机械工程控制基础 01.ppt

自动控制理论_第一章;第一章 绪论(Introduction) 在科学和工程技术的发展过程中，自动控制技术起着非常重要的作用。除了在宇宙飞船、导弹发射和飞机驾驶等系统中，自动控制技术具有特别重要的作用之外，它在现代机器制造和工业生产过程中也是不可缺少的重要组成部分。 随着自动控制理论和技术的不断发展，给人们提供了获得动态系统最佳性能的方法，提高了产品质量，降低了生产成本，提高了劳动生产率，使人们从繁重的体力劳动和重复的手工操作中解放出来。; 本章将对本课程的主要内容作一个简介，使同学们对自动控制理论的内容有一个基本的了解，以便更好地学习以后各章节。; 第一节 自动控制理论发展史简述 第二节 自动控制系统的一般概念 一、自动控制在国民经济中的作用 自动控制：就是在没有人直接参与的条件下，利用控制器使被控对象（如机器、设备、生产过程等）的某些物理量（或工作状态）能自动地按照预定的规律变化（或运行）。 自动控制系统的应用是非常广泛的，例如： （一）自动控制技术应用于军事、航天领域 火炮、雷达、跟踪系统； 人造卫星； 宇宙飞船。 ; 轧钢过程； 工业窑炉； 石油化工； 水泥建材； 玻璃、造纸等。 ; 由于计算机等技术的诞生和飞速发展，使得控制技术水平不断提高，已扩大到经济与社会生活的各个领域，如通信、交通、医学、环境保护、经济管理等领域，控制技术已成为现代社会不可缺少的重要组成部分。 近年来，我国在自动化仪表、工业调节器、数字控制技术、航天工程、核动力工程等方面的研究和应用取得了长足进展。;二、自动控制理论发展简介 自动控制理论是自动控制技术的基础理论，是一门理论性较强的工程科学。根据自动控制技术的发展进程，自动控制理论可分为经典控制理论和现代控制理论两大部分。 ;古代的液面和流量控制装置原理图;离心调速器的应用示意图; 最早期的、在工业中起重要作用的第一个自动调节装置是1788年瓦特发明的蒸汽机中的离心调速器。这是一个自动调节系统的问题，也是一个典型的机械动力学问题。调速器的工作原理是：;蒸汽机; 反之若负载减小，蒸汽机转速上升则离心调速器可使转速下降。这样，离心调速器可自动地抵制负载的变化，使转速保持在某一给定范围之内。可以说，这是最早的自动反馈控制系统。但是后来发现，汽阀的速度调节并不完善。若使速度恢复较快，就是加强反馈效果（如，即使速度有微小变化也使供汽量的变化较大），但这样一来，就会出现速度反复变化频繁的振荡现象，若其参数处理不好时，还会使蒸汽机产生剧烈的振荡（在反馈控制系统中，振荡是经常出现的现象）。;最早的系统稳定性研究： J.C.Maxwell（麦克斯韦尔），1868年发表《论调节器》，研究调节器的微分方程，线性化处理，从描述系统的微分方程的解中有无增长指数函数项来判断系统的稳定性，证明系统稳定性取决于微分方程的特征根是否都具有负的实部，针对二阶和三阶系统讨论了使特征根具有负实部时，特征多项式系列应满足的条件。 系统稳定准则： A.M.Lyapunov（李雅普诺夫）于1882年提出了李雅普诺夫第一法与第二法 ； Hurwitz（霍尔维茨）和 E.J.Routh（劳斯）于1884年提出的劳斯-霍尔维茨稳定判据。 ; H.Nyquist（奈奎斯特）于1932年提出奈氏判据及“稳定裕度”的概念，Bode(伯德）于1945年提出了对数频率特性的方法。 二战期间，军事科学的需要大大促进了反馈控制理论的发展。美国麻省理工学院雷达实验室的科学家们将反馈放大器理论、 PID（比例-积分-微分）控制以及N.Wiener（维纳）的随机过程理论等结合在一起，形成了一整套被称为随动控制系统(servo control system)的设计方法。 ;根轨迹方法：(root locus) W.R.Evans（伊万斯）提出的方法和规则是当系统参数变化时特征方程式根变化的几何轨迹。目前仍然是系统设计和稳定性分析的一种重要方法。 1948年美国数学家N.Wiener（维纳）发表了一篇题为《控制论》的著作，首创了（Cybernetics）这个名词，这本著作的出版，标志着《控制论》这门学科的正式诞生。 第二次世界大战后，控制理论在民用工业中得到进一步应用，如化工、石油、冶金等部门，实现了对过程的控制，解决了压力、温度、流量与化学成分的控