控制系统理论基础

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1、一、自动控制系统的发展历史二、自动控制系统的工作原理三、对控制系统的要求四、自动控制系统的分类第五章一、自动控制系统的发展历史自动控制的基本概念现代科学技术中的自动控制技术得到了广泛的应用航天器工业控制机器人家用电器自动控制的特征：通过对各类机器、各种物理参量、工业生产过程等的控制直接造福于社会。自动控制：在无人直接参与下，利用控制装置操纵受控对象，使受控对象的被控量按给定信号变化规律去变化。自动控制示意图控制器给定值检测元件受控对象被控量自动控制系统控制装置:受控对象:机器、设备、生产过程等控制器、检测元件等下面通过一些实例来说

2、明自动控制和自动控制系统的基本概念一、自动控制系统的发展历史自动控制的基本概念例水温人工控制系统受控对象:水箱热传导器件系统的构成：被控制量:水温阀门显示仪表蒸汽排水冷水热水工作过程：蒸汽通过热传导器件把热量传递给水,水的温度与蒸汽的流量成正比.手动调节阀门的开度，从而调节蒸汽的流量,来控制水的温度.但人工难以实现稳定的高质量控制.一、自动控制系统的发展历史自动控制的基本概念例水温自动控制系统系统中增加了：控制器电机加入给定信号工作原理：检测实际温度产生控制信号通过电机调节阀门的开度从而调节蒸汽流入，控制水的温度.实现没有人直接参

3、入的自动水温控制.控制器一、自动控制系统的发展历史自动控制的基本概念温度检测为了方便地分析系统性能，一般用框图来表示系统的结构，水温自动控制系统可用框图表示为：要使自动控制系统满足工程实际的需要,必须研究自动控制系统的结构参数与系统性能之间的关系。实际温度偏差反馈量预期温度_控制器执行机构阀门水箱控制器一、自动控制系统的发展历史自动控制的基本概念杆杠长度例液位自动控制系统h水箱杆杠浮球阀门进水系统组成：出水被控制量：水位高度工作原理：调节杠杆长度L，通过杠杆机构调节阀门的开度，从而调节进水量以控制液位的高度。L一、自动控制系统的发

4、展历史自动控制的基本概念系统结构框图浮球hr(s)h(t)阀门水箱杠杆机构Lh一、自动控制系统的发展历史控制理论的产生和发展要分为以下几个发展阶段：经典控制理论阶段现代控制理论阶段鲁棒控制理论阶段一、自动控制系统的发展历史1.经典（自动）控制理论它的发展大致经历了萌芽、起步、发展、标志等几个过程。萌芽阶段早在两千年前中国就有了自动控制技术的萌芽。两千年前我国发明的指南车，就是一种开环自动调节系统。公元1086－1089年（北宋哲宗元祐初年），我国发明的水运仪象台就是一种闭环自动调节系统。一、自动控制系统的发展历史1.经典控制理论起

5、步阶段随着科学技术与工业生产的发展，到十八世纪，自动控制技术逐渐应用到现代工业中。其中最卓越的代表是瓦特发明的蒸汽机离心调速器，加速了第一次工业革命的步伐。一、自动控制系统的发展历史1.经典控制理论发展阶段1868年马克斯韦尔解决了蒸汽机调速系统中出现的剧烈振荡的不稳定问题，提出了简单的稳定性代数判据。1895年劳斯（Routh）与赫尔维茨（Hurwitz）把马克斯韦尔的思想扩展到高阶微分方程描述的更复杂的系统中,各自提出了两个著名的稳定性判据—劳斯判据和赫尔维茨判据。基本上满足了二十世纪初期控制工程师的需要。一、自动控制系统的发

6、展历史1.经典控制理论发展阶段由于第二次世界大战需要控制系统具有准确跟踪与补偿能力，1932年奈奎斯特提出了频域内研究系统的频率响应法，为具有高质量的动态品质和静态准确度的军用控制系统提供了所需的分析工具。1948年伊万斯提出了复数域内研究系统的根轨迹法。建立在奈奎斯特的频率响应法和伊万斯的根轨迹法基础上的理论，称为经典（古典）控制理论（或自动控制理论）。一、自动控制系统的发展历史1.经典控制理论标志阶段1947年控制论的奠基人美国数学家韦纳把控制论引起的自动化同第二次产业革命联系起来，并与1948年出版了《控制论—关于在动物和机

7、器中控制与通讯的科学》，书中论述了控制理论的一般方法，推广了反馈的概念，为控制理论这门学科奠定了基础。我国著名科学家钱学森将控制理论应用于工程实践，并与1954年出版了《工程控制论》。一、自动控制系统的发展历史1.经典控制理论从四十年代到五十年代末，经典控制理论的发展与应用使整个世界的科学水平出现了巨大的飞跃，几乎在工业、农业、交通运输及国防建设的各个领域都广泛采用了自动化控制技术。（可以说工业革命和战争促使了经典控制理论的发展）。一、自动控制系统的发展历史2.现代控制理论科学技术的发展不仅需要迅速地发展控制理论，而且也给现代控制

8、理论的发展准备了两个重要的条件—现代数学和数字计算机。现代数学，例如泛函分析、现代代数等，为现代控制理论提供了多种多样的分析工具；而数字计算机为现代控制理论发展提供了应用的平台。在二十世纪五十年代末开始，随着计算机的飞速发展，推动了核能技术、空间技