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自动控制原理自动控制原理国家精品课程网站国家精品课程网站 http:/210.32.200.206/zdkz/index.asp 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
2、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：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；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：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
3、；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。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世界上公认的第一个自动控制系统1769年瓦特发明蒸汽机 自动控制原理国家精品课程 浙江工业大学自动化研究所7飞球调节器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
4、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！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。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
5、，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。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。自动控制原理国家精品课程 浙江工业大学自动化研究所11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
6、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。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。自动控制原理国家精品课程 浙江工业大学自动化研究所13L.S.Pontryagin1956年前苏联L.S.Pontryag
7、in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。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 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 satellite launched into space 1957.Laika.Sputnik 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15Oct.4,1957:Launch of the rocket carrying Sputnik,the first man-made satellite.Photos of
8、 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.自动控制原理国家精品课程 浙江工业大学自动化研究所161961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
9、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 kil
10、ometers 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 earth In 1961,the first human to pilot a spacecraft,Yuri Gagarin,was launched by the Soviet Union aboard Vostok I.自动控制原理国家精品课程 浙江工业大学自动化研究所171966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
11、航员N.A.Armstrong送上月球。N.A.Armstrong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，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自动控制原理国家精品课程 浙江工业大学自动化研究所191967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.Astrom自动控制原理国家精品课程
12、 浙江工业大学自动化研究所201970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W.M Wonham 发表Linear Multivariable Control:A Geometric Approach。W.M Wonham 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。自动控制原理国家精品课程 浙江工业大学自动化研究所221981年美国“哥伦比亚”号航天飞机首次发射成功自动控
13、制原理国家精品课程 浙江工业大学自动化研究所23 1996年第一台火星探测器Sojourner在火星表面软着陆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旅行者Voyager 一号，二号开始走出太阳系，对茫茫太空进行探索自动控制原理国家精品课程 浙江工业大学自动化研究所25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。自动控制原理国家精品课程 浙江工业大学自动化研究所261
14、965年，Zadeh提出模糊集合和模糊控制概念。Lofti Zadeh自动控制原理国家精品课程 浙江工业大学自动化研究所27自动化技术是当代发展最迅速、应用最广泛、最引人注目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。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(BMW(德国宝马）轿车的生产过程德国宝马）轿车的生产过程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现代自动控制系统的监控与操作现代自动
15、控制系统的监控与操作自动控制原理国家精品课程 浙江工业大学自动化研究所29Internet1#子系统子系统（分厂、车间）（分厂、车间）防火墙防火墙总公司管理系统总公司管理系统2#子系统子系统（分厂、车间）（分厂、车间）N#子系统子系统（分厂、车间）（分厂、车间）远程子系统远程子系统远程用户远程用户远程服务远程服务外部网络外部网络内部网络内部网络核心交换机核心交换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30装置操作层装置操作层经营决策层经营决策层生产计划层生产计划层基础控制层基础控制层生产调度层生产调度层计算机网络数据库第第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.
16、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
17、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331.1 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，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34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35自动控制热力系统自动控制热力系统自动控制原理
18、国家精品课程 浙江工业大学自动化研究所36直流电机速度控制系统直流电机速度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37过程控制系统实例过程控制系统实例 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机电控制系统实例机电控制系统实例 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
19、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40 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
20、学自动化研究所42 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43 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 负负反馈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44汽车驾驶中的反馈控制过程汽车驾驶中的反馈控制过程 自动控制原理国家精品课程 浙江工业大学自动化研究所45国民经济运行中的反馈控制系统模型国民经济运行中的反馈控制系统模型 自动控制原理国家精品课程 浙江工业大学自动化研究所46股票市场中的反馈控制系统模型股票市场中的反馈控制系统模型 自动控制原
21、理国家精品课程 浙江工业大学自动化研究所47 系统的扰动系统的扰动汽车中的汽车中的ABSABS反馈控制系统反馈控制系统 自动控制原理国家精品课程 浙江工业大学自动化研究所48 复合控制系统复合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491.2.2 1.2.2 线性系统与非线性系统线性系统与非线性系统1.2.3 1.2.3 连续系统与离散系统连续系统与离散系统对于用微分方程描述的系统：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。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。自动控制原理国家精品课程 浙江工业大学自动化研
22、究所501.2.4 1.2.4 定常系统与时变系统定常系统与时变系统 1.2.5 SISO1.2.5 SISO系统和系统和MIMOMIMO系统系统1.2.6 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时变系统实例：时变系统实例：航天器的飞行过程航天器的飞行过程 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
23、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521.3 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 1.3.1 1.3.1 稳定性稳定性自动控制原理国家精品课程 浙江工业大学自动化研究所53 1.3.2 1.3.2 稳态性能（静态性能）稳态性能（静态性能）自动控制原理国家精品课程 浙江工业大学自动化研究所54 1.3.3 1.3.3 暂态性能（动态性能，暂态性能（动态性能，瞬态性能）瞬态性能）自动控制原理国家精品课程 浙江工业大学自动化研究所55 1.3.3 1.3.3 暂态性能（动态性能，暂态性能（动态性能，瞬态性能）瞬态性能）第第1
24、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57系统系统 (机械，电气，机械，电气，过程等过程等)建模方法建模方法 机理或实验机理或实验 数学模型数学模型性能分析性能分析 稳定性、稳定性、动态性能、动态性能、鲁棒性等等鲁棒性等等若性能若性能不满足要求不满足要求对系统进行校正对系统进行校正校正方法（控制器设计方法）校正方法（控制器设计方法）滞后滞后-超前、超前、PIDPID、LQLQ最优等最优等 1.4 1.4 课程的主要内容及其相互关系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58问题？
