自控原理ppt-96-01

1、自动控制原理自动控制原理西北工业大学自动化学院西北工业大学自动化学院 自自 动动 控控 制制 原原 理理 教教 学学 组组 2014-09-02自我介绍自我介绍陈澜陈澜件课件: : (feikong)办公室：办公室： 自动化学院自动化学院 209自动控制原理自动控制原理教学过程方框图教学过程方框图课程学习有关事宜课程学习有关事宜（1）用本校出版社最新出版的）用本校出版社最新出版的自动控制原理自动控制原理教材教材（2）每周二课后收作业（下周开始），用单页纸）每周二课后收作业（下周开始），用单页纸（5）务必认真做作业（占）务必认真做作业（占30%成绩）成绩）（3）各班选出

2、一位课代表，负责作业收发等相关事宜）各班选出一位课代表，负责作业收发等相关事宜（4）下次课请各位课代表将姓名、联系方式及课表告诉我）下次课请各位课代表将姓名、联系方式及课表告诉我（6）有意见或建议请转达，有问题及时反馈）有意见或建议请转达，有问题及时反馈（7）课程教学资源：）课程教学资源：西工大主页西工大主页 / 教育教学教育教学 / 精品课程精品课程 / 国家精品课程国家精品课程/ 自动控制原理首页自动控制原理首页 / 网络资源网络资源 / 自动控制原理精品课网站资源自动控制原理精品课网站资源西工大主页西工大主页 /西工大主页西工大主页 / 教育教学教育教学 / 精品课程精品课程 / 国家精

3、品课程国家精品课程 / 自动控制原理首页自动控制原理首页 / 网络资源网络资源 / 1. 1.教学大纲教学大纲 2.2.教学日历教学日历 3.3.教材内容教材内容 4.4.习题解答习题解答 5.5.试题及评分标准试题及评分标准 6.6.教学录像教学录像 7.7.电子讲稿电子讲稿 8.8.电子课件电子课件 9.9.辅助教学软件辅助教学软件10.10.网络课程网络课程11.11.网上自测网上自测12.12.网上留言网上留言13.13.实验指导实验指导14.14.参考文献参考文献15.15.辅助工具辅助工具16.16.相关链接相关链接自动控制原理自动控制原理第一章第一章 自动控制的一般概念自动控制的

4、一般概念 1.1 1.1 引言引言 1.2 1.2 自动控制理论发展概述自动控制理论发展概述 1.3 1.3 自动控制和自动控制系统的基本概念自动控制和自动控制系统的基本概念 自动控制系统的原理与应用自动控制系统的原理与应用(1) 自动控制系统的原理与组成自动控制系统的原理与组成(2) 自动控制技术的应用自动控制技术的应用 电视教学片电视教学片第第1章章 自动控制的一般概念自动控制的一般概念1.2 自动控制理论的发展概述自动控制理论的发展概述 自动控制成为一门科学是从自动控制成为一门科学是从1945发展起来的发展起来的开始多用于工业：压力、温度、流量、位移、湿度、粘度自动控制开始多用于工业：压

5、力、温度、流量、位移、湿度、粘度自动控制后来进入军事领域：飞机自动驾驶、火炮自动跟踪、导弹、卫星、宇后来进入军事领域：飞机自动驾驶、火炮自动跟踪、导弹、卫星、宇宙飞船自动控制宙飞船自动控制目前渗透到更多领域：大系统、交通管理、图书管理等目前渗透到更多领域：大系统、交通管理、图书管理等生物学系统：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 提高生产率和产品质量、降低成本、提高经济效提高生产率和产品质量、降低成本、提高经济效益、改善劳动条件。益、改善劳动条件。 四个阶段四个阶段: 1) 胚

6、胎萌芽期（1945年以前）北宋时代利用天衡装置制造水运仪象台 1086-10891086-1089年我国利用负反馈构成闭环非线性自动控制系统年我国利用负反馈构成闭环非线性自动控制系统十八世纪以后，蒸汽机的使用提出了调速稳定等问题 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 17881788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 18771877年产生了古氏判据和劳斯稳定判据年产生了古氏判据和劳斯稳定判据十九世纪前半叶，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

7、自动调节促进了水利、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技术的发展十九世纪末，二十世纪初，使用内燃机 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控制和过程控制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。技术，搭起了经典控制理论的架子，但还没有形成学科。2）经典控制理论时期（1940-1960） 18771877

8、年和年和18951895年英国劳斯和德国古儿维茨建立了根据代数方程的系数判年英国劳斯和德国古儿维茨建立了根据代数方程的系数判别系统稳定性的准则，奠定了经典控制理论中时域分析法的基础；别系统稳定性的准则，奠定了经典控制理论中时域分析法的基础； 19321932年美国奈奎斯特运用复变函数理论建立了以频率特性为基础的稳定年美国奈奎斯特运用复变函数理论建立了以频率特性为基础的稳定性判据，奠定了频率响应法的基础；性判据，奠定了频率响应法的基础； 19481948年美国伊万思创立了根轨迹分析方法，为分析系统性能随系统参数年美国伊万思创立了根轨迹分析方法，为分析系统性能随系统参数变化的规律性提供了有力工具；

9、变化的规律性提供了有力工具； 经典控制理论以传递函数作为描述系统的数学模经典控制理论以传递函数作为描述系统的数学模型，以时域分析法、根轨迹法和频率分析法为主要分型，以时域分析法、根轨迹法和频率分析法为主要分析工具，对单输入单输出系统进行分析。析工具，对单输入单输出系统进行分析。3）现代控制理论时期（二十世纪50年代末-60年代初） 18921892前苏联李雅普诺夫创立的稳定性理论被引用到控制中；前苏联李雅普诺夫创立的稳定性理论被引用到控制中； 19561956前苏联庞特里亚金提出极大值原理；前苏联庞特里亚金提出极大值原理； 19561956年美国贝尔曼创立了动态规划；年美国贝尔曼创立了动态规划

10、； 19591959年美国卡尔曼提出了著名的卡尔曼滤波器及系统的可控性和可观测年美国卡尔曼提出了著名的卡尔曼滤波器及系统的可控性和可观测性问题，奠定了现代控制理论的基础。性问题，奠定了现代控制理论的基础。 现代控制理论主要以状态方程作为描述系统的数现代控制理论主要以状态方程作为描述系统的数学模型、以最优控制和卡尔曼滤波为核心的分析、设学模型、以最优控制和卡尔曼滤波为核心的分析、设计方法，适用于多变量、非线性、时变系统。计方法，适用于多变量、非线性、时变系统。 为了解决在工业过程中所遇到的被控对象越来越复杂，精确状态空间为了解决在工业过程中所遇到的被控对象越来越复杂，精确状态空间模型不易建立，模

11、型参数不确定等问题，科学家们不懈努力，近几十年中不模型不易建立，模型参数不确定等问题，科学家们不懈努力，近几十年中不断提出一些新的控制方法和理论。例如，自适应控制，模糊控制，预测控制，断提出一些新的控制方法和理论。例如，自适应控制，模糊控制，预测控制，容错控制，鲁棒控制，非线性控制和大系统、复杂系统控制等。容错控制，鲁棒控制，非线性控制和大系统、复杂系统控制等。 4）大系统和智能控制时期 （二十世纪70年代） 各学科相互渗透，要分析的系统越来越大，越来越复杂。例人工智能、专各学科相互渗透，要分析的系统越来越大，越来越复杂。例人工智能、专家系统、神经网络、遗传算法、模拟人的人脑功能、机器人等。家

12、系统、神经网络、遗传算法、模拟人的人脑功能、机器人等。自动控制理论发展简史自动控制理论发展简史 经典控制理论经典控制理论 ( 20世纪初世纪初 ) 时域法时域法 复域法复域法 (根轨迹法根轨迹法) 频域法频域法 现代控制理论现代控制理论 ( 20世纪世纪60年代年代 ) 线性系统线性系统 自适应控制自适应控制 最优控制最优控制 鲁棒控制鲁棒控制 最佳估计最佳估计 容错控制容错控制 系统辨识系统辨识 集散控制集散控制 大系统复杂系统大系统复杂系统 智能控制理论智能控制理论 ( 20世纪世纪70年代年代 ) 专家系统专家系统 模糊控制模糊控制 神经网络神经网络 遗传算法遗传算法1.3 自动控制和自

13、动控制系统的基本概念自动控制和自动控制系统的基本概念1 1）控制控制: :对生产过程或者机器设备的某些物理量进行操纵，对生产过程或者机器设备的某些物理量进行操纵，使其维持在某个数值附近或者按照一定规律变化，这种操作使其维持在某个数值附近或者按照一定规律变化，这种操作通常称为控制。通常称为控制。2 2）自动控制自动控制: : 在无人直接参与的情况下，利用控制装置，在无人直接参与的情况下，利用控制装置，使工作机械、或生产过程使工作机械、或生产过程（被控对象）（被控对象）的某一个物理量的某一个物理量（被（被控量）控量）按预定的规律按预定的规律（给定量）（给定量）运行。运行。3 3）自动控制理论自动控

14、制理论: :是研究自动控制系统组成，进行系统分析是研究自动控制系统组成，进行系统分析设计的一般性理论。设计的一般性理论。4) 4) 自动控制系统自动控制系统: :是指由控制装置与被控对象结合起来的，是指由控制装置与被控对象结合起来的，能够对被控对象的一些物理量进行自动控制的一个有机整体。能够对被控对象的一些物理量进行自动控制的一个有机整体。1.3 自动控制和自动控制系统的基本概念自动控制和自动控制系统的基本概念5 5）被控对象：被控对象：要求实现自动控制的机器设备或生产过程。要求实现自动控制的机器设备或生产过程。6 6）被控制量：被控制量：指被控制系统所要控制的物理量，一般指系指被控制系统所要

15、控制的物理量，一般指系 统的输出量。统的输出量。7 7）给定值：给定值：根据生产要求，被控制量需要达到的数值。根据生产要求，被控制量需要达到的数值。8 8）扰动：扰动：破坏控制量与被控制量之间正常函数关系的因素，破坏控制量与被控制量之间正常函数关系的因素，称为系统的扰动。如扰动来自外部，叫做外扰，如果扰动来称为系统的扰动。如扰动来自外部，叫做外扰，如果扰动来自内部，如系统中各元件参数的变化，称为内扰）自内部，如系统中各元件参数的变化，称为内扰） 给定值和扰动通称为输入量。给定值和扰动通称为输入量。9 9）控制装置：控制装置：能够对被控对象起控制作用的设备总称。能够对被控对象起控制作用的设备总称

16、。1.3.1 自动控制问题的引出自动控制问题的引出水箱为水箱为被控对象被控对象，水位，水位是是被控量被控量。当水位在给。当水位在给定位置，且流入、流出定位置，且流入、流出量相等时，它处于平衡量相等时，它处于平衡状态。当流出量发生变状态。当流出量发生变化或水位给定值发生变化或水位给定值发生变化时，就需要对流入量化时，就需要对流入量进行必要的控制。进行必要的控制。例：人工控制抽水马桶例：人工控制抽水马桶图图1-1（a）人工水位控制系统）人工水位控制系统1.3.1 自动控制问题的引出自动控制问题的引出 在人工控制方式下在人工控制方式下，工人用眼睛观看水位情况，用脑比，工人用眼睛观看水位情况，用脑比较

17、实际水位与期望水位的差异，并根据经验作出决策，确定较实际水位与期望水位的差异，并根据经验作出决策，确定进水阀的调节方向与幅度，然后用手操作进水阀进行调节，进水阀的调节方向与幅度，然后用手操作进水阀进行调节，最终使水位等于给定值。只要水位偏离了期望值，工人便要最终使水位等于给定值。只要水位偏离了期望值，工人便要重复上述调节过程。重复上述调节过程。 在自动控制方式下在自动控制方式下，用浮子代替人的眼睛来测量水位的，用浮子代替人的眼睛来测量水位的高低，另用一套杠杆机构代替人的大脑和手的功能来进行比高低，另用一套杠杆机构代替人的大脑和手的功能来进行比较、计算误差并实施控制。如图较、计算误差并实施控制。

18、如图1-11-1（b)b)所示：所示：1.3.1 自动控制问题的引出自动控制问题的引出水箱原来处于一个平衡水箱原来处于一个平衡状态，状态，q1(t)=q2(t)=0q1(t)=q2(t)=0。如果打开阀门，冲水，如果打开阀门，冲水，冲好后关上阀门，冲好后关上阀门，h(th(t) )发生变化，水位下降，发生变化，水位下降， 通过浮子（下沉）检测通过浮子（下沉）检测到这一变化，机械杠杆到这一变化，机械杠杆带动活塞打开，带动活塞打开， q1(t)q1(t)变大，使水位上升，浮变大，使水位上升，浮子上浮，活塞也上升，子上浮，活塞也上升，进水量减小，直至达到进水量减小，直至达到新的平衡。新的平衡。阀阀门门活活塞塞浮浮子子水水h h( (t t) )q q1 1( (t t) )q q2 2(