第一章-緒論——自動控制理論

1、張兆軍,電氣工程及自動化學(xué)院,自動控制原理,參考教材,張愛民. 自動控制原理. 北京：清華大學(xué)出版社，2006.劉明俊，于明祁.自動控制原理. 湖南：國防科技大學(xué)出版社，2000.包建華，白朝霞.自動控制原理實驗指導(dǎo)書，徐師大自編.,主要內(nèi)容,第一章 緒論第二章 控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型第三章 控制系統(tǒng)的時域分析第四章 根軌跡法第五章 頻率響應(yīng)法第六章 控制系統(tǒng)的校正第九章 狀態(tài)空間分析法,課時計劃與安排,本

2、課程共計72學(xué)時，其中理論課64學(xué)時，實驗課8學(xué)時。具體安排如下,理論課經(jīng)典控制理論（第1-6章）現(xiàn)代控制理論（第9章）實驗課典型環(huán)節(jié)及其階躍響應(yīng)二階系統(tǒng)階躍響應(yīng)系統(tǒng)頻率特性測量連續(xù)系統(tǒng)串聯(lián)超前校正,1.1 自動控制理論發(fā)展史簡述1.2 自動控制系統(tǒng)的一般概念1.3 開環(huán)控制與閉環(huán)控制1.4 自動控制系統(tǒng)的分類1.5 對自動控制系統(tǒng)的要求本課程的任務(wù),第一章 緒論,1.1 自動控制理論發(fā)展史簡述,（一）萌芽階段

3、——18世紀中葉 1、世界公認為第一個自動控制系統(tǒng)的是1788年瓦特發(fā)明的離心式調(diào)速器。,2、俄國人波爾佐諾夫發(fā)明鍋爐水位調(diào)節(jié)器。,一、發(fā)展史簡述,（二）奠基階段——經(jīng)典控制論（60年代以前）,,1、1932年，奈奎斯特針對反饋放大器提出幾何穩(wěn)定判據(jù)——奈氏圖、奈氏判據(jù)。從時域分析轉(zhuǎn)到頻域分析2、1940年，博德在頻率法中引入對數(shù)坐標系，使頻率特性的繪制工作更加適用于工程實際。博德圖3、1942年，哈里斯引入傳遞函數(shù)概念，用

4、方框圖、環(huán)節(jié)、輸入和輸出等信息傳輸?shù)母拍顏砻枋鱿到y(tǒng)的性能和關(guān)系。4、1948年，埃文斯提出了控制系統(tǒng)非常實用的設(shè)計方法—根軌跡法，用參數(shù)變化時特征方程的根變化軌跡來研究系統(tǒng)。5、1948年，美國數(shù)學(xué)家維納出版了《控制——關(guān)于在動物和機器中控制和通訊的科學(xué)》，系統(tǒng)地論述了控制理論的一般原理和方法，奠定了控制論的基礎(chǔ)。6、50年代中期，添加了非線性系統(tǒng)理論和離散控制理論，形成了完整的理論體系。,（三）發(fā)展階段——現(xiàn)代控制論（20世紀6

5、0年代后）,,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，以及計算機技術(shù)的出現(xiàn)，則促進了新的控制理論的出現(xiàn)和發(fā)展。,1、1956年，蘇聯(lián)學(xué)者L.S. Pontryagin發(fā)表了《最優(yōu)過程數(shù)學(xué)理論》，提出極大值原理（Maximum Principle）。,L.S. Pontryagin,R.E. Kalman,R. Bellman,三大基石,2、1

6、957年，美國R. Bellman在RAND Cooperation數(shù)學(xué)部的支持下，發(fā)表著名的動態(tài)規(guī)劃（Dynamic Programming），建立最優(yōu)控制的基礎(chǔ)。,3、1960年，美籍匈牙利人R. E. Kalman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)。,4、1965

7、年，Zadeh提出模糊集合和模糊控制的概念。5、1958年，美國的E.I. Jury 發(fā)表“數(shù)字控制系統(tǒng)” (Sampled-Data Control System) ，建立了數(shù)字控制及數(shù)字信號處理的基礎(chǔ)。6、1967年，瑞典Karl J. Astrom提出最小二乘辯識，解決了線性定常系統(tǒng)參數(shù)估計問題和定階方法，六年后，提出了自啟調(diào)節(jié)器，建立自適應(yīng)控制的基礎(chǔ)。7、1970年，英國H. H. Rosenbrock 發(fā)表State S

8、pace and Multivariable Theory。1974年，加拿大W.M Wonham 發(fā)表Linear Multivariable Control: A Geometric Approach 。8、1976年，美國R. Brockett提出用微分幾何研究非線性控制系統(tǒng)，1985年，意大利A. Isidori出版(Nonlinear Control Systems) 。9、1981年加拿大G. Zames提出H-inf.

9、 魯棒控制設(shè)計方法……………………,二、中國學(xué)者對控制理論的貢獻,,1、1954年，錢學(xué)森在美國出版了專著《工程控制論》，由戴汝為、何善堉等譯成中文。2、1954，天津大學(xué)劉豹教授編著了我國第一本用中文撰寫的控制理論專著《自動控制原理》。3、1956年，胡中揖和薛景瑄出版了由中國教師自己編寫的第一本《自動控制原理》 的教科書。4、除了結(jié)合國情編著有關(guān)的專著和教材外，也翻譯了國外許多自動控制方面的名著。如王眾托翻譯了前蘇聯(lián)學(xué)者洛多

10、夫尼柯夫的《自動調(diào)整原理》；盧伯英等翻譯了美國學(xué)者緒方勝彥的《現(xiàn)代控制工程》等。,三、自動控制理論的分類,,總結(jié)：從自動控制理論的發(fā)展歷程可以看出，一個理論的誕 生于發(fā)展總是與當(dāng)時的工業(yè)生產(chǎn)水平相適應(yīng)的。,四、自動控制的應(yīng)用領(lǐng)域,,1、開始多用于工業(yè)：壓力、溫度、流量、位移、濕度、粘度自動控制2、后來進入軍事領(lǐng)域：飛機自動駕駛、火炮自動跟蹤、導(dǎo)彈、衛(wèi)星、宇宙飛船自動控制3、目前滲透到更多領(lǐng)域：大系統(tǒng)、交通管理、圖書管理等4

11、、生物學(xué)系統(tǒng)：生物控制論、波斯頓假肢、人造器官5、經(jīng)濟系統(tǒng)：模擬經(jīng)濟管理過程、經(jīng)濟控制論,1.1 自動控制理論發(fā)展史簡述1.2 自動控制系統(tǒng)的一般概念1.3 開環(huán)控制與閉環(huán)控制1.4 自動控制系統(tǒng)的分類1.5 對自動控制系統(tǒng)的要求本課程的任務(wù),第一章 緒論,1.2 自動控制系統(tǒng)的一般概念,一、一般概念,,1、自動控制：就是在沒有人直接參與的條件下，利用控制器 使被控對象（如機器、設(shè)備或生產(chǎn)過程）的某些物理量（或工作狀態(tài)）

12、能自動地按照預(yù)定的規(guī)律變化（或運行）。2、自動控制技術(shù)：研究自動控制的理論，泛稱為自動控制技術(shù)。3、控制系統(tǒng)：把實現(xiàn)自動控制所需要的部件按一定的規(guī)律組合起來，去控制被控對象，這個組合體叫做“控制系統(tǒng)”。 4、控制理論 ：分析與綜合自動控制系統(tǒng)的理論稱之為“控制理論” 。,二、自動控制技術(shù)的作用,,1、自動控制技術(shù)的應(yīng)用不僅使生產(chǎn)過程實現(xiàn)了自動化，極大地提高了勞動生產(chǎn)率，而且減輕了人的勞動強度。2、自動控制使工作具有高度的準確性，

13、大大地提高了武器的命中率和戰(zhàn)斗力，例如火炮自動跟蹤系統(tǒng)必須采用計算機控制才能打下高速高空飛行的飛機。3、某些人們不能直接參與工作的場合就更離不開自動控制技術(shù)了，例如原子能的生產(chǎn)、火炮或?qū)椀闹茖?dǎo)等等。,三、自動控制與人工控制,人在參與控制中起了一下3方面的作用：1）測量實際液面的高度h1——用眼睛。,人工控制,圖1-1水池液面控制系統(tǒng),1. 水池液面控制系統(tǒng),2）將測得實際液面的高度h1與希望液面的高度h0相比較——用腦。3）根據(jù)

14、比較的結(jié)果，即按照偏差的正負去決定控制的動作——用手。,圖1-2 液面人工控制系統(tǒng)的方框圖,人工控制：由人來完成對被控量的控制。自動控制：由自動控制裝置代替人來完成這種操作,液面自動控制系統(tǒng)由以下5個部分組成： 被控對象——水池。測量元件——浮子。比較機構(gòu)——求浮子的希望位置與實際位置之差。放大機構(gòu)——提高系統(tǒng)的控制精度。執(zhí)行元件——電動機與閥F2，職能是改變被控制量的大小。,圖1-3 液面自動控制系統(tǒng),自動控制,,1、必須

15、給定水位要求值，需要水位給定元件。2、必須測量實際水位，需要測量元件。3、必須比較實際水位與要求水位，需要比較元件。4、必須產(chǎn)生控制策略，驅(qū)動執(zhí)行元件，需要放大元件。5、必須操縱閥門，需要執(zhí)行元件。6、必須有被控對象，即水箱中的水,被控量為水箱水位。7、反饋環(huán)節(jié)：閉環(huán)系統(tǒng)中，包括檢測、分壓、濾波。,2. 自動控制系統(tǒng)的組成,四、系統(tǒng)框圖,為了清楚地表示控制系統(tǒng)的組成及各組成部分之間信號的傳輸關(guān)系，在控制工程中引入了系統(tǒng)框圖的

16、概念?？驁D由引出點、比較點、部件的框圖（功能框和信號線）組成。,部件的框圖：輸入信號置于方框的左端，方框的右端為其輸出量，方框中填入部件的名稱。,比較點（相加點）：表示兩個或兩個以上的信號在該處進行代數(shù)運算，要注明輸入信號的極性。,引出點：表示信號的引出，從同一信號線上取出的信號，其大小和性質(zhì)相同,液面自動控制系統(tǒng)的框圖,1.1 自動控制理論發(fā)展史簡述1.2 自動控制系統(tǒng)的一般概念1.3 開環(huán)控制與閉環(huán)控制1.4 自動控制系統(tǒng)的分

17、類1.5 對自動控制系統(tǒng)的要求本課程的任務(wù),第一章 緒論,1.3 開環(huán)控制與閉環(huán)控制,一、自動控制系統(tǒng)的組成部分,二、控制系統(tǒng)分類,,控制系統(tǒng)按照信息傳遞方式分為：開環(huán)控制系統(tǒng)、閉環(huán)控制系統(tǒng)。,1、信號從輸入到輸出無反饋，單向傳遞。2、優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單；成本低；穩(wěn)定性好。3、缺點：被控對象或控制裝置受到干擾，或系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生變化時，會直接影響被控量，系統(tǒng)對此無能為力。,1. 開環(huán)控制系統(tǒng),1) 開環(huán)控制系統(tǒng)框圖,2) 開環(huán)控制系統(tǒng)

18、特點,3) 開環(huán)控制系統(tǒng)應(yīng)用范圍,輸出量無法測量，對控制精度要求不高且干擾影響較小，或這些擾動因素可以預(yù)先確定并能給予補償。,控制器與控制對象之間既有順向作用有反向聯(lián)系的控制過程。優(yōu)點：具有自動修正被控制量出現(xiàn)偏離的能力，可以修正元件參數(shù)變化及外界擾動引起的誤差，控制精度高。 缺點：閉環(huán)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，構(gòu)造比較困難，成本提高，存在著穩(wěn)定性問題。,2. 閉環(huán)控制系統(tǒng),1) 閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖,2) 閉環(huán)控制系統(tǒng)特點,自動控制原理研究

19、在擾動存在并考慮參數(shù)變化的條件下，閉環(huán)系統(tǒng)的性能分析和系統(tǒng)設(shè)計問題。,,3) 閉環(huán)控制系統(tǒng)舉例,閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng),1.1 自動控制理論發(fā)展史簡述1.2 自動控制系統(tǒng)的一般概念1.3 開環(huán)控制與閉環(huán)控制1.4 自動控制系統(tǒng)的分類1.5 對自動控制系統(tǒng)的要求本課程的任務(wù),第一章 緒論,1.4 自動控制系統(tǒng)的分類,一、按信號流向劃分,開環(huán)控制系統(tǒng),閉環(huán)控制系統(tǒng),和,二、按描述元件的動態(tài)方程（數(shù)學(xué)模型）分類,1、線性系統(tǒng)：組成系統(tǒng)

20、的全部元件都是線性元件，它們的輸入輸出靜態(tài)特性均為線性特性，其運動方程能用線性常微分方程描述。主要特點是具有疊加性和齊次性。2、非線性系統(tǒng)：含有一個以上非線性元件，其運動方程用非線性微分方程描述。其輸出響應(yīng)和穩(wěn)定性與其初始狀態(tài)有關(guān)。,三、按輸入量的特征分類,四、按系統(tǒng)的參數(shù)是否隨時間而變化分類,1、定常系統(tǒng)（時不變系統(tǒng)）：系統(tǒng)中的參數(shù)不隨時間變化。2、時變系統(tǒng)：系統(tǒng)中有的參數(shù)是時間 t 的函數(shù)。輸出響應(yīng)波形不僅與輸入波形有關(guān)還與加入

21、的時刻有關(guān)。,1、恒值控制系統(tǒng): 定值調(diào)節(jié)系統(tǒng)或自動鎮(zhèn)定系統(tǒng)。特點：參考輸入量為恒量，并要求輸出量相應(yīng)地保持恒定。2、隨動系統(tǒng)：自動跟蹤系統(tǒng)或伺服系統(tǒng)。特點：系統(tǒng)輸入量是一個變化的量，一般是隨機的，要求系統(tǒng)能快速、準確地跟隨參考輸入信號的變化而變化。,五、按信號的傳遞是否連續(xù)分,1、連續(xù)系統(tǒng)：該類控制系統(tǒng)各部分間的信號均為時間t的連續(xù)函數(shù)。目前工業(yè)普遍采用的常規(guī)儀表PID調(diào)節(jié)器控制的系統(tǒng)。2、離散系統(tǒng)：該類控制系統(tǒng)在信號傳遞過程

22、中有一處或多處的信號是脈沖序列或數(shù)字編碼，即只要有一個是時間t的離散信號。其中離散信號以脈沖形式傳遞的系統(tǒng)又叫脈沖控制系統(tǒng)，離散信號以數(shù)碼形式傳遞的系統(tǒng)又叫數(shù)字控制系統(tǒng)。,離散信號,離散信號,計算機控制系統(tǒng)框圖,1.1 自動控制理論發(fā)展史簡述1.2 自動控制系統(tǒng)的一般概念1.3 開環(huán)控制與閉環(huán)控制1.4 自動控制系統(tǒng)的分類1.5 對自動控制系統(tǒng)的要求本課程的任務(wù),第一章 緒論,1.5 對自動控制系統(tǒng)的要求本課程的任務(wù),一、自

23、動控制系統(tǒng)的性能評價指標,,對于自動控制系統(tǒng)的設(shè)計，要求在可能的范圍內(nèi)盡量滿足其技術(shù)上的需求。常用的性能評價指標有：,1、穩(wěn)定性：是對控制系統(tǒng)最基本的要求。所謂系統(tǒng)穩(wěn)定，粗略地說，就是當(dāng)系統(tǒng)受到擾動作用后，系統(tǒng)的被控制量雖然偏離了原來的平衡狀態(tài)，但當(dāng)擾動一撤離，經(jīng)過一定長的時間后，如果系統(tǒng)仍能回到原有的平衡狀態(tài)，則稱系統(tǒng)是穩(wěn)定的。反之，則稱為不穩(wěn)定。穩(wěn)定性是系統(tǒng)本身的固有特性，它僅與系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)有關(guān)，與初始條件和外作用無關(guān)。

24、2、響應(yīng)速度：也稱動態(tài)性能或快速性。是指系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)具有一定的快速性和平穩(wěn)性。系統(tǒng)在穩(wěn)定的條件下，衡量系統(tǒng)過渡過程的形式和快慢，通常稱為“系統(tǒng)動態(tài)性能”。,3、穩(wěn)態(tài)精度：也稱穩(wěn)態(tài)性或準確性。常用穩(wěn)態(tài)誤差來表示。所謂穩(wěn)態(tài)誤差是指當(dāng)系統(tǒng)從一個穩(wěn)態(tài)過渡到新的穩(wěn)態(tài)，或系統(tǒng)受到擾動作用又重新平衡后，系統(tǒng)會出現(xiàn)偏差，偏差的最終值的大小，稱為穩(wěn)態(tài)誤差。它是衡量系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度的重要指標。穩(wěn)態(tài)誤差越小，表示系統(tǒng)的準確性越好，被控量（輸出量）的期望值與

25、實際值之間的差值就越小。主要有給定穩(wěn)態(tài)誤差和擾動穩(wěn)態(tài)誤差。給定穩(wěn)態(tài)誤差表征系統(tǒng)的輸出跟隨參考輸入的精度。擾動穩(wěn)態(tài)誤差表征系統(tǒng)抗擾動的能力。,常用的指標有：過渡過程時間、超調(diào)量等,二、研究內(nèi)容,,1、系統(tǒng)分析：是在已知系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和參數(shù)的情況下，根據(jù)系統(tǒng)對于某種典型輸入信號作用下的被控量的響應(yīng)，從理論上定性的分析和定量的計算并對其評價指標進行研究。即：①穩(wěn)定性分析；②穩(wěn)態(tài)特性分析；③動態(tài)特性分析。 2、系統(tǒng)設(shè)計：控制系統(tǒng)設(shè)計的任務(wù)就是