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1、控制理论Control Theory姚姚 维维浙江大学浙江大学电气工程学院电气工程学院课程的任务 根据系统的结构和参数，定性分析系统的动态性能和稳态误差。为此，需先建立系统的数学模型，然后依据所建立模型的形式，分别采用时域法、根轨迹法和频域法对系统进行分析。根据所给的控制任务或系统性能的要求，合理设计一个控制装置，并确定其结构和参数。利用计算机辅助分析和设计手段，运用MATLAB工具，对反馈控制系统进行分析和设计。参考书 绪方胜彦，现代控制工程（第四版），电子工业出版社 颜文俊等，控制理论CAI教程（第二版），科学出版社 邹伯敏，自动控制理论（第三版），机械工业出版社第一章 绪论 自动控制就是
2、在没有人直接参与的情况下，利用控制装置（控制器）使被控对象（如生产过程中的速度、温度，电力系统中电压、电流、功率等物理量）自动地依照预定的规律进行运动（变化）。这种能对被控对象的工作状态进行控制的系统称为自动控制系统，它一般由控制装置和被控对象组成。自动控制理论是对自动控制系统进行分析和设计的一般性理论。James Watt的飞锤调速器 1788年，James Watt为控制蒸汽机速度而设计的飞锤调速器，是反馈控制系统的最早工程应用。工厂自动化 工厂自动化包括生产设备、生产线、生产过程、管理过程等的自动化。通常由数控机床、数控加工中心、工业机器人、自动传送线、无人运输车、自动化仓库及计算机监控
3、中心等构成自动化生产线或自动化工厂。管理过程自动化一般包含一个网络化的计算机信息管理系统，可实现全厂生产、财务、人事、技术与设备等的自动化管理。电厂自动化 火电厂利用化石燃料释放出来的热能发电，以蒸汽动力发电为主，也有少量采用内燃机发电。蒸汽动力发电厂的主要动力设备有锅炉、汽轮机、汽轮发电机及辅助设备。火电厂自动化是一门综合技术，具有自动检测、自动保护、顺序控制、连续控制、管理和信息处理等功能。火电厂自动化火电厂基本组成水电厂自动化 水电厂需要控制水轮机、调速器以及水轮发电机励磁装置等，水电自动化系统可自动地对水电厂进行监视、控制、调节和管理，以提高水电厂运行的安全性、经济性、劳动生产率和供电
4、质量。水电厂自动化可分为单机自动化（包括水轮发电机组自动控制、水轮机调速和水轮发电机励磁调节的自动控制）、公用设备自动化、全厂综合自动化（包括水电厂自动发电控制、水电厂自动电压控制、水电站计算机监控系统）和梯级水电站综合自动化。水电厂自动化变电站自动化 变电站的作用是变换电压、接受和分配电能、控制电力流向等，主要通过变压器将各级电压的电网联系起来。随着微机监控监测技术开始引入变电站，变电站正在向综合自动化方向发展，我国已实现了变电站的远程监控、远动和继电保护微机化，同时大力推广无人值班变电站。无人值班变电站将会使变电站综合自动化程度推向一个更高的阶段，其功能包括变电站的远动、继电保护、远方开关
5、操作、自动测量、故障和事故的自动记录以及运行参数自动打印等功能。变电站内部变电站外部家庭自动化 指家庭生活服务或家庭信息服务的自动化，如空调、洗衣机、照明控制系统、自动烹调装置、防盗系统、自动抄表系统、计算机网络等。高层次的家庭自动化利用中央微处理机及网络统一管理和控制所有的家电设备，既可以在家里通过键盘、触摸式屏幕、按钮等设备将指令发送至中央微处理机，也可以在外面通过电话、手机或互联网发出指令，获取工作状态的信息，接受提示或报警等。家庭自动化楼宇自动化 对建筑物中所有能源、机电、消防、安全保护设施等实行高度自动化和智能化的统一管理，以创造出了一个有适宜温度、湿度、亮度、空气清新、节能高效、舒
6、适安全和方便快捷的工作或生活环境。包含的子系统：空调与通风监控系统、给排水监控系统、照明监控系统、电力供应监控系统、电梯运行监控系统、综合防盗保安系统、消防监控系统、停车场监控系统等。楼宇自动化交通自动化 综合运用计算机、通信、检测、自动控制等先进技术，以实现对交通运输系统的自动化管理和控制。目标是安全、快捷、舒适、准点和经济。主要内容有交通状况的监控与管理、交通信息的提供与服务、运输系统的最优化运行与控制等。交通自动化正在走向智能化、信息化和综合自动化，如红绿灯自动优化配时、全球卫星定位系统、地理信息系统及综合监控系统等正迅速推广普及。城市智能交通综合管理系统军事自动化 军事自动化的核心是武
7、器装备的自动化和军事指挥的自动化。传统的机械化战争正发展为信息化和自动化战争，谁胜谁负主要取决于信息化和自动化水平的高低，谁能够更快、更准确的获取信息，并在最短的时间里完成分析和决策，以最快的方式实施尽可能精确的打击，谁就掌握了战争的主动权。作战机器人、无人飞机、无人潜艇等各种智能型武器系统不断涌现，未来的战争将是智能机器与智能机器的较量，比的是自动化水平的高低和计算机、通讯、检测、控制等信息技术的优劣。海陆空天一体的指挥体系农业自动化 农业现代化的重要标志：大量应用自动化技术和现代信息技术。“精准农业”的概念：根据土壤肥力、墒情、苗情、杂草、病虫害等信息，自动地进行精确或精准的耕作、播种、施
8、肥、灌溉、除草、喷洒农药、收割等作业，从而达到省力、高效、安全、节省资源和保护生态的目的。自动化喷灌系统温室立体栽培 农业自动化第一节 自动控制理论的发展综述 古埃及的水钟控制和中国汉代的指南车控制。水钟 指南车沙漏 自动控制理论的发展综述 1788年James Watt设计了飞锤调速器，Maxwell、Routh和Hurwitz等人开始对系统稳定性进行研究，发表了论文“论调速器”，1892年Lyapunov的博士论 文“论 运 动 稳 定 性 的 一 般 问 题”，提 出 了Lyapunov稳定理论，20世纪10年代提出了PID控制规律。20世纪20年代，电子管反馈放大器诞生，Nyquist
9、和Bode在通信研究基础上建立了频域分析法，1942年Harris提出了传递函数概念，构成了频域分析的理论基础，1946年Evens提出了根轨迹分析法。自动控制理论的发展综述 Pontryagin于1956年提出的极大值原理、Bellman的动态规划和Kalman的状态空间分析方法开创了控制理论研究的新时代 现代控制理论。1945年贝塔朗菲关于一般系统论、1948年维纳控制论（Cybernetics，在动物和机器中控制与通信的科学）与香农通信的数学理论、1950年莫尔斯运筹学方法以及1945年冯诺意曼提出的现代计算机体系结构先后问世。1954年钱学森发表了著名的工程控制论，控制论与工程控制论的
10、问世推动了学科发展。第二节 自动控制系统的结构v 开环控制系统 开环控制系统是最简单的控制方式，在控制器和被控对象之间只有正向控制作用而没有反馈控制作用，系统输出量不会对控制器产生任何影响。系统结构简单，成本低，容易控制，但控制精度较低，一般适用于干扰不强或可测，控制精度要求不高的场合。贮槽液位控制系统 根据液位高度 及阀 在单位时间内液体的流出量，来整定阀 的开启程度，以达到预定的控制目的。转台速度控制系统闭环控制系统的提出如何调节液位闭环控制系统 与开环控制系统相比较，闭环控制系统的最大特点是能检测偏差，纠正偏差。由于增加了反馈通道，系统的控制精度得到了提高，可较好抑制系统各环节中可能存在
11、的扰动和由于器件的老化而引起的结构和参数的不稳定，改善系统的动态性能。水池水位控制系统转台速度控制系统第三节 自动控制系统的组成 自动控制系统一般是由参考输入元件、比较元件、控制元件、执行元件、被控对象以及反馈元件六个基本单元组成，每个基本单元都用一个方块表示，信号传递方向用箭头表示。第四节 自动控制系统的分类第五节 控制系统的性能要求 稳定性是控制系统最基本的要求。所谓系统稳定，就是当系统受到扰动作用后，系统被控量偏离了原来的平衡状态，但当扰动撤离后，经过一段时间后，系统仍能返回到原来的平衡状态。系统的稳态精度通常用稳态误差来表示，误差越小，控制精度或准确性就越高。v 稳定性v 准确性v 快速性