自动控制原理课件第一章.

1、2022-5-30河北大学电信学院1（宗晓萍 王培光 王 霞 肖金壮）电话：4146636http:/ email:我们的口号：我们的口号：联系方式：联系方式：2022-5-30河北大学电信学院31、控制理论的发展2、自动控制的一般概念3、反馈控制系统的组成4、控制系统的分类5、本课程的研究内容2022-5-30河北大学电信学院4 18世纪，James Watt 为控制蒸汽机速度设计的离心调节器，是自动控制领域的第一个历程碑。（反馈控制的精髓） 1892年，Lyapunov“论运动的稳定性”发表，是自动控制领域的第二个历程碑。（上升为理论） 1922年，Minorsky研制出船舶操纵自动控制器

2、，并证明了从系统的微分方程确定系统的稳定性的方法。 1932年，Nyquist提出了一种根据系统的开环频率响应(对稳态正弦输入)，确定闭环系统稳定性的方法。 1934年，Hezen提出了用于位置控制系统的伺服机构的概念，讨论了可以精确跟踪变化的输入信号的机电伺服机构。一、控制理论的发展一、控制理论的发展2022-5-30河北大学电信学院5 19世纪40年代，频率响应法为闭环控制系统提供了一种可行方法，Evans提出并完善了根轨迹法。 19世纪50年代末，控制系统设计问题的重点从设计许多可行系统中的一种系统，转到设计在某种意义上的最佳系统。 19世纪60年代，数字计算机的出现为复杂系统的基于时域

3、分析的现代控制理论提供了可能。 从1960年到1980，确定性系统、随机系统的最佳控制，及复杂系统的自适应和学习控制，都得到充分的研究。 从1980年到现在，现代控制理论进展集中于鲁棒控制、H控制及其相关课题。一、控制理论的发展一、控制理论的发展2022-5-30河北大学电信学院6一、一、控制理论的发展控制理论的发展 经典控制理论（19世纪初 19世纪50年代初） 以传递函数为基础研究单输入-单输出的定常控制系统的分析与设计问题。这些理论由于其发展较早，现已臻成熟。 现代控制理论（19世纪50年代初 19世纪80年代） 以状态空间法为基础，研究多输入-多输出、时变、非线性控制系统的分析与设计问

4、题。系统具有高精度和高效能的特点。 智能控制（19世纪80年代） 以模糊理论、神经网络、专家系统等为基础，研究复杂控制系统的分析与设计问题。系统具有最优化、智能化等特征。2022-5-30河北大学电信学院7二、自动控制的一般概念二、自动控制的一般概念Q2Q1L2HL1入水口出水口观测比较运算H执行液位控制2022-5-30河北大学电信学院8Q2入水口出水口观测比较运算执行Q1L2H浮子（眼睛）控制器（大脑）气动阀门（手） 自动控制2022-5-30河北大学电信学院92、自动控制系统、自动控制系统系统的特征：系统的特征： 整体性整体性、抽象性抽象性 、相对性相对性由相互关联和相互制约的若干由相互

5、关联和相互制约的若干“部分部分”所组成的具有所组成的具有特定功能特定功能的的 “整体整体”。自动控制系统：自动控制系统：将被控对象和控制装置按照一定的方式连将被控对象和控制装置按照一定的方式连接起来，构成一个具有特定功能的有机整体，以实现自动接起来，构成一个具有特定功能的有机整体，以实现自动控制的目的，即构成自动控制系统控制的目的，即构成自动控制系统。2022-5-30河北大学电信学院103、开环控制与闭环控制、开环控制与闭环控制 例例1-1 电动机转速控制系统（开环） u cu g电位器电动机负载+放大器u gu c电位器放大器电动机及负载输出量对控制作用没有影响的系统称为输出量对控制作用没

6、有影响的系统称为开环控制系统开环控制系统，其控制方式称为其控制方式称为开环控制开环控制。负载的变化会对转速造负载的变化会对转速造成影响，使其偏离设定成影响，使其偏离设定值值2022-5-30河北大学电信学院11例例1-2 电动机转速控制系统（闭环） 测速发电机uu fu gu c负载+放大器给定值给定值 ，当，当 ，反馈电压，反馈电压 u f将减小将减小 ，u（ u c -u f ）将增大，电）将增大，电动机的输入电压动机的输入电压u g增大，其结果会使电动机轴的转速增大增大，其结果会使电动机轴的转速增大 。u fuu gu c电位器放大器电动机及负载测速发电机输出对系统的控制作用产生影响的系

7、统称为输出对系统的控制作用产生影响的系统称为闭环控制系统闭环控制系统或或反馈控制系统反馈控制系统。反馈电压反馈电压Uf的存在减小的存在减小了负载变化带来的影响了负载变化带来的影响2022-5-30河北大学电信学院12开环控制系统与闭环控制系统的比较开环控制系统与闭环控制系统的比较2022-5-30河北大学电信学院13Q1hL1Q2L2Q2Q1hL1L2 负反馈控制系统 正反馈控制系统正反馈与负反馈正反馈与负反馈调节器的控制作用能够减小偏差2022-5-30河北大学电信学院14例例1-3 炉温控制系统 三、反馈控制系统的组成三、反馈控制系统的组成电热炉uguucu fWE放大器热电偶电阻丝被控对

8、象-Tuguu fu c电位器W放大器电阻丝电热炉热电偶对象执行元件检测元件给定元件放大元件比较能源元件2022-5-30河北大学电信学院15反馈控制系统的构成典型方框图反馈控制系统的构成典型方框图输出量放大元件给定元件测量元件执行元件被控对象e比较元件负号代表负反馈基本反馈控制系统方框图2022-5-30河北大学电信学院16输出量主反馈-放大元件给定元件测量元件执行元件被控对象e 反馈补偿元件局部反馈 串联补偿元件典型反馈控制系统方框图控制装置2022-5-30河北大学电信学院17反馈控制系统的基本组成 1、被控对象2、控制装置(由具有一定职能的各种基本元件组成 ) 测量元件：其职能是测量被

9、控制的物理量; 给定元件：其职能是给出与期望的被控量相对应的系统输入量 比较元件：把测量元件检测的被控量实际值与给定元件给出的 给定值进行比较，求偏差信号。 放大元件：将比较元件给出的偏差信号放大，用来推动执行元 件去控制被控对象。 执行元件：直接推动被控对象，使其被控量发生变化。 校正元件：亦称补偿元件，它是结构或参数便于调整的元件， 用串联或反馈的方式连接在系统中，以改善系统性 能。蒸蒸汽汽冷 水热 水温 度 计图 1-1 热 力 系 统 的 人 工 反 馈 控 制排排水水自自动动控控制制器器热热水水冷冷水水蒸蒸汽汽温温度度测测量量装装置置 排排水水图图1 1- -2 2 热热力力系系统统

10、的的自自动动反反馈馈控控制制控控制制阀阀2022-5-30河北大学电信学院20四、自动控制系统的分类四、自动控制系统的分类开环控制闭环控制(反馈控制)复合控制 2022-5-30河北大学电信学院212022-5-30河北大学电信学院22五、本课程的研究内容系统的校正与综合系统分析数学模型线性离散控制系统非线性控制系统时域分析根轨迹分析频域分析自动控制原理（第二章）（第三章）（第四章）（第五章）（第六章）（第七章）（第八章）2022-5-30河北大学电信学院23参考书： 自动控制原理，吴麒，清华大学出版社； 自动控制原理, 胡寿松，科技出版社； 现代控制工程第三版，美 Katsuhiko Oga

11、ta，； 线性控制系统分析与设计（英文版），John J.Dazzo 清华大学出版社； 自动控制原理习题集，胡寿松， 国防工业出版社； 自动控制理论重点难点及典型题解析，张爱民，西安 交通大学出版社等。2022-5-30河北大学电信学院24系统的整体性系统的整体性1、系统在结构上的整体性，即系统由“部分”所组成，各组成部分之间的相互作用是通过物质、能量和信息的交换来实现的。 2、突出系统行为和功能的整体性，系统本身可以具有其组成部分所没有的功能。因此，对于有着相同组成部分但它们的关联和相互作用不同的两个系统可以呈现出完全不同的行为和特征。Q1hL1Q2L2Q2Q1hL1L22022-5-30河北大学电信学院25系统的抽象性系统的抽象性不考虑具体系统的物理、自然、或社会含义，而把它不考虑具体系统的物理、自然、或社会含义，而把它抽象化为一个一般意义下的系统而加以研究。抽象化为一个一般意义下的系统而加以研究。 LRCUi(t)Uo(t)i(t) mKX(t)F(t