自动控制理论第一章引论

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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,参考教材,自动控制理论,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,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，持续性地保持一流的成绩； E级，自主型：拥有D级学生的特征，此外还

2、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。,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收多少真正有用的东西。,第一章 引 论,相对论、量子论和控制论是20世纪上半叶的

3、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。,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。,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

4、制论与工程技术的结合。,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重要组成部分。,随着自动控制理论和技术的不断发展，给人们提供了获得动态系统最佳性能的方法，提高了产品质量，降低了生产成本，提高了劳动生产率，使人们从繁重的体力劳动和重复的手工操作中解放出来。,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

5、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,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,本课程的任务,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。,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

6、控制 第五节 本课程的内容和特点 本章小结、重点和习题,第一节 控制理论在国民经济中的作用,什么是自动控制？,自动控制是在人不直接参与的情况下，利用自动控制装置使机器、设备、生产过程等自动地按照预定的规律运行，使机器的动作、设备的运转、生产过程的状态能够自动地在一定的精度范围内，按照给定的规律变化。,自动控制系统无处不在(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。,自动控制系统无处不在(2),由于计算机等技术的诞生和飞速发展，使得控制技

7、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。 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(3),第二节 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。,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。,（2） 最早的稳定性研究 J.C.Maxw

8、ell（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，特征多项式系数应满足的条件。,（3） 系统稳定判据 由E.J.Routh（劳斯，1884年） 和 Hurwitz（霍尔维茨，1895年）提出的劳斯-霍尔维茨稳定判据 俄国A.M.Lyapunov（李雅普诺夫，1892年）在论运动稳定性的一般问题中建立了动力学系统的一般稳定性理论。提出了李雅普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）提出了对数频率特性的方

9、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）20世纪4050年代形成 SISO（Single Input Single Output）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年维纳发表著名的控制论。系统地论述了控制理论的一般原理和方法。标志控制学科的诞生,（5） 1954年，

10、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。,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。,研究对象：单输入、单输出线性定常系统。 解决方法：频率法、根轨迹法、传递函数。 非线性系统：相平面法和描述函数分析。 数学工具：拉氏变换、常微分方程。,b.局限性 难以应用于时变系统、多变量系统。 难以揭示系统更为深刻的特性。,经典控制理论 a.特

11、点,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）、 Kalman（卡尔曼）和前苏联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。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”。,状态空间法被引入到控制理论中来。 Kalman（卡尔曼）提出了能

12、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。,现代控制理论的重要标志：,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。,研究对象：多输入、多输出系统，线性、 定常或时变、离散系统。 解决方法：状态空间法（时域方法）。 方 法

13、 上：研究系统输入/输出特性和内 部性能。 内 容 上：线性系统理论、系统辨识、最 优控制、自适应控制等 数学工具：线性代数、微分方程。,现代控制理论特点,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，通过模拟人类思维判断的各种算法实现控制。主要有模糊控制、人工神经网络控制、专家控制等。,第三节 自动控制和自动控制系统,一、自动控制的概念 1、手动控制 水箱水

14、位的手动控制：,图1-1 水箱水位的人工 控制系统示意图,2、自动控制 自动控制是在人不直接参与的情况下，利用外加设备或装置（称为自动控制装置）使被控对象（如机器、设备、生产过程等）自动地按照预定的规律运行，使被控对象的状态（一个或多个物理参数，如温度、流量等。称为被控量）能够自动地在一定的精度范围内，按照给定的规律变化。,浮子：测量作用 连杆：比较作用 放大器、伺服电动机和减速器：调节作用 阀门：执行元件作用 水位自动控制的目的：使偏差消除或减小，使实际水位达到要求的水位值。,图1-2 水箱水位的自动控制系统示意图,二、自动控制系统 系统:为达到某一目的，由相互制约、相互联系的各个部件按照一

15、定规律构成且具有独立功能的整体称为系统。 自动控制系统:自动控制系统是由被控对象和自动控制装置按照一定方式连接起来，完成一定的自动控制任务，并具有预定性能的动力学系统。,自动控制系统的被控制量称为系统输出量 影响系统输出量的外界输入称为系统的输入量 输入量分类： 给定输入：（或称参考输入、希望值等）： 指对系统输出量的要求值。 扰动输入：指对系统输出量有不利影响的输入量,自动控制系统的组成 由两大组成部分，即被控对象和自动控制装置（有时也称为控制器） 自动控制装置又可分为下列几个部分：,（1）测量元件（或测量装置）。 用于测量被控量的实际值或对被控量进行 物理量变换的装置。,（2）比较元件（或

16、比较器）。 它将被控量的实际值（常取负号）与被控 量的要求值（常取正号）相比较，得到偏差的 大小和符号。,（3）调节元件。 通常包括放大器和校正装置。它能将偏差信号放 大，并使输出控制信号与偏差信号之间具有一定的 数值运算关系（也称为调节规律或控制算法）。,（4）执行元件。 接受调节元件的输出控制信号，产生具体的 控制效果，使被控制量产生预期的改变。,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，画出的控制系统元件作用图称为系统框图。共有四种图例： （1）装置用方框表示 （2）信号用带箭号的线段表示 （3）信号引出点 （4）信号相加点（比较点）,图13 水箱水位控制系统框图,三、自动控制系统的分类 从信号传送的结构特点可将控制系统可分为开环控制系统与闭环控制系统。 按照其他分类原则还可分为：,（一）随动系统与自动调整系统 随动系统又称为伺服系统。 特点：给定值是预先未知