自动控制原理教材：现代控制系统 谢红卫 对于我们每个人来说，最重要和最有成效的学习方法是，重新发现和创新前人已有的答案和方法 教学的最佳境界则是，向学生提供方法、技能、案例和机会， 由学生自己去寻求答案 这样，他们就可以自豪地说，他们所学到的知识都是自己所发现的 第一讲：控制系统导论（2-3 学时）１、控制系统导论 ２、课程及教学安排 ３、控制历史回顾与启示 导论导论----------------控制系统概要控制系统概要控制系统概要控制系统概要 控制系统是能够提供控制系统是能够提供预期响应预期响应的系统通的系统通俗地说，俗地说，控制控制就是使被控对象按照我们就是使被控对象按照我们预定的预定的方式方式工作 人类的支配欲无限，因此，被控对象有多人类的支配欲无限，因此，被控对象有多种多样，如，种多样，如， ● ●工程技术对象，简单如家电，复杂如工程技术对象，简单如家电，复杂如工工业业自自动动化、精确制化、精确制导导、、航天等航天等 ● ● 社会系社会系统统和和经济经济系系统统 ● ● 生生态态系系统统和和生物系生物系统统被控对象输入输出图1.１ 被控对象 控制：控制：通俗地说，通俗地说，控制控制就是就是使使被被控对象控对象按照我们预定的方式工作按照我们预定的方式工作 被控对象:有什么共同的特点？导论导论----------------控制系统概要控制系统概要控制系统概要控制系统概要 被控对象:数学上怎么来描述？被控对象位置 速度 加速度微分描述变化：导论导论----------------控制系统概要控制系统概要控制系统概要控制系统概要 被控对象的基本描述：微分方程被控被控对象对象输出y(t)输入r(t)导论导论----------------控制系统概要控制系统概要控制系统概要控制系统概要 求解微分方程，是整个控制理论的数学基础（1）（2）（3）匀速运动匀速运动匀加速运动匀加速运动一般运动一般运动导论导论----------------控制系统概要控制系统概要控制系统概要控制系统概要 导论导论----------------控制系统概要控制系统概要控制系统概要控制系统概要 变化的被控对象多种多样，这导致了控制理论应用的广泛性，甚至出现了具有哲学意义的控制论。
例如： 钱老提倡的新三论（控制论、系统论、信息论） 管理中体现的控制论原理，等等 结论：学习本课程益处多多! 导论导论----------------控制系统概要控制系统概要控制系统概要控制系统概要 但是！ 只有恰当地实施了控制，才能得到预期的响应这是控制系统的核心和难点，也是本课程的主要内容 导论导论----------------控制系统基本概念控制系统基本概念控制系统基本概念控制系统基本概念n n被控对象（部件或系统）：具有因果关系的物理过程（或工程对象），是指要求实现自动控制的机器、设备或生产过程，如宇宙飞船，火炮操瞄装置、飞机驾驶系统以及工业生产的某种过程等n n自动控制：没有人直接参与的情况下，利用控制装置使被控对象的某一物理量（被控量）自动地按照预定的规律运行 导论导论----------------控制系统基本概念控制系统基本概念控制系统基本概念控制系统基本概念n n控制装置：常被归纳成执行机构、观测器等。
n n反馈：把输出量送回到输入端并与输入信号比较的过程分为负反馈和正反馈 n n控制系统：为了达到预期的目标（响应）而设计出来的系统，它由相互关联的部件组合而成，主要由控制装置和被控对象组成 导论导论----------------开环控制与闭环控制开环控制与闭环控制开环控制与闭环控制开环控制与闭环控制 控制方式（结构）粗略地可以分为两种： 开环控制和闭环控制 执行被控对象预期输出实际输出图1.２开环控制系统（无反馈）信号的单向传递 图1.3 电风扇的控制电机（执行机构）风扇叶片（控制对象）开关或程序控制器例例1 1：：开环控制系统控制电压导论导论----------------开环控制与闭环控制开环控制与闭环控制开环控制与闭环控制开环控制与闭环控制 导论导论----------------开环控制与闭环控制开环控制与闭环控制开环控制与闭环控制开环控制与闭环控制控制目的：提高炉温受控对象（物理实体）：炉子受控量（输出物理量）：炉温控制装置：开关K和电热丝，对 受控量起控制作用图图1.4 1.4 加热炉的开环控制加热炉的开环控制例2：开环控制系统 导论导论----------------开环控制与闭环控制开环控制与闭环控制开环控制与闭环控制开环控制与闭环控制图1.5 闭环(反馈)控制结构框图信号双向传递计算比较执行被控对象测量干扰预期输出响应r(t)+输入变量-误差e(t)控制量u(t)实际输出y(t)输出变量被测变量测量值 反馈是控制的精髓反馈是控制的精髓 导论导论----------------开环控制与闭环控制开环控制与闭环控制开环控制与闭环控制开环控制与闭环控制计算比较执行被控对象测量测量干扰给定值被控量图1.6 自动控制系统的典型结构框图 导论导论----------------开环控制与闭环控制开环控制与闭环控制开环控制与闭环控制开环控制与闭环控制 反馈是控制反馈是控制的精髓的精髓。
运用运用反馈的例子也反馈的例子也是比比皆是是比比皆是 例例3 3：调节容：调节容器内液面位置器内液面位置的人工闭环控的人工闭环控制系统制系统图1.7 液位控制示意图 分析决策脑执行工作对象手观察观察干扰或激励眼预期目标实际结果眼液体的流入和流出液位图1.8 液位控制人工职能图 导论导论----------------开环控制与闭环控制开环控制与闭环控制开环控制与闭环控制开环控制与闭环控制例4：汽车方向控制系统 图1.9 汽车方向控制系统 图1.10 汽车方向控制人工职能图驾车人汽车预期行驶路线实际行驶路线比较器视觉测量+-偏差方向盘 导论导论----------------开环控制与闭环控制开环控制与闭环控制开环控制与闭环控制开环控制与闭环控制图图1.11 开环向闭环控制转换开环向闭环控制转换开环向闭环控制转换开环向闭环控制转换的例子的例子的例子的例子 导论导论----------------开环控制与闭环控制开环控制与闭环控制开环控制与闭环控制开环控制与闭环控制 反馈是现代控制的精髓，还例如： 火炮随动系统 领导实施管理 央行调整利息 “没有调查就没有发言权” ，等等 都体现了反馈的理念！ 正反馈的例子正反馈的例子正反馈的例子正反馈的例子 例5：已知铀235原子核在一个中子的撞击下，可发生核裂变反应，放出大量的能量，同时释放大约2.5个中子，放出的中子有可能再与铀235原子核发生核反应，这就是所谓核裂变的链式反应。
导论导论----------------开环控制与闭环控制开环控制与闭环控制开环控制与闭环控制开环控制与闭环控制U235初始中子数中子数2.5n++中子数n能量有效中子率图1.12 正反馈的实例 导论导论----------------开环控制与闭环控制开环控制与闭环控制开环控制与闭环控制开环控制与闭环控制 开环和闭环控制系统的特点开环和闭环控制系统的特点v开开环环系系统统：：结构简单，稳定性好，容易设计和调整以及成本较低的优点，对那些负载恒定，扰动小，控制精度要求不高的实际系统，是有效的控制方式v闭闭环环系系统统：：由于增加了检测装置和反馈环节，结构较复杂，成本有所增加；但它提高了系统的控制精度和抗干扰能力；同时，负反馈会对系统稳定性产生不利影响 导论导论----------------反馈控制系统的分类反馈控制系统的分类反馈控制系统的分类反馈控制系统的分类 按参考输入形式分为：按参考输入形式分为： 恒值系统：恒值系统：指参考输入量保持常值的系统其任务是消除或减少扰动信号对系统输出的影响，使被控量（即系统的输出量）保持在给定或希望的数值上。
随动系统：随动系统：指参考输入量随时间任意变化的系统其任务是要求输出量以一定的精度和速度跟踪参考输入量，跟踪的速度和精度是随动系统的两项主要性能指标 按照系统的元件特性分为按照系统的元件特性分为:线性系统：线性系统：构成系统的所有元件都是线性元件的系统其动态性能可用线性微分方程描述，系统满足齐次性和叠加原理非线性系统：非线性系统：构成系统的元件中含有非线性元件的系统, 只能用非线性微分方程描述，不满足叠加原理可以进行线性化处理的系统或元件特性又称为非本质非线性特性反之，称之为本质非线性，它只能用非线性理论分析研究导论导论----------------反馈控制系统的分类反馈控制系统的分类反馈控制系统的分类反馈控制系统的分类 按照系统内信号的形式分为按照系统内信号的形式分为连连续续系系统统: 系统内各处的信号都是以连续的模拟量传递的系统离离散散系系统统: 系统内某处或数处信号是以脉冲序列或数码形式传递的系统其脉冲序列可由脉冲信号发生器或振荡器产生，也可用采样开关将连续信号变成脉冲序列，这类控制系统又称为采样控制系统或脉冲控制系统而用数字计算机或数字控制器控制的系统又称为数字控制系统或计算机控制系统。
导论导论----------------反馈控制系统的分类反馈控制系统的分类反馈控制系统的分类反馈控制系统的分类 导论导论----------------控制系统性能的基本要求控制系统性能的基本要求控制系统性能的基本要求控制系统性能的基本要求稳定性系统在受到扰动作用后,自动返回原来的平衡状态的能力如果系统受到扰动作用（系统内或系统外）后，能自动返回到原来的平衡状态，则该系统是稳定的稳定系统的数学特征是其输出量具有非发散性；反之，系统是不稳定系统稳定性是保证系统能正常工作的必要条件，衡量指标有稳定裕度等 图1.13 稳定性示意图 快速性：要要求求自自动动控控制制系系统统的的过过渡渡过过程程尽尽量量短短暂，输出尽快平稳地跟踪上输入的变化暂，输出尽快平稳地跟踪上输入的变化通通常常在在时时域域中中给给出出瞬瞬态态响响应应指指标标来来衡衡量量快快速速性性常常用用单单位位阶阶跃跃信信号号作作用用下下，，系系统统输输出出的的超超调调量量 ，，上上升升时时间间 ，，峰峰值值时时间间 ，，过过渡渡过过程程时时间间（（或或调调整整时间）时间） 和振荡次数和振荡次数N N等指标表示。
等指标表示导论导论-----控制系统性能的基本要求控制系统性能的基本要求控制系统性能的基本要求控制系统性能的基本要求 准确性：当过渡过程结束后，要求输出量最终应准确地达到希望值，否则将产生稳态误差准确性指标有稳态误差和稳态误差系数，指稳定系统在完成过渡过程后的稳态输出偏离希望值的程度 导论导论----控制系统性能的基本要求控制系统性能的基本要求控制系统性能的基本要求控制系统性能的基本要求 图1.14 稳定系统的典型单位阶跃响应曲线 课程及教学安排简介课程及教学安排简介--------目标目标目标目标 知道控制的概念，易！知道控制的概念，易！知道控制的概念，易！知道控制的概念，易！ 实施恰当的控制，难！实施恰当的控制，难！实施恰当的控制，难！实施恰当的控制，难！ 复杂对象的控制，非不欲也，乃无能也！复杂对象的控制，非不欲也，乃无能也！ 因此，本课程采用有限目标、解剖麻雀的策略因此，本课程采用有限目标、解剖麻雀的策略。
收缩对象收缩对象→经典控制！经典控制！ 课程目标：课程目标： 以以简单的线性时不变系统简单的线性时不变系统为对象，学习控制系统的分为对象，学习控制系统的分析、设计与实现，切身析、设计与实现，切身体会体会实施控制的实施控制的全过程全过程，牢固建立，牢固建立反馈控制的反馈控制的理念理念，培养，培养实施实施控制的能力 控制的能力 课程及教学安排课程及教学安排--------目标目标目标目标经典控制理论的基本特点 （1）主要用于线性定常系统的研究，即用于常系数线性微分方程描述的系统的分析与综合； （2）只用于单输入，单输出的反馈控制系统； （3）主要讨论系统输入与输出之间的关系，而忽视系统的内部状态，是一种对系统的外部描述方法 应该指出的是，反馈控制是一种最基本最重要的控制方式从某种意义上讲，经典控制理论是伴随着反馈控制技术的产生和发展而逐渐完善和成熟起来的。
实施控制的全过程： 设计差异，反复改进． 描述对象分析对象设计控制修改设计图1.15实施控制的全过程系统测评课程及教学安排课程及教学安排--------目标目标目标目标 若性能满足规范要求，则设计工作结束 建立控制目标步骤1确定控制变量 步骤2给定各变量的控制要求（设计目标） 步骤3确定系统结构选择执行机构 步骤4建立对象执行机构传感器模型步骤5 建立控制模型选择待调参数步骤6 优化系统设计分析系统性能 步骤7若性能不能满足要求，则重新确定系统结构和执行机构图1.16 控制系统设计过程课程及教学安排课程及教学安排--------目标目标目标目标 课程及教学安排课程及教学安排--------讲授时间安排讲授时间安排讲授时间安排讲授时间安排第一章第一章 自动控制导论（自动控制导论（2 2））第二章第二章 控制系统的数学模型（控制系统的数学模型（8 8））第三章第三章 控制系统的时域稳定性（控制系统的时域稳定性（4 4））第四章第四章 时间响应分析（时间响应分析（9 9））第五章第五章 根轨迹法（根轨迹法（4 4））第六章第六章 频率响应分析（频率响应分析（5 5））第七章第七章 控制系统的频率域稳定性控制系统的频率域稳定性 （（4 4））第八章第八章 反馈控制系统设计（反馈控制系统设计（1010））实 验实 验 MatlabMatlab、测验等（、测验等（4 4）） 课程及教学安排课程及教学安排--------学习建议学习建议学习建议学习建议 广泛阅读参考书，深刻理解理论体系广泛阅读参考书，深刻理解理论体系 １、１、吴麒主编吴麒主编 “ “自动控制原理自动控制原理” ”，清华大学出版社。
清华大学出版社 ２ ２、、胡寿松主编胡寿松主编 “ “自动控制原理自动控制原理” ”，国防工业出版社国防工业出版社 ３ ３、、ＫＫ.Ogata. “Modern Control Engineering”, .Ogata. “Modern Control Engineering”, 科学出版科学出版社影印版社影印版 或绪方胜彦著，卢伯英译，或绪方胜彦著，卢伯英译，“ “现代控制工程现代控制工程” ”，科学，科学出版社 ４ ４、、楼顺天等，楼顺天等，“ “基于基于MatlabMatlab的系统分析与设计－－控制的系统分析与设计－－控制系统系统” ”，西安电子科技大学出版社．，西安电子科技大学出版社． 课程及教学安排课程及教学安排----学习建议学习建议学习建议学习建议利用网络资源 １、军网机电工程与自动化学院主页推荐站点：１、军网机电工程与自动化学院主页推荐站点：“ “自动控制原理自动控制原理” ”网上教学网上教学 ２、学研论坛－自动控制 ２、学研论坛－自动控制 ３、各个大学重点课程建设教学资料 ３、各个大学重点课程建设教学资料。
课程及教学安排课程及教学安排——学习建议学习建议学习建议学习建议 完成大量练习，积极讨论问题； 学完每章要善于总结知识点，演绎归纳并重； 重视实验体验（Mtalab实现） 课程及教学安排课程及教学安排--------考核方式考核方式考核方式考核方式作业（20%） +闭卷考试（80%） 课程及教学安排课程及教学安排----后续课程展望后续课程展望后续课程展望后续课程展望 复杂对象的控制，非不欲也，乃无能也！ 仅在工程控制领域，今后还有： 数字控制－－手段更新 自适应控制－－时变对象 非线性控制－－非线性对象 智能控制－－环境适应 等等 课程及教学安排课程及教学安排--------后续课程展望后续课程展望后续课程展望后续课程展望信号与系统自动控制原理数字信号处理检测与传感器技术现代控制理论基础计算机（数字）控制技术自适应控制非线性控制作用：桥梁，专业基础课智能控制 自动控制简史漫谈与启示自动控制简史漫谈与启示1788 1788 年年前后前后，瓦，瓦特发明了蒸汽机特发明了蒸汽机的离心调速器的离心调速器科学技术发明的科学技术发明的基础，是前人知基础，是前人知识（风力磨坊）识（风力磨坊）的积累与运用。
的积累与运用 图1.17 离心调速器 进汽阀门，连杆机构设定转速Vd实际转速比较器Metalsphere转速测量蒸汽室+-蒸汽机飞球调节阀自动控制简史漫谈与启示自动控制简史漫谈与启示图1.18 离心调速器框图 自动控制简史漫谈与启示自动控制简史漫谈与启示 早期的载波失真严重，解决放大器的非线性累积和无序振荡，成为远程传输的关键1927年8月，贝尔实验室的布莱克在轮渡上的灵光一现，催生了最实用的负反馈控制装置 负反馈信号发大器获得了极好的线性度，自激振荡问题的解决，极大地促进了的广泛应用 灵感来自于长期的思考 自动控制简史漫谈与启示自动控制简史漫谈与启示 早期的防空火炮控制，一般需要 3 个人来实施伺服控制， （一个方位角，一个高低角，还有一个引信），与现在不可同日而语 1940年，同样来自贝尔实验室的年轻的工程师帕金森用反馈控制方法，解决了这个问题 自动控制简史漫谈与启示自动控制简史漫谈与启示 当时，他是一个低职当时，他是一个低职位的工程师，让他承担的位的工程师，让他承担的任务是绕电位计，就在任务是绕电位计，就在19401940年春天的一个晚上，年春天的一个晚上，他他做了一个梦做了一个梦。
他梦到既他梦到既然用电位计可以控制电压然用电位计可以控制电压记录笔，那么，它也应该记录笔，那么，它也应该可以控制火炮的发射他可以控制火炮的发射他的这个梦，同样促进了自的这个梦，同样促进了自动控制技术的发展动控制技术的发展 教育的目的应该使每个人都充满梦想！图1.19 火炮随动控制 自动控制简史漫谈与启示自动控制简史漫谈与启示 瓦特离心调速器在调速过程中存在瓦特离心调速器在调速过程中存在不稳定不稳定现象（现象（““设备变得发狂！设备变得发狂！””），），当时并没有理论指导，所有的努力都集当时并没有理论指导，所有的努力都集中在改进调速器本身（重量、弹簧、摩中在改进调速器本身（重量、弹簧、摩擦） 麦克斯维尔把调节器跟调节对象合麦克斯维尔把调节器跟调节对象合在一起，看作一个系统，用在一起，看作一个系统，用微分方程微分方程来来进行研究，指出微分方程的特征根在左进行研究，指出微分方程的特征根在左半面或右半面，决定着系统稳定与否半面或右半面，决定着系统稳定与否 仅有实践是不够的！仅有实践是不够的！ 自动控制简史漫谈与启示自动控制简史漫谈与启示 18771877年，麦克斯维尔的学生劳斯提出了劳斯年，麦克斯维尔的学生劳斯提出了劳斯代数稳定性判据，并获得了亚当奖。
代数稳定性判据，并获得了亚当奖 18951895年，胡尔维茨也提出了本质上与劳斯判年，胡尔维茨也提出了本质上与劳斯判据一致的代数稳定性判据，并在稳定性理论的指据一致的代数稳定性判据，并在稳定性理论的指导下，为瑞士达沃斯电厂的一个蒸汽机设计了一导下，为瑞士达沃斯电厂的一个蒸汽机设计了一个调速系统胡尔维茨被认为是真正运用控制理个调速系统胡尔维茨被认为是真正运用控制理论，来指导设计控制系统的第一人论，来指导设计控制系统的第一人 只有有了理论的指导，才能从必然王国只有有了理论的指导，才能从必然王国走向走向自自由由王国王国 自动控制简史漫谈与启示自动控制简史漫谈与启示 到了二十世纪到了二十世纪4040年代，尼可尔斯深入研究年代，尼可尔斯深入研究了了PIDPID（（Proportion, Integral, DifferentialProportion, Integral, Differential）调节）调节问题 他在他在MITMIT仅有的一台模拟机（又叫微分分仅有的一台模拟机（又叫微分分析仪）上做了大量的仿真实验，最后列出来了析仪）上做了大量的仿真实验，最后列出来了PIDPID的整定表。
控制工程中，有一项工作历经的整定表控制工程中，有一项工作历经6060多年，至今还在使用的，这就是尼可尔斯编多年，至今还在使用的，这就是尼可尔斯编排的这个排的这个PIDPID整定表 这一时期的主要代表人物还有 伯德（H.W.Bode 1905～）： 1945年提出了简便而实用的伯德图法 伊文思（W.R.Evans）： 1948年提出了直观而又形象的根轨迹法自动控制简史漫谈与启示自动控制简史漫谈与启示 自动控制简史漫谈与启示自动控制简史漫谈与启示 经验的积累和总结，经验的积累和总结，逐渐形成了较完备的理逐渐形成了较完备的理论 值得自豪的是，值得自豪的是，19541954年，中国科学家钱学森年，中国科学家钱学森全面地归纳总结了经典全面地归纳总结了经典控制理论，在美国出版控制理论，在美国出版了国际上第一本经典控了国际上第一本经典控制理论的著作制理论的著作《《工程控工程控制论制论》》 自动控制简史漫谈与启示自动控制简史漫谈与启示20世纪50年代，经典控制理论20世纪60~70年代，状态空间法、最优控制等 20世纪80~90年代，鲁棒控制、 控制等 目前已形成了多个重要分支，包括系统辨识、自适应控制、综合自动化、非线性系统理论、模式识别与人工智能、智能控制等。
现代控制理论讨论研究的内容 在“现代控制理论”时期（上世纪60～70年代） ，主要由于空间技术和计算机的飞速发展，用基于一阶微分方程组的状态空间模型来描述系统的动态过程更为方便这种方法可以解决多输入多输出问题，系统既可以是线性的、定常的，也可以是非线性的、时变的 这一时期的主要代表人物有庞特里亚金、贝尔曼（Bellman），以及卡尔曼（R.E.Kalman，1930～）等人庞特里亚金于1961年发表了极大值原理；贝尔曼在1957年提出了动态规化原则；1959年，卡尔曼和布西发表了关于线性滤波器和估计器的论文，即所谓著名的卡尔曼滤波自动控制简史漫谈与启示自动控制简史漫谈与启示 自动控制简史漫谈与启示自动控制简史漫谈与启示 目前，控制理论与实践正以“大系统”和“智能”为主题迅猛发展，形成了多个重要分支，包括系统辨识、自适应控制、综合自动化、非线性系统理论、模式识别与人工智能、智能控制等 习习 题题 E1.1, P1.1, P1.6, P1.7, P1.19, P1.20, P1.24, DP1.2 。