自动控制原理第1章_绪论.

1、E-mail:国国 家家 精精 品品 课课 程程自动控制原理自动控制原理主讲人：主讲人： 王王 万万 良良自动控制原理国家精品课程 浙江工业大学自动化研究所2导 读为什么要介绍本章?自动化技术几乎渗透到国民经济的各个领域及社会生活的各个方面，是当代发展最迅速、应用最广泛、最引人注目的高科技，是推动新的技术革命和新的产业革命的关键技术，在某种程度上说，自动化是现代化的同义词。自动控制原理研究分析、设计自动控制系统的基本方法。本章主要讲什么内容?从介绍自动控制的发展历史入手，引出自动控制理论分析、设计自动控制系统的基本思想，然后介绍自动控制的基本概念，以及对自动控制系统的基本要求，使读者对自动控制

2、理论的总的目标有个大致的了解。第第1 1章章 自动控制的基本概念自动控制的基本概念自动控制原理国家精品课程 浙江工业大学自动化研究所3第第1 1章章 自动控制的基本概念自动控制的基本概念 1.0 1.0 自动控制发展简史自动控制发展简史 1.1 1.1 自动控制系统自动控制系统 1.2 1.2 自动控制系统的类型自动控制系统的类型 1.3 1.3 对自动控制系统性能的基本要求对自动控制系统性能的基本要求 1.4 1.4 本课程的主要内容及其相互关系本课程的主要内容及其相互关系自动控制原理国家精品课程 浙江工业大学自动化研究所41.0 自动控制发展简史中国古代自动化方面的成就：中国古代自动化方面

3、的成就： 公元前公元前1414世纪至前世纪至前1111世纪，中国、世纪，中国、埃及和巴比伦出现埃及和巴比伦出现自动计时漏壶自动计时漏壶； 公元公元130130年，张衡年，张衡(78-139,(78-139,东汉东汉) )发明水运浑象，发明水运浑象，132132年研制出年研制出自动自动测量地震的候风地动仪测量地震的候风地动仪； 公元公元235235年，马钧研制出用齿轮传年，马钧研制出用齿轮传动自动指示方向的动自动指示方向的指南车指南车，类似，类似按扰动补偿的自控系统；按扰动补偿的自控系统；自动控制原理国家精品课程 浙江工业大学自动化研究所5中国古代自动化方面的辉煌成就：中国古代自动化方面的辉煌成

4、就： 公元公元725年，一行、梁令瓒发明有自动报时机构的年，一行、梁令瓒发明有自动报时机构的水运浑象水运浑象，其中使用了一个天衡装置，是一个按，其中使用了一个天衡装置，是一个按被调量偏差调节的自动调节器；被调量偏差调节的自动调节器； 公元公元1086-1092年，苏颂和韩公廉在开封建成年，苏颂和韩公廉在开封建成“水水运仪象台运仪象台”,把时钟机械和观测用浑仪结合起来，把时钟机械和观测用浑仪结合起来，这比西方罗伯特这比西方罗伯特.胡克早六个世纪胡克早六个世纪 ； 公元公元l135年，宋代王普记述年，宋代王普记述“莲华漏莲华漏”上使用浮上使用浮子子阀门式机构阀门式机构自动调节漏壶的水位自动调节漏壶

5、的水位； 公元公元1637年，明代的年，明代的天工开物天工开物一书中记载有一书中记载有程序控制思想的程序控制思想的提花织机提花织机结构图。结构图。 自动控制原理国家精品课程 浙江工业大学自动化研究所6十八世纪，各种动力装置成为人们研究的重点。十八世纪，各种动力装置成为人们研究的重点。1750年，安得鲁年，安得鲁. 米克尔米克尔(1719-1811)发明发明风车扇尾传动装置风车扇尾传动装置，使风车自动地面向风。使风车自动地面向风。威廉威廉. 丘比特对自动开合的百叶窗式翼板进行改进，使其能丘比特对自动开合的百叶窗式翼板进行改进，使其能够自动地调整风车的传动速度。这种可调整的调节器在够自动地调整风车

6、的传动速度。这种可调整的调节器在1807年取的专利权。年取的专利权。托马斯托马斯.米德和斯蒂芬米德和斯蒂芬.胡泊分别于胡泊分别于 1787年和年和1789年获得年获得风车风车离心调速器离心调速器的专利权。的专利权。1765年俄国的波尔祖诺夫发明了蒸汽机锅炉的水位年俄国的波尔祖诺夫发明了蒸汽机锅炉的水位自动调节器。自动调节器。这在俄国被认为是世界上第一个自动这在俄国被认为是世界上第一个自动调节器。调节器。 国外古代自动化方面的辉煌成就：国外古代自动化方面的辉煌成就：自动控制原理国家精品课程 浙江工业大学自动化研究所7世界上公认的第一个自动控制系统世界上公认的第一个自动控制系统英国格拉斯哥大学的仪

7、器修理工瓦特在英国格拉斯哥大学的仪器修理工瓦特在纽可门蒸汽机汽缸外增加了冷凝器，纽可门蒸汽机汽缸外增加了冷凝器，1769年他的年他的“在火力机中减少蒸汽和燃在火力机中减少蒸汽和燃料消耗的一种新方法料消耗的一种新方法”专利获得批准。专利获得批准。1774年瓦特制成新型单向蒸汽机，年瓦特制成新型单向蒸汽机，1781年将往返运动改成旋转运动，年将往返运动改成旋转运动，1782年改进为双向作用蒸汽机。年改进为双向作用蒸汽机。马克思的马克思的资本资本论论评价为评价为“才才找到一种原动找到一种原动机机”。自动控制原理国家精品课程 浙江工业大学自动化研究所8飞球调节器飞球调节器世界上公认的第一个自动控制系统

8、世界上公认的第一个自动控制系统 图 1.1 飞球调节器原理图 关 汽阀联结器 开 调节器轴 套环 汽轮机轴 1788年瓦特发明飞球年瓦特发明飞球调节器，进一步推动调节器，进一步推动蒸汽机的应用，促进蒸汽机的应用，促进了工业的发展。了工业的发展。 推动了社会进步是飞推动了社会进步是飞球调节器公认为第一球调节器公认为第一个自动控制系统的最个自动控制系统的最主要原因！主要原因！自动控制原理国家精品课程 浙江工业大学自动化研究所9没有理论指导使控制技术停滞了一个世纪！没有理论指导使控制技术停滞了一个世纪！ 飞球调节器有时使蒸汽机速度出现大幅度飞球调节器有时使蒸汽机速度出现大幅度振荡。其它自动控制系统也

9、有类似现象。振荡。其它自动控制系统也有类似现象。 由于当时还没有自控理论，所以不能从理由于当时还没有自控理论，所以不能从理论上解释这一现象。论上解释这一现象。 为了解决这个问题，盲目探索了大约一个为了解决这个问题，盲目探索了大约一个世纪之久。世纪之久。 自动控制原理国家精品课程 浙江工业大学自动化研究所10自动控制理论的开端自动控制理论的开端 1868年英国麦克斯韦尔的年英国麦克斯韦尔的“论调速器论调速器”论文指出：论文指出： 不应单独研究飞球调节器，必须从整个系统分析控不应单独研究飞球调节器，必须从整个系统分析控制的不稳定。制的不稳定。 建立系统微分方程，分析微分方程解的稳定性，从建立系统微

10、分方程，分析微分方程解的稳定性，从而分析实际系统是否会出现不稳定现象。而分析实际系统是否会出现不稳定现象。 这样，控制系统稳定性的分析，变成了判别微分方这样，控制系统稳定性的分析，变成了判别微分方程的特征根的实部的正、负号问题。程的特征根的实部的正、负号问题。 麦克斯韦尔的这篇论文被公认为自动控制理论的开麦克斯韦尔的这篇论文被公认为自动控制理论的开端。端。自动控制原理国家精品课程 浙江工业大学自动化研究所111875年，英国劳斯（年，英国劳斯（1831- 1907）提出代数稳定判据。）提出代数稳定判据。约在约在1875年，年，Maxwell担任了剑桥担任了剑桥Adams Prize的评奖委员。

11、这的评奖委员。这项两年一次的奖授予在该委员会所选科学主题方面竟争的最佳项两年一次的奖授予在该委员会所选科学主题方面竟争的最佳论文。论文。1877年该项奖的主题是年该项奖的主题是“运动的稳定性运动的稳定性”。E.J.Routh在这项竟赛中以其跟据多项式的系数决定多项式在右在这项竟赛中以其跟据多项式的系数决定多项式在右半平面的根的数目的论文夺得桂冠。半平面的根的数目的论文夺得桂冠。Routh的这一成果现在被称为劳斯判据。的这一成果现在被称为劳斯判据。Routh工作的意义在于开始建立有关动态稳定性的系统理论。工作的意义在于开始建立有关动态稳定性的系统理论。 1895年，瑞士数学家赫尔维兹提出另外一种

12、形式的代年，瑞士数学家赫尔维兹提出另外一种形式的代数稳定判据。数稳定判据。经典控制理论的孕育经典控制理论的孕育自动控制原理国家精品课程 浙江工业大学自动化研究所12经典控制理论的孕育经典控制理论的孕育 1892年，俄国李雅普诺夫提出稳定性定义年，俄国李雅普诺夫提出稳定性定义和两个稳定判据。和两个稳定判据。1892年，俄罗斯伟大的数学力学家年，俄罗斯伟大的数学力学家A.M.Lyapunov（1857.5.25-1918.11.3）发表了具有深远历史意义的博士论文）发表了具有深远历史意义的博士论文“运动稳定性运动稳定性的一般问题的一般问题” ，提出了为当今学术界广为应用且影响巨大的，提出了为当今学

13、术界广为应用且影响巨大的李亚普诺夫方法，也即李亚普诺夫第二方法或李亚普诺夫直李亚普诺夫方法，也即李亚普诺夫第二方法或李亚普诺夫直接方法。接方法。该方法不仅适用于线性系统，而且适用于非线性时变该方法不仅适用于线性系统，而且适用于非线性时变系统的分析与设计，是自动控制理论课程讲授的主要系统的分析与设计，是自动控制理论课程讲授的主要内容之一。内容之一。 自动控制原理国家精品课程 浙江工业大学自动化研究所13经典控制理论的孕育经典控制理论的孕育 1932年，美国奈奎斯特提出奈氏稳定判据。年，美国奈奎斯特提出奈氏稳定判据。1928年年8月月2日，日，Harold Black(1898-1983)在上班途

14、中的渡船上在上班途中的渡船上灵光一闪，发明了在当今控制理论中占核心地位的负反馈放大灵光一闪，发明了在当今控制理论中占核心地位的负反馈放大器。他将其发明随手记在了一份纽约时报上，这份早报已成为器。他将其发明随手记在了一份纽约时报上，这份早报已成为一件珍贵的文物诊藏在一件珍贵的文物诊藏在AT&T的档案馆中。的档案馆中。九年后，九年后， Black开发出实用的负反馈放大器和负反馈理论，开发出实用的负反馈放大器和负反馈理论，Black才得到这项专利。才得到这项专利。反馈放大器的振荡问题给其实用化带来了难以克服的反馈放大器的振荡问题给其实用化带来了难以克服的麻烦。麻烦。Harry Nyquist

15、(1889-1976)于于1932年发表了包含著名的年发表了包含著名的“乃奎乃奎斯特判据斯特判据” 的论文，并在的论文，并在1934年加入了年加入了Bell Labs。自动控制原理国家精品课程 浙江工业大学自动化研究所14经典控制理论的孕育经典控制理论的孕育 1940年，美国伯德引入半对数坐标系。年，美国伯德引入半对数坐标系。Bell实验室的另一位理论专家，实验室的另一位理论专家，Hendrik Bode(1905-1982)也和也和一些数学家开始对负反馈放大器的设计问题进行研究。一些数学家开始对负反馈放大器的设计问题进行研究。Bode是一位应用数学家，是一位应用数学家，1926年在俄荷俄州立

16、大学年在俄荷俄州立大学(Ohio State)获硕士；获硕士；1935年在哥伦比亚大学年在哥伦比亚大学(ColumbiaUniversity)获物理获物理学博士学位。学博士学位。1940年，年，Bode引入了半对数坐标系，使频率特性的绘引入了半对数坐标系，使频率特性的绘制工作更加适用于工程设计。制工作更加适用于工程设计。自动控制原理国家精品课程 浙江工业大学自动化研究所15经典控制理论的孕育经典控制理论的孕育 二战中自动火炮、雷达、飞机以及通讯系二战中自动火炮、雷达、飞机以及通讯系统的控制研究直接推动了经典控制的发展。统的控制研究直接推动了经典控制的发展。自动控制原理国家精品课程 浙江工业大学

17、自动化研究所16维纳维纳控制论控制论是关于怎样把机械元件和电气元件组合成稳是关于怎样把机械元件和电气元件组合成稳定的并且具有特定性能的系统的科学。这门新科学的一个非定的并且具有特定性能的系统的科学。这门新科学的一个非常突出的特点就是完全不考虑能量、热量和效率等因素，可常突出的特点就是完全不考虑能量、热量和效率等因素，可是，在其他各门自然科学中，这些因素是十分重要的。是，在其他各门自然科学中，这些因素是十分重要的。控制论所讨论的主要问题是一个系统的各个不同部分之间的控制论所讨论的主要问题是一个系统的各个不同部分之间的相互作用的定性性质，以及整个系统的总体运动状态。相互作用的定性性质，以及整个系统

18、的总体运动状态。经典控制理论的形成经典控制理论的形成 1948年，维纳出版年，维纳出版控制论控制论，形成完整的，形成完整的经典控制理论，标志控制学科的诞生。经典控制理论，标志控制学科的诞生。维纳成为控制论的创始人！维纳成为控制论的创始人！自动控制原理国家精品课程 浙江工业大学自动化研究所17空间技术促使现代控制理论的产生空间技术促使现代控制理论的产生现代控制理论促进了空间技术的发展现代控制理论促进了空间技术的发展 二次世界大战结束后，各国大力发展空间技二次世界大战结束后，各国大力发展空间技术，经典控制理论不能满足需要，需要研究术，经典控制理论不能满足需要，需要研究新的控制理论。新的控制理论。

19、现代控制理论在空间技术取得巨大成功，促现代控制理论在空间技术取得巨大成功，促进了空间技术的发展。进了空间技术的发展。自动控制原理国家精品课程 浙江工业大学自动化研究所18现代控制理论在工业过程控制方面遭遇现代控制理论在工业过程控制方面遭遇滑铁卢，促使智能控制技术的诞生！滑铁卢，促使智能控制技术的诞生！ 现代控制理论在空间技术取得巨大成功，但现代控制理论在空间技术取得巨大成功，但由于工业过程控制中普遍存在的不确定性和由于工业过程控制中普遍存在的不确定性和干扰，难以取得预期的效果。干扰，难以取得预期的效果。 模拟人的控制技术模拟人的控制技术智能控制，虽然不能智能控制，虽然不能实现精确的控制，但对各

20、种复杂系统能够做实现精确的控制，但对各种复杂系统能够做到比较满意的控制。到比较满意的控制。第第1 1章章 自动控制的基本概念自动控制的基本概念1.0 1.0 自动控制发展简史自动控制发展简史1.1 1.1 自动控制系统自动控制系统1.2 1.2 自动控制系统的类型自动控制系统的类型1.3 1.3 对自动控制系统性能的基本要求对自动控制系统性能的基本要求1.4 1.4 本课程的主要内容及其相互间的关系本课程的主要内容及其相互间的关系自动控制原理国家精品课程 浙江工业大学自动化研究所201.1 1.1 自动控制系统自动控制系统 自动控制是自动控制是在没有人参与的情况下在没有人参与的情况下，系统的，

21、系统的控制器自动地按照人预定的要求控制设备或控制器自动地按照人预定的要求控制设备或过程，使之具有一定的状态和性能。过程，使之具有一定的状态和性能。 具有自动控制功能的系统称为自动控制系统。具有自动控制功能的系统称为自动控制系统。自动控制原理国家精品课程 浙江工业大学自动化研究所21火炮自动控制系统火炮自动控制系统自动控制原理国家精品课程 浙江工业大学自动化研究所22人在控制过程中起了三个作用：人在控制过程中起了三个作用： （1）观测：）观测：用眼睛去观测温度计和转速表的指示值；用眼睛去观测温度计和转速表的指示值； （2）比较与决策：）比较与决策：人脑把观测得到的数据与要求的人脑把观测得到的数据

22、与要求的数据相比较，进行判断，根据给定的控制规律给出控数据相比较，进行判断，根据给定的控制规律给出控制量；制量； （3）执行：）执行：根据控制量用手具体调节，如调节阀门根据控制量用手具体调节，如调节阀门开度、改变触点位置。开度、改变触点位置。在自动控制中，则用控制装置代替人来完成上述功能。在自动控制中，则用控制装置代替人来完成上述功能。 自动控制原理国家精品课程 浙江工业大学自动化研究所23自动控制热力系统自动控制热力系统自动控制原理国家精品课程 浙江工业大学自动化研究所24直流电机速度控制系统直流电机速度控制系统第第1 1章章 自动控制的基本概念自动控制的基本概念1.0 1.0 自动控制发展

23、简史自动控制发展简史1.1 1.1 自动控制系统自动控制系统1.2 1.2 自动控制系统的类型自动控制系统的类型1.3 1.3 对自动控制系统性能的基本要求对自动控制系统性能的基本要求1.4 1.4 本课程的主要内容及其相互间的关系本课程的主要内容及其相互间的关系自动控制原理国家精品课程 浙江工业大学自动化研究所26 1.2 1.2 自动控制系统的类型自动控制系统的类型1.2.1 1.2.1 开环、闭环与复合控制系统开环、闭环与复合控制系统开环控制系统开环控制系统:如果控制系统如果控制系统的被控量对系的被控量对系统没有控制作统没有控制作用。用。 自动控制原理国家精品课程 浙江工业大学自动化研究

24、所27开环控制系统的优缺点开环控制系统的优缺点开环控制系统的应用场合开环控制系统的应用场合 逻辑控制逻辑控制 顺序控制顺序控制 扰动少的场合扰动少的场合优点：优点：简单，保证系统的稳定性简单，保证系统的稳定性缺点：缺点：控制精度易受扰动影响控制精度易受扰动影响控制精度差（扰动存在时）控制精度差（扰动存在时）自动控制原理国家精品课程 浙江工业大学自动化研究所28 直流电机速度开环控制系统直流电机速度开环控制系统自动控制原理国家精品课程 浙江工业大学自动化研究所29 闭环控制系统或闭环控制系统或负负反馈控制系统反馈控制系统:系统的被控量直接或间接地参与控制系统的被控量直接或间接地参与控制 负负反馈

25、控制系统与反馈控制系统与正正反馈控制系统的分析反馈控制系统的分析自动控制原理国家精品课程 浙江工业大学自动化研究所30 复合控制系统复合控制系统:在系统中同时引进开环控制和闭环控制在系统中同时引进开环控制和闭环控制 自动控制原理国家精品课程 浙江工业大学自动化研究所311.2.2 1.2.2 线性系统与非线性系统线性系统与非线性系统满足叠加原理的系统是线性系统满足叠加原理的系统是线性系统,否则是非线性系统。否则是非线性系统。微分方程描述：若系统的输入量、输出量及其各阶导数均为微分方程描述：若系统的输入量、输出量及其各阶导数均为线性时，系统为线性系统。线性时，系统为线性系统。放大器放大器输入输入

26、输出输出输入输入输入输入输出输出输出输出自动控制原理国家精品课程 浙江工业大学自动化研究所321.2.3 1.2.3 连续系统与离散系统连续系统与离散系统若系统中所有信号都是连续信号，则称为连续时间系统，简称若系统中所有信号都是连续信号，则称为连续时间系统，简称为连续系统。为连续系统。如果系统中有一处或几处的信号是离散信号，则称为离散时间如果系统中有一处或几处的信号是离散信号，则称为离散时间系统，简称为离散系统。系统，简称为离散系统。 自动控制原理国家精品课程 浙江工业大学自动化研究所331.2.4 1.2.4 定常系统与时变系统定常系统与时变系统时变系统实例：航天器的飞行过程时变系统实例：航

27、天器的飞行过程 如果控制系统的结构、参数在系统运行过程中不随时间变化，如果控制系统的结构、参数在系统运行过程中不随时间变化，则称为定常系统或者时不变系统，否则，称为时变系统。则称为定常系统或者时不变系统，否则，称为时变系统。 定常系统实例：定常系统实例：RLCRLC电路电路 自动控制原理国家精品课程 浙江工业大学自动化研究所34 1.2.5 SISO1.2.5 SISO系统和系统和MIMOMIMO系统系统图 1.10 单 变 量 系 统 与 多 变 量 系 统系 统)(tc)(tr系 统)(1tc)(1tr)(trm)(tcn(a) 单 变 量 系 统(b) 多 变 量 系 统 单输入单输出系

28、统通常称为单变单输入单输出系统通常称为单变量系统，只有一个输入（不包括扰动量系统，只有一个输入（不包括扰动输入）和一个输出。输入）和一个输出。 多输入多输出系统通常称为多变多输入多输出系统通常称为多变量系统，有多个输入和输出。量系统，有多个输入和输出。 单变量系统可以作为多变量系统单变量系统可以作为多变量系统的特例。的特例。多变量系统实例：化工过程中多变量系统实例：化工过程中温度、压力、液位控制系统温度、压力、液位控制系统自动控制原理国家精品课程 浙江工业大学自动化研究所351.2.6 1.2.6 集中参数系统与分布参数系统集中参数系统与分布参数系统集中参数系统实例：集中参数系统实例：mF(t

29、)fX(t)分布参数系统实例：电力线路分布参数系统实例：电力线路不能只用一个电阻和电容表示，而要考虑分布电阻和电容的影响。不能只用一个电阻和电容表示，而要考虑分布电阻和电容的影响。弹簧阻尼器系统弹簧阻尼器系统第第1 1章章 自动控制的基本概念自动控制的基本概念1.0 1.0 自动控制发展简史自动控制发展简史1.1 1.1 自动控制系统自动控制系统1.2 1.2 自动控制系统的类型自动控制系统的类型1.3 1.3 对自动控制系统性能的基本要求对自动控制系统性能的基本要求1.4 1.4 本课程的主要内容及其相互间的关系本课程的主要内容及其相互间的关系自动控制原理国家精品课程 浙江工业大学自动化研究

30、所371.3 1.3 对自动控制系统性能的基本要求对自动控制系统性能的基本要求稳定性稳定性: :系统正常工作的系统正常工作的首要条件首要条件稳稳自动控制原理国家精品课程 浙江工业大学自动化研究所38 稳态性能稳态性能: :控制的准确性控制的准确性准准自动控制原理国家精品课程 浙江工业大学自动化研究所39 暂态性能暂态性能: :控制的快速性控制的快速性快快自动控制原理国家精品课程 浙江工业大学自动化研究所40暂态性能暂态性能（动态性能，（动态性能， 瞬态性能）瞬态性能）快快第第1 1章章 自动控制的基本概念自动控制的基本概念1.0 1.0 自动控制发展简史自动控制发展简史1.1 1.1 自动控制系统自动控制系统1.2 1.2 自动控制系统的类型自动控制系统的类型1.3 1.3 对自动控制系统性能的基本要求对自动控制