自动控制的一般概念第一

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1、1,所需课程基础,高等数学 大学物理 线性代数 复变函数与积分变换 信号与系统 电路 数字/模拟电子技术基础 Matlab教程(计算机仿真技术),1,2,后续课程,微机原理/单片机 电机与拖动 过程控制 运动控制 计算机控制,2,3,参考书目,教材： 胡寿松主编. 自动控制原理(第五版). 高等教育出版社. 主要参考书： 1.吴麒主编. 自动控制原理(第二版). 清华大学出版社. 2.黄家英主编. 自动控制原理. 高等教育出版社. 3. R.C. Dorf and R.H. Bishop. 现代控制系统(第十版). 清华大学出版社. 4. Morris Driels. 线性控制系统工程. 清华

2、大学出版社.,3,4,学时安排：90学时 -72学时理论课 -18学时实验课(自动化) 48学时-理论课(建环必修) 40学时-理论课(电子信息选修) 考试：考试成绩*70% 实验成绩*10% 平时成绩*20%(考勤+作业),4,5,主要内容,第一章 自动控制的一般概念 第二章 控制系统的数学模型 第三章 线性系统的时域分析法 第四章 线性系统的根轨迹法 第五章 线性系统的频域分析法 第六章 线性系统的校正方法 第七章 线性离散系统的分析与校正 第八章 非线性控制系统分析,5,重点,6,第一章 自动控制的一般概念,1-1 自动控制的基本原理与方式 1-2 自动控制系统示例 1-3 自动控制系统

3、的分类 1-4 对自动控制系统的基本要求 1-5 自动控制系统的分析与设计工具,6,7,1-1 自动控制的基本原理与方式,自动控制科学的发展 (一) 经典控制理论 (二) 现代控制理论 (三) 智能控制理论,7,1. 最早： 中国：产生“控制”的思想，而非理论,8,指南车,候风地动仪,漏水转浑天仪,(一) 经典控制理论,9,9,铜壶滴漏,整件滴漏由四个铜壶组成，分别是日壶、月壶、星壶、受水壶。保持星壶的水位恒定是滴漏计时准确的关键。 星壶上部有一个小洞，如果月壶滴下的水多了，便从这里流出，使星壶的水量保持恒定，以便均匀地滴水给受水壶。受水壶中水逐渐增加，浮舟托起木箭上升。将木箭的顶端与铜表尺刻

4、度对照，得到时间。,10,国外：出现反馈控制装置 希腊人凯特斯比斯(Kitesibbios)在公元前300年在油灯中使用浮子调节器以保持油面高度稳定。 现代欧洲最先发明反馈控制的是荷兰的德勒贝尔，使用了温度反馈控制。 邓尼斯帕平最先发明了蒸汽阀的压力控制器。 1765年，普尔佐诺夫发明了浮子阀门式水位调节器，用于蒸汽锅炉水位的自动控制。,10,11,2. 闭环自动控制系统的出现与应用 欧洲工业革命的标志：James Watt于1765年在萨维利发明的蒸汽机的基础上改进的现代意义上的蒸汽机。 1770年，他利用离心式飞锤调速器构建了蒸汽机的转速自动控制系统，此系统在锅炉压力和负荷变化的条件下，通

5、过离心式调速器自动调节进气阀门的开度，使蒸汽机转速维持在一定的范围内。,11,詹姆斯瓦特,12,12,缺点：调速系统会出现振荡问题，当振荡过大时会造成系统的不稳定。(稳态性能及动态性能差，存在稳态误差第三章) 如何解决？,转速自动控制原理,13,3. 经典控制理论的发展阶段 3.1 稳定性代数判据第三章 1868年，英国J.C. Maxwell以离心式调速器为背景，在论文论调节器中指出速度反馈控制系统中出现的不稳定问题，可通过线性常微分方程从理论上给出四阶以下的稳定条件-取决于特征方程的根是否具有负实部,13,麦克斯韦,稳定性,14,1872年，俄国维什聂格拉斯基对蒸汽机的稳定性问题进行研究，

6、在论文论调整器的一般原理中将线性微分方程简化成由调整对象和调整器组成的系统，同时结合直接作用于蒸汽机的调速器的特性，指出如何选择参数才能保证系统稳定。 1878年，他还对非线性继电器型调整器进行了研究。 维什聂格拉斯基在苏联被视为自动调整理论的奠基人。,14,15,1807年，美国机械师R. Fulton设计出世界上第一艘蒸汽机带动车轮拨水的“克莱蒙特”号蒸汽轮船，故其被称为“轮船之父”。,罗伯特富尔顿,克莱蒙特号下水,16,1865年，在安庆内军械所由徐寿、华蘅芳设计建造了我国第一艘明轮推进的蒸汽机轮船“黄鹄”号。,徐寿,华蘅芳,黄鹄号复原图,17,1866年，英国J.M. Gray设计出第

7、一艘明轮驱动的全自动蒸汽轮船“东方”号,18,3.2 劳斯-赫尔维茨稳定判据第三章 1877年，英国E.J. Routh提出根据多项式的系数决定多项式在右半平面的根的数目，从而将当时各种有关稳定性的孤立的结论和非系统的结果统一起来，开始建立有关动态稳定性的系统理论。,18,劳斯,19,1895年，瑞士A. Hurwitz在不了解Routh工作的情况下，独立给出了根据多项式的系数决定多项式的根是否都具有负实部的另一种方法。 这两种判据实质是一样的，都是根据特征方程的系数来判断高阶系统的稳定性。,19,赫尔维茨,20,3.3 李雅普诺夫稳定判据第九章 1892年，俄国A.M.Lyapunov在其天

8、才般的博士论文运动稳定性的一般问题中提出了李亚普诺夫方法，即李亚普诺夫第一法(间接法)和李亚普诺夫第二法(直接法)。其中李雅普诺夫第二法不仅可用于线性系统而且可用于非线性时变系统的分析与设计。,20,李雅普诺夫,21,3.4 PID控制理论第六章 1922年，美国N. Minorsky基于船舶驾驶的伺服结构提出位置控制系统的分析，并对PID三作用控制给出控制规律的公式。 1942年，美国Tatlor仪器公司的J.G. Ziegler和N.B. Nichols给出PID控制器的最优参数整定法。,尼柯尔斯,22,这一时期讨论的问题主要是系统的稳定性和稳态偏差，所用的数学工具是微分方程解析法。这些是

9、在时间域上进行讨论的，通常称这些方法为控制理论的时域分析法。,22,由于电子元器件的非线性特性不便用代数判据来分析其稳定性；而有些系统不仅对稳定性和稳态精度有要求，且对过渡过程的快速性和平稳性亦做出一定的要求，特别是第二次世界大战期间，需要控制系统具有准确的跟踪与补偿能力，促使反馈控制系统的研制与理论研究有了很大的发展。,23,3.5 负反馈理论的发展与应用 1927年，贝尔实验室的美国电气工程师H.S. Black首先提出基于误差补偿的前馈放大器，在此基础上最终提出负反馈放大器并对其进行数学分析。 负反馈可以通过降低增益来改善器件的线性性能。但如果放大器没有正确地设计为负反馈，那么放大器会产

10、生振荡现象，从而使工作变得不稳定。 如何判断系统是否稳定？,23,布莱克,24,3.6 奈氏判据第五章 1932年，贝尔实验室的美国物理学家H. Nyquist在傅氏变换的基础上提出以频率特性为基础的稳定性判据。此判据不仅可以判断系统的稳定性，而且可以用来分析系统的稳定裕量。 奈氏判据是频率响应法的基础，为具有高质量的动态品质和静态准确度的军用控制系统提供了所需的分析工具。,24,乃奎斯特,25,1938年，贝尔实验室的美国应用数学家H.W. Bode进一步研究通信系统频域的方法，提出频域响应的半对数坐标图描述法(Bode图)，使频率特性的绘制更适于工程设计。 1940年，N.B. Nicho

11、ls进一步将频率响应法加以发展，提出对数幅相曲线(尼柯尔斯图)。,25,伯德,至此经典控制理论的频域分析法建立，其主要 用于描述反馈放大器的带宽和其它频域指标。,26,3.7 传递函数第二章 1942年，美国H. Harris在拉普拉斯变换的基础上引入传递函数的概念，用方框图、环节、输入和输出等信息的概念描述系统的性能和关系，使频域法更具普遍意义。 1943年，A.C. Hall利用传递函数和方框图，将通信工程的频率响应法与机械工程的时域分析法相统一，被称为复域法。,26,27,3.8 根轨迹的建立第四章 1948年，美国的W.R. Evans利用闭环特征方程的根在开环参数变化时的轨迹来研究系

12、统的稳定性及系统参数与时域性能指标变化间的关系，提出完整的根轨迹法。,27,伊万斯,至此，以时域法、根轨迹法、频率特性法 为核心的经典控制理论的框架已构建完毕。,28,3.9 控制论的建立 19321934年， 美籍奥地利理论生物学家和哲学家L.V. Bertalanffy提出用数学模型来研究生物学的方法和机体系统论的概念； 1945年，发表关于一般系统论，并指出不论系统的具体种类、组成部分的性质和它们之间的关系如何，存在着适用于综合系统或子系统的一般模式、原则和规律；,28,贝塔朗斐,1942年，美国数学家N. Wiener提出著名的维纳滤波理论。 1943年，在行为、目的和目的论中首先提出

13、“控制论”这一概念，第一次把只属于生物的有目的的行为赋予机器，阐明了控制论的基本思想。 1948年，发表控制论：或关于在动物和机器中控制和通讯的科学，为控制论奠定了理论基础，标志着控制论的诞生。,29,29,维纳,30,1954年，钱学森在工程控制论中把设计稳定与制导系统这类工程技术实践作为主要研究对象，系统地阐述了控制论与工程结合的理论和应用，标志着控制论的第一个分支学科“工程控制论”诞生。,30,钱学森,31,总结:经典控制理论的分析方法为复数域方法,以传递函数作为系统数学模型，常利用图表进行分析设计，比求解微分方程简便。 优点:可通过实验法建立数学模型，物理概念清晰，得到广泛的工程应用。

14、 缺点:只适应单变量线性定常系统，对系统内部状态缺少了解，且复数域方法研究时域特性，得不到精确的结果。,31,至此，形成了以传递函数为基础的完整的经典控制理论体系。主要研究单输入单输出、线性定常系统的分析和设计问题。,32,4. 脉冲控制理论的建立与发展第七章,4.1 脉冲理论的建立与发展 1928年， H. Nyquist首先证明把正弦信号从它的采样值复现出来，每周期至少必须进行两次采样。 1933年，苏联工程师科捷利尼科夫首次用公式严格地表述这一定理，故在苏联文献中称为科捷利尼科夫采样定理。,32,33,1938年，美国数学家C. E. Shannon在硕士论文继电器与开关电路的符号分析中

15、将布尔代数的“真”与“假”和电路的“开”与“关”对应起来，用布尔代数分析并优化开关电路，奠定了数字电路的基础。 1948年，在发表的通信的数学原理中提出“信息熵”的概念，解决了对信息量化的度量问题，为信息论和数学通信奠定了基础。,33,香农,1949年，在发表的噪声下的通信中将乃奎斯特的采样定理加以明确说明并作为定理引用。 二战期间为军事领域的密码分析做出贡献，1949年，发表保密系统的通信原理使保密通信由艺术变为科学；并于同年证明一次性密钥是无法被破译的。 除此之外，对将连续的模拟信号抽样成离散的数字信号的抽样分析理论也有贡献，奠定了数字通信的基础理论。,34,4.2 离散系统的稳定性判据

16、1944年，R.C. Oldenbourg与H.Sartorious以及1948年Tsypkin年分别提出脉冲系统的稳定判据，即线性差分方程的所有特征根应位于单位圆内；并提出一种变换将Z平面的单位圆内部转换到新平面的左半面的方法，即可使用Routh-Hurwitz判据；将连续系统的频域分析方法引入离散系统分析，则求得离散型频率特性后，奈氏稳定判据和其他一切研究线性系统的频率法都可应用。,35,4.3 Z变换理论 1947年，波兰数学家W. Hurewicz引进一个变换来处理离散序列。 在此基础上，Tsypkin于1949年及J.R. Ragazzini 和L.A. Zadeh于1952年分别定义和提出了Z变换的方法，大大简化了运算步骤并在此基础上发展起脉冲控制系统理论。,36,胡雷维奇,37,由于Z变换只能反应脉冲系统在采样点的运动规律，故Tsypkin 、R.H. Barker和E.I. Jury又分别于1950年、1951年和1956年提出了广义Z变换或修正Z变的方法。 脉冲理论的许多工作是由哥伦