樣控制系統(tǒng)三大方法第一章緒論1.1自動控制理論發(fā)展簡史1.2自動控制的基本方式1.3控制系統(tǒng)的構成1.4控制系統(tǒng)的分類1.5典型控制系統(tǒng)1.6對自動控制系統(tǒng)的要求1.7自動控制理論的兩大任務1.1自動控制理論發(fā)展簡史

人類的文明是在認識世界和改造世界的實踐活動中積淀的，進入農耕時代以來，在3000多年的科技發(fā)展過程中，人們設計的自動控制系統(tǒng)數不勝數……自動控制理論是隨著自動控制技術產生和發(fā)展起來的，而自動控制技術則是人類長期以來改造自然、創(chuàng)造文明的產物，特別是工業(yè)生產和軍事活動的產物。公元前300年，古希臘的浮球調節(jié)器

South-pointingchariot,ScienceMuseum

inLondon,England.《三才圖會》(1609).人類歷史上邁向控制論機器的第一步?！罴s瑟作業(yè)：1.51900-1995公元236年，馬鈞制成指南車。古代中東地區(qū)使用的水鐘。公元1086年，蘇頌和韓公廉，水運儀象臺。集觀測天象的渾儀、演示天象的渾象、計量時間的漏刻和報告時刻的機械裝置于一體的綜合性觀測儀器，實際上是一座小型的天文臺。

這臺儀器的制造水平堪稱一絕，充分體現了中國古代勞動人民的聰明才智和富于創(chuàng)造的精神。蒸汽機的發(fā)明是一個漫長的過程耗煤量大，效率低；往復直線運動。1712年T.Newcomen英國鐵匠大氣壓蒸汽機，礦井排水和農田灌溉1698年T.Savery英國礦山技師蒸汽水泵，實現了商業(yè)化生產1690年D.Papin法國物理學家有活塞和汽缸的實驗性蒸汽機當氣體在一個密閉的容器中被加熱時，它的壓力會升高，如果緊接著把這些氣體釋放出來，它可以驅動一臺機器1660年R.Boyle英國馬拉半球實驗1653年O.Guericke德國缺點1769年，離心調節(jié)器（Centrifugalgovernor）JamesWatt（1736-1819）優(yōu)秀的“雙創(chuàng)”人才最早應用于工業(yè)控制的反饋控制器自動控制推動了蒸汽時代的來臨AcottonfactorynearManchesterintheUnitedKingdom.MaxwellpublishedapaperOngovernorsintheProceedingsofRoyalSociety,vol.16(1867–1868).Thispaperisconsideredacentralpaperoftheearlydaysofcontroltheory.Here"governors"referstothegovernororthecentrifugalgovernorusedtoregulatesteamengines.HarryNyquist(1889–1976)HendrikWadeBode(1905–1982)WalterR.Evans(1920–1999)1932，Nyquist穩(wěn)定判據1940，Bode將對數坐標引入頻率法1945，Bode：NetworkAnalysisandFeedbackAmplifierDesign

1948，Evans，根軌跡法（rootlocus）二十世紀最天才、最有影響力的科學家之一，控制論的創(chuàng)始人。二戰(zhàn)中從事火炮自動化研究，發(fā)明了著名的維納濾波器和隨機過程理論。兩部自傳：《昔日神童》

Ex-Prodigy:MyChildhoodandYouth《我是數學家》

IamaMathematician

1936年，清華大學訪問教授。1964年，獲得總統(tǒng)科學獎。N.Wiener(1894-1964)1948年，《控制論－或關于在動物和機器中控制和通信的科學》《控制理論——模型論還是控制論》-?韓京清控制理論

≠控制論作業(yè)：1.6人民科學家錢學森先生和《工程控制論》錢學森（1911－2009），吳越王錢镠第33世孫，祖籍浙江省杭州市臨安。世界著名科學家，空氣動力學家，中國載人航天奠基人，中國科學院及中國工程院院士，中國兩彈一星功勛獎章獲得者，被譽為“中國航天之父”“中國導彈之父”“中國自動化控制之父”和“火箭之王”，由于錢學森回國效力，中國導彈、原子彈的發(fā)射向前推進了至少20年。21世紀，機器人將取代汽車成為國家工業(yè)發(fā)展水平的標志USJapanChina國家主席習近平在2014年6月9日舉辦的中國科學院第17次、中國工程院第12次院士大會上的講話中表示，我們不僅要把我國機器人水平提高上去，而且要盡可能多地占領市場。這樣的新技術新領域還很多，我們要審時度勢、全盤考慮、抓緊謀劃、扎實推進。美女機器人ERICA大阪大學和京都大學2015機器人教師佐屋東京大學2012美女機器人Asuna2014機器人佳佳中國科學技術大學2016“機器人的奧林匹克”——DARPA機器人挑戰(zhàn)賽2015年，韓國科學技術院KAIST的DRC-HUBO奪冠達芬奇（daVinci）手術機器人微型內窺鏡機器人美國“微型鳥舍”飛行機器人，2012多種形式的工業(yè)機器人、機器狗，爬管機器人，偵察機器人機器人“四大家族”ABB瑞士Kuka德國安川電機YASKAWA日本Fanuc日本新松165KG/210KG機器人

新松陪護機器人

自動導引車（簡稱AGV）“三器”瓶頸：減速器驅動器控制器機器人與自動化（設備）的區(qū)別自動化（設備）自動化技術強調的是效率、生產率、質量以及可靠性，自動化技術著眼于在一個結構化的環(huán)境中系統(tǒng)長時間的運行，以及上述結構化環(huán)境的構建。機器人機器人技術關注的是與人進行合作的自主或半自主傳感與執(zhí)行系統(tǒng)。機器人技術研究強調的是能夠是系統(tǒng)面對非結構環(huán)境的只能與適應能力。

中國科學院沈陽自動化研究所研究員，機器人技術國家工程研究中心副主任，新松機器人自動化股份有限公司副總經理曲道奎在沈陽ICFDM2016做如下發(fā)言。吳玉祿(1962-)北京市通州區(qū)漷縣馬務村農民“機器人老爹”2010年，作品在上海世博會展出“形而下者謂之器”丁香餐廳刀削面機器人(2015)包子機器人（Baozirobot）

72歲的邢連業(yè)大爺用6年時間于2009年6月14日研制成功，能先后完成搟皮、裝餡、包制、出褶等步驟，總共只需花12秒就能“捏”出一個小籠包子。

英國《電訊報》2012年報道，中國廚師崔潤全已組建批量生產“奧特曼”刀削面機器人的公司，已售出約3000個這樣的奧特曼。他指出，經過數月研究和反復試驗，他自主設計并造出削面機器人，它每分鐘削面130根，明顯快于人類，且不用休息不要工資。TheBluefin-21autonomousunderwatervehiclewillhelpsearchformissingflightMH370.（2014）天津大學王樹新教授團隊研制的水下滑翔機（2015）響尾蛇導彈（85kg）攜帶激光制導炸彈的美軍“捕食者”無人機善守者藏于九地之下，善攻者動于九天之上，故能自保而全勝也。《孫子兵法·軍形》

第四翼龍無人機長虹-3無人機AmazonPrimeAir(30min)順豐內測“無人機送貨”，2013DHL德國首次送貨,2013賽格威和電動獨輪車——Invertedpendulum的成功應用Getmore?力平衡式壓力變送器雙閉環(huán)控制穩(wěn)壓電源磁軸承工作原理作業(yè)：1.3補充知識：我國自動控制學科的發(fā)展《中華人民共和國1956—1967科學技術發(fā)展遠景綱要》，確定自動化為優(yōu)先發(fā)展學科；（國外一般無“自動化”學科）清華大學：1956年設自動化專業(yè)，1958年建系；中科院：自動化研究所（1956），沈陽自動化所（1958）；錢學森《工程控制論》，1955年歸國，自動化進修班；1957年《自動化學報》創(chuàng)刊，1984年《控制與決策》創(chuàng)刊；1960年中國自動化學會成立，2011IEEEICRA在中國上海召開西電：1959年建自動控制系，電院、機電院分設二級學科2011年控制科學與工程（一級），控制理論與控制工程2012年一級學科排名：全國第25（清華、東北、哈工大前三）經典控制理論現代控制理論后現代控制理論19001950196019702000第一階段第二階段第三階段自動控制：在沒有人直接參與的情況下，采用控制裝置或機械使被控對象達到預期的目標。小結QUESTION？1.2自動控制的基本方式(P2)控制人工控制自動控制開環(huán)控制（順序控制）閉環(huán)控制（反饋控制）一、開環(huán)控制(Openloopcontrol,順序控制)

控制裝置與被控對象之間只有順向作用而沒有反向聯(lián)系的控制。溫度計

加熱電阻絲u~220Vk爐溫控制系統(tǒng)給定值輸出量開環(huán)控制的方框圖控制器被控對象擾動MEMS（微機械）ThermalActuatorOpenloopcontrolofMEMSthermalactuatorJouleheating——焦耳熱效應開環(huán)控制方式：信號由給定值至輸出量單向傳遞的順序控制。一定的給定值對應一定的輸出量。系統(tǒng)的控制精度取決于系統(tǒng)的標定(calibration)。對工作過程中受到的擾動或特性參數的變化無法自動補償。結構簡單，成本低廉，多用于系統(tǒng)結構參數穩(wěn)定和擾動信號可測量的場合。開環(huán)控制系統(tǒng)的特點：信號從輸入到輸出無反饋,單向傳遞。

結構簡單、成本低廉（相對性）。

控制精度不高,無法抑制系統(tǒng)內、外部擾動。例:直流電動機轉速開環(huán)控制系統(tǒng)。討論：結構特點，信號流向，工作原理，性能分析Poweramplifier順序控制時限控制次序控制條件控制全自動洗衣機、電梯、數控車床例:生產、生活中的典型開環(huán)控制模式洗滌、進水、脫水、標準洗滌例:生產、生活中的典型開環(huán)控制模式老鷹抓小雞登月飛行控制機理：1)偏差感知；2）補救措施；3）周而復始二、閉環(huán)控制(反饋控制，feedbackcontrol)二、閉環(huán)控制(反饋控制，feedbackcontrol)電動機轉速人工閉環(huán)控制系統(tǒng)反饋Poweramplifier控制目標：保持工作機械（負載）恒速運行。分析其工作原理及反饋的作用。電動機轉速自動控制系統(tǒng)Poweramplifier二、閉環(huán)控制(反饋控制，feedbackcontrol)課堂練習:判斷如下的過程控制系統(tǒng)是否為自動控制系統(tǒng)？分析其工作原理。課堂練習(續(xù)):判斷如下的過程控制系統(tǒng)是否為自動控制系統(tǒng)？分析其工作原理。反饋（feedback）：輸出量送回至輸入端并與輸入信號比較的過程負反饋（negativefeedback）：反饋的信號與輸入信號相減而使偏差越來越小二、閉環(huán)控制(反饋控制，feedbackcontrol)典型閉環(huán)系統(tǒng)的框圖（結構圖）閉環(huán)（反饋）控制:

是指控制器與控制對象之間既有順向作用又有反向聯(lián)系的控制過程【存在信號閉環(huán)!】。特點:輸出影響輸入，所以能削弱或抑制干擾；低精度元件可組成高精度系統(tǒng)；可能發(fā)生超調、振蕩，所以穩(wěn)定性很重要。二、閉環(huán)控制(反饋控制，feedbackcontrol)例：汽車定速巡航控制（Cruisecontrol）。vrvdqtplantcontroller100.1vrvdqtplantcontroller10100_Vd=100開環(huán)Vr閉環(huán)Vr情況1（上）模型十分精確10099.90情況2（下）存在建模誤差或模型攝動9099.88vrvdqtplantcontroller90.1vrvdqtplantcontroller9100_三、反饋控制的魅力1）克服內部擾動（模型不確定性，參數攝動等）三、反饋控制的魅力Vd=100開環(huán)Vr閉環(huán)Vr情況1（上）無外部擾動10099.90情況2（下）外部擾動n=2（如：風阻）8099.86vrvdqtplantcontroller100.1vrvdqtplantcontroller10100_vrvdplantcontroller100.1n_vrvdplantcontroller10100_n_2）克服外部擾動（風阻等）例：汽車定速巡航控制（Cruisecontrol）?！钥乇卦诜答伜螅∷?、開環(huán)控制與閉環(huán)控制的比較開環(huán)控制優(yōu)點結構簡單，成本低廉，工作穩(wěn)定;缺點不能自動修正控制偏差，系統(tǒng)的參數變化(內擾)以及外來的未知擾動(外擾)對控制精度影響較大。閉環(huán)控制優(yōu)點具有自動修正控制偏差的能力，可抑制元件參數變化及外界擾動引起的誤差，控制精度高。缺點結構復雜；可能出現振蕩，甚至發(fā)散。五、復合控制對于主要擾動采用適當的補償裝置實現按擾動前饋（開環(huán)）控制，同時再組成反饋控制系統(tǒng)實現按偏差反饋（閉環(huán)）控制，以消除其余擾動產生的偏差。電動機速度復合控制系統(tǒng)方框圖按擾動前饋輸入信號

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電壓放大器功率放大器電動機測速發(fā)電機電壓放大器電阻R地面應用系統(tǒng)密云站50m天線內擾？開環(huán)控制外擾？反饋控制輸入信號

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功率放大器電動機天線角度傳感器電壓放大器風速計五、復合控制五、復合控制500米射電天文望遠鏡（FAST）500米30個足球場饋源精度10毫米5m/s五、復合控制500米射電天文望遠鏡（FAST）小結控制人工控制自動控制開環(huán)控制（順序控制）閉環(huán)控制（反饋控制）1.3控制系統(tǒng)的構成(P4)

1.測量/反饋元件（旋轉編碼器，旋變，測速發(fā)電機）

2.整定/給定元件（電位器，單片機）

3.比較元件（運算電路）

4.放大元件（運算電路）

5.執(zhí)行/驅動元件（電動、液壓、氣動、壓電、生物、waxmotor）

6.校正單元/控制單元/控制器（使系統(tǒng)具有更好性能）

7.能源元件（電源）

8.被控對象（plant）1.4控制系統(tǒng)的分類(P6)

1.按照控制原理分為：開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)

2.按照數學模型分為：線性控制系統(tǒng)和非線性控制系統(tǒng)

3.按照傳送信號的性質分為：連續(xù)控制系統(tǒng)和離散控制系統(tǒng)

4.按照元件類型分為：機電控制系統(tǒng)、液壓控制系統(tǒng)、氣動控制系統(tǒng)

5.按照整定量性質分為：恒值調節(jié)系統(tǒng)（自動調節(jié)系統(tǒng)、自整定系統(tǒng)）和隨動系統(tǒng)（伺服系統(tǒng)、跟蹤系統(tǒng)）1.5對自動控制系統(tǒng)系統(tǒng)的要求(P8)穩(wěn)穩(wěn)定性

響應要收斂，這是對反饋控制系統(tǒng)提出的最基本要求?？炜焖傩詫^渡(暫態(tài))過程的形式和快慢的定量要求，屬于系統(tǒng)的動態(tài)性能。準準確性當系統(tǒng)達到穩(wěn)態(tài)后，其穩(wěn)態(tài)輸出與參考輸入所要求的期望輸出之差越小越好。TacomaNarrowBridge（1940）PierceCounty,Washington.穩(wěn)定壓倒一切！PierceCounty,Washington.穩(wěn)定壓倒一切！穩(wěn)定性：是保證控制系統(tǒng)正常工作的先決條件?？焖傩裕簞討B(tài)性能，有可量化的性能指標。準確性：穩(wěn)態(tài)值應盡量與期望值一致。tn1(a)0(b)nt0n0n1t0n(c)n0t(e)n1n0t(d)n0n1n0t(f)

(a)單調變化(b)非周期振蕩(c)發(fā)散振蕩(d)(e)收斂振蕩