自動控制原理4系2013

1、自動控制原理(5.5學(xué)分76+12學(xué)時 )何朕主要內(nèi)容主要內(nèi)容第一章第一章 控制系統(tǒng)的一般概念控制系統(tǒng)的一般概念(2學(xué)時學(xué)時)第二章第二章 控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型(12學(xué)時學(xué)時)第三章第三章 線性系統(tǒng)的時域分析線性系統(tǒng)的時域分析(14學(xué)時學(xué)時)第四章第四章 根軌跡法根軌跡法(14學(xué)時學(xué)時)第五章第五章 線性系統(tǒng)的頻域分析線性系統(tǒng)的頻域分析(22學(xué)時學(xué)時)第六章第六章 非線性控制系統(tǒng)分析非線性控制系統(tǒng)分析(10學(xué)時學(xué)時)實驗實驗序號實驗項目名稱學(xué)時實驗要求實驗類型每組人數(shù)1二階系統(tǒng)模擬機仿真2必修綜合22小功率隨動系統(tǒng)的分析與校正4必修綜合23調(diào)速系統(tǒng)的分析與校正4必修綜合24控制

2、系統(tǒng)的計算機輔助設(shè)計2必修綜合1成績組成及比例成績組成及比例參考文獻參考文獻 裴裴 潤，潤，自動控制原理自動控制原理 胡壽松，胡壽松，自動控制原理自動控制原理 Ogata， 現(xiàn)代控制工程現(xiàn)代控制工程 李友善，李友善，自動控制原理自動控制原理上課時間 1-14周 周一，3-4節(jié)，致知14 周二，3-4節(jié)，致知21 周四，5-6節(jié)，致知21考試時間考試時間16周周五周周五(12月月20日日)15:30-17:301104101 致知23 1104102 致知34 1104103 致知24 1140101、401 致知33 第一章第一章 控制系統(tǒng)的一般概念控制系統(tǒng)的一般概念 一、自動控制發(fā)展的歷程二

3、、二、自動控制系統(tǒng)的分類三、控制系統(tǒng)的組成四、對控制系統(tǒng)的基本要求一、自動控制發(fā)展的歷程 前期控制經(jīng)典控制現(xiàn)代控制后現(xiàn)代控制前期控制中國，埃及和巴比倫出現(xiàn)自動計時漏壺(1400B.C. 1100B.C.)。元延佑三年（公元元延佑三年（公元1316年）造年）造 西漢漏壺西漢漏壺中國張衡研制出自動測量地震的候風地動儀(132年)中國明代宋應(yīng)星所著天工開物記載有程序控制思想的提花織機結(jié)構(gòu)圖(1637年)英國J. Watt用離心式調(diào)速器控制蒸汽機的速度(1788年)英國J. Watt用離心式調(diào)速器控制蒸汽機的速度(1788年)J.C. Maxwell (1831- 1879), 法國科學(xué)家，于1868

4、年發(fā)表文章“On Governors, 成功解決了二階及三階系統(tǒng)的穩(wěn)定性。隨后，1877年劍橋大學(xué)的E.J.Routh與1895年瑞典的Hurwitz分別解決了多階系統(tǒng)的穩(wěn)定性判斷。 俄國A.M. Lyapunov博士論文“論運動穩(wěn)定性的一般問題” (1892年)經(jīng)典控制Wright Brothers 于1903年12月17日完成了人類歷史上首次動力飛行，開創(chuàng)了航空業(yè)的新篇章。只有鸚鵡才喋喋不休，但它永遠也飛不高。只有鸚鵡才喋喋不休，但它永遠也飛不高。 西奧多馮卡門（1881年1963年），匈牙利猶太人，1936年入美國籍，是20世紀最偉大的美國工程學(xué)家，開創(chuàng)了數(shù)學(xué)和基礎(chǔ)科學(xué)在航空和航天和其他

5、技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用，被譽為“航空航天時代的科學(xué)奇才”。他所在的加利福尼亞理工學(xué)院實驗室后來成為美國國家航空和航天噴氣實驗室， 我國著名科學(xué)家錢偉長、錢學(xué)森、郭永懷都是他的親傳弟子馮卡門：“我是研究科學(xué)的。有一位偉大的科學(xué)家用他的定律證明了比空氣重的東西是絕對飛不起來的，怎么”。法爾芒幽默地回答：“是那個研究蘋果落地的人嗎？幸好我沒有讀過他的書，不然，今天就不會得到這次飛行的獎金了。我只是個畫家、賽車手，現(xiàn)在又成了飛行員。至于飛機為什么會飛起來，不關(guān)我的事，您作為教授，應(yīng)該研究它。祝您成功，再見！” 天氣動力學(xué)研究的道路。我要不惜一切努力去研究風以及在風中飛行的全部奧秘?？傆幸惶煳視蚍柮⒅v清楚他

6、的飛機為什么能上天的道理的錢學(xué)森（1911.12.11-2009.10.31），男，漢族，浙江省杭州人。中國航天事業(yè)的奠基人，中國兩彈一星功勛獎?wù)芦@得者，被譽為“中國航天之父”、“中國導(dǎo)彈之父”、“中國自動化控制之父”和“火箭之王”。錢學(xué)森生前常對人說，對他一生影響最深和幫助最大的有兩個人，一個是開國總理周恩來，一個是自己的岳父蔣百里。“我們結(jié)婚44年的生活是很幸福的。在1950年到1955年美國政府對我迫害期間，她管家，為此付出了巨大犧牲；蔣英是女高音歌唱家，她與我的專業(yè)相差很遠，但，正是由于她為我介紹了音樂藝術(shù)，使我豐富了對世界的深刻認識，學(xué)會了廣闊的思維方法.”美 國 福 特(Ford

7、Motor)汽車公司建成最早的汽車裝配流水線(1913)E. Sperry(1860-1930), 創(chuàng)立Sperry公司。由他們設(shè)計和制造的陀螺儀和各種控制裝置被廣泛的應(yīng)用到二戰(zhàn)時期的美軍軍艦、魚雷、火炮、雷達和飛機上。L.Sperry(1892-1923), 在1914年的巴黎航展中，成功地演示了陀螺儀全自動機身平衡與穩(wěn)定，為航空業(yè)的快速發(fā)展做出了重要的貢獻。美國H.S. Black提出放大器性能的負反饋方法(Negative Feedback Amplifier) (1927)H. S. Black自動控制的基礎(chǔ)為閉環(huán)控制?？刂普摰牡旎薔.Wiener 給出的定義為：“Feedback

8、is a method of controlling a system by inserting into it the result of its past performance” 閉環(huán)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖：美國E. Sperry以及C. Mason研制出火炮控制器(1925)，氣壓反饋控制器(1929)火力控制(1940年前)Bell LabsParkinson二次大戰(zhàn)后期的火控系統(tǒng)美國貝爾實驗室的應(yīng)用數(shù)學(xué)家 H. Bode(1938)，美國耶魯大學(xué)的物理學(xué)博士 Nyquist(1940)提出頻率響應(yīng)法。美國Taylor儀器公司的J. G. Ziegler和N. B. Nichols提出P

9、ID參數(shù)的最佳調(diào)整法(1942)N.B. Nichols美國MIT的N. Wiener研究隨機過程的預(yù)測(1942)，提出Wiener濾波理論(1942)，發(fā)表控制論(Cybernetics)一書(1948)，標志著控制論學(xué)科的誕生。李郁榮（Y.W. Lee, 1904-1989), 廣東人，麻省理工學(xué)院N. Wiener的首位博士生(1930年)，曾任職于清華大學(xué)電機系(1931-1937)，早期為Wiener理論的工程應(yīng)用與推廣作了大量的工作。1946年回到MIT電機系(1946-1969)，與Shannon一起成為該系最知名的兩個學(xué)科帶頭人。其主要工作包括隨機通訊(statistical

10、 communication theory)和電路理論，培養(yǎng)了大批電子工程領(lǐng)域中的知名學(xué)者和工程師，被譽為MIT的最偉大的教育家之一。在貝爾實驗室Bode領(lǐng)導(dǎo)的火炮控制系統(tǒng)研究小組工作的C. Shannon提出繼電器邏輯自動化理論(1938)，隨后，發(fā)表專著 通 信 的 數(shù) 字 理 論 ( T h e Mathematical Theory of Communication)，奠定了信息論的基礎(chǔ)(1948)C. E. ShannonJ. Von Neuman (1903-1957)發(fā)明首臺數(shù)字計算機，創(chuàng)立Game theory 現(xiàn)代控制 二次世界大戰(zhàn)中火炮，雷達，飛機以及通訊系統(tǒng)的控制研究直接

11、推動了經(jīng)典控制的發(fā)展。五十年代后興起的現(xiàn)代控制起源于冷戰(zhàn)時期的軍備競賽，如導(dǎo)彈(發(fā)射，操縱，指導(dǎo)及跟蹤)，衛(wèi)星，航天器和星球大戰(zhàn)，以及計算機技術(shù)的出現(xiàn)。(1) 蘇聯(lián)L.S. Pontryagin發(fā)表“最優(yōu)過程數(shù)學(xué)理論”，提出極大值原理(Maximum Principle)(1956)(2) 美國R. Bellman在RAND Corporation數(shù)學(xué)部的支持下，發(fā)表著名的Dynamic Programming，建立最優(yōu)控制的基礎(chǔ)(1957)(3) 國際自動控制聯(lián)合會(IFAC)成立(1957)，中國為發(fā)起國之一，第一屆學(xué)術(shù)會議于莫斯科召開(1960)(5) 美籍匈牙利人R. E. Kalma

12、n發(fā)表“On the General Theory of Control Systems”等論文，引入狀態(tài)空間法分析系統(tǒng)，提出能控性，能觀測性，最佳調(diào)節(jié)器和kalman 濾波等概念，奠定了現(xiàn)代控制理論的基礎(chǔ)(1960)(4) 世界第一顆人造地球衛(wèi)星(Sputnik)由蘇聯(lián)發(fā)射成功(1957)現(xiàn)代后控制理論 經(jīng)典控制理論現(xiàn)代控制理論現(xiàn)代后控制理論Postmodern Control Theory研究對象傳遞函數(shù)狀態(tài)空間模型線性分式變換(LFT)研究內(nèi)容帶寬裕度特征值方差、范數(shù)奇異值魯棒穩(wěn)定性設(shè)計/計算工具Bode圖Nyquist圖Nichols圖李亞譜諾夫方程Riccati方程線性矩陣不等式(L

13、MI)Robust and Optimal Control二、自動控制系統(tǒng)的分類 閉環(huán)控制：閉環(huán)控制： 開環(huán)控制：開環(huán)控制：1、閉環(huán)控制與開環(huán)控制、閉環(huán)控制與開環(huán)控制閉環(huán)控制閉環(huán)控制開環(huán)控制開環(huán)控制優(yōu)點優(yōu)點精度高精度高抗干擾能力強抗干擾能力強系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和調(diào)試簡單系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和調(diào)試簡單缺點缺點系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、設(shè)計和調(diào)試復(fù)雜，可能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、設(shè)計和調(diào)試復(fù)雜，可能產(chǎn)生失控產(chǎn)生失控不穩(wěn)定不穩(wěn)定抗干擾能力差抗干擾能力差閉環(huán)控制與開環(huán)控制的比較2、伺服系統(tǒng)與定值控制系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)與定值控制系統(tǒng)3、控制系統(tǒng)的其它類型、控制系統(tǒng)的其它類型 線性系統(tǒng)與非線性系統(tǒng)。 計算機控制系統(tǒng)與模擬控制系統(tǒng)。 運動控制系統(tǒng)與過程控制系統(tǒng)。 定常系統(tǒng)與時變系統(tǒng)。三、控制系統(tǒng)的組成控制對象