自动控制基本理论

1、自动控制理论自动控制理论自动控制原理自动控制原理主要内容主要内容l自动控制的历史l自动控制理论的基本概念自动控制的历史自动控制的历史l前期控制(1400BC1900)l经典控制(19351950)l现代控制(1950Now)自动控制的历史自动控制的历史l公元前公元前330330年古希腊，水钟运用浮球控制器年古希腊，水钟运用浮球控制器l公元前公元前250250年，在油泵中保持液位恒定年，在油泵中保持液位恒定l16001600年左右，荷兰人发明了温度控制器年左右，荷兰人发明了温度控制器l16811681年，压力控制器年，压力控制器自动控制的历史自动控制的历史1818世纪，瓦特的离心调速器世纪，瓦特

2、的离心调速器 尾 羽 空气阻力 箭蔟 飞行方向 我国古代的弓箭我国古代的弓箭l控制系统的形成仅靠直觉和发明，未形成系统理论控制系统的形成仅靠直觉和发明，未形成系统理论l1818世纪，世纪，James Watt James Watt 为控制蒸汽机速度设计的离为控制蒸汽机速度设计的离心调节器，是自动控制领域的第一项重大成果。心调节器，是自动控制领域的第一项重大成果。l19221922年，年，MinorskyMinorsky研制出船舶操纵自动控制器，并研制出船舶操纵自动控制器，并证明了从系统的微分方程确定系统的稳定性的方法。证明了从系统的微分方程确定系统的稳定性的方法。l19321932年，年，Ny

3、quistNyquist提出了一种根据系统的开环频率提出了一种根据系统的开环频率响应响应( (对稳态正弦输入对稳态正弦输入) )，确定闭环系统稳定性的方，确定闭环系统稳定性的方法。法。自动控制的历史自动控制的历史l19341934年，年，HezenHezen提出了用于位置控制系统的伺服机提出了用于位置控制系统的伺服机构的概念，讨论了可以精确跟踪变化的输入信号的构的概念，讨论了可以精确跟踪变化的输入信号的机电伺服机构。机电伺服机构。l1919世纪世纪4040年代，频率响应法为闭环控制系统提供了年代，频率响应法为闭环控制系统提供了一种可行方法，一种可行方法，EvansEvans提出并完善了根轨迹法

4、。提出并完善了根轨迹法。l1919世纪世纪5050年代末，控制系统设计问题的重点从设计年代末，控制系统设计问题的重点从设计许多可行系统中的一种系统，转到设计在某种意义许多可行系统中的一种系统，转到设计在某种意义上的最佳系统。上的最佳系统。自动控制的历史自动控制的历史美国美国MIT的的N. Wiener于于1948发表发表控制论控制论(Cybernetics)，标志着控制论学科的诞生。，标志着控制论学科的诞生。自动控制的历史自动控制的历史l1919世纪世纪6060年代，数字计算机的出现为复杂系统的基年代，数字计算机的出现为复杂系统的基于时域分析的现代控制理论提供了可能。于时域分析的现代控制理论提

5、供了可能。l从从19601960年到年到19801980，确定性系统、随机系统的最佳控，确定性系统、随机系统的最佳控制，及复杂系统的自适应和学习控制，都得到充分制，及复杂系统的自适应和学习控制，都得到充分的研究。的研究。l从从19801980年到现在，现代控制理论进展集中于鲁棒控年到现在，现代控制理论进展集中于鲁棒控制、制、HH控制及其相关课题控制及其相关课题。自动控制的历史自动控制的历史l控制理论发展控制理论发展l1.1.经典控制理论经典控制理论l40405050年代形成年代形成 适用于适用于SISOSISO（单输入单输出）系统（单输入单输出）系统 l基于：二战军工技术基于：二战军工技术l目

6、标：反馈控制系统的稳定目标：反馈控制系统的稳定 l基本方法：传递函数，频率法，基本方法：传递函数，频率法，PIDPID调节器调节器 ( (频域频域) )l2.2.现代控制理论现代控制理论l60607070年代形成年代形成 适用于适用于MIMO MIMO （多输入多输出）系统（多输入多输出）系统 l基于：基于： 冷战时期空间技术，计算机技术冷战时期空间技术，计算机技术l目标：最优控制目标：最优控制l基本方法：状态空间表达式基本方法：状态空间表达式自动控制的历史自动控制的历史瓦特瓦特(1736-1819)(1736-1819)自动控制的历史自动控制的历史牛顿牛顿(1642-1727)(1642-1

7、727)拉普拉斯拉普拉斯(1749-1827)(1749-1827)李亚普诺夫李亚普诺夫(1857-1918)(1857-1918)我国历史和现状我国历史和现状l我国起步晚，在现代科学史上没有占据一我国起步晚，在现代科学史上没有占据一席之地，席之地，19541954年年钱学森钱学森创立并引入工程控创立并引入工程控制论，制论，8080年代普遍开展教学和研究，但基年代普遍开展教学和研究，但基础工业落后，以原料到生产，各方面落后，础工业落后，以原料到生产，各方面落后，从自动化的材料、元件、系统和技术各方从自动化的材料、元件、系统和技术各方面都与发达国家有较大差距。面都与发达国家有较大差距。自动控制的

8、基本概念自动控制的基本概念l什么是自动控制l自动控制理论的内容l自动控制的基本方式l自动控制系统示例l自动控制系统的分类l对自动控制系统的基本要求自动控制与自动控制系统自动控制与自动控制系统l控制的本意：控制的本意：为了达到某种目的对事物进行支配、为了达到某种目的对事物进行支配、管束、管制、管理、监督、镇压。管束、管制、管理、监督、镇压。l自动控制：自动控制：在没有人直接参与的情况下，利用外加在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（称控制装置或控制器），使机器、的设备或装置（称控制装置或控制器），使机器、设备或生产过程（被控对象）的某个工作状态或参设备或生产过程（被控对象）的某个工作状

9、态或参数（即被控量）自动地按照预定的规律运行。数（即被控量）自动地按照预定的规律运行。l自动控制系统：自动控制系统：是由控制装置和被控对象所组成，是由控制装置和被控对象所组成，它们以某种相互依赖的的方式组合成为一个有机整它们以某种相互依赖的的方式组合成为一个有机整体，并对被控对象进行自动控制。体，并对被控对象进行自动控制。 l人工控制与自动控制人工控制与自动控制X电饭煲电饭煲X空调空调X抽水马桶抽水马桶X汽轮机转速控制汽轮机转速控制X导弹飞行控制导弹飞行控制X声控光控路灯声控光控路灯XX煤气灶上油煎鸡煤气灶上油煎鸡蛋时的油温控制蛋时的油温控制X自行车速度控制自行车速度控制l汽车驾驶汽车驾驶X收

10、音机音量调节收音机音量调节 自动控制与自动控制系统自动控制与自动控制系统l自动控制学科的特点自动控制学科的特点: :l应用广泛应用广泛l日益重要日益重要l发展迅速发展迅速自动控制与自动控制系统自动控制与自动控制系统自自动动控控制制理理论论经典控制理论经典控制理论(19(19世纪中叶世纪中叶-2020世纪世纪5050年代年代) )线性线性非线性非线性波波夫法波波夫法李雅普诺夫法李雅普诺夫法描述函数法描述函数法相平面法相平面法采样控制采样控制Z Z变换法变换法现代控制现代控制理论理论(60(60年代以来年代以来) )状态反馈控制状态反馈控制自适应控制自适应控制时域法时域法频域法频域法最优控制最优控

11、制智能控制智能控制模糊控制模糊控制根轨迹法根轨迹法预测控制预测控制大系统多层分散控制大系统多层分散控制自动控制理论的内容自动控制理论的内容研究对象研究对象数学工具数学工具常用分析方法常用分析方法局局 限限 性性经经典典控控制制单输入单输入- -单单输出输出线性定常线性定常系统系统微分方程微分方程传递函数传递函数时域分析法，频时域分析法，频域分析法域分析法, ,根轨根轨迹分析法迹分析法对复杂多变量对复杂多变量系统、时变和系统、时变和非线性系统无非线性系统无能为力能为力现现代代控控制制多输入多输入- -多多输出变系输出变系数，非线数，非线性等系统性等系统线性代数线性代数矩阵理论矩阵理论状态空间法状

12、态空间法比较繁琐比较繁琐（计算机技术的（计算机技术的迅速发展，这一迅速发展，这一局限性已克服局限性已克服) )自动控制理论的内容自动控制理论的内容自动控制的基本方式自动控制的基本方式l开环控制l闭环控制l复合控制 输入补偿 扰动补偿开环控制开环控制定义：定义：输出量与输入量之间没有反向联系，只靠输输出量与输入量之间没有反向联系，只靠输入量对输出量单向控制的系统叫开环控制系统。入量对输出量单向控制的系统叫开环控制系统。 开环控制又可称为前馈控制，因为控制作开环控制又可称为前馈控制，因为控制作用是由输入信号直接向前输送，而不是由输出用是由输入信号直接向前输送，而不是由输出信号回输到输入信号来进行控

13、制的，故称为前信号回输到输入信号来进行控制的，故称为前馈控制。馈控制。控制装置控制装置被控对象被控对象控制量控制量扰动扰动被控制量被控制量自动控制的基本方式自动控制的基本方式l直流电机转速控制系统直流电机转速控制系统电位器（产生给定电电位器（产生给定电压压ur）如果）如果010V转速转速01000转转可可控控硅硅功功放放直直流流放放大大器器M负载负载nP+ +电网电压电网电压uruauk方框图为：方框图为：电位器电位器电压电压放大器放大器可控硅可控硅功放功放直流直流电动机电动机Purukn扰动扰动ua开环控制开环控制自动控制的基本方式自动控制的基本方式开环控制系统的特点：开环控制系统的特点：1

14、.1.结构简单经济结构简单经济2.2.调试方便调试方便3.3.抗干扰能力差，控制精度不高。抗干扰能力差，控制精度不高。自动控制的基本方式自动控制的基本方式电位器电位器电压电压放大器放大器可控硅可控硅功放功放直流直流电动机电动机Purukn扰动扰动ua定义：定义：输出量与输入量之间有反向联系，靠输入量与主输出量与输入量之间有反向联系，靠输入量与主反馈信号之间的偏差对输出量进行控制的系统叫闭环反馈信号之间的偏差对输出量进行控制的系统叫闭环控制系统。控制系统。反馈：反馈：是把系统输出量全部或一部分回送到输入端，以是把系统输出量全部或一部分回送到输入端，以增强或减弱输入信号的效应。增强或减弱输入信号的

15、效应。 闭环控制又可称为反馈控制，因为控制作闭环控制又可称为反馈控制，因为控制作用是由输入信号和输出信号回输到输入的信号用是由输入信号和输出信号回输到输入的信号共同来进行控制的，故称为反馈控制。共同来进行控制的，故称为反馈控制。闭环控制闭环控制自动控制的基本方式自动控制的基本方式l锅炉设备的压力和温度自动保持恒定锅炉设备的压力和温度自动保持恒定l数控机床按照预定的程序自动地切削工件数控机床按照预定的程序自动地切削工件l导弹发射与制导系统，自动使导弹攻击目标导弹发射与制导系统，自动使导弹攻击目标l无人驾驶飞机按照预定航迹自动升降和飞行无人驾驶飞机按照预定航迹自动升降和飞行l人造卫星准确地进入预定

16、轨道运行并回收人造卫星准确地进入预定轨道运行并回收l自动控制技术的应用范围已扩展到生物、医学、环境、自动控制技术的应用范围已扩展到生物、医学、环境、经济管理和其它许多社会生活领域中，自动控制已成经济管理和其它许多社会生活领域中，自动控制已成为现代社会活动中不可缺少的重要组成部分。为现代社会活动中不可缺少的重要组成部分。闭环控制的应用闭环控制的应用自动控制的基本方式自动控制的基本方式l引入闭环控制后的直流电机转速控制系统。引入闭环控制后的直流电机转速控制系统。+ +可可控控硅硅功功放放直直流流放放大大器器M负载负载n电网电压电网电压uuaukur测速测速发电机发电机Gub+ +- -闭环控制闭环

17、控制自动控制的基本方式自动控制的基本方式闭环控制的方框图闭环控制的方框图电位器电位器电压电压放大器放大器可控硅可控硅功放功放直流直流电动机电动机Purukn扰动扰动ua电位器电位器电压电压放大器放大器可控硅可控硅功放功放直流直流电动机电动机- -urukn扰动扰动ua测速发电机测速发电机uub自动控制的基本方式自动控制的基本方式l同开环系统相比，该系统由于干扰引起的转速同开环系统相比，该系统由于干扰引起的转速误差要小得多。误差要小得多。l只有负反馈控制系统才能完成自动控制的任务只有负反馈控制系统才能完成自动控制的任务l负反馈控制系统最大的特点：检测偏差，纠正偏差负反馈控制系统最大的特点：检测偏

18、差，纠正偏差 按偏差控制按偏差控制闭环控制闭环控制自动控制的基本方式自动控制的基本方式电位器电位器电压电压放大器放大器可控硅可控硅功放功放直流直流电动机电动机- -urukn扰动扰动ua测速发电机测速发电机uub闭环控制系统的特点：闭环控制系统的特点：1.1.系统具有纠正偏差的能力。系统具有纠正偏差的能力。2.2.抗扰性好，控制精度高。抗扰性好，控制精度高。3.3.包含元件多，结构复杂，价格高。包含元件多，结构复杂，价格高。 4.4.参数应选择适当。参数应选择适当。自动控制的基本方式自动控制的基本方式l兼有开环控制和闭环控制两者的优兼有开环控制和闭环控制两者的优点，精度很高点，精度很高复合控制

19、复合控制自动控制的基本方式自动控制的基本方式l复合控制系统复合控制系统（按补偿对象不同，可分为）（按补偿对象不同，可分为） 按给定补偿按给定补偿 按扰动补偿按扰动补偿 控控 制制 装装 置置 被被 控控 对对 象象 补补 偿偿 装装 置置 输输出出量量 输输入入量量 + 按给定补偿的复合控制按给定补偿的复合控制自动控制的基本方式自动控制的基本方式 控 制 装 置 被 控 对 象 补 偿 装 置 输输出出量量 输输入入量量 + 扰扰动动量量 + 按扰动补偿的复合控制按扰动补偿的复合控制自动控制的基本方式自动控制的基本方式自动控制系统示例自动控制系统示例锅炉气鼓水位控制系统锅炉气鼓水位控制系统眼眼

20、脑脑手手手阀手阀气鼓气鼓蒸汽蒸汽水位计水位计给水给水测量变送器测量变送器控制器控制器给定值给定值执行执行机构机构控制阀控制阀手阀手阀气鼓气鼓蒸汽蒸汽给给水水控制阀控制阀水位变送器水位变送器执行器执行器给定值给定值控制器控制器 电电 位位 器器 V+ 功功率率 放放大大器器 电电动动机机 负负载载 测测速速发发电电机机 被控对象被控对象被控量被控量反馈量反馈量给定量给定量控制量控制量扰动量扰动量自动控制系统的组成自动控制系统的组成自动控制系统示例自动控制系统示例自动控制系统的组成及方框自动控制系统的组成及方框图图控制器控制器执行机构执行机构被控对象被控对象测量变速器测量变速器-r给定值给定值e偏

21、差偏差扰动扰动被控量被控量nc测量信号测量信号 自动控制系统示例自动控制系统示例闭环控制系统中的基本术语闭环控制系统中的基本术语l(1) 被控对象被控对象l(2) 被控量或输出量被控量或输出量l(3) 控制量控制量l(4) 设定量或输入量设定量或输入量l(5) 扰动量扰动量l(6) 反馈量反馈量l(7) 偏差量偏差量l(8) 前向通道或正向通道前向通道或正向通道l(9) 反馈通道或反向通道反馈通道或反向通道l(10) 理想输出理想输出l(11) 实际输出实际输出自动控制系统的分类自动控制系统的分类l1.1.根据结构划分根据结构划分 a.a.负反馈系统（闭环系统）负反馈系统（闭环系统） b.b.

22、前馈控制系统（开环系统）前馈控制系统（开环系统） c.c.复合控制系统复合控制系统l2.2.根据系统功能划分根据系统功能划分 温度控制系统温度控制系统 压力控制系统压力控制系统 位置控制系统位置控制系统 l3.3.按给定值的形式划分按给定值的形式划分 a.a.定值控制系统定值控制系统（输入量是恒定的常值，任务：（输入量是恒定的常值，任务：在各种扰动作用下都能使输出量保持在恒定希望在各种扰动作用下都能使输出量保持在恒定希望值附近，如恒温、水位、恒压控制系统）值附近，如恒温、水位、恒压控制系统） b.b.随动系统随动系统（也叫伺服系统，跟踪系统）（也叫伺服系统，跟踪系统） 这种控制系统的输入量是事

23、先不知道的任意时这种控制系统的输入量是事先不知道的任意时间函数。任务：使输出量迅速而准确地跟随输入间函数。任务：使输出量迅速而准确地跟随输入量的变化而变化。比如：飞机和舰船的操舵系统，量的变化而变化。比如：飞机和舰船的操舵系统，雷达自动跟踪系统。雷达自动跟踪系统。 c.c.程序控制系统程序控制系统（输入量按照给定的程序变化。（输入量按照给定的程序变化。任务：使输出量按预先给定的程序指令而动作）任务：使输出量按预先给定的程序指令而动作）最典型的就是数控车床和机器人控制系统。最典型的就是数控车床和机器人控制系统。自动控制系统的分类自动控制系统的分类l4.4.按系统的特性分类按系统的特性分类 a.a

24、.线性系统线性系统( (具有叠加性和齐次性，可以用线性具有叠加性和齐次性，可以用线性微分方程来描述微分方程来描述) ) b.b.非线性系统非线性系统（不适用叠加原理，用非线性方（不适用叠加原理，用非线性方程来描述）程来描述）l5.5.按信号的形式分类按信号的形式分类 a.a.连续控制系统连续控制系统 b.b.离散控制系统离散控制系统自动控制系统的分类自动控制系统的分类对自动控制系统的性能要求对自动控制系统的性能要求l输入信号和扰动是一个系统典型的外作用，但希望输入信号和扰动是一个系统典型的外作用，但希望系统只受输入信号的控制，而丝毫不受扰动的影响，系统只受输入信号的控制，而丝毫不受扰动的影响，

25、所以我们只研究在输入信号作用下，对系统性能的所以我们只研究在输入信号作用下，对系统性能的要求。要求。控制器控制器执行机构执行机构被控对象被控对象测量变速器测量变速器-r给定值给定值e偏差偏差被控量被控量c测量信号测量信号 去掉扰动后的自动控制系统原理图去掉扰动后的自动控制系统原理图l当输入信号突然发生跳变时，这时输出量还处当输入信号突然发生跳变时，这时输出量还处在原有的平衡状态，这样就出现了偏差，这个在原有的平衡状态，这样就出现了偏差，这个偏差控制输出量达到新的平衡，这就是一个调偏差控制输出量达到新的平衡，这就是一个调节过程。节过程。t01输入输入r(t)t01输入输入c(t)12理想的理想的

26、调节过程调节过程实际实际对自动控制系统的性能要求对自动控制系统的性能要求整个调节过程分为两个阶段整个调节过程分为两个阶段: :la.a.过渡过程过渡过程 反映系统的动态特性。（输出量处于激反映系统的动态特性。（输出量处于激烈变化之中）烈变化之中）lb.b.稳态过程稳态过程 反映系统的稳态特性。（输出量稳定在反映系统的稳态特性。（输出量稳定在新的平衡状态，并保持不变。）新的平衡状态，并保持不变。） t01输入输入c(t)12理想的理想的调节过程调节过程实际实际对自动控制系统的性能要求对自动控制系统的性能要求典型外作用：典型外作用： 为了能对不同的控制系统的性能用统一的标准来恒为了能对不同的控制系

27、统的性能用统一的标准来恒量，通常需要选择量，通常需要选择几种典型几种典型的外作用。的外作用。选取原则选取原则（1）在现场及实验中容易产生）在现场及实验中容易产生（2）系统在工程中经常遇到，并且是）系统在工程中经常遇到，并且是最不利的外作用。最不利的外作用。（3）数学表达式简单，便于理论分析）数学表达式简单，便于理论分析对自动控制系统的性能要求对自动控制系统的性能要求l对系统性能的基本要求对系统性能的基本要求 阶跃输入是变化最剧烈，对系统最不利的外作用，阶跃输入是变化最剧烈，对系统最不利的外作用，如果系统在阶跃函数作用下能满足自动控制任务。如果系统在阶跃函数作用下能满足自动控制任务。那么，系统在其它缓慢变化的外作用下更能满足要那么，系统在其它缓慢变化的外作用下更能满足要求。所以，常选用阶跃函数作用典型输入来研究系求。所以，常选用阶跃函数作用典型输入来研究系统的性能。阶跃响应的某些特征值，就是性能指标，统的性能。阶跃响应的某些特征值，就是性能指标，可以统一评价系统的性能。总的来说，希望实际的可以统一评价系统的性能。总的来说，希望实际的调节过程尽可能接近于理想的调节过程。工程上把调节过程尽可能接近于理想的调节过程。工程上把它归结为它归结为稳、准、快稳、准、快三个