自动控制的原理、系统构成及应用.ppt

北京理工大学-化工与环境学院 * 第2章 自动控制的原理、系统构成及应用 《过程控制专业概论》 陈祥光 2010年9月 2.1 自动控制系统发展概述 ? 自动化技术的发展历史是一部人类以自己的聪明才智延伸 和扩展的历史﹐自动化是现代科学技术和现代工业发展的结 晶﹐也是信息科学发展的重要标志, 它的发展充分体现了科学 技术的综合作用。 ? 古代人类在长期生产和生活中﹐为了减轻自己的劳动强度﹐ 逐渐产生利用自然界动力代替人力、畜力﹐以及用自动装置代 替人的部分繁难的脑力活动的愿望﹐经过漫长岁月的探索﹐他 们互不相关地创造出一些原始的自动装置。 2.1 自动控制系统发展概述 目前, 自动控制技术几乎渗透到国民经济的各个领域及社 会生活的各个方面，如在工农业生产、交通运输、国防建设、 航空航天工程、家用电器等许多领域获得了越来越广泛的应用。 在工业生产过程中, 采用自动控制技术可以对压力、温度、 流量、液位和成分等参数进行控制, 使生产过程实现自动化操 作、提高劳动生产率、稳定产品质量、降低能源和原材料消耗、 改善操作人员劳动条件、保证安全生产、减少对环境的污染, 从而取得明显的经济效益和社会效益。 2.1 自动控制系统发展概述 表1-1 控制理论的发展及应用历程简表 时间（年） 控制理论发展的主要内容 1770 瓦特(James.Watt)发明的蒸汽发动机离心式调速机构, 标志着英国（也是世界）工业革命的开始。 1868 麦克斯戚尔（J.C. Maxwell）发表了“论调节器”一文, 利用线性微分方程对离心式调速机构的动态性能进行了分析和研究。 1895 劳斯（Routh）和赫尔维茨（Hurwits），把这种思想扩展到高阶微分方 程描述的更为复杂的系统，他们独立的发现了两种著名的代数判据，以用于判断由任意阶线性定常微分方程所描述的系统稳定性。 1927 伯德（H. W. Bode）分析了反馈放大器，提出了基于频域分析（即Bode图）的控制系统稳定判剧，它能够给出一个稳定系统趋于不稳定的程度的一种简单度量方法。 1932 奈魁斯特（H. Nyquist）分析了系统开环频率特性，提出一种判别系统稳定与否的判据（即Nyquist图），它能够给出一个稳定系统趋于不稳定的程度的一种简单度量方法。 1942 齐格勒（Ziegler）和尼科尔斯（Nichols）提出了控制器参数的最优整定方法，并将该方法应用于生产过程。 1946 美国福特公司的机械工程师D.S.哈德最先提出“自动化”一词，并用来描述发动机汽缸的自动传送和加工的过程。 2.1 自动控制系统发展概述 表1-1 控制理论的发展及应用历程简表（续） 1948 伊文思（W.R.Evans）根据反馈系统开环、闭环传递函数之间的内在联系，提出了由开环传递函数寻求闭环特征根（即闭环极点）的根轨迹法。 1950-1959 自动调节器和经典控制理论的发展，使自动化进入以单变量自动调节系统为主的局部自动化阶段。美国数学家卡尔曼（R．Kalman）提出了著名的卡尔曼滤波器。 1960-1969 卡尔曼提出系统的可控性和可观测性问题，为现代控制理论的发展奠基础。随现代控制理论的出现和电子计算机的推广应用，自动控制与信息处理结合起来，使自动化进入到生产过程的最优控制与管理的综合自动化阶段。 1970-1979 针对大规模的自动化对象时变、复杂的工程和非工程系统，运用一般控制理论已难以解决的控制问题。开展这些问题的研究，促进了自动化的理论、控制技术的发展，于是出现了大系统控制、自适应控制、智能控制等。 1980-现在 单片微处理机的出现对控制技术产生了重大影响，使综合自动化集成自动化成为现实。综合利用计算机技术、通信技术、系统工程和人工智能控制技术等，研制成功的一体化集成系统有：如DCS系统、FCS系统、柔性制造系统、计算机集成制造系统、办公自动化系统、智能机器人、协同控制系统等。 目前, 在有些教科书中, 把在第二次世界大战前后形成的、 以系统的传递函数作为数学模型, 以频率响应和根轨迹作为设 计方法的控制理论, 称为经典控制理论。而把在1960年前后形 成的、以系统的状态变量描述作为数学模型,以最优控制和卡尔 曼滤波作为设计方法的控制理论, 称为现代控制理论。 近年来, 控制理论的应用范围已经扩展到生物、医学、环 境、经济管理和其他许多领域, 自动控制技术已经成为现代化 社会不可缺少的组成部分。随着微处理器、单片机及微型计算 机的应用和发展, 大大促进了自动控制理论的发展进程。控制 理论在与其他学科的互相渗透与促进之中必将导致新的发明和 创造。 2.1 自动控制系统发展概述 2.2 自动控制系统的原理与组成 （1）