1.1 自动控制与智能控制概论

自动控制与智能控制概论中国石油大学（华东）2023.9目录CONTENTS一控制理论的发展历程自动控制与自动控制系统的基本概念基本控制方式控制系统的类型二五四三控制系统的组成六控制系统的基本要求2七典型输入信号31.控制理论的发展历程自动控制的起源

-指南车41.控制理论的发展历程自动控制的起源

-指南车齿轮系车身木人方向车辆转弯51.控制理论的发展历程自动控制的起源

-漏壶61.控制理论的发展历程自动控制的起源

-漏水转浑天仪

-水运仪象台71.控制理论的发展历程自动控制的起源

-公元

1世纪古埃及和希腊的发明家也创造了一些机器人或机器动物来适应当时宗教活动的需要。如教堂庙门自动开启﹑铜祭司自动洒圣水﹑投币式圣水箱和教堂门口自动鸣叫的青铜小鸟等自动装置。

-近代自动装置

17世纪以来﹐随着生产的发展﹐在欧洲的一些国家相继出现了多种自动装置﹐其中比较典型的有﹕法国物理学家帕斯卡在1642年发明能自动进位的加法器；荷兰机械师惠更斯于1657年发明钟表﹐提出钟摆理论﹐利用锥形摆作调速器；英国机械师E.李1745年发明带有风向控制的风磨﹐利用尾翼来使主翼对准风向。

81.控制理论的发展历程自动控制技术形成时期

-蒸汽机调速器91.控制理论的发展历程自动控制技术形成时期

-蒸汽机调速器蒸汽源蒸汽机(对象)负荷离心式调速器(调节器)进汽阀转速测量101.控制理论的发展历程自动控制技术形成时期

-18世纪以前，自动控制系统发展的特点是凭借发明者的直觉、聪明和经验，往往是就事论事，不同控制系统之间没有多少联系，没有理论上的指导。

-随着技术的发展，控制系统的应用增多，人们发现不同的控制系统有一些共同的问题要解决，如：系统的稳定性、控制精度，过渡过程。因此，需要发展一门专门的理论来研究自动控制系统的一些共性的问题－－自动控制理论。111.控制理论的发展历程自动控制技术形成时期

-1868年，英国人麦克斯韦尔（Maxwell）用微分方程建立了一类调节器的数学模型，将自动控制系统与数学联系起来。

-1892年，俄国学者李雅普诺夫发表了“论运动稳定性的一般问题”的博士论文，提出了李雅普诺夫稳定性理论。

-20世纪30年代，PID控制器出现，并获得广泛应用。

-1927年，为了使广泛应用的电子管在其性能发生较大变化的情况下仍能正常工作，反馈放大器正式诞生。

-从而，确立了反馈在自动控制技术中的核心地位，并且有关系统稳定性和性能品质分析的大量研究成果也应运而生。121.控制理论的发展历程经典控制理论阶段（1787——1960）

-自动控制领域的第一项重大成果18世纪詹姆斯·瓦特为控制蒸汽机速度而设计的离心调节器。-经典控制理论的辉煌总结维纳于1948年出版了专著《控制论》-“工程控制论”诞生1954年钱学森出版专著《工程控制论》

系统地揭示了控制论对自动化、航空、航天、电子通信等工程技术领域的意义和深远影响标志着控制论学科分化而产生的第一个分支学科“工程控制论”的诞生。-频率响应法和根轨迹法是经典控制理论的核心131.控制理论的发展历程现代控制理论阶段(1960-1980)

-1960年开始，在“经典控制理论”的基础上形成“现代控制理论”数字计算机的出现以及工业、军事特别是空间技术的需求；推动以时域方法为主的诸多分析设计方法迅猛发展；人类在自动控制技术认识上的一次飞跃。-状态空间方法时域方法，其核心是最优化技术；以状态空间描述（实质上是一阶微分或差分方程组）作为数学模型；利用计算机作为系统建模分析、设计乃至控制的手段，适应于多变量、非线性、时变系统；在航天、航空、制导与军事武器控制中有成功的应用；在工业生产过程控制中也得到逐步应用。141.控制理论的发展历程智能控制理论阶段(1980-今)

-传统控制理论与模糊逻辑、神经网络、遗传算法等人工智能技术相结合；-利用人类的控制知识对复杂系统进行控制；-是人工智能在控制上的应用；-智能控制体系形成的历史不长，理论还未完全成熟；-已有的应用成果和理论发展说明了智能控制正成为自动控制的前沿学科之一。151.控制理论的发展历程代表人物

-国外：美国数学家N.维纳、英国机械师J.瓦特、美国贝尔实验室的两位数学家（英国的劳斯和德国的胡尔维茨）、美国电信工程师N.奈奎斯特、伯德、数学家伊文斯等。

-国内：钱学森、宋健、顾毓秀等。162.自动控制与自动控制系统的基本概念自动控制

-指在无人直接参与的情况下，利用控制装置操纵受控对象，使被控量等于给定值或按输入信号的变化规律去变化的过程。

-控制装置：是控制器和检测（反馈）元件的总称。控制器：用来操纵受控对象的设备（校正器+放大器+执行器）。检测（反馈）元件：一般为传感器。-被控量：控制对象要实现的量，是表征对象特征的关键参数。如冰箱温度、电机的转速、飞机姿态角、船的航行轨迹、电网的电压、生产过程中的压力、流量、温度、湿度等。。172.自动控制与自动控制系统的基本概念自动控制系统-指能够对受(被)控对象的工作状态进行自动控制的系统，它由被控对象和控制装置组成。182.自动控制与自动控制系统的基本概念反馈控制系统基本组成扰动测量变送给定环节比较环节放大变换执行机构被控对象串联校正反馈校正反馈信号参考输入偏差控制量被控量输出-+-

给出与期望的输出相对应的系统输入量，是一类产生系统控制指令的装置（或软件界面）为改善系统的动态和静态性能特性而附加的装置，其参数可灵活调整。工程上称为调节器或控制器。将比较微弱的偏差信号加以放大，以足够的功率来推动执行机构或被控对象

其职能是直接推动被控对象，使其被控量发生变化。常见的执行元件有阀门，伺服电动机等用来检测被控量的实际值。测量变送环节一般也称为反馈环节。通常是一个设备、物体或过程（一般称任何被控制的运行状态为过程），其作用是完成一种特定的操作。它是控制系统所控制和操纵的对象，它接受控制量并输出被控量。其作用是把测量元件检测到的实际输出值与给定环节给出的输入值进行比较，求出它们之间的偏差。常用的电量比较元件有差动放大器、电桥电路等。

自动控制系统192.自动控制与自动控制系统的基本概念名词术语

-被控量：系统的输出，是一种被测量和被控制的量值或状态。

-控制量：也称操纵量，是一种由控制器改变的量值或状态。影响被控量（通常为系统的输出量）的值；对系统的被控量的值进行测量，并且使控制量作用于系统，以修正或限制测量值对期望值的偏离。

-参考输入：人为给定，使系统具有预定性能或预定输出的激发信号它代表输出的希望值；又称为给定输入、给定值、期望输出等。-反馈：将系统（或环节）的输出量经变换、处理送到系统（或环节）的输入端。202.自动控制与自动控制系统的基本概念名词术语

-偏差：给定输入量与主反馈量之差。

-误差：是指系统输出量的实际值与希望值之差。系统希望值是理想化系统的输出，实际很难达到，因此用与控制输入量有一定比例关系的信号来表示；在单位反馈情况下，希望值就是系统的输入量，误差量就等于偏差量。

-扰动：是一种对系统的输出量产生不利影响的信号。扰动产生在系统的内部，称为内部扰动；扰动产生在系统的外部，则称之为外部扰动。外部扰动也是系统的输入量；控制量与扰动：通过调整控制量使得被控制量按照希望的规律变化；扰动能影响被控制量变化，但是不被控制。212.自动控制与自动控制系统的基本概念自动控制×控制器受控对象检测元件e(t)r(t)c(t)b(t)d(t)自动控制示意图扰动量（干扰量）d(t)：影响被控量变化的主要干扰因素。反馈量b(t)：检测元件的输出值。与c(t)对应且与r(t)同性质。即：b(t)=c(t)。偏差量（误差量）e(t)：e(t)=r(t)-b(t)被控量（输出量）：表征受控对象特征的关键参数。实际输出量——c(t)；理想输出量——c0(t)。控制量（给定量、输入量）r(t)：要求被控量达到理想值时，所需对应的参考输入值。即：r(t)=c0(t)。223.基本控制方式自动控制系统举例-水箱系统

233.基本控制方式自动控制系统举例-水箱系统

243.基本控制方式自动控制系统举例-水箱系统

实际液位脑眼给定值手水槽扰动测量值人工控制原理方块图253.基本控制方式自动控制系统举例-水箱系统

263.基本控制方式自动控制系统举例-水箱系统

273.基本控制方式自动控制系统举例-水箱系统

自动控制原理方块图：实际液位控制器变送器给定值执行器水槽扰动测量值人工控制原理方块图：实际液位脑眼给定值手水槽扰动测量值283.基本控制方式控制方式开环控制闭环控制复合控制两种基本控制方式293.基本控制方式开环控制（Open-loopControl）-定义：控制装置与受控对象之间只有顺向作用而无反向联系时的控制方式，称为开环控制。

-结构：控制装置被控对象输入量输出量扰动开环控制系统原理框图303.基本控制方式开环控制（Open-loopControl）-特点：输出量对系统的控制作用没有影响。系统结构和控制过程简单，但无抗干扰能力，控制精度较低。一般只用于对控制性能要求不高的场合。-开环控制精度不高的重要原因是：没有根据系统的实际输出修正输值。控制精度完全取决于所用的元件及校准的精度。

-开环系统的输出量与输入量间不存在反馈的通道，不需要对输出量进行测量，也不需要将输出量反馈到系统输入端与输入量进行比较。因此，开环控制系统又称无反馈控制系统。如：打印机、复印机、简单生产线、自动洗衣机、自动售货机、自动打包机等。闭环控制（Closed-loopControl）

-定义：控制装置与受控对象之间，不但有顺向作用，而且还有反向联系，即被控量对控制过程有影响时的控制方式称为闭环控制。不论什么原因使被控量偏离期望值而出现偏差时，必定会产生一个相应的控制作用去减小或消除这个偏差，使被控量与期望值趋于一致。

-组成：313.基本控制方式开环控制系统原理框图控制装置被控对象输入量被控量反馈环节扰动闭环控制（Closed-loopControl）-特点：抗干扰能力强，控制精度较高，但系统结构和控制过程复杂，稳定性的问题是系统分析和设计的一个核心问题。

一般用于对控制性能要求较高的大中型工业系统和精密的仪器、设备。如：电冰箱、空调器、复杂的生产线、精密的自动化仪表等。转台速度的闭环控制。-说明：从控制作用的产生原理看，闭环控制也叫偏差控制；从系统的组成结构来看，闭环控制也叫反馈控制。由于引入了被控量的反馈信息，整个控制过程成为闭合的，因此反馈控制也称为闭环控制。323.基本控制方式333.基本控制方式复合控制

-定义：复合控制是闭环控制和开环控制相结合的一种方式；对于主要扰动采用适当的补偿装置实现按扰动控制，同时，再组成反馈控制系统实现按偏差控制，以消除其余扰动产生的偏差。

-在闭环控制回路的基础上，附加一个输入信号或扰动信号（是破坏系统输入量和输出量之间预定规律的信号）的顺馈通路，对该信号带来的干扰进行补偿，以达到精确的控制效果。

-主要特点：具有很高的控制精度；可以抑制几乎所有的可量测扰动，其中包括低频强扰动；补偿器的参数要有较高的稳定性。343.基本控制方式复合控制两种基本形式干扰补偿的复合控制系统框图输入量控制器控制对象测量元件输出量×反馈回路被控量干扰量前馈补偿353.基本控制方式复合控制两种基本形式前馈补偿输出量被控量输入补偿的复合控制系统框图输入量控制器控制对象测量元件×反馈回路干扰量×363.基本控制方式为什么要采用复合控制？-反馈控制只有当发生偏差时才进行控制，反应较慢；

-按扰动进行补偿的开环控制只要负载发生变化就能进行控制反应较快；-主要扰动(可测量)——按扰动补偿的开环控制其余扰动(不可测量)——反馈控制374.控制系统的类型

按控制方式分类按给定值操纵的开环控制按干扰补偿的开环控制按偏差调节的闭环控制复合控制：闭环反馈为主，开环补偿为辅按给定值变化规律方式分类恒值系统随动系统程序控制系统按被控对象分类运动控制系统过程控制系统按系统功用分类温度控制系统压力控制系统位置控制系统按系统功能分类线性/非线性系统连续/离散性系统定常/时变性系统确定/不确定系统385.控制系统的组成测量元件：传感器比较元件：对控制量与参考输入量进行比较，多和测量或放大元件结合在一起放大元件：使微弱信号具有足够的幅值和功率执行元件：接受偏差信号的控制产生动作，改变控制量校正元件：用于消除或减弱系统在控制过程中产生的震荡。

395.控制系统的组成控制系统分析

-系统输出量和反馈量总是迟于输入量的变化——控制系统含有储能元件；-输入量发生变化，输出量从原平衡状态到新的平衡状态总要经历一定时间；

-暂态过程：在输入量的作用下，系统的输出量由初始状态达到最终稳态的中间变化过程，又称为瞬态过程、动态过程、过渡过程；-稳态过程：过渡过程结束后的输出响应；405.控制系统的组成暂态过程特点:

(a)(b)非周期振荡；(c)发散振荡；(d)(e)收敛振荡；(f)等幅振荡。

tnn1(a)0(b)nt0n0n1t0n(c)n0t(e)n1n0t(d)n0n1n0t(f)416.控制系统的基本要求对控制系统的要求: