自动控制理论作者浙江大学邹伯敏教授

《自动控制理论作者浙江大学邹伯敏教授》由会员分享，可在线阅读，更多相关《自动控制理论作者浙江大学邹伯敏教授（32页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、第一章第一章绪论绪论作者： 浙江大学 邹伯敏 教授 自动控制理论自动控制理论普通高等教育普通高等教育“ “九五九五” ”部级重点教材部级重点教材2018/7/31第一章 绪论v第一节 自动控制理论发展简介v第二节 自动控制系统的一般概念v第三节 开环控制和闭环控制v第四节 自动控制系统的分类v第五节 对控制系统性能的要求和本课程的任务本章主要内容Date2第一章 绪论自动控制理论自动控制理论第一节第一节 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发展进程，自动控 制理论可分为经典控制理论和现代控制理论两大部分。

2、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。Date3第一章 绪论（2） 最早的稳定性研究J.C.Maxwell（麦克斯韦尔），1868年发表论调节器 ，研究调节器的微分方程，线性化处理，系统稳定性取决 于微分方程的特征根是否都具有一对负的实部，针对二阶和 三阶系统讨论了使特征根具有负实部时，特征多项式系列应 满足的条件。 文献： J.C. Maxwell. On Governors. Proc. of the Royal Society of London. 16, 1868.（

3、3） 系统稳定判据由Hurwitz（霍尔维茨，1895年）和 E.J.Routh（劳斯 ，1884年）提出的劳斯-霍尔维茨稳定判据 A.M.Lyapunov（李雅普诺夫，1892年）提出了李雅普 诺夫第一法与第二法 Date4第一章 绪论H.Nyquist（奈魁斯特，1932年）提出奈氏判据， Bode(波德，1927年）提出了对数频率特性的方法。 W.R.Evans（伊万斯，1948年)提出根轨迹法。此方法和规则 指的是当系统参数变化时特征方程式根变化的几何轨迹。目 前仍然是系统设计和稳定性分析的一种重要方法。（4）40-50年代形成 SISO（Single Input Single Out

4、put ）系统 二战期间，军事科学的需要大大促进了反馈控制理论的 发展。美国麻省理工学院雷达实验室的科学家们将反馈放大 器理论、 PID（比例-积分-微分）控制以及N.Wiener（维纳 ）的随机过程理论等结合在一起，形成了一整套被称为随动 控制系统的设计方法。 1948年 N.Wiener发表著名的控制论Date5第一章 绪论（5） 50年代末期所讨论的内容主要有：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制系统分析法等，也被称为经典 控制理论。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（贝尔曼）、 Kalm

5、an（卡 尔曼）和俄罗斯的庞德里亚金等考虑用常微分方程作为控 制系统的数学模型。由于数字计算机的发展使得十年前尚 无法进行的计算问题成为可能，这时李雅普诺夫的工作被 引入到控制理论中来，而由Wiener（维纳）等人在第二次 世界大战期间关于最优控制的研究也被用来研究系统状态 轨迹的优化问题。Date6第一章 绪论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。这种方法通常称为“ 现代控制理论”，以区别于60年代以前的“经典控制理论”软着陆-极大值原理（1956） 最小燃料控制-动态规划 （1957） 姿态控制-状态空间理论(1960）Date7第一章 绪论现代控制

6、理论的重要标志状态空间法被引入到控制理论中来。Kalman提出了能控性与能观测性。表征系统结构特 征的重要概念。 “内部研究”代替了传统的“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。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。Date8第一章 绪论在科学和工程技术的发展过程中，自动控 制技术起着重要的作用。除了在宇宙飞船、导弹 发射和飞机驾驶等系统中，自动控制技术具有特 别重要的作用之外，它在现代机器制造和工业生 产过程中也是不可缺少的

7、重要组成部分。 随着自动控制理论和技术的不断发展，自 动控制技术的广泛应用使生产设备或过程实现了 自动化，极大地提高了劳动生产率和产品质量、 降低了生产成本、改善了劳动条件，而且在人类 向大自然挑战、探索新能源、改善人民生活等方 面都起着极其重要的作用。 控制理论在国民经济中的作用Date9第一章 绪论1）自动控制技术应用于军事、航天领域 火炮、雷达、跟踪系统；人造卫星；宇宙飞船。 2）自动控制技术应用于工业生产过程 轧钢过程；工业窑炉；石油化工；水泥建材； 玻璃、造纸等。 3）自动控制技术应用于现代农业生产自动灌溉；农产品质量检测；病情检测等。Date10第一章 绪论4）自动控制技术应用于其

8、它领域由于计算机等技术的诞生和飞速发展，使得控 制技术水平不断提高，已扩大到经济与社会生活的 各个领域，如通信、交通、医学、环境保护、经济 管理等领域，控制技术已成为现代社会不可缺少的 重要组成部分。 近年来，我国在自动化仪表、工业调节器、数 字控制技术、航天工程、核动力工程等方面的研究 和应用取得了长足进展。 生物：人口控制，药物动力学 金融：货币控制 家庭：电饭煲，洗衣机Date11第一章 绪论第二节第二节 自动控制的一般概念自动控制的一般概念自动控制就是要人不直接参与的条件下，利用自动控制就是要人不直接参与的条件下，利用 控制器使被控制的对象（如机器、设备或生产过程控制器使被控制的对象（

9、如机器、设备或生产过程 ）的某些物理量（或工作状态）能自动地按规定的）的某些物理量（或工作状态）能自动地按规定的 规律变化（或运行）。规律变化（或运行）。 如：如： 电网的电压与频率自动地保持不变。电网的电压与频率自动地保持不变。人造卫星按制定的轨道运行，并始终保持正确的姿人造卫星按制定的轨道运行，并始终保持正确的姿 态态 金属切割机床的速度在电压变化或负载变化时能自金属切割机床的速度在电压变化或负载变化时能自动保持不变动保持不变Date12第一章 绪论控制系统：控制系统：把实现自动控制所需要各个部件按一定的规律组合起来，把实现自动控制所需要各个部件按一定的规律组合起来， 取控制被控对象，这个

10、组合体叫取控制被控对象，这个组合体叫“ “控制系统控制系统” ”被控制的物理量通常有：被控制的物理量通常有：温度、压力、流量、电压、转速、位移等温度、压力、流量、电压、转速、位移等Date13第一章 绪论一、液位控制系统uu人工控制人工控制测量实际液面的高度测量实际液面的高度h h0 0- -用眼用眼 实际液面高度实际液面高度0 0与希望液面高度与希望液面高度h h1 1相比较相比较-用脑用脑 按比较的结果，即液面高度偏差的正负去决定控制动作按比较的结果，即液面高度偏差的正负去决定控制动作-用手用手图图1-11-1水池液面控制系统水池液面控制系统水池液面控制如图水池液面控制如图1-11-1所示

11、。所示。自动控制理论自动控制理论Date14第一章 绪论uu自动控制自动控制人工控制中有三种职能作用：测量、比较和执行，而在人工控制中有三种职能作用：测量、比较和执行，而在 自动控制系统中也必须有这三种，如图自动控制系统中也必须有这三种，如图1-31-3所示。所示。液位控制系统由以下五部分组成。液位控制系统由以下五部分组成。图图1-2 1-2 液面人工控制系统的方框图液面人工控制系统的方框图液面人工控制系统的方框图如图液面人工控制系统的方框图如图1-21-2所示。所示。自动控制理论自动控制理论Date15第一章 绪论图图1-3 1-3 液面自动控制系统液面自动控制系统 被控对象-水池 测量元件

12、-浮子 比较机构-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-驱动被控对象，以改变被控制的量自动控制理论自动控制理论Date16第一章 绪论图图1-5 1-5 液面自动控制系统的方框图液面自动控制系统的方框图为了控制系统的表示简单明了，控制工程中一般用方框图表为了控制系统的表示简单明了，控制工程中一般用方框图表 示系统的各个组件，组件的基本组成单元如图示系统的各个组件，组件的基本组成单元如图1-41-4所示，其中图所示，其中图a a ）为引出点，图）为引出点，图 b b）为比较点，图）为比较点，图 c c）部件的框图。）部件的框图。图图1-4 1-4 控制系统框图的基

13、本组成单元控制系统框图的基本组成单元故液位自动控制系统也可用图故液位自动控制系统也可用图1-51-5来表示。来表示。自动控制理论自动控制理论Date17第一章 绪论直流随动如图直流随动如图1-61-6所示。所示。二、随动控制系统图图1-6 1-6 直流随动系统的原理图直流随动系统的原理图自动控制理论自动控制理论Date18第一章 绪论图图1-7 1-7 直流随动系统的方框图直流随动系统的方框图图图1-61-6直流随动系统是用一对电位器作为位置的检测元直流随动系统是用一对电位器作为位置的检测元 件，它们分别把系统的输入与输出的位置信号转换成与之件，它们分别把系统的输入与输出的位置信号转换成与之

14、成比例的电信号，并进行比较。其控制系统的方框图如图成比例的电信号，并进行比较。其控制系统的方框图如图 1-71-7所示。所示。自动控制理论自动控制理论Date19第一章 绪论自动控制理论自动控制理论 第三节第三节 开环控制与闭环控制开环控制与闭环控制图图1-8 1-8 自动控制框图的一般形式自动控制框图的一般形式图图1-9 1-9 自动控制系统的框图自动控制系统的框图Date20第一章 绪论图中 r(tr(t)-)-系统的参考输入系统的参考输入( (简称输入量或给定量简称输入量或给定量) ) c(tc(t)-)-系统的被控制量系统的被控制量( (又简称输出量又简称输出量) ) b(tb(t)-

15、)-系统的主反馈量系统的主反馈量 e(te(t)-)-系统的误差系统的误差 e(te(t) ) r(tr(t) ) b(tb(t) ) d(td(t) -) -系统的干扰系统的干扰, ,它是一种对系统输出产生不利的信号它是一种对系统输出产生不利的信号 给定环节给定环节-产生参与输入信号的元件产生参与输入信号的元件 如如: :电位器、旋转变压器等电位器、旋转变压器等 控的控制信号控的控制信号 支控制被控的对象制器支控制被控的对象制器-其输入是系统的误差信号其输入是系统的误差信号, ,经变换或相关的运算后经变换或相关的运算后, ,产生期望产生期望 被控对象被控对象-系统控制的对象系统控制的对象, ,其输入量是控制器的输出其输入量是控制器的输出, ,输出量就是输出量就是被控量被控