自动控制原理第一章20150301

1、1,自动控制原理,主 讲 韩 敏 E-mail： 助 课 许美玲,2,第一章 自动控制的基本概念（2学时） 控制系统导论，反馈控制系统的工作原理、分类方法、基本要求。,第二章 系统的数学模型（8学时） 控制系统数学模型，控制系统微分方程的建立及非线性方程的线性化。,第三章 时域分析 （8学时） 控制系统的时域分析法，典型输入信号，系统的性能指标，一阶系统的瞬态响应分析，系统稳定性分析。,3,第四章 根轨迹法 （8学时） 根轨迹法，根轨迹的基本概念，绘制根轨迹的基本规则。,第五章 频率响应法 （12 学时） 线性系统的频域分析，频率特性的概念，开环系统的幅相频率特性曲线。,第六章 控制系统的校正 （6学时） 线性系统的校正方法，校正与综合的概念，校正的基本方式，基本控制规律，常用校正装置及其特性。,4,第七章 非线性控制系统 （10学时） 非线性系统理论，非线性系统的特点、研究方法，典型非线性特性的数学描述及特性。,第八章 离散控制系统 （10学时） 线性离散控制系统，系统分类，采样过程的数学描述，采样定理，零阶保持器。,5,第一章 自动控制的基本概念 Chapter 1 The ba

2、sic concept of automatic control,1-1 概述 (Introduction) 1-2 自动控制的基本方式 (Basic mode) 1-3 自动控制的分类 (Classification) 1-4 自动控制系统的性能指标 (Performance index) 1-5 自动控制系统中的常用术语 (Common terms) 1-6 当前自动化学科的研究方向 (Research interests),6,1-1 概述 (Introduction),自动控制原理：自动控制技术的基础理论,自动控制：是指在无人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置，使机器、设备或生产过程的某个工作状态或参数自动地按照预定的规律运行,控制装置或控制器,被控对象,被控量,给定量,7,自动控制系统(Automatic control system)：是由控制器、被控对象等部件为了一定的目的有机地联接成一个进行自动控制的整体。,控制系统通常由软件平台+硬件系统构成,软件平台：上位机操作系统、数据库等 硬件系统：控制用计算机、检测机构等,控制系统的目标： 理论上满足静态特性，实际应用中动

3、静特性都要满足 系统要满足稳定性 系统要可靠，要有应用价值,8,日常生活中的自动控制,微波炉,自动售票机,空调,自动门,航天器太空仓空气控制系统,9,使导弹与目标间距离h(t)逐渐减小并趋于零。,军事中的自动控制,导弹的控制,10,航天中的自动控制,神舟飞船,11,工业中的自动控制,最先进的加工中心,12,工业中的自动控制,龙门刨床,13,工业中的自动控制,电动汽车,14,控制论(Cybernetics)是怎样形成的自动化发展简史,15,随着生产的发展，控制技术也在不断地发展，尤其是计算机的更新换代，更加推动了控制理论不断地向前发展。控制理论的发展过程一般可分为三个阶段：,控制论是怎样形成的自动化发展简史,20世纪之前，科学家的早期探索,第一阶段。20世纪初60年代，称为“经典控制理论”时期。,第二阶段。20世纪6070年代，称为“现代控制理论”时期。,第三阶段。20世纪70年代末至今。向着“大系统理论”和“智能控制”方向发展。,16,我国北宋时期(10861089年)天文学家苏颂、韩公廉建造了水运仪象台 十七-十八世纪，动力装置成为研究重点，风车技术和蒸气机取得突破发展。 1679年

4、法国物理学家丹尼斯巴本制造了第一台蒸汽机的工作模型。 1698年托马斯塞维利、1712年托马斯纽科门制造了早期的工业蒸汽机 。 1750年，安得鲁. 米克尔为风车引入了“扇尾”传动装置，使风车自动地面向风。随后，威廉. 丘比特对其改进，使得风车能够自动调整传动速度。 1765年，俄国人普尔佐诺夫(I.Polzunov)发明了蒸汽锅炉水位调节器。,1、20世纪之前：科学家的早期探索,早期的蒸汽机工作效率太低，难以推广,17,要保持无论外界负载怎么变化，转速都要保持恒定，需要不断地随着外界负载的变化而相应地改变供气量的大小，如果靠人工去控制气门显然非常紧张和吃力。,问题：瓦特在发明了蒸汽机后，发现不变的供气量会使机器因为外界负荷的变换而产生转速的忽高忽低，外界负荷大了同样的供气量机器的转速就得下降，外界负荷小了同样的供气量机器的转速就要上升。,1、20世纪之前：科学家的早期探索,1760年1800年，詹姆斯.瓦特对蒸气机进行了彻底得改造，终于使其得到广泛的应用。,18,解决方法：1788年，瓦特研制成了蒸汽机离心式调速器，使它能够保持蒸汽机转速“恒定”。,蒸汽机离心式调速器,19,瓦特离心

5、式调速器的负反馈原理图,被控量是蒸汽机转子的转速,控制量是蒸汽的输入量,反馈量,误差,反馈系数,20,瓦特离心式调速器的负反馈原理图,根据原理图，有如下方程：,联立三个方程，有,如果Q不变，n基本也不会变，这里假定K和b都是常数。如果负荷变化引起转速n变化，那么改变的只是Qf，亦即 ，通常称 为误差。,这是一个反向调节过程：,所以称它为：闭环负反馈控制(Closed-loop negative feedback control) 原理,21,劳斯赫尔维茨(Routh-Hurwitz )判据,问题：瓦特调速器并没有达到预期的效果，反而引起“晃动”。,解决方法：1868年，英国物理学家J.C.麦克斯维尔（Maxwell）把蒸汽机晃动现象变成线性微分方程来研究，而线性微分方程解的收敛性取决于它的特征值的符号。他指出只有这些根都是负实根，或者具有负实部的复根，这个方程所描述的系统才是稳定的。,问题：如何解高阶代数方程成为新的问题。,22,得到的启示！ “晃动” J.C. 麦克斯维尔微分方程劳斯赫尔维茨判据 这就是科学的规律!,解决方法：1877年，英国人E.劳斯（Routh）和德国人A.赫尔维

6、茨（Hurwitz）两人各自独立研究，利用特征方程系数得到判别系统稳定性的方法，从而省去了解系统特征方程的过程。（第三章内容）,劳斯赫尔维茨(Routh-Hurwitz )判据,23,负反馈原理 (Negative feedback),问题：在铺设从纽约到旧金山的长途电话线时，由于距离过长，输送的电话信号产生了衰减和畸变。,1928年8月2日，在贝尔实验室工作的H.布莱克（Black） ，在前往曼哈顿西街的上班途中，在哈得孙河的渡船上灵光一闪，发明了在当今控制理论中占核心地位的负反馈放大器。由于手头没有合适的纸张，他将其发明记在了一份纽约时报上，这份早报已成为一件珍贵的文物珍藏在AT&T的档案馆中。,2、第一阶段：20世纪初60年代，“经典控制理论”时期,24,解决方法：1927年-1932年，H.布莱克等人利用负反馈原理设计了具有线性负反馈的电子管放大器，解决了由于放大器的非线性放大系数Kn引起的信息畸变问题。,设放大器输入信号为F1，输出信号为F2，非线性放大系数为Kn，而线性负反馈系数K可表达为：,负反馈原理,25,当 时，具有线性负反馈放大器(闭环)放大系数K取下式,上式表明闭

7、环系统具有线性负反馈放大器的放大系数K与反馈通道的线性系数 成反比，因而能够消除放大器的非线性畸变。,负反馈原理,26,解决方法：1932年，在贝尔实验室工作的H.奈奎斯特(Nyquist）在解释放大器振荡问题时，建立了奈奎斯特稳定性判据。称之为奈奎斯特频率法。（第五章内容）,问题：虽然畸变消除了，但又产生了放大振荡问题，放大系数太大、太小都会造成系统的不稳定。,奈奎斯特频率法 (Nyquist Frequency-Response Method),27,奈奎斯特频率法的重要贡献在于：,它可以利用物理上能够测量的开环系统频率特性来判别闭环系统的稳定性、静态误差和过渡过程某些品质指标等一系列问题。 不用直接去解微分方程，只要画出开环系统的频率特性，就能知道系统稳定性如何，并可以估计出系统的品质指标，而且还能知道应该采取什么措施可以使系统稳定下来，进一步提高系统的品质指标等等。,奈奎斯特频率法,28,PID控制器 (Proportional Integral Derivative Controller),瓦特所用的小锤控制转速，实际上就是纯比例调节（P）。比例作用比较容易被人理解，因此在工

8、业领域得到了广泛应用。,问题：在应用过程中，人们发现这种控制方法有很大的局限。系统被控对象很不容易达到要设定的目标值，我们现在称之为存在静态偏差。,29,解决方法：1939 年，Foxboro 仪器公司为了克服静态偏差问题，手动增强调节系统的比例作用，使得系统调节“恰好”弥补偏差。他们称之为“重置”（Reset）。后来人们专门设置了自动重置技术（Automatic reset），每一时刻都根据上一时刻的偏差，自动修改系数，在偏差不为零的时候，执行机构一直动作下去，这就是积分作用（I）。,同年，Taylor 仪器公司发布了一款全新设计的气动控制器：Fulscope，新仪器提供了“预动作”（Pre-act）控制作用，就是微分作用（D）。,PID控制器,30,1936 年，英国诺夫威治市帝国化学有限公司的考伦德（Albert Callender）和斯蒂文森（Allan Stevenson）等人给出了一个温度控制系统的PID 控制器的方法，并于1939年获得美国专利。,PID理论正式诞生,PID控制器,31,二战期间（1939-1945）：战争的需要使自动控制理论和应用得到巨大发展。利用反馈控

9、制的方法设计和制造了飞机自动驾驶仪、火炮定位系统、雷达天线控制系统以及其他军用系统。这些系统的复杂性和对高性能的要求，进一步促进并完善了自动控制理论的发展。,二战期间的理论发展,32,1940年，H.W.伯德（Bode）引入了半对数坐标系（Bode图），把复数运算变成代数运算，大大地简化了频率特性的绘制。（第五章内容）,1942年，H.哈利斯（Harris）在拉普拉斯变换的基础上引入了传递函数(Transfer function)概念，用方框图、环节、输入、输出等信息传输的概念描述系统的性能和关系。（第二章内容）,1941年，前苏联学者哥德发尔布把线性系统伯德频率法推广到非线性系统，不仅能解决某些非线性系统的稳定性问题，还能改善系统的性能指标。这种方法被成为描述函数法(Describing function method)。（第七章内容）,二战期间的理论发展,33,1948年，埃文斯（W.R.Evans）提出了一种在复平面上由开环系统极、零点确定闭环系统极零点的图解方法根轨迹法 (Root locus approach) 。（第四章内容）,二战之后的理论成熟,1948年，英国人维纳在火炮控制中发现了反馈的概念，出版了控制关于在动物和机器中控制和通讯的科学，奠定了控制论的基础。,34,1954年，我国著名科学家钱学森出版了工程控制论，他系统地总结了20世纪前几十年来控制论的成就。,1958年，崔普钦把连续系统的频率法推广到离散系统(Discrete system)，产生了和连续系统拉普拉斯变换相对应的离散系统的拉普拉斯变换Z变换(Z-transform)。（第八章内容）,二战之后的理论成熟,经典控制理论形成了完整的理论体系,3、第二阶段：20世纪6070年代，“现代控制理论”时期，计算机的飞速发展，推动了航空航天与现代工业的迅速兴起。,1957年，苏联发射第一颗人造地球卫星。,1969年，美国阿波罗载人飞船成功登上月球。,推动并发展了“现代控制理论”：,36,工业界,4、第三阶段：20世纪70年代末至今，控制理论向着“大系统理论”和“智能控制”方向发展。,1969 年，美国数字设备公司研制出了第一台可编程逻辑

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