第一章-绪论——自动控制理论

1、张兆军,电气工程及自动化学院,自动控制原理,参考教材,张爱民. 自动控制原理. 北京：清华大学出版社，2006. 刘明俊，于明祁.自动控制原理. 湖南：国防科技大学出版社，2000. 包建华，白朝霞.自动控制原理实验指导书，徐师大自编.,主要内容,第一章 绪论 第二章 控制系统的数学模型 第三章 控制系统的时域分析 第四章 根轨迹法 第五章 频率响应法 第六章 控制系统的校正 第九章 状态空间分析法,课时计划与安排,本课程共计72学时，其中理论课64学时，实验课8学时。具体安排如下,理论课 经典控制理论（第1-6章） 现代控制理论（第9章） 实验课 典型环节及其阶跃响应 二阶系统阶跃响应 系统

2、频率特性测量 连续系统串联超前校正,1.1 自动控制理论发展史简述 1.2 自动控制系统的一般概念 1.3 开环控制与闭环控制 1.4 自动控制系统的分类 1.5 对自动控制系统的要求本课程的任务,第一章 绪论,1.1 自动控制理论发展史简述,（一）萌芽阶段18世纪中叶 1、世界公认为第一个自动控制系统的是1788年瓦特发明的离心式调速器。,2、俄国人波尔佐诺夫发明锅炉水位调节器。,一、发展史简述,（二）奠基阶段经典控制论（60年代以前）,1、1932年，奈奎斯特针对反馈放大器提出几何稳定判据奈氏图、奈氏判据。从时域分析转到频域分析 2、1940年，博德在频率法中引入对数坐标系，使频率特性的绘

3、制工作更加适用于工程实际。博德图 3、1942年，哈里斯引入传递函数概念，用方框图、环节、输入和输出等信息传输的概念来描述系统的性能和关系。 4、1948年，埃文斯提出了控制系统非常实用的设计方法根轨迹法，用参数变化时特征方程的根变化轨迹来研究系统。 5、1948年，美国数学家维纳出版了控制关于在动物和机器中控制和通讯的科学，系统地论述了控制理论的一般原理和方法，奠定了控制论的基础。 6、50年代中期，添加了非线性系统理论和离散控制理论，形成了完整的理论体系。,（三）发展阶段现代控制论（20世纪60年代后）,二次世界大战中火炮、雷达、飞机以及通讯系统的控制研究直接推动了经典控制的发展。 五十年

4、代后兴起的现代控制起源于冷战时期的军备竞赛，以及计算机技术的出现，则促进了新的控制理论的出现和发展。,1、1956年，苏联学者L.S. Pontryagin(庞特里亚金)发表了最优过程数学理论，提出极大值原理（Maximum Principle）。,L.S. Pontryagin,R.E. Kalman,R. Bellman,三大基石,2、1957年，美国R. Bellman在RAND Cooperation数学部的支持下，发表著名的动态规划（Dynamic Programming），建立最优控制的基础。,3、1960年，美籍匈牙利人R. E. Kalman发表On the General T

5、heory of Control Systems等论文，引入状态空间法分析系统，提出能控性，能观测性，最佳调节器和kalman 滤波等概念，奠定了现代控制理论的基础。,4、1965年，Zadeh提出模糊集合和模糊控制的概念。 5、1958年，美国的E.I. Jury 发表“数字控制系统” (Sampled-Data Control System) ，建立了数字控制及数字信号处理的基础。 6、1967年，瑞典Karl J. Astrom提出最小二乘辩识，解决了线性定常系统参数估计问题和定阶方法，六年后，提出了自启调节器，建立自适应控制的基础。 7、1970年，英国H. H. Rosenbrock

6、 发表State Space and Multivariable Theory。1974年，加拿大W.M Wonham 发表Linear Multivariable Control: A Geometric Approach 。 8、1976年，美国R. Brockett提出用微分几何研究非线性控制系统，1985年，意大利A. Isidori出版(Nonlinear Control Systems) 。 9、1981年加拿大G. Zames提出H-inf. 鲁棒控制设计方法 ,二、中国学者对控制理论的贡献,1、1954年，钱学森在美国出版了专著工程控制论，由戴汝为、何善堉等译成中文。 2、19

7、54，天津大学刘豹教授编著了我国第一本用中文撰写的控制理论专著自动控制原理。 3、1956年，胡中揖和薛景瑄出版了由中国教师自己编写的第一本自动控制原理 的教科书。 4、除了结合国情编著有关的专著和教材外，也翻译了国外许多自动控制方面的名著。如王众托翻译了前苏联学者洛多夫尼柯夫的自动调整原理；卢伯英等翻译了美国学者绪方胜彦的现代控制工程等。,三、自动控制理论的分类,总结：从自动控制理论的发展历程可以看出，一个理论的诞 生于发展总是与当时的工业生产水平相适应的。,四、自动控制的应用领域,1、开始多用于工业：压力、温度、流量、位移、湿度、粘度自动控制 2、后来进入军事领域：飞机自动驾驶、火炮自动跟

8、踪、导弹、卫星、宇宙飞船自动控制 3、目前渗透到更多领域：大系统、交通管理、图书管理等 4、生物学系统：生物控制论、波斯顿假肢、人造器官 5、经济系统：模拟经济管理过程、经济控制论,1.1 自动控制理论发展史简述 1.2 自动控制系统的一般概念 1.3 开环控制与闭环控制 1.4 自动控制系统的分类 1.5 对自动控制系统的要求本课程的任务,第一章 绪论,1.2 自动控制系统的一般概念,一、一般概念,1、自动控制：就是在没有人直接参与的条件下，利用控制器 使被控对象（如机器、设备或生产过程）的某些物理量（或工作状态）能自动地按照预定的规律变化（或运行）。 2、自动控制技术：研究自动控制的理论，

9、泛称为自动控制技术。 3、控制系统：把实现自动控制所需要的部件按一定的规律组合起来，去控制被控对象，这个组合体叫做“控制系统”。 4、控制理论 ：分析与综合自动控制系统的理论称之为“控制理论” 。,二、自动控制技术的作用,1、自动控制技术的应用不仅使生产过程实现了自动化，极大地提高了劳动生产率，而且减轻了人的劳动强度。 2、自动控制使工作具有高度的准确性，大大地提高了武器的命中率和战斗力，例如火炮自动跟踪系统必须采用计算机控制才能打下高速高空飞行的飞机。 3、某些人们不能直接参与工作的场合就更离不开自动控制技术了，例如原子能的生产、火炮或导弹的制导等等。,三、自动控制与人工控制,人在参与控制中

10、起了以下3方面的作用： 1）测量实际液面的高度h1用眼睛。,人工控制,图1-1水池液面控制系统,1. 水池液面控制系统,2）将测得实际液面的高度h1与希望液面的高度h0相比较用脑。 3）根据比较的结果，即按照偏差的正负去决定控制的动作用手。,图1-2 液面人工控制系统的方框图,人工控制：由人来完成对被控量的控制。 自动控制：由自动控制装置代替人来完成这种操作,液面自动控制系统由以下5个部分组成： 被控对象水池。 测量元件浮子。 比较机构求浮子的希望位置与实际位置之差。 放大机构提高系统的控制精度。 执行元件电动机与阀F2，职能是改变被控制量的大小。,图1-3 液面自动控制系统,自动控制,1、必

11、须给定水位要求值，需要水位给定元件。 2、必须测量实际水位，需要测量元件。 3、必须比较实际水位与要求水位，需要比较元件。 4、必须产生控制策略，驱动执行元件，需要放大元件。 5、必须操纵阀门，需要执行元件。 6、必须有被控对象，即水箱中的水,被控量为水箱水位。 7、反馈环节：闭环系统中，包括检测、分压、滤波。,2. 自动控制系统的组成,四、系统框图,为了清楚地表示控制系统的组成及各组成部分之间信号的传输关系，在控制工程中引入了系统框图的概念。框图由引出点、比较点、部件的框图（功能框和信号线）组成。,部件的框图：输入信号置于方框的左端，方框的右端为其输出量，方框中填入部件的名称。,比较点（相加

12、点）：表示两个或两个以上的信号在该处进行代数运算，要注明输入信号的极性。,引出点：表示信号的引出，从同一信号线上取出的信号，其大小和性质相同,液面自动控制系统的框图,1.1 自动控制理论发展史简述 1.2 自动控制系统的一般概念 1.3 开环控制与闭环控制 1.4 自动控制系统的分类 1.5 对自动控制系统的要求本课程的任务,第一章 绪论,1.3 开环控制与闭环控制,一、自动控制系统的组成部分,二、控制系统分类,控制系统按照信息传递方式分为：开环控制系统、闭环控制系统。,1、信号从输入到输出无反馈，单向传递。 2、优点：结构简单；成本低；稳定性好。 3、缺点：被控对象或控制装置受到干扰，或系统

13、参数发生变化时，会直接影响被控量，系统对此无能为力。,1. 开环控制系统,1) 开环控制系统框图,2) 开环控制系统特点,3) 开环控制系统应用范围,输出量无法测量，对控制精度要求不高且干扰影响较小，或这些扰动因素可以预先确定并能给予补偿。,控制器与控制对象之间既有顺向作用又有反向联系的控制过程。 优点：具有自动修正被控制量出现偏离的能力，可以修正元件参数变化及外界扰动引起的误差，控制精度高。 缺点：闭环系统的结构比较复杂，构造比较困难，成本提高，存在着稳定性问题。,2. 闭环控制系统,1) 闭环控制系统框图,2) 闭环控制系统特点,自动控制原理研究在扰动存在并考虑参数变化的条件下， 闭环系统

14、的性能分析和系统设计问题。,3) 闭环控制系统举例,闭环直流调速系统,1.1 自动控制理论发展史简述 1.2 自动控制系统的一般概念 1.3 开环控制与闭环控制 1.4 自动控制系统的分类 1.5 对自动控制系统的要求本课程的任务,第一章 绪论,1.4 自动控制系统的分类,一、按信号流向划分,开环控制系统,闭环控制系统,和,二、按描述元件的动态方程（数学模型）分类,1、线性系统：组成系统的全部元件都是线性元件，它们的输入输出静态特性均为线性特性，其运动方程能用线性常微分方程描述。主要特点是具有叠加性和齐次性。 2、非线性系统：含有一个以上非线性元件，其运动方程用非线性微分方程描述。其输出响应和

15、稳定性与其初始状态有关。,三、按输入量的特征分类,四、按系统的参数是否随时间而变化分类,1、定常系统（时不变系统）：系统中的参数不随时间变化。 2、时变系统：系统中有的参数是时间 t 的函数。输出响应波形不仅与输入波形有关还与加入的时刻有关。,1、恒值控制系统: 定值调节系统或自动镇定系统。 特点：参考输入量为恒量，并要求输出量相应地保持恒定。 2、随动系统：自动跟踪系统或伺服系统。 特点：系统输入量是一个变化的量，一般是随机的，要求系统能快速、准确地跟随参考输入信号的变化而变化。,五、按信号的传递是否连续分,1、连续系统：该类控制系统各部分间的信号均为时间t的连续函数。目前工业普遍采用的常规

16、仪表PID调节器控制的系统。 2、离散系统：该类控制系统在信号传递过程中有一处或多处的信号是脉冲序列或数字编码，即只要有一个是时间t的离散信号。其中离散信号以脉冲形式传递的系统又叫脉冲控制系统，离散信号以数码形式传递的系统又叫数字控制系统。,离散信号,离散信号,计算机控制系统框图,1.1 自动控制理论发展史简述 1.2 自动控制系统的一般概念 1.3 开环控制与闭环控制 1.4 自动控制系统的分类 1.5 对自动控制系统的要求本课程的任务,第一章 绪论,1.5 对自动控制系统的要求本课程的任务,一、自动控制系统的性能评价指标,对于自动控制系统的设计，要求在可能的范围内尽量满足其技术上的需求。常

17、用的性能评价指标有：,1、稳定性：是对控制系统最基本的要求。 所谓系统稳定，粗略地说，就是当系统受到扰动作用后，系统的被控制量虽然偏离了原来的平衡状态，但当扰动一撤离，经过一定长的时间后，如果系统仍能回到原有的平衡状态，则称系统是稳定的。反之，则称为不稳定。 稳定性是系统本身的固有特性，它仅与系统的结构和参数有关，与初始条件和外作用无关。 2、响应速度：也称动态性能或快速性。 是指系统瞬态响应具有一定的快速性和平稳性。系统在稳定的条件下，衡量系统过渡过程的形式和快慢，通常称为“系统动态性能”。,3、稳态精度：也称稳态性或准确性。 常用稳态误差来表示。 所谓稳态误差是指当系统从一个稳态过渡到新的稳态，或系统受到扰动作用又重新平衡后，系统会出现偏差，偏差的最终值的大小，称为稳态误差。它是衡量系统稳态精度的重要指标。稳态误差越小，表示系统的准确性越好，被控量（输出量）的期望值与实际值之间的差值就越小。主要有给定稳态误差和扰动稳态误差。 给定稳态误差表征系统的输出跟随参考输入的精度。 扰动稳态误差表征系统抗扰动的能力。,常用的指标有：过渡时间、超调量等,二、研究内容,1、系统分析：是在已知系统结构和参数的情况下，根据系统对于某种典型输入信号作用下的被控