绪论高教课件

1、E-mail:wwl国 家 精 品 课 程自动控制原理Principles of Automatic Control主讲人： 王 万 良1自动控制原理国家精品课程 浙江工业大学自动化研究所自动控制原理国家精品课程网站 06/zdkz/index.asp 2自动控制原理国家精品课程 浙江工业大学自动化研究所第1章 自动控制的基本概念1.0 自动控制发展简史1.1 自动控制系统1.2 自动控制系统的类型1.3 对自动控制系统性能的基本要求1.4 本课程的主要内容及其相互关系3自动控制原理国家精品课程 浙江工业大学自动化研究所1.0 自动控制发展简史中国古代自动化方面的成就：公元前14世纪至前11世

2、纪，中国、埃及和巴比伦出现自动计时漏壶；公元130年，张衡发明水运浑象，132年研制出自动测量地震的候风地动仪；公元235年，马钧研制出用齿轮传动自动指示方向的指南车，类似按扰动补偿的自控系统；4自动控制原理国家精品课程 浙江工业大学自动化研究所中国古代自动化方面的辉煌成就：公元725年，一行、梁令瓒发明有自动报时机构的水运浑象，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；公元1086-1092年，苏颂和韩公廉建造具有“天衡”自动调节和自动报时机构的水运仪象台；公元l135年，宋代王普记述“莲华漏”上使用浮子阀门式机构自动调节漏壶的水位；公元1637年，明代的天工开物一书中记载

3、有程序控制思想的提花织机结构图。 5自动控制原理国家精品课程 浙江工业大学自动化研究所世界上公认的第一个自动控制系统1769年瓦特发明蒸汽机 6自动控制原理国家精品课程 浙江工业大学自动化研究所飞球调节器世界上公认的第一个自动控制系统1788年瓦特发明飞球调节器，进一步推动蒸汽机的应用，促进了工业的发展。推动了社会进步是飞球调节器公认为第一个自动控制系统的最主要原因！7自动控制原理国家精品课程 浙江工业大学自动化研究所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，所以不能从理论上解释这一现象。为了解决这个

4、问题，盲目探索了大约一个世纪之久。 8自动控制原理国家精品课程 浙江工业大学自动化研究所自动控制理论的开端1868年英国麦克斯韦尔的“论调速器”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，变成了判别微分方程的特征根的实部的正、负号问题。麦克斯韦尔的这篇著名论文被公认为自动控制理论的开端。9自动控制原理国家精品课程 浙江工业大学自动化研究所经典控制理论的孕育1875年，英国劳斯提出代数稳定判据。1895年，德国赫尔维兹提出代数稳定判据。1892年，俄国李雅普诺夫提出稳

5、定性定义和两个稳定判据。1932年，美国奈奎斯特提出奈氏稳定判据。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。10自动控制原理国家精品课程 浙江工业大学自动化研究所经典控制理论的形成 1948年，维纳出版控制论，形成完整的经典控制理论，标志控制学科的诞生。 维纳成为控制论的创始人！维纳控制论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。 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

6、的总体运 动状态。11自动控制原理国家精品课程 浙江工业大学自动化研究所空间技术促使现代控制理论的产生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，需要研究新的控制理论。12自动控制原理国家精品课程 浙江工业大学自动化研究所L.S. Pontryagin1956年前苏联L.S. Pontryagin发表“最优过程数学理论”，提出极大值原理解决卫星发射过程中火箭的最优控制问题。13自动控制原理国家精品课程 浙江工业大学自动化研究所 1957年世界第一颗人造地球卫星(Sputnik)由苏联发射成功Sputnik 1 was the first artificial satel

7、lite launched into space 1957. Laika. Sputnik 214自动控制原理国家精品课程 浙江工业大学自动化研究所Oct. 4, 1957: Launch of the rocket carrying Sputnik, the first man-made satellite. Photos of the launch were not initially released. This photo is a still from a 1967 Soviet documentary film. K.S. Pavlovitch (1906-1966), Russi

8、an spacecraft designer and header of the Vostok and Voskhod projects. 15自动控制原理国家精品课程 浙江工业大学自动化研究所1961年，苏联东方-号飞船载着加加林进入人造地球卫星轨道，人类宇航时代开始了。1961, at the age of 27, Gagarin left the earth. It was April the 12th, 9.07 Moscow time (launch-site, Baikonur). 108 minutes later, he was back . The period of orb

9、ital revolution was 89:34 minutes (this figure was calculated by electronic computers). The missions maximum flight altitude was 327 000 meters. The maximum speed reached was 28 260 kilometers per hour. 宇宙哥伦布-加加林A stamp issued by Russia to memorize Y. GagarinCapsule used in first manned orbit of ear

10、th In 1961, the first human to pilot a spacecraft, Yuri Gagarin, was launched by the Soviet Union aboard Vostok I.16自动控制原理国家精品课程 浙江工业大学自动化研究所1966年，苏联发射“月球”9号探测器，首次在月面软着陆成功， 1969年，美国“阿波罗”11号把宇航员N. A. Armstrong送上月球。N.A. Armstrong17自动控制原理国家精品课程 浙江工业大学自动化研究所美籍匈牙利人R. E. Kalman1960 年引入状态空间法分析系统，提出能控性，能观测性

11、，最佳调节器和kalman 滤波等概念，奠定了现代控制理论的基础。R. E. Kalman18自动控制原理国家精品课程 浙江工业大学自动化研究所1967年瑞典Karl J. Astrom提出最小二乘辩识，解决了线性定常系统参数估计问题和定阶方法，1973年，提出了自适应调节器，建立自适应控制的基础。1993年获得IEEE Medal of Honor。K. J. Astrom19自动控制原理国家精品课程 浙江工业大学自动化研究所1970年英国UMISTH.H Rosenbrock发表State Space and Multivariable Theory提出多变量系统的频域法。1974年加拿大

12、W.M Wonham 发表Linear Multivariable Control: A Geometric Approach。W.M Wonham 20自动控制原理国家精品课程 浙江工业大学自动化研究所现代控制理论促进了空间技术的发展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。21自动控制原理国家精品课程 浙江工业大学自动化研究所1981年美国“哥伦比亚”号航天飞机首次发射成功22自动控制原理国家精品课程 浙江工业大学自动化研究所 1996年第一台火星探测器Sojourner在火星表面软着陆23自动控制原理国家精品课程 浙江工业大学自动化研究所旅行者Voyager 一号，二号开

13、始走出太阳系， 对茫茫太空进行探索24自动控制原理国家精品课程 浙江工业大学自动化研究所现代控制理论在工业过程控制方面遭遇滑铁卢，促使了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。模拟人的控制技术智能控制，虽然不能实现精确的控制，但对各种复杂系统能够做到比较满意的控制。25自动控制原理国家精品课程 浙江工业大学自动化研究所1965年，Zadeh提出模糊集合和模糊控制概念。Lofti Zadeh26自动控制原理国家精品课程 浙江工业大学自动化研究所自动化技术是当代发展最迅速、应用最广泛、最引人注目的高新技术，是推动新的技

14、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。控制理论促进了工业自动化的发展BMW (德国宝马）轿车的生产过程27自动控制原理国家精品课程 浙江工业大学自动化研究所现代自动控制系统的监控与操作28自动控制原理国家精品课程 浙江工业大学自动化研究所Internet1#子系统（分厂、车间）防火墙总公司管理系统2#子系统（分厂、车间）N#子系统（分厂、车间）远程子系统远程用户远程服务外部网络内部网络核心交换机29自动控制原理国家精品课程 浙江工业大学自动化研究所装置操作层经营决策层生产计划层基础控制层生产调度层计算机网络数据库CIMS的结构与功能30自动控制原理国家精品课程

15、 浙江工业大学自动化研究所第1章 自动控制的基本概念1.0 自动控制发展简史1.1 自动控制系统1.2 自动控制系统的类型1.3 对自动控制系统性能的基本要求1.4 本课程的主要内容及其相互间的关系31自动控制原理国家精品课程 浙江工业大学自动化研究所第1章 自动控制的基本概念1.0 自动控制发展简史1.1 自动控制系统1.2 自动控制系统的类型1.3 对自动控制系统性能的基本要求1.4 本课程的主要内容及其相互间的关系32自动控制原理国家精品课程 浙江工业大学自动化研究所1.1 自动控制系统 自动控制是在没有人参与的情况下，系统的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

16、和性能。 具有自动控制功能的系统称为自动控制系统。33自动控制原理国家精品课程 浙江工业大学自动化研究所火炮自动控制系统34自动控制原理国家精品课程 浙江工业大学自动化研究所自动控制热力系统35自动控制原理国家精品课程 浙江工业大学自动化研究所直流电机速度控制系统36自动控制原理国家精品课程 浙江工业大学自动化研究所过程控制系统实例 37自动控制原理国家精品课程 浙江工业大学自动化研究所机电控制系统实例 38自动控制原理国家精品课程 浙江工业大学自动化研究所第1章 自动控制的基本概念1.0 自动控制发展简史1.1 自动控制系统1.2 自动控制系统的类型1.3 对自动控制系统性能的基本要求1.4

17、 本课程的主要内容及其相互间的关系39自动控制原理国家精品课程 浙江工业大学自动化研究所 1.2 自动控制系统的类型1.2.1 开环、闭环与复合控制系统 开环控制系统40自动控制原理国家精品课程 浙江工业大学自动化研究所开环控制系统的优缺点开环控制系统的应用场合 逻辑控制 顺序控制 扰动少的场合优点：简单，保证系统的稳定性缺点：控制精度易受扰动影响控制精度差（扰动存在时）41自动控制原理国家精品课程 浙江工业大学自动化研究所 直流电机速度开环控制系统42自动控制原理国家精品课程 浙江工业大学自动化研究所 闭环控制系统或负反馈控制系统 负反馈控制系统与正反馈控制系统的分析43自动控制原理国家精品

18、课程 浙江工业大学自动化研究所汽车驾驶中的反馈控制过程 44自动控制原理国家精品课程 浙江工业大学自动化研究所国民经济运行中的反馈控制系统模型 45自动控制原理国家精品课程 浙江工业大学自动化研究所股票市场中的反馈控制系统模型 46自动控制原理国家精品课程 浙江工业大学自动化研究所 系统的扰动汽车中的ABS反馈控制系统 47自动控制原理国家精品课程 浙江工业大学自动化研究所 复合控制系统48自动控制原理国家精品课程 浙江工业大学自动化研究所1.2.2 线性系统与非线性系统1.2.3 连续系统与离散系统对于用微分方程描述的系统：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。49自动控制原理国家精品课程 浙江工业大学自动化研究所1.2.4 定常系统与时变系统 1.2.5 SISO系统和MIMO系统1.2.6 集中参数系统与分布参数系统时变系统实例：航天器的飞行过程 50自动控制原