《自动控制理论(第3版)》第01章

1、12 第一节第一节 自动控制理论发展简介自动控制理论发展简介 第二节第二节 自动控制系统的一般概念自动控制系统的一般概念 第三节第三节 开环控制和闭环控制开环控制和闭环控制 第四节第四节 自动控制系统的分类自动控制系统的分类 第五节第五节 对控制系统性能的要求和本课程的任务对控制系统性能的要求和本课程的任务本章主要内容本章主要内容3控制理论：自动化学科的重要理论基础引引 言言研究自动控制共同规律的技术科学研究自动控制共同规律的技术科学自动控制技术应用自动控制技术应用自动控制系统自动控制系统4课程的性质和特点课程的性质和特点 自动控制是一门技术学科，从方法论的角度来自动控制是一门技术学科，从方法

2、论的角度来研究系统的建立、分析与设计。研究系统的建立、分析与设计。 自动控制原理自动控制原理是本学科的专业基础课，是是本学科的专业基础课，是自动控制理论的基础课程，该课程与其它课程自动控制理论的基础课程，该课程与其它课程的关系如下。的关系如下。微积分（含微分方程微积分（含微分方程）电机与拖动电机与拖动模拟电子技术模拟电子技术线性代数线性代数电路理论电路理论信号与系统信号与系统自动控制理论自动控制理论复变函数、拉普拉斯变换复变函数、拉普拉斯变换大学物理（力学、热力学）大学物理（力学、热力学）5课程学习要面临课程学习要面临 数学基础宽而深数学基础宽而深 控制原理抽象控制原理抽象 计算复杂且繁琐计算

3、复杂且繁琐 绘图困难绘图困难计算机数学语言计算机数学语言MATLABMATLAB数值解数值解/ /解析解（数学运算）解析解（数学运算）6控制理论的内容控制理论的内容 二十世纪三项科学革命：控制论、量二十世纪三项科学革命：控制论、量子论、相对论子论、相对论 7导导 读读自动化技术几乎渗透到国民经济的各个领域及社会生活的各个自动化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，是当代发展最迅速、应用最广泛、最引人注目的高科技，方面，是当代发展最迅速、应用最广泛、最引人注目的高科技，是推动新的技术革命和新的产业革命的关键技术，在某种程度上是推动新的技术革命和新的产业革命的关键技术，在某种程度上

4、说，自动化是现代化的同义词。自动控制原理研究分析、设计自说，自动化是现代化的同义词。自动控制原理研究分析、设计自动控制系统的基本方法。动控制系统的基本方法。本章主要讲什么内容本章主要讲什么内容?从介绍自动控制的发展历史入手，引出自动控制理论分析、设从介绍自动控制的发展历史入手，引出自动控制理论分析、设计自动控制系统的基本思想，然后介绍自动控制的基本概念，以计自动控制系统的基本思想，然后介绍自动控制的基本概念，以及对自动控制系统的基本要求，使读者对自动控制理论的总的目及对自动控制系统的基本要求，使读者对自动控制理论的总的目标有个大致的了解。标有个大致的了解。8制导导弹制导导弹 现代的高新技术让导

5、弹长上了“眼睛”和“大脑”，利用负反馈控制原理去紧紧盯住目标9哈勃望远镜特殊地卫星中巴资源卫星 人造地球卫星控制其准确地进入预定轨道运行并回收10雷达技术 雷达操作时，天线就要不停地转动。天线的作用是雷达操作时，天线就要不停地转动。天线的作用是把雷达中产生的无线电波按照一定的方向向外发射出去，把雷达中产生的无线电波按照一定的方向向外发射出去，并把被反射回来的无线电波接收下来。正因为天线所起并把被反射回来的无线电波接收下来。正因为天线所起的作用好似人的眼睛一样，因此雷达要注视和侦察整个的作用好似人的眼睛一样，因此雷达要注视和侦察整个天空的状况，天线就要不停地转动，用一个驱动马达使天空的状况，天线

6、就要不停地转动，用一个驱动马达使天线作天线作360360度的旋转，这样它就能在度的旋转，这样它就能在360360度范围内进行度范围内进行“搜索搜索”。11 自动控制理论是自动控制技术的基础理论，是自动控制理论是自动控制技术的基础理论，是一门理论性较强的工程科学。根据自动控制技术的一门理论性较强的工程科学。根据自动控制技术的发展进程，自动控制理论可分为发展进程，自动控制理论可分为经典控制理论经典控制理论和和现现代控制理论代控制理论两大部分。两大部分。 一、发展简史一、发展简史 （一）、经典控制理论（一）、经典控制理论 1 1、首例、首例 最早工业应用的自动装置：最早工业应用的自动装置：17691

7、769年年WattWatt发明的发明的飞球式蒸汽机调速器。飞球式蒸汽机调速器。 一种凭借直觉的实证性发明。一种凭借直觉的实证性发明。12飞球调节器飞球调节器世界上公认的第一个自动控制系统世界上公认的第一个自动控制系统13自动控制原理国家精品课程 浙江工业大学自动化研究所13没有理论指导使控制技术停滞了一个世纪！没有理论指导使控制技术停滞了一个世纪！ 飞球调节器有时使蒸汽机速度出现大幅度飞球调节器有时使蒸汽机速度出现大幅度振荡。其它自动控制系统也有类似现象。振荡。其它自动控制系统也有类似现象。 由于当时还没有自控理论，所以不能从理由于当时还没有自控理论，所以不能从理论上解释这一现象。为了解决这个

8、问题，论上解释这一现象。为了解决这个问题，盲目探索了大约一个世纪之久。盲目探索了大约一个世纪之久。 142 2、自动控制理论的开端、自动控制理论的开端 1868年英国麦克斯韦尔的年英国麦克斯韦尔的“论调速器论调速器”论文指出：论文指出： 不应单独研究飞球调节器，必须从整个系统分析控制不应单独研究飞球调节器，必须从整个系统分析控制的不稳定。的不稳定。 建立系统微分方程，分析微分方程解的稳定性，从而建立系统微分方程，分析微分方程解的稳定性，从而分析实际系统是否会出现不稳定现象。这样，控制系分析实际系统是否会出现不稳定现象。这样，控制系统稳定性的分析，变成了判别微分方程的特征根的实统稳定性的分析，变

9、成了判别微分方程的特征根的实部的正、负号问题。部的正、负号问题。 麦克斯韦尔的这篇著名论文被公认为自动控制理论的麦克斯韦尔的这篇著名论文被公认为自动控制理论的开端。开端。153 3、经典控制理论的孕育、经典控制理论的孕育 1875年，英国劳斯提出代数稳定判据。年，英国劳斯提出代数稳定判据。 1895年，德国赫尔维兹提出代数稳定判据。年，德国赫尔维兹提出代数稳定判据。 1892年，俄国李雅普诺夫提出稳定性定义和两个年，俄国李雅普诺夫提出稳定性定义和两个稳定判据。稳定判据。 1932年，美国奈奎斯特提出奈氏稳定判据年，美国奈奎斯特提出奈氏稳定判据。 二战中自动火炮、雷达、飞机以及通讯系统的控制研究

10、直接推动了经典控制的发展。164 4、经典控制理论的形成、经典控制理论的形成 1948年，维纳出版年，维纳出版控制论控制论，形成完整的经，形成完整的经典控制理论，标志控制学科的诞生。典控制理论，标志控制学科的诞生。 维纳成为控制论的创始人！维纳成为控制论的创始人！ 维纳维纳控制论控制论是关于怎样把机械元件和电气元是关于怎样把机械元件和电气元件组合成稳定的并且具有特定性能的系统的科学。件组合成稳定的并且具有特定性能的系统的科学。这门新科学的一个非常突出的特点就是完全不考虑这门新科学的一个非常突出的特点就是完全不考虑能量、热量和效率等因素，可是，在其他各门自然能量、热量和效率等因素，可是，在其他各

11、门自然科学中，这些因素是十分重要的。科学中，这些因素是十分重要的。 系统数学模型的建立、时域分析法、频率特性法、系统数学模型的建立、时域分析法、频率特性法、根轨迹法、系统综合与校正、非线性系统和采样控根轨迹法、系统综合与校正、非线性系统和采样控制系统分析法等制系统分析法等，也被称为经典控制理论。，也被称为经典控制理论。17（二）、现代控制理论（二）、现代控制理论 二次世界大战结束后，各国大力发展空间技术，二次世界大战结束后，各国大力发展空间技术，经典控制理论不能满足需要，需要研究新的控经典控制理论不能满足需要，需要研究新的控制理论。制理论。 现代控制理论在空间技术取得巨大成功，促进现代控制理论

12、在空间技术取得巨大成功，促进了空间技术的发展。了空间技术的发展。 这种方法在标准形式或状态形式的常微分方程这种方法在标准形式或状态形式的常微分方程的基础上直接引进并大量使用了计算机。这种的基础上直接引进并大量使用了计算机。这种方法通常称为方法通常称为“现代控制理论现代控制理论”，以区别于，以区别于60年代以前的年代以前的“经典控制理论经典控制理论”18现代控制理论的重要标志现代控制理论的重要标志 状态空间法状态空间法被引入到控制理论中来。被引入到控制理论中来。 KalmanKalman提出了能控性与能观测性。表征系统提出了能控性与能观测性。表征系统结构特征的重要概念。结构特征的重要概念。 “

13、“内部研究内部研究”代替了传统的代替了传统的“外部研究外部研究”。并使分析与综合过程建立在严格的理论基础之上。并使分析与综合过程建立在严格的理论基础之上。 主要分支学科：主要分支学科：线性系统理论、最优控制理论、线性系统理论、最优控制理论、系统辨识与自适应控制、大系统理论和特大系统系统辨识与自适应控制、大系统理论和特大系统理论等。一些分支学科还渗透到相邻学科中去，理论等。一些分支学科还渗透到相邻学科中去，如滤波技术、自学习理论与人工智能、建模理论如滤波技术、自学习理论与人工智能、建模理论与系统工程等。与系统工程等。19二、本课程与其他学科之间的关系二、本课程与其他学科之间的关系先修课程：高等数

14、学先修课程：高等数学 线性代数线性代数 复变函数与积分变换复变函数与积分变换 大学物理大学物理 模拟电子技术模拟电子技术 电路电路 电力电子技术等电力电子技术等20三、学习方法三、学习方法1、扎实的数学功底、扎实的数学功底2、具有一定数学建模的能力、具有一定数学建模的能力3、切勿当成数学来学、切勿当成数学来学4、掌握基本控制思想（负反馈思想）、掌握基本控制思想（负反馈思想）5、抓住重点、抓住重点基本概念基本概念 主线主线不同分析方法之间的联系不同分析方法之间的联系 要求要求稳定、准确、快速稳定、准确、快速6、珍惜做习题的机会，切勿抄袭、珍惜做习题的机会，切勿抄袭7、做好笔记、做好笔记21四、课

15、程教学安排四、课程教学安排1、主要教学内容、主要教学内容（1）概念（第一章）概念（第一章）（2）数学模型（第二章）数学模型（第二章）（3）分析方法（第三、四、五章）分析方法（第三、四、五章）（4）系统的校正（第六章）系统的校正（第六章）2、习题课安排、习题课安排3、考核方式、考核方式22 2324反馈控制原理反馈控制原理: 反馈：反馈：把系统的输出量送回到输入端，并把系统的输出量送回到输入端，并与输入信号相比较产生偏差的过程。与输入信号相比较产生偏差的过程。 负反馈：负反馈：反馈信号与输入信号相减，反之反馈信号与输入信号相减，反之称为正反馈称为正反馈 反馈控制反馈控制：采用负反馈并利用偏差信号

16、进：采用负反馈并利用偏差信号进行控制的过程。一般也称为行控制的过程。一般也称为闭环控制闭环控制。25举例：液位控制系统举例：液位控制系统26一、闭环控制一、闭环控制 稳态精度高、动态性能好、稳定裕度大等。稳态精度高、动态性能好、稳定裕度大等。27龙门刨床速度控制系统龙门刨床速度控制系统 控制任务：控制直流电机，保持转速恒定控制任务：控制直流电机，保持转速恒定 被控对象：直流电机被控对象：直流电机 被控量：被控量：nFDCFKZ28 给定元件：给出与期望的被控量相对应的系统输入量给定元件：给出与期望的被控量相对应的系统输入量（电位器）（电位器） 比较元件：将输出量、输入量进行比较、产生偏差（差比

17、较元件：将输出量、输入量进行比较、产生偏差（差动放大器）动放大器） 放大元件：将偏差信号进行放大（放大器、触发器、晶放大元件：将偏差信号进行放大（放大器、触发器、晶闸管整流电路闸管整流电路) 执行元件：直接推动被控对象工作（电动机）执行元件：直接推动被控对象工作（电动机） 测量元件：检测被控制的物理量（测速电机）测量元件：检测被控制的物理量（测速电机） 以上以上5个部分也是一般自动控制系统的基本组成单元，此个部分也是一般自动控制系统的基本组成单元，此外，为了改善控制系统的性能，通常还需要在系统中引外，为了改善控制系统的性能，通常还需要在系统中引入某种入某种校正元件校正元件。龙门刨床速度控制系统

18、龙门刨床速度控制系统控制系统组成：控制系统组成：29方框图构成元素：方框图构成元素：（1 1） ：元件：元件（2 2） ：信号（物理量）及传递方向：信号（物理量）及传递方向（3 3） ：比较点（信号叠加）：比较点（信号叠加）（4 4） ：引出点（分支、信号强度）：引出点（分支、信号强度） （5 5）+/- +/- ：符号的意义（正、负反馈）：符号的意义（正、负反馈）30龙门刨床速度控制系统龙门刨床速度控制系统31该系统自动调节的过程该系统自动调节的过程nuuuuuunuTdkfngfnl)(32 课堂习题课堂习题 请大家分析此恒温箱控制系统，画出系统框图请大家分析此恒温箱控制系统，画出系统框图33炉温控制系统方框图炉温控制系统方框图34总结回顾：总结回顾：35 二、开环控制二、开环控制控制器控制器被控对象被控对象控制量控制量给定值给定值r(t)u(t)c(t)363