第1章 自动控制的基本概念

Lofti Zadeh
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控制理论促进了工业自动化的发展
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。
BMW (德国宝马）轿车的生产过程
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现代自动控制系统的监控与操作
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远程服务 外部网络 内部网络
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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。
连续系统 离散系统 线性系统 非线性系统 控制系统设计流程 • 数学建模 • 性能分析 • 系统校正
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• 第3章 控制系统的时域分析法
• 第4章 根轨迹法 • 第5章 控制系统的频域分析 • 第6章 线性系统的校正方法 • 第7章 线性离散控制系统
• 第8章 非线性控制系统分析
第1章绪论 • 1.0 • 1.1 • 1.2 • 1.3 • 1.4 自动控制理论发展概况 自动控制系统 自动控制系统的类型 对自动控制系统性能的基本要求 本课程的主要内容及其相互关系
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世界上公认的第一个自动控制系统
1769年瓦特发明蒸汽机 （人工调节蒸汽阀门）
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• 飞球调节器（1788年）
飞球调节器的基本原 1788年瓦特发明飞球 理： 调节器，进一步推 允许进入到发动机
据希望的发动机速 • 推动了社会进步是飞 度与实际的发动机 球调节器公百度文库为第一 速度之差进行调整。 个自动控制系统的最 主要原因！
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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；
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• 中国古代自动化方面的辉煌成就：
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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。
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1956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。
L.S. Pontryagin 庞特里亚金
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1961年，苏联东方-１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 orbital 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.
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课程基本情况
• 实验： 模拟实验（控制理论实验室 8学时） • 课程设计：8学时（自控理论与Matlab编程相结合） • 期末考试：笔试，统考，闭卷（到课率少于三分之 一者取消考试资格） • 期末总成绩：闭卷考试占７０％，实验、考勤、作 业、实践占30%
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主要内容
• 第1章 绪论 • 第2章 控制系统的数学模型
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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。
公元725年，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》一书中记载有程序 控制思想的提花织机结构图。
→ uA
( 0)
→ uD → 电动机 → 齿轮机构 → 负载 → 0 i 负载是被控对象 输入量 i 输出量 0
•控制要求：水箱的水位保持一定的高度
控 制 （1）若水位比要求的水位高，则操纵控制阀，使其开度减小； 原 （2）若水位比要求的水位低，则使控制阀开度增大 理：
控制要求：水箱的水位保持一定的高度 工作原理： •实际水位下降，浮子下 移，通过杠杆机构使控 制阀开度增大 •实际水位上升，浮子 上移，推动杠杆机构 使控制阀开度减小
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第 1章
1.0
1.1
自动控制的基本概念
自动控制发展简史
自动控制与自动控制系统
1.2
1.3
自动控制系统
自动控制系统的基本方式
1.4
1.5
自动控制系统的分类
对自动控制系统的要求
1.6
本课程的主要内容及其相互间的关系
1.1
自动控制与自动控制系统
•自动控制 所谓自动控制，是指在没有人直接
参与的情况下，利用外加的设备或装置（称控制
1960 年引入状态空 间法分析系统，提 出能控性，能观测 性，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. Kalman
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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。
动蒸汽机的应用， 内的燃料数量，根 促进了工业的发展。
燃料 发 动 机
负 载
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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。为了解决这个问题，盲目 探索了大约一个世纪之久。
装置或控制器），使机器、设备或生产过程（统
称控制对象）的某个工作状态或参数（即被控量） 自动地按照预定的规律运行。
•自动控制系统
成的整体。
完成自动控制的系统称为
自动控制系统 , 它是由控制器和被控对象构
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•例1-1 水箱的水位控制系统
人在控制过程中的 作用： （1）观测 （2）比较与决策 （3）执行 改造成自动控制 系统需要增加什 么元件？
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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 的总体运动状态。
Capsule used in first manned orbit of earth
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. Armstrong
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美籍匈牙利人
R. E. Kalman
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1957年世界第一颗人造地球卫星(Sputnik)由苏联发射成功
1957. Laika. Sputnik 2
Sputnik 1 was the first artificial satellite launched into space16
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), Russian spacecraft designer and header of the Vostok and Voskhod projects.
• 自动控制原理(第四版)导教.导学.导考．刘慧英 西北工业大学出版社，
自动控制原理 国防工业出版社 李友善 • Matlab讲义及有关该软件的工具书 • 《Linear Control System Analysis and Design 》 John J.D’azzo,Constantine H.Houpos 清华大学出版社影 印
自动控制原理A
Principles of Automatic Control
授课教师：肖纯 班级：电气1201－1202 email: xiaochun70@163.com
欢迎各位！
课程基本情况
• 学时: 64学时（总计72学时，8学时实验）
• 教材：王孝武等．自动控制理论．北京：机械工业出版社， 2009.8 • 参考书: • 《自动控制原理》王万良 高等教育出版社 • 《自动控制原理》胡寿松主编
宇宙哥伦布-加加林
In 1961, the first human to pilot a spacecraft, Yuri Gagarin, was launched by the Soviet Union aboard Vostok I.
A stamp issued by Russia to memorize Y. Gagarin 18
K. J. Astrom
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1970年英国UMIST H.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 W.M Wonham 发表Linear Multivariable Control: A Geometric Approach。
水箱 被控对象：
给定量或称系统输入量： 要求的水位高度 被控制量或称输出量： 实际高度
出水量、进水压力等：
执行元件：
扰动量 控制阀
•将系统输出量与
输入量进行比较的 控制方式称为反馈 控制方式
测量比较作用：
浮子及杠杆机构
例1-2 位置控制系统 控制要求： 输出量跟随输入量 工作原理：
i 0
W.M Wonham
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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。
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1981年美国“哥伦比亚”号航天飞机首次发射成 功
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1996年第一台火星探测器Sojourner在火星表面软着陆
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旅行者Voyager 一号， 二号开始走出太阳系， 对茫茫太空进行探索
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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。
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1965年，Zadeh（美国加州大学）提出模糊集合和模糊 控制概念。
Internet 防火墙
远程用户
远程子系统
总公司管理系统
核心交换机
1#子系统 2#子系统 （分厂、车间） （分厂、车间）
N#子系统 （分厂、车间）
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CIMS的结构与功能
计 算
经营决策层 生产计划层 生产调度层
数
机
网 络
据
库
装置操作层
基础控制层
Computer Integrated Manufacturing Systems