第一章-緒論——自動(dòng)控制理論

1、張兆軍,電氣工程及自動(dòng)化學(xué)院,自動(dòng)控制原理,參考教材,張愛民. 自動(dòng)控制原理. 北京：清華大學(xué)出版社，2006.劉明俊，于明祁.自動(dòng)控制原理. 湖南：國(guó)防科技大學(xué)出版社，2000.包建華，白朝霞.自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)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(shí)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(shí)計(jì)劃與安排,本

2、課程共計(jì)72學(xué)時(shí)，其中理論課64學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)課8學(xué)時(shí)。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(shí)驗(yàn)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(cè)量連續(xù)系統(tǒng)串聯(lián)超前校正,1.1 自動(dòng)控制理論發(fā)展史簡(jiǎn)述1.2 自動(dòng)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(dòng)控制系統(tǒng)的分類1.5 對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的要求本課程的任務(wù),第一章 緒論,1.1 自動(dòng)控制理論發(fā)展史簡(jiǎn)述,（一）萌芽階段

3、——18世紀(jì)中葉 1、世界公認(rèn)為第一個(gè)自動(dòng)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(guó)人波爾佐諾夫發(fā)明鍋爐水位調(diào)節(jié)器。,一、發(fā)展史簡(jiǎn)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(duì)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(shí)域分析轉(zhuǎn)到頻域分析2、1940年，博德在頻率法中引入對(duì)數(shù)坐標(biāo)系，使頻率特性的繪制工作更加適用于工程實(shí)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(shí)用的設(shè)計(jì)方法—根軌跡法，用參數(shù)變化時(shí)特征方程的根變化軌跡來研究系統(tǒng)。5、1948年，美國(guó)數(shù)學(xué)家維納出版了《控制——關(guān)于在動(dòng)物和機(jī)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(jì)6

5、0年代后）,,二次世界大戰(zhàn)中火炮、雷達(dá)、飛機(jī)以及通訊系統(tǒng)的控制研究直接推動(dòng)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(shí)期的軍備競(jìng)賽，以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的出現(xiàn)，則促進(jìn)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(guó)R. Bellman在RAND Cooperation數(shù)學(xué)部的支持下，發(fā)表著名的動(dòng)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(cè)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(guó)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(hào)處理的基礎(chǔ)。6、1967年，瑞典Karl J. Astrom提出最小二乘辯識(shí)，解決了線性定常系統(tǒng)參數(shù)估計(jì)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(guó)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(guó)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(jì)方法……………………,二、中國(guó)學(xué)者對(duì)控制理論的貢獻(xiàn),,1、1954年，錢學(xué)森在美國(guó)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(guó)第一本用中文撰寫的控制理論專著《自動(dòng)控制原理》。3、1956年，胡中揖和薛景瑄出版了由中國(guó)教師自己編寫的第一本《自動(dòng)控制原理》 的教科書。4、除了結(jié)合國(guó)情編著有關(guān)的專著和教材外，也翻譯了國(guó)外許多自動(dòng)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(dòng)調(diào)整原理》；盧伯英等翻譯了美國(guó)學(xué)者緒方勝?gòu)┑摹冬F(xiàn)代控制工程》等。,三、自動(dòng)控制理論的分類,,總結(jié)：從自動(dòng)控制理論的發(fā)展歷程可以看出，一個(gè)理論的誕 生于發(fā)展總是與當(dāng)時(shí)的工業(yè)生產(chǎn)水平相適應(yīng)的。,四、自動(dòng)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(dòng)控制2、后來進(jìn)入軍事領(lǐng)域：飛機(jī)自動(dòng)駕駛、火炮自動(dòng)跟蹤、導(dǎo)彈、衛(wèi)星、宇宙飛船自動(dòng)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(jì)系統(tǒng)：模擬經(jīng)濟(jì)管理過程、經(jīng)濟(jì)控制論,1.1 自動(dòng)控制理論發(fā)展史簡(jiǎn)述1.2 自動(dòng)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(dòng)控制系統(tǒng)的分類1.5 對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的要求本課程的任務(wù),第一章 緒論,1.2 自動(dòng)控制系統(tǒng)的一般概念,一、一般概念,,1、自動(dòng)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(duì)象（如機(jī)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(dòng)地按照預(yù)定的規(guī)律變化（或運(yùn)行）。2、自動(dòng)控制技術(shù)：研究自動(dòng)控制的理論，泛稱為自動(dòng)控制技術(shù)。3、控制系統(tǒng)：把實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(duì)象，這個(gè)組合體叫做“控制系統(tǒng)”。 4、控制理論 ：分析與綜合自動(dòng)控制系統(tǒng)的理論稱之為“控制理論” 。,二、自動(dòng)控制技術(shù)的作用,,1、自動(dòng)控制技術(shù)的應(yīng)用不僅使生產(chǎn)過程實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化，極大地提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率，而且減輕了人的勞動(dòng)強(qiáng)度。2、自動(dòng)控制使工作具有高度的準(zhǔn)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(dòng)跟蹤系統(tǒng)必須采用計(jì)算機(jī)控制才能打下高速高空飛行的飛機(jī)。3、某些人們不能直接參與工作的場(chǎng)合就更離不開自動(dòng)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(dòng)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(cè)量實(shí)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(cè)得實(shí)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(fù)去決定控制的動(dòng)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(duì)被控量的控制。自動(dòng)控制：由自動(dòng)控制裝置代替人來完成這種操作,液面自動(dòng)控制系統(tǒng)由以下5個(gè)部分組成： 被控對(duì)象——水池。測(cè)量元件——浮子。比較機(jī)構(gòu)——求浮子的希望位置與實(shí)際位置之差。放大機(jī)構(gòu)——提高系統(tǒng)的控制精度。執(zhí)行元件——電動(dòng)機(jī)與閥F2，職能是改變被控制量的大小。,圖1-3 液面自動(dòng)控制系統(tǒng),自動(dòng)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(cè)量實(shí)際水位，需要測(cè)量元件。3、必須比較實(shí)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(dòng)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(duì)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(cè)、分壓、濾波。,2. 自動(dòng)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(hào)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(diǎn)、比較點(diǎn)、部件的框圖（功能框和信號(hào)線）組成。,部件的框圖：輸入信號(hào)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(diǎn)（相加點(diǎn)）：表示兩個(gè)或兩個(gè)以上的信號(hào)在該處進(jìn)行代數(shù)運(yùn)算，要注明輸入信號(hào)的極性。,引出點(diǎn)：表示信號(hào)的引出，從同一信號(hào)線上取出的信號(hào)，其大小和性質(zhì)相同,液面自動(dòng)控制系統(tǒng)的框圖,1.1 自動(dòng)控制理論發(fā)展史簡(jiǎn)述1.2 自動(dòng)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(dòng)控制系統(tǒng)的分

17、類1.5 對(duì)自動(dòng)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(dòng)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(hào)從輸入到輸出無反饋，單向傳遞。2、優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；成本低；穩(wěn)定性好。3、缺點(diǎn)：被控對(duì)象或控制裝置受到干擾，或系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，會(huì)直接影響被控量，系統(tǒng)對(duì)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(diǎn),3) 開環(huán)控制系統(tǒng)應(yīng)用范圍,輸出量無法測(cè)量，對(duì)控制精度要求不高且干擾影響較小，或這些擾動(dòng)因素可以預(yù)先確定并能給予補(bǔ)償。,控制器與控制對(duì)象之間既有順向作用有反向聯(lián)系的控制過程。優(yōu)點(diǎn)：具有自動(dòng)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(dòng)引起的誤差，控制精度高。 缺點(diǎn)：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(diǎn),自動(dòng)控制原理研究

19、在擾動(dòng)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(jì)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(dòng)控制理論發(fā)展史簡(jiǎn)述1.2 自動(dòng)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(dòng)控制系統(tǒng)的分類1.5 對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的要求本課程的任務(wù),第一章 緒論,1.4 自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類,一、按信號(hào)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(dòng)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(yùn)動(dòng)方程能用線性常微分方程描述。主要特點(diǎn)是具有疊加性和齊次性。2、非線性系統(tǒng)：含有一個(gè)以上非線性元件，其運(yùn)動(dòng)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(shí)間而變化分類,1、定常系統(tǒng)（時(shí)不變系統(tǒng)）：系統(tǒng)中的參數(shù)不隨時(shí)間變化。2、時(shí)變系統(tǒng)：系統(tǒng)中有的參數(shù)是時(shí)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(shí)刻有關(guān)。,1、恒值控制系統(tǒng): 定值調(diào)節(jié)系統(tǒng)或自動(dòng)鎮(zhèn)定系統(tǒng)。特點(diǎn)：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(dòng)系統(tǒng)：自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)或伺服系統(tǒng)。特點(diǎn)：系統(tǒng)輸入量是一個(gè)變化的量，一般是隨機(jī)的，要求系統(tǒng)能快速、準(zhǔn)確地跟隨參考輸入信號(hào)的變化而變化。,五、按信號(hào)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(hào)均為時(shí)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(hào)傳遞過程

22、中有一處或多處的信號(hào)是脈沖序列或數(shù)字編碼，即只要有一個(gè)是時(shí)間t的離散信號(hào)。其中離散信號(hào)以脈沖形式傳遞的系統(tǒng)又叫脈沖控制系統(tǒng)，離散信號(hào)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(hào),離散信號(hào),計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)框圖,1.1 自動(dòng)控制理論發(fā)展史簡(jiǎn)述1.2 自動(dòng)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(dòng)控制系統(tǒng)的分類1.5 對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的要求本課程的任務(wù),第一章 緒論,1.5 對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的要求本課程的任務(wù),一、自

23、動(dòng)控制系統(tǒng)的性能評(píng)價(jià)指標(biāo),,對(duì)于自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，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(píng)價(jià)指標(biāo)有：,1、穩(wěn)定性：是對(duì)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(dòng)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(dòng)一撤離，經(jīng)過一定長(zhǎng)的時(shí)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(dòng)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(dòng)態(tài)性能”。,3、穩(wěn)態(tài)精度：也稱穩(wěn)態(tài)性或準(zhǔn)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(gè)穩(wěn)態(tài)過渡到新的穩(wěn)態(tài)，或系統(tǒng)受到擾動(dòng)作用又重新平衡后，系統(tǒng)會(huì)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(biāo)。穩(wěn)態(tài)誤差越小，表示系統(tǒng)的準(zhǔn)確性越好，被控量（輸出量）的期望值與

25、實(shí)際值之間的差值就越小。主要有給定穩(wěn)態(tài)誤差和擾動(dòng)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(dòng)穩(wěn)態(tài)誤差表征系統(tǒng)抗擾動(dòng)的能力。,常用的指標(biāo)有：過渡過程時(shí)間、超調(diào)量等,二、研究?jī)?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(duì)于某種典型輸入信號(hào)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(jì)算并對(duì)其評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行研究。即：①穩(wěn)定性分析；②穩(wěn)態(tài)特性分析；③動(dòng)態(tài)特性分析。 2、系統(tǒng)設(shè)計(jì)：控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的任務(wù)就是