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1、封面本章主要解决两个问题：本章主要解决两个问题：自动控制到底是什么？它能完成自动控制到底是什么？它能完成什么样的任务？什么样的任务？怎样完成怎样完成这个任务？这个任务？通过什么方通过什么方式式来完成？来完成？一、一、自动控制的发展自动控制的发展（1 1）控制理论胚胎与萌芽期）控制理论胚胎与萌芽期古代的自动装置古代的自动装置1)铜壶滴漏(1400B.C.1100B.C.)铜壶滴漏铜壶滴漏西汉漏壶西汉漏壶2)中国张衡发明水运浑象，研制出自动测量地震的候风地动仪(132年)张衡和浑象张衡和浑象侯风地动仪侯风地动仪3)235年中国三国时期的马钧研制出用齿轮传动的自动指示方向的指南车。马钧的指南车马钧的
2、指南车4）公元3世纪中国发明了自动记录里数的记里鼓车汉代孝堂山画像石中的鼓车图汉代孝堂山画像石中的鼓车图记里鼓车模型记里鼓车模型一、一、自动控制的自动控制的发展发展（2 2）工业化促使自动控制装置产生）工业化促使自动控制装置产生一、一、自动控制的自动控制的发展发展（3 3）最早的稳定性研究）最早的稳定性研究 J.C.Maxwell（麦克斯韦）（麦克斯韦）18681868年发表年发表论调节器论调节器 一、一、自动控制的自动控制的发展发展（4 4）系统稳定判据）系统稳定判据 E.J.Routh（劳斯，（劳斯，1877年）年）Hurwitz（霍尔维茨，霍尔维茨，18951895年）年）劳斯劳斯-霍尔
3、维茨霍尔维茨稳定判据稳定判据 一、一、自动控制的自动控制的发展发展 亚历山大亚历山大李亚普诺夫李亚普诺夫 俄罗斯俄罗斯应用数学应用数学家家，18921892年的博士论文年的博士论文运动运动稳定性的一般问题稳定性的一般问题是经典名著。是经典名著。A.M.Lyapunov（李雅普诺夫，（李雅普诺夫，18921892年）年）提出了李雅普诺夫第一法提出了李雅普诺夫第一法与第二法与第二法 （4 4）系统稳定判据）系统稳定判据 一、一、自动控制的自动控制的发展发展H.Nyquist（奈奎斯特，（奈奎斯特，1932年年）提出奈氏判据，提出奈氏判据，Bode(波德，波德，1927年年）提出提出了对数频率特性的
4、方法。了对数频率特性的方法。W.R.Evans（伊万斯，（伊万斯，1948年年)提出根轨迹法。提出根轨迹法。（4 4）系统稳定判据）系统稳定判据 一、一、自动控制的自动控制的发展发展 1948年年 N.Wiener（维纳）（维纳）发表著名的发表著名的控制论控制论（5）40-5040-50年代形成年代形成经典控制理论经典控制理论体系体系Harbin Engineering University主目录主目录 返回返回 现代控制理论现代控制理论用于系统的整用于系统的整个描述、分析个描述、分析和设计过程的和设计过程的状态空间状态空间方法；方法；最优控制中的最优控制中的Pontriagin极极大值原理大
5、值原理和和Bellman动态动态规划规划；随机系统理论随机系统理论中的中的Kalman滤波技术。滤波技术。现代控制理论起源于现代控制理论起源于6060年代，年代，空间技术竞赛空间技术竞赛催生了现代控制理论催生了现代控制理论，以下述三个方面作为其以下述三个方面作为其形成的标志形成的标志目前目前20世纪世纪8090年代年代20世纪世纪6070年代年代20世纪世纪50年代年代鲁棒控制、鲁棒控制、控制等控制等状态空间法、最优控制等状态空间法、最优控制等H目前已形成了多个重要分支，包括系统目前已形成了多个重要分支，包括系统辨识、自适应控制、综合自动化、非线辨识、自适应控制、综合自动化、非线性系统理论、模
6、式识别与人工智能、智性系统理论、模式识别与人工智能、智能控制等。能控制等。经典控制理论经典控制理论现代控制理论现代控制理论自控理论的发展自控理论的发展经典控制理论和现代控制理论的对比经典控制理论和现代控制理论的对比 自控自控理论理论经典控制理论经典控制理论现代控制理论现代控制理论时间时间分界分界2020世纪世纪6060年代达到完善；年代达到完善；2020世纪世纪6060年代开始发展；年代开始发展；数学数学工具工具常微分方程，常微分方程，传递函数传递函数；一阶微分方程组，一阶微分方程组，状态空间状态空间方程，方程，(传递函数阵传递函数阵)研究研究对象对象单输入单输出系统，单输入单输出系统，定常系
7、统；定常系统；多输入多输出系统，多输入多输出系统，定常和时变系统定常和时变系统系统系统变量变量注重系统的输入输出关系；注重系统的输入输出关系；研究系统输入、输出及内部变量的研究系统输入、输出及内部变量的运动关系；运动关系；1 1、自动控的任务、自动控的任务二、自动控制的任务二、自动控制的任务 提高提高劳动生产率和产品质量劳动生产率和产品质量；改善劳动条件改善劳动条件，减轻劳动强度，减轻劳动强度(1.1.1)(1.1.1)；提高生活质量提高生活质量等。等。2 2、自动控制定义、自动控制定义 在在没有人直接参与没有人直接参与的情况下，利用的情况下，利用外加的设备或装置（外加的设备或装置（控制装置或
8、控制装置或控制器控制器）使机器、设备或生产过程（使机器、设备或生产过程（被控对象被控对象）的某个工作状态或参数（的某个工作状态或参数（被控量被控量）自动自动地按照预定的规律运行地按照预定的规律运行。几个重要定义几个重要定义 输入量：输入量：被控对象：被控对象：被控制量：被控制量：控制器控制器/控制装置：控制装置：3 3、自动控制系统、自动控制系统4 4、自动控制系统的工作原理、自动控制系统的工作原理 H H注注入入控控制制器器（比比较较、放放大大）Q Q1 1浮浮子子流流出出Q Q2 2（I I）原原理理图图气气动动阀阀门门液位自动控制系统液位自动控制系统三、自动控制系统基本控制方式三、自动控
9、制系统基本控制方式 2 2开环控制开环控制 1 1闭环控制闭环控制(反馈控制反馈控制)3 3复合控制方式复合控制方式 三、自动控制系统基本控制方式三、自动控制系统基本控制方式 2 2开环控制开环控制 1 1闭环控制闭环控制(反馈控制反馈控制)3 3复合控制方式复合控制方式 1、闭环控制、闭环控制 系统输出端与输入端系统输出端与输入端存在反馈回路存在反馈回路，即输出量，即输出量对控制作用对控制作用有直接影响有直接影响的系统。的系统。能削弱或抑制干扰的影响；能削弱或抑制干扰的影响；低精度元件可组成高精度系统；低精度元件可组成高精度系统；被控量必须可测被控量必须可测主要特点：主要特点：2、开环控制、
10、开环控制 系统输出端和输入端之间系统输出端和输入端之间不存在反馈回路不存在反馈回路，输，输出量对系统的控制作用出量对系统的控制作用没有影响没有影响。对干扰缺乏自动修正能力；对干扰缺乏自动修正能力；组成系统的元部件精度高，系统的精度才能高；组成系统的元部件精度高，系统的精度才能高；对输出不需要测量，容易实现；对输出不需要测量，容易实现；主要特点：主要特点：被控对象被控对象干扰补偿的控制系统方框图干扰补偿的控制系统方框图输入量输入量控制器控制器控制对象控制对象输出量输出量被控量被控量干扰量干扰量前馈补偿前馈补偿被控对象被控对象3 3、复合控制系统、复合控制系统 干扰补偿的复合控制系统方框图干扰补偿
11、的复合控制系统方框图输入量输入量控制器控制器控制对象控制对象测量元件测量元件输出量输出量反馈回路反馈回路被控量被控量干扰量干扰量前馈补偿前馈补偿开环控制和闭环控制相结合的系统开环控制和闭环控制相结合的系统被控对象被控对象四、对自动控制系统的基本要求四、对自动控制系统的基本要求稳稳 基本要求基本要求快快 动态要求动态要求 准准 稳态要求稳态要求开环控制反馈控制(闭环控制)复合控制按按控控制制方方式式五、五、自动控制系统的分类1 按按自动控制系统的分类2 自动控制系统的分类3按系统中是否含有按系统中是否含有非线性元件非线性元件线性系统线性系统 非线性系统非线性系统按系统按系统参数参数是否是否随时间
12、变化随时间变化定常系统定常系统 时变系统时变系统按信号的按信号的连续性连续性连续系统连续系统 离散系统离散系统按输入输出变量的多少按输入输出变量的多少单变量系统单变量系统 多变量系统多变量系统自动控制理论教学过程控制系统自动控制理论教学过程控制系统学生学生作业作业,考试考试大纲要求大纲要求实际水平实际水平教师教师教学过程方框图教学过程方框图自动控制理论教学过程控制系统自动控制理论教学过程控制系统作业作业,考试考试学生学生学生学生学生学生教师教师本章重点本章重点 理解自动控制的概念理解自动控制的概念；理解反馈控制原理理解反馈控制原理，画出典型反馈控制系画出典型反馈控制系统的方框图统的方框图；理解闭环控制系统、开环控；理解闭环控制系统、开环控制系统的特点；制系统的特点；掌握控制系统的基本组成掌握控制系统的基本组成；根据原理图，；根据原理图，指出每个环节的作用，并指出每个环节的作用，并能画出控制系统能画出控制系统方框图方框图。第第1 1章章 作业作业1-11-21-41-5
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