第1章自动控制的基本概念(上)-v1

化工与环境学院《过程装备与控制工程》专业陈祥光2014年3月——过程控制原理——前言◆本专业的培养目标（适合于本科工程教育专业认证）多年来，根据我国社会经济发展对人才的需求和行业、企业界相关技术人员的交流，对本专业的培养目标作了适当修改，其论述如下：

培养目标：适应社会主义现代化建设需要，德智体美等全面发展，基础扎实、理工结合、素质全面、实践能力和创造能力强的研究发展型人才。本专业培养具备控制工程、化学工程、机械工程等方面的知识，能在石油化工、生物化工、火化工、能源环保、食品轻工、冶金建材等领域，从事过程测控系统设计、自动化仪表开发、微计算机应用及过程信息管理等方面的高级工程技术人才。

——前言一、本课程的性质和地位《过程控制原理》是“过程装备与控制工程”专业一门必修的专业基础课程。

重点：在于学习分析和构建反馈控制系统的基本理论和基本方法，它不仅为后续课程的学习奠定基础，而且又是直接为解决实际控制系统问题提供理论和方法的课程。二、本课程的主要任务

能够比较系统地理解和掌握分析与构建自动控制系统的基本理论和方法,并对系统的运动规律有深入的认识和正确的理解。通过本课程的学习，应做到：1．掌握经典控制理论和现代控制理论的基本概念、控制系统的基本分析方法和设计方法。2．培养学生对于目前在工业过程中广泛应用的反馈控制有宽厚的理论基础。3．为学生在生产实践中进一步研究和设计控制系统打下扎实的基础。4．理论联系实际,跟踪新技术的发展，增强创新能力。

——前言三、教学内容及学时分配

本教学内容分为经典控制理论和现代控制理论两大部分，共10章，96学时(经典控制部分48学时,现代控制部分48学时)。四、考核与成绩评定

本课程采用单独命题闭卷考试。要求学生做一定数量的练习题。考核成绩根据笔试成绩、完成作业情况以及课堂学习(基本概念测试)情况进行综合评定。——前言——前言五、本课程的具体要求

★掌握经典控制理论和现代控制理论的基本概念、控制系统的基本分析方法和设计方法。

★在上课时，认真听讲、积极回答问题；课后按时完成一定数量的练习题。

★勤于思索、敢于提问、理论联系实际,树立开拓进取、勇攀科学高峰的精神。——前言六、教科书、参考书

[1]陈祥光，黄聪明，何恩智.自动控制原理[M].北京：高等教育出版社,2009.11[2]陈祥光，黄聪明.自动控制原理及应用[M].清华大学出版社,2011.11[2]张爱民主编.自动控制原理[M].北京：清华大学出版社,2006.[3]R.C.Dorf,R.H.Bishop著,谢红卫等译.现代控制系统[M].北京:高等教育出版社,2002[4]G.F.Franklin,J.D.Powellel.FeedbackControlofDynamicsystem[M].Addision-Wesley,2002——前言六、教科书、参考书[5]胡寿松主编.自动控制原理[M].北京:科学出版社，2001[6]王诗宓等编著.自动控制理论例题习题集[M].北京:清华大学出版社，2002

—本专业的特色1.以广义化工（包括火炸药化工、石油化工、生物化工、冶炼、造纸、水泥、医药、食品、纺织等对物料进行各种物理、化学加工处理过程）为对象；2.研究广义化工过程参数（如温度、压力、流量、液位、界面等）和特殊参数（如成份、湿度、密度、粘度、组份、金属含量、非金属含量等）在线检测和控制；3.研究广义化工生产过程（大系统）故障检测、安全保护、动态数学模型、最优化方法，研制开发工业自动化仪器仪表,实现生产过程自动化、智能化及网络化；4.确保广义化工生产过程运行在安全、高效、低耗、节能和低污染的最佳状态。—本专业的特色——化工生产过程（过程控制）——化工生产过程（过程控制）——聚合反应器控制系统（化学化工）—带控制点的赖氨酸发酵工艺流程图（生物化工）—某抗生素发酵罐工艺流程图（过程控制）——第1章自动控制的基本概念

1.1简述自动控制理论的发展1.2控制系统工作原理1.3自动控制系统的类型

1.4基本术语与概念——1.1简述自动控制理论的发展

自动化技术的发展历史是一部人类以自己的聪明才智延伸和扩展的历史﹐自动化是现代科学技术和现代工业发展的结晶﹐也是信息科学发展的重要标志,它的发展充分体现了科学技术的综合作用。

古代人类在长期生产和生活中﹐为了减轻自己的劳动强度﹐逐渐产生利用自然界动力代替人力、畜力﹐以及用自动装置代替人的部分繁难的脑力活动的愿望﹐经过漫长岁月的探索﹐他们互不相关地创造出一些原始的自动装置。

1770年，瓦特(James.Watt)发明的蒸汽发动机离心式调速机构,也是一个很好的反馈控制系统,如图1-1a所示。——1.1简述自动控制理论的发展图1-1a蒸汽发动机离心式调速机构流量增大流量减小转速增大转速减小图1-1b蒸汽发动机离心式调速机构——1.1简述自动控制理论的发展图1-1c水位浮球调节器浮球上升，阀门关小；浮球下降，阀门开大。

1868年,麦克斯威尔（J.C.Maxwell）发表了“论调节器”一文,利用线性微分方程对离心式调速机构的动态性能进行了分析和研究。普遍认为,这是有关反馈控制理论的第一篇正式发表的研究论文。

——1.1简述自动控制理论的发展

在1895年，劳斯（Routh）和赫尔维茨（Hurwits），把这种思想扩展到高阶微分方程描述的更为复杂的系统，他们独立的发现了，两种著名的代数判据，以用于判断由任意阶线性定常微分方程所描述的系统稳定性。

在1932年，奈奎斯特（H.Nyquist）提出一种基于系统开环频率特性判别系统稳定与否的判据，它能够给出一个稳定系统趋于不稳定的程度的一种简单度量方法，称为奈奎斯特稳定判据。在1948年，伊文思（W.R.Evans）根据反馈系统开环、闭环传递函数之间的内在联系，提出了由开环传递函数寻求闭环特征根（即闭环极点）的根轨迹法。——1.1简述自动控制理论的发展把第二次世界大战前后形成的、基于Laplace变换获取系统（或环节）传递函数，基于方块图方法获系统获取系统数学模型，以频率响应和根轨迹作为设计方法的控制理论，称为经典控制理论。而把在1960年前后形成的、以系统的状态变量描述作为数学模型，以最优控制和卡尔曼滤波作为设计方法的控制理论，称为现代控制理论。——1.1简述自动控制理论的发展——1.1简述自动控制理论的发展——1.1简述自动控制理论的发展表1-1续

自动控制就是利用各类自动控制装置和仪表代替人的操作,使生产过程或机器设备自动地按预定的规律运行,或使它的某些参数（如温度压力、流量、成分、电流、电压、转数等）按预定要求变化或在一定的精度范围内保持恒定。

一些实例如下图所示。——1.2控制系统的工作原理图1-2储槽液位比例控制系统——1.2控制系统的工作原理图1-3室内加热控制系统图1-4闭环控制系统原理图温度测量部件室内环境调节器执行装置——1.2控制系统的工作原理图1-5防空雷达跟踪控制系统——1.2控制系统的工作原理图1-6某一温度控制系统控制器被控对象执行装置测量部件——1.2控制系统的工作原理——1.2控制系统的工作原理(d)控制器转换器执行装置被控对象(1)一种基于人工的反馈控制系统——1.2控制系统的工作原理图1-7基于人工操作的液位控制系统设定值目测值——1.2控制系统的工作原理(2)一种基于控制器的反馈控制系统图1-8基于控制器的液位自动控制系统——1.2控制系统的工作原理图1-7基于人