自动控制理论引论

《自动控制理论引论》由会员分享，可在线阅读，更多相关《自动控制理论引论（85页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、 第一章 引 论自动控制理论1欢迎各位来到自动控制理论课堂计算机与信息工程学院 王战果第一章 引 论自动控制理论2参考教材夏德钤，翁贻方 编著 机械工业出版社第二、三版配套教辅教材自动控制理论例习题集考研试题解翁贻方 编著 机械工业出版社，2006第一章 引 论自动控制理论3考虑学习的态度和目的存在五种类型的学生：A级，厌学型：不快乐、厌烦、心理上的强烈反感和抵触；B级，被动型：消极、被动、麻木，在父母、老师的督促和 舆论的压力下取得进步；C级，机械型：全身心投入、刻苦用功、头悬梁锥刺骨、按 部就班地朝着一流的方向努力；D级，进取型：自信、主动、积极，把必须要做的事情做到 最好，持续性地保持一

2、流的成绩； E级，自主型：拥有D级学生的特征，此外还有：自主、自 由、坚韧、扎实、快乐，有个性，有激情，有想象力，享 受学习而不是完成学习，不以分数来衡量优劣，不一定是 第一名，但一定有独立的意志，有强烈的兴趣，有一个执 著追求的目标。第一章 引 论自动控制理论4自主型学生对应E级，因此称为“E学生”E学生是拥有强烈自主意识和很高的情商， 因而是更快乐更杰出的学生。其特征称为“3E”：EQ情商；Enjoy快乐、享受（学习）；Excellence优秀、杰出、卓越。“E学生”不一定个个杰出，但杰出的人一定 出自“E学生”。是非智力因素决定了你站在什么位置，而你 的位置决定了你能从现在的教育体系中吸

3、收多少 真正有用的东西。第一章 引 论自动控制理论5第一章 引 论相对论、量子论和控制论是20世纪上半叶的三大伟绩，称为三项科学革命，是人类认识客观世界的三大飞跃。控制论的两个核心是信息论和反馈控制。机器系统、生命系统、社会及经济系统的共同特点即通过信息的传递、加工处理并利用反馈来进行控制-控制论的中心思想。第一章 引 论自动控制理论6控制论是一门既与技术科学又与基础科学紧密相关的边缘学科。它不仅具有重大的理论意义，而且对生产力的发展、生产率的提高、尖端技术的研究与尖端武器的研制以及对社会管理都发生重大影响。因此，控制论建立后短短时期内便迅速渗透到许多科学技术领域，派生出许多新型边缘学科。第一

4、章 引 论自动控制理论7生物控制论：运用控制论研究生命系统的控制与信 息处理。经济控制论：研究经济计划、财贸信贷等经济活动及其控制。工程控制论：控制论与工程技术的结合。第一章 引 论自动控制理论8自动控制理论就是指导实现自动控制技 术设计的基本理论，运用基本理论解决某些 工程实际问题的具体技术措施。在科学和工程技术术的发发展过过程中，自动动 控制技术术起着重要的作用。除了在宇宙飞飞船 、导弹发导弹发 射和飞飞机驾驶驾驶 等系统统中，自动动控 制技术术具有特别别重要的作用之外，它在现现代 机器制造和工业业生产过产过 程中也是不可缺少的 重要组组成部分。第一章 引 论自动控制理论9随着自动动控制理

5、论论和技术术的不断发发展，给给人们们提供了获获得动态动态 系统统最佳性能的方法，提高了产产品质质量，降低了生产产成本，提高了劳动劳动 生产产率，使人们们从繁重的体力劳动劳动 和重复的手工操作中解放出来。第一章 引 论自动控制理论10本课程在人才培养中的重要地位 自动化、电气工程及其自动化专业主干课程 知识结构中起到承上启下作用 构建和设计自动控制系统的理论与方法 后续课程计算机控制系统、运动控制系统、过 程控制系统等第一章 引 论自动控制理论11高等数学中 的微分方程拉普拉斯变换电路理论 中相关知识模拟电子技术 中的运算放大器本课程所 需基础知识物理学 相关知识第一章 引 论自动控制理论12本

6、课程的任务掌握闭环控制系统的结构、原理掌握自动控制系统的传递函数数学模型掌握自动控制系统的分析方法掌握自动控制系统的校正方法本章将对本课程的主要内容作一个简介，使同学们对自动控制理论的内容有一个基本了 解，以便更好地学习以后各章节。第一章 引 论自动控制理论13本章主要内容 第一节 控制理论在国民经济中的作用 第二节 自动控制理论发展简介 第三节 自动控制和自动控制系统 第四节 开环控制和闭环控制 第五节 本课程的内容和特点 本章小结、重点和习题第一章 引 论自动控制理论14第一节 控制理论在国民经济中的作用什么是自动控制？自动动控制是在人不直接参与的情况下，利用自动动控制装置使机器、设备设备

7、 、生产过产过 程等自动动地按照预预定的规规律运行，使机器的动作、设备的运转、生产过程的状态能够够自动动地在一定的精度范围围内，按照给给定的规规律变变化。第一章 引 论自动控制理论15自动控制系统无处不在自动控制系统无处不在(1)(1) 军事、航天领域 火炮跟踪系统、雷达跟踪系统； 人造卫星 的姿态控制等；宇宙飞船的各种自动控制。 工业领域产品加工和物流调配的自动控制；石油化工生产过程、造纸、工业窑炉、轧钢过程的自动控制等。第一章 引 论自动控制理论16自动控制系统无处不在自动控制系统无处不在(2)(2)1.1.农业生产领域 自动灌溉系统；农产品 质量检测；害情检测；植物温室温度和 湿度自动控

8、制系统等。2.2.商业领域 商业设备、仓储自动化设备 与系统、物流监控管理。3.3.日常生活 空调器、电冰箱等。第一章 引 论自动控制理论17由于计计算机等技术术的诞诞生和飞飞速发发展，使得 控制技术术水平不断提高，已扩扩大到经济经济 与社会生 活的各个领领域，如通信、交通、医学、环环境保护护 、经济经济 管理等领领域，控制技术术已成为现为现 代社会不 可缺少的重要组组成部分。 生物：人口控制，药物动力学金融：货币控制自动控制系统无处不在自动控制系统无处不在(3)(3)第一章 引 论自动控制理论18第二节 自动控制理论发展简介自动动控制理论论是自动动控制技术术的基础础理论论，是一门门理论论性较

9、较强的工程科学。根据自动动控制技术术的发发展进进程，自动动控制理论论可分为为 经典控制理论和现代控制理论两大部分。第一章 引 论自动控制理论19 经典控制理论的形成和基本内容（1）工业化促使自动控制装置产生最早工业应用的自动装置：1769年Watt发明的飞球式蒸汽机调速器。一种凭借直觉的实证性发明。第一章 引 论自动控制理论20（2） 最早的稳定性研究J.C.Maxwell（麦克斯韦韦尔），1868年发发表论调节论调节 器，研究调节调节 器的微分方程，线线性化处处理，系统稳统稳 定性取决于微分方程的特征根是否都具有一对负对负 的实实部，针对针对 二阶阶和三阶阶系统讨论统讨论 了使特征根具有负实

10、负实 部时时，特征多项项式系数应满应满 足的条件。第一章 引 论自动控制理论21（3） 系统稳定判据 由E.J.Routh（劳劳斯，1884年） 和 Hurwitz（霍尔维维茨， 1895年）提出的劳劳斯-霍尔维维茨稳稳定判据 俄国A.M.Lyapunov（李雅普诺诺夫，1892年）在论论运动稳动稳 定性的一般问题问题 中建立了动动力学系统统的一般稳稳定性理论论 。提出了李雅普诺诺夫第一法与第二法 H.Nyquist（乃魁斯特，1932年）提出乃氏判据，Bode(波特 ，1927年）提出了对对数频频率特性的方法。 W.R.Evans（伊万斯，1948年)提出根轨迹法，此方法和规规 则则指的是当

11、系统统参数变变化时时特征方程式根变变化的几何轨轨迹 。目前仍然是系统设计统设计 和稳稳定性分析的一种重要方法。 第一章 引 论自动控制理论22（4）20世纪4050年代形成 SISO（Single Input Single Output）系统 二战战期间间，军军事科学的需要大大促进进了反馈馈控制理论论的发发展。美国麻省理工学院雷达实验实验 室的科学家们们将反馈馈放大器理论论、 PID控制以及N.Wiener（维纳维纳 ）的随机过过程理论论等结结合在一起，形成了一整套被称为为随动动控制系统统的设计设计 方法。1948年维纳维纳发表著名的控制论。系统统地论论述了控制理论论的一般原理和方法。标标志控

12、制学科的诞诞生第一章 引 论自动控制理论23（5） 1954年，钱钱学森的工程控制论在美国出版。奠定了工程控制论的基础20世纪纪50年代末期所讨论讨论 的内容主要有：系统统数学模型的建立、时时域分析法、频频率特性法、根轨轨迹法、系统综统综 合与校正、非线线性系统统和采样样控制系统统分析法等，也被称为为经经典控制理论论。经典控制理论-以积分变换为主要数学工具，用频率特性法和根轨迹法以描述输入、输出外部传递函数为基础，研究控制系统的动态特性的理论。第一章 引 论自动控制理论24w研究对象：单输入、单输出线性定常系统。w解决方法：频率法、根轨迹法、传递函数。w非线性系统：相平面法和描述函数分析。w数

13、学工具：拉氏变换、常微分方程。b.局限性u难以应用于时变系统、多变量系统。u难以揭示系统更为深刻的特性。经典控制理论a.特点第一章 引 论自动控制理论25 现代控制理论空间技术竞赛催生了现代控制理论50年代末，美国的Bellman（贝贝尔曼）、 Kalman（卡尔曼）和前苏联苏联 的庞庞德里亚亚金等考虑虑用常微分方程作为为控制系统统的数学模型。由于数字计计算机的发发展使得十年前尚无法进进行的计计算问题问题 成为为可能，这时这时 李雅普诺诺夫的工作被引入到控制理论论中来，而由Wiener（维纳维纳 ）等人在第二次世界大战战期间间关于最优优控制的研究也被用来研究系统统状态态轨轨迹的优优化问题问题

14、。这这种方法在标标准形式或状态态形式的常微分方程的基础础上直接引进进并大量使用了计计算机。这这种方法通常称为为“现现代控制理论论”，以区别别于60年代以前的“经经典控制理论论”。第一章 引 论自动控制理论26状态态空间间法被引入到控制理论论中来。Kalman（卡尔曼）提出了能控性与能观测观测性。表征系统结统结 构特征的重要概念。 “内部研究”代替了传统传统 的“外部研究”。并使分析与综综合过过程建立在严严格的理论论基础础之上。 现代控制理论的重要标志：第一章 引 论自动控制理论27现代控制理论 以微分方程、线性代 数及数值计算为主要数学工具，用时域方法 （状态空间方法）以描述系统内部状态变量

15、关系的状态方程为基础，研究系统状态运动 的理论。主要分支学科：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、建模理论与系统工程等 。第一章 引 论自动控制理论28w研究对象：多输入、多输出系统，线性、 定常或时变、离散系统。w解决方法：状态空间法（时域方法）。 w方 法 上：研究系统输入/输出特性和内 部性能。 w内 容 上：线性系统理论、系统辨识、最优控制、自适应控制等w数学工具：线性代数、微分方程。现代控制理论特点第一章 引 论自动控制理论29自动控制理论的发展历程经典控制理论现代控制理论智能控制理论 现代控制理论是相对于经典控制理论而发展起来的. 计算机技术的发展与应用促进了现代控制理论的研究、应用与发展. 经典的控制理论在浅层意义上模拟人们反馈自动调节的行经典的控制理论在浅层意义上模拟人们反馈自动调节的行动过程动过程. . 智能控制方法在较深层次上模拟人类大脑的思维判断过程智能控制方法在较深层次上模拟人类大脑的思维判断过程，通过模拟人类思维判断的各种算法实现控制。主要有，通过模拟人类思维判断的各种算法实现控制。主要有模糊模糊 控制、人工神经网络控制、专家控制控制、人工神经网络控