第1章 緒論

1、 自動(dòng)控制學(xué)科由自動(dòng)控制技術(shù)和自動(dòng)控制理論兩部分組成。 什么是自動(dòng)控制 近幾十年來，自動(dòng)控制技術(shù)正在迅猛的發(fā)展，并在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸、國防建設(shè)和航空航天事業(yè)等領(lǐng)域中獲得廣泛應(yīng)用。 無須人的直接參與，通過控制裝置，使機(jī)器、設(shè)備生產(chǎn)過程等按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行，完成要求的任務(wù)，就叫自動(dòng)控制。 隨著生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)控制技術(shù)可隨著生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)控制技術(shù)可以說已滲透到各種學(xué)科領(lǐng)域，成為促進(jìn)當(dāng)代生產(chǎn)發(fā)以說已滲透到各種學(xué)科領(lǐng)域，成為促進(jìn)當(dāng)代生產(chǎn)發(fā)展和科學(xué)技術(shù)進(jìn)步的重要因素。展和科學(xué)技術(shù)進(jìn)步的重要因素。 事實(shí)上，任何技術(shù)設(shè)備、工作機(jī)械或生產(chǎn)過程都必須按要求運(yùn)行。例如：要使火炮能自動(dòng)跟蹤并

2、命中飛行目標(biāo)，炮身就必須按照指揮儀的命令而作方位角和俯仰角的變動(dòng)； 要把數(shù)噸重人造衛(wèi)星送入數(shù)百公里高空的軌道，使其所攜帶的各種儀器能長期使用、準(zhǔn)確地工作，就必須保持衛(wèi)星的正確姿態(tài)，使它的太陽能電池一直朝向太陽，無線電發(fā)射天線一直指向地球； 要使數(shù)控機(jī)床能加工出高精度的工件，就必須保證其工作臺或刀架的進(jìn)給量準(zhǔn)確地按照程序指令的設(shè)定值變化； 要想使輪船安全順利的航行，就必須按照領(lǐng)航員的命令改變尾舵的方向； 所有這一切都是以高水平的自動(dòng)控制技術(shù)為前提的。要使煉鋼爐提供優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品，就必須嚴(yán)格控制爐溫等等。 家用電器： 電扇：控制轉(zhuǎn)速 電冰箱、空調(diào)、電飯煲：控制溫度 洗衣機(jī)：控制水位、強(qiáng)弱、時(shí)間等 智能

3、建筑：通信通信電梯電梯供水供水通風(fēng)通風(fēng)空調(diào)空調(diào)安防安防抄表抄表工業(yè)機(jī)器人：拉提琴拉提琴靈巧手靈巧手排排 爆爆步行步行吹笛吹笛足球比賽足球比賽其他機(jī)器人： 自動(dòng)控制的應(yīng)用領(lǐng)域 軍事工業(yè) 航空航天 制造業(yè) 機(jī)器人 流程工業(yè) 電子工業(yè) 家用電器 交通系統(tǒng)，樓宇系統(tǒng)，經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)，社會系統(tǒng) 隨著自動(dòng)控制技術(shù)的廣泛應(yīng)用和迅猛發(fā)展，出現(xiàn)了許多新問題，這些問題要求從理論上加以解決。自動(dòng)控制理論正是在解決這些實(shí)際技術(shù)問題的過程中逐步形成和發(fā)展起來的，它是研究自動(dòng)控制技術(shù)的基礎(chǔ)理論，是研究自動(dòng)控制共同規(guī)律的技術(shù)科學(xué)。按其發(fā)展的不同階段，可把自動(dòng)控制理論分為經(jīng)典經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論控制理論和現(xiàn)代控制理論兩大部分

4、。自動(dòng)控制理論的發(fā)展概況 經(jīng)典控制理論也就是自動(dòng)控制原理，是20世紀(jì)40年代到50年代形成的一門獨(dú)立學(xué)科。經(jīng)典控制理論是以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)研究一類單輸入、單輸出定常系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)問題。早期的控制系統(tǒng)較為簡單，只要列出微分方程并求解，就可以用時(shí)域法分析他們的性能。第二次世界大戰(zhàn)前后，由于生產(chǎn)和軍事的需要，各國均在大力研制新型武器，于是出現(xiàn)了較復(fù)雜的控制系統(tǒng)，這些控制系統(tǒng)通常是用高階微分方程來描述的。由于高階微分方程求解的困難，各種控制系統(tǒng)的理論研究和分析方法就應(yīng)運(yùn)而生。 1932年奈奎斯特（H.Nyquist）在研究負(fù)反饋放大器時(shí)創(chuàng)立了有名的穩(wěn)定性判據(jù)，并提出了穩(wěn)定裕量的概念。 在此基礎(chǔ)上，19

5、45年伯德（H.W.Bode）提出了分析控制系統(tǒng)的一種圖解方法即頻率法，致使研究控制系統(tǒng)的方法由初期的時(shí)域分析轉(zhuǎn)到頻域分析。隨后，1948年伊文斯（W.R.Evans）又創(chuàng)立了另一種圖解法即有名的根軌跡法。追溯到1877年，勞斯（E. Routh）和1895年赫爾維茨（A.Hurwitz）分別獨(dú)立地提出了關(guān)于判斷控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的代數(shù)判據(jù)。這些都是經(jīng)典控制理論的重要組成部分。50年代中期，經(jīng)典控制理論又添加了非線性系統(tǒng)理論和離散控制理論，從而形成了完整的理論體系。 SISO: Single Input and Single Outputl 4050年代 經(jīng)典控制理論（時(shí)域法、頻域法、根軌跡法）

6、核心：傳遞函數(shù)，穩(wěn)定性、穩(wěn)定裕度等 特點(diǎn)：圖形方法，直觀簡便，設(shè)置參數(shù)少， （以簡單控制結(jié)構(gòu)獲取相對滿意的性能）適用范圍：單輸入單輸出（SISO）系統(tǒng)l 數(shù)學(xué)基礎(chǔ)：復(fù)變函數(shù)，積分變換 五十年代開始，由于空間技術(shù)的發(fā)展，各種高速、高性能的飛行器相繼出現(xiàn)，要求高精度地處理多變量、非線性、時(shí)變和自適應(yīng)等控制問題，六十年代初又形成了現(xiàn)代控制理論?，F(xiàn)代控制理論的基礎(chǔ)包括： 1956年龐特里亞金提出的極大值原理，1957年貝爾曼（R.Bellman）提出的動(dòng)態(tài)規(guī)劃，1960年卡爾曼（R.E.Kalman）提出的最優(yōu)濾波理論以及狀態(tài)空間方法的應(yīng)用。 從60年代至今50多年來，現(xiàn)代控制理論又有巨大的發(fā)展，并形

7、成了若干學(xué)科分支，如線性控制理論、最優(yōu)控制理論、動(dòng)態(tài)系統(tǒng)辨識、自適應(yīng)控制、大系統(tǒng)理論等。MIMO: Multi-Input and Multi-Outputl 60607070年代年代 現(xiàn)代控制理論（狀態(tài)空間法）現(xiàn)代控制理論（狀態(tài)空間法）核心：狀態(tài)變量的能控、核心：狀態(tài)變量的能控、能觀性，系統(tǒng)性能的最優(yōu)化能觀性，系統(tǒng)性能的最優(yōu)化特點(diǎn)：時(shí)域法，統(tǒng)一處理特點(diǎn)：時(shí)域法，統(tǒng)一處理SISOSISO、MIMOMIMO系統(tǒng)，有完整的理論體系系統(tǒng)，有完整的理論體系l 數(shù)學(xué)基礎(chǔ)：線性代數(shù)，矩陣?yán)碚摂?shù)學(xué)基礎(chǔ)：線性代數(shù)，矩陣?yán)碚?缺點(diǎn)：對系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型精度要求高，實(shí)際性能達(dá)不到設(shè)計(jì)缺點(diǎn)：對系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型精度要求高，

8、實(shí)際性能達(dá)不到設(shè)計(jì) 的最優(yōu)，所需狀態(tài)反饋難以直接實(shí)現(xiàn)的最優(yōu)，所需狀態(tài)反饋難以直接實(shí)現(xiàn)l 7070年代現(xiàn)在年代現(xiàn)在 多種新型控制理論多種新型控制理論多變量頻域控制理論多變量頻域控制理論 經(jīng)典經(jīng)典SISOMIMO； 基于互質(zhì)分解的全新的頻域優(yōu)化理論；基于互質(zhì)分解的全新的頻域優(yōu)化理論；魯棒控制（魯棒控制（robust controlrobust control）l魯棒控制：魯棒控制：使系統(tǒng)具有良好魯棒性的控制使系統(tǒng)具有良好魯棒性的控制；l魯棒性（魯棒性（robustnessrobustness）：）：系統(tǒng)存在模型誤差或受到系統(tǒng)存在模型誤差或受到擾動(dòng)時(shí)仍能保持良好性能的能力擾動(dòng)時(shí)仍能保持良好性能的能力

9、智能控制（智能控制（intelligent control） 控制系統(tǒng)具有擬人智能（學(xué)習(xí)、記憶、判斷、推理控制系統(tǒng)具有擬人智能（學(xué)習(xí)、記憶、判斷、推理等）。等）。大系統(tǒng)控制、復(fù)雜系統(tǒng)控制等大系統(tǒng)控制、復(fù)雜系統(tǒng)控制等被控系統(tǒng)具有高維數(shù)、強(qiáng)關(guān)聯(lián)、多約束、多目標(biāo)、不被控系統(tǒng)具有高維數(shù)、強(qiáng)關(guān)聯(lián)、多約束、多目標(biāo)、不確定性、分散性、非線性、大時(shí)滯、難建模等特征，如電確定性、分散性、非線性、大時(shí)滯、難建模等特征，如電力系統(tǒng)、城市交通系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、制造系統(tǒng)、經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)力系統(tǒng)、城市交通系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、制造系統(tǒng)、經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)等。等。 自動(dòng)控制技術(shù)的應(yīng)用，推動(dòng)了控制理論的發(fā)展；而自動(dòng)控制理論的發(fā)展，又指導(dǎo)了控制技術(shù)的應(yīng)

10、用，使其進(jìn)一步完善。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)控制技術(shù)及理論已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于機(jī)械、冶金、石油、化工、電子、電力、航空、航海、航天、核反應(yīng)等各個(gè)學(xué)科領(lǐng)域。近年來，控制科學(xué)的應(yīng)用范圍還擴(kuò)展到生物、醫(yī)學(xué)、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)管理和其他許多社會生活領(lǐng)域，并為各學(xué)科之間的相互滲透起了促進(jìn)作用?？梢院敛豢鋸埖卣f，自動(dòng)控制技術(shù)和理論已經(jīng)成為現(xiàn)代化社會不可缺少的組成部分。 自動(dòng)控制技術(shù)的應(yīng)用，不僅使生產(chǎn)過程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，從而提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率和生活質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本，提高經(jīng)濟(jì)效益，改善勞動(dòng)條件，而且在人類征服大自然、探索新能源、發(fā)展空間技術(shù)和創(chuàng)造人類文明等方面都具有十分重要的意義。作為現(xiàn)代的工程技術(shù)人員和科學(xué)工作者，都必須具

11、備一定的自動(dòng)控制理論基礎(chǔ)知識。 本課程的體系結(jié)構(gòu)l 內(nèi)容：經(jīng)典控制理論內(nèi)容：經(jīng)典控制理論 建模、分析、綜合l 范圍：線性定常范圍：線性定常SISOSISO系統(tǒng)系統(tǒng) 包括連續(xù)與離散與非線性系統(tǒng)l 重點(diǎn)：基本概念、基本理論、基本方法重點(diǎn)：基本概念、基本理論、基本方法 l高等數(shù)學(xué)高等數(shù)學(xué)微分方程、拉氏變換、傅立微分方程、拉氏變換、傅立 葉葉變換及復(fù)變函數(shù)等變換及復(fù)變函數(shù)等l電電 路路電路理論及運(yùn)算方法、暫態(tài)過電路理論及運(yùn)算方法、暫態(tài)過 程分析程分析l電子技術(shù)電子技術(shù)運(yùn)算放大器元件及參數(shù)計(jì)算運(yùn)算放大器元件及參數(shù)計(jì)算l電電 機(jī)機(jī)工作原理及機(jī)械特性工作原理及機(jī)械特性需要復(fù)習(xí)的內(nèi)容基 本 要 求 l 通過學(xué)

12、習(xí)本課程，獲得自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念通過學(xué)習(xí)本課程，獲得自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念和基本理論；和基本理論；l 掌握分析自動(dòng)控制系統(tǒng)或過程控制系統(tǒng)的基本方掌握分析自動(dòng)控制系統(tǒng)或過程控制系統(tǒng)的基本方法。法。 自動(dòng)控制理論自動(dòng)控制理論經(jīng)典控制理論經(jīng)典控制理論現(xiàn)代控制理論現(xiàn)代控制理論非線性控制系統(tǒng)非線性控制系統(tǒng)第第二二章章第第三三章章第第四四章章第第五五章章第第六六章章第第八八章章第第七七章章線性控制系統(tǒng)線性控制系統(tǒng)連續(xù)控制系統(tǒng)連續(xù)控制系統(tǒng)離散控制系統(tǒng)離散控制系統(tǒng)實(shí)際實(shí)際水位水位出水出水閥門閥門要求水位要求水位進(jìn)水進(jìn)水手手眼睛眼睛大腦大腦圖圖1-1 1-1 人工控制的恒值水位系統(tǒng)人工控制的恒值水位系統(tǒng)操作

13、步驟操作步驟：測量，求誤差，控制 缺點(diǎn)缺點(diǎn)：控制精度不高； 控制過程快，人的反應(yīng)不適應(yīng)； 環(huán)境惡劣，如高溫、放射性等出水出水浮子浮子連桿連桿進(jìn)水閥進(jìn)水閥水池水池圖圖1-2 1-2 簡單的水位自動(dòng)控制系統(tǒng)簡單的水位自動(dòng)控制系統(tǒng)控制步驟控制步驟：（1）用連桿的高度標(biāo)定好水位的期望值；（2）浮子檢測水位誤差，并通過杠桿作用于進(jìn)水閥，產(chǎn)生控制作用；（3）按減小誤差的方向控制水閥門的開度缺點(diǎn)缺點(diǎn)：當(dāng)出水量大時(shí)，系統(tǒng)將保持較低的水位圖圖1-3 1-3 較完善的水位自動(dòng)控制系統(tǒng)較完善的水位自動(dòng)控制系統(tǒng)出水出水進(jìn)水進(jìn)水閥門閥門浮子浮子連桿連桿水池水池放大器放大器電位器電位器+實(shí)際水位實(shí)際水位ueua減速器減速

14、器+電動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)功能框功能框信號線信號線比較點(diǎn)比較點(diǎn)引出點(diǎn)引出點(diǎn)功能比較環(huán)節(jié)，信號匯聚點(diǎn)比較環(huán)節(jié)，信號匯聚點(diǎn)畫方塊圖的步驟畫方塊圖的步驟：（1）找出參考輸入、輸出和被控對象；（2）逐個(gè)連接其他元部件定義定義：開環(huán)控制系統(tǒng)指控制裝置與被控對象之間只有正方向作用而沒有反向聯(lián)系的控制過程。 如交通指揮的紅綠燈轉(zhuǎn)換，自動(dòng)生產(chǎn)線等。特點(diǎn)特點(diǎn)：（1）輸出不影響輸入，對輸出不需測量，易實(shí)現(xiàn)；（2）元部件精度高，系統(tǒng)精度才能高；（3）當(dāng)存在較大干擾時(shí)，不易實(shí)現(xiàn)。圖圖1-4 1-4 直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速開環(huán)控制系統(tǒng)直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速開環(huán)控制系統(tǒng)電壓電壓放大器放大器功率功率放大器放大器負(fù)載負(fù)載E+Rw+ur+uaMc電動(dòng)機(jī)

15、電動(dòng)機(jī)n+圖圖1-5 1-5 直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速開環(huán)控制系統(tǒng)方塊圖直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速開環(huán)控制系統(tǒng)方塊圖電壓放大器功率放大器直流電動(dòng)機(jī)（控制裝置）Mc干擾輸出量 n給定量urua（對象） 反饋：反饋：把取出的輸出量送回輸入端，并與輸入信號相比較產(chǎn)生偏差信號的過程，稱為反饋。若反饋的信號與輸入信號相減，使產(chǎn)生的偏差越來越小，則稱為負(fù)反饋；反之，則稱為正反饋。 定義定義閉環(huán)系統(tǒng)指控制裝置與控制對象之間既有正方向的作用，又有反方向聯(lián)系的控制過程。 +電壓電壓放大器放大器功率功率放大器放大器負(fù)載負(fù)載+電電位位器器+ur+ua電動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)n+u1ue測速發(fā)電機(jī)測速發(fā)電機(jī)+uf電壓電壓放大器放大器功率功率放大器放大

16、器電動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)輸入量輸入量ur +測速測速發(fā)電機(jī)發(fā)電機(jī)Mc擾動(dòng)擾動(dòng)輸出量輸出量uau1ueuf 抗干擾抗干擾 消滅，減少靜差消滅，減少靜差 采用反饋結(jié)構(gòu)采用反饋結(jié)構(gòu) 由偏差產(chǎn)生控制作用由偏差產(chǎn)生控制作用 控制目的是減少或消除偏差控制目的是減少或消除偏差 一個(gè)帶有反饋裝置的動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)。系統(tǒng)能自動(dòng)而連續(xù)地一個(gè)帶有反饋裝置的動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)。系統(tǒng)能自動(dòng)而連續(xù)地測量被控制量，并求出偏差，進(jìn)而根據(jù)偏差的大小和正負(fù)極性測量被控制量，并求出偏差，進(jìn)而根據(jù)偏差的大小和正負(fù)極性進(jìn)行控制，而控制的目地是力圖減少或消除所存在的偏差。進(jìn)行控制，而控制的目地是力圖減少或消除所存在的偏差。 比較比較元件元件串聯(lián)串聯(lián)較正元件較正

17、元件放大元件放大元件執(zhí)行元件執(zhí)行元件輸入輸入信號信號r(t)r(t)控制對象控制對象擾動(dòng)擾動(dòng)輸出輸出并聯(lián)并聯(lián)校正元件校正元件-局部反饋局部反饋反饋元件反饋元件主反饋主反饋測量反饋元件測量反饋元件主主反反饋饋信信號號e e偏差偏差信號信號c(t)c(t)+ 由被控對象和自動(dòng)控制裝置按一定方式連接起來由被控對象和自動(dòng)控制裝置按一定方式連接起來的，以完成某種自動(dòng)控制任務(wù)的有機(jī)整體。的，以完成某種自動(dòng)控制任務(wù)的有機(jī)整體?？刂浦敵隽孔兓?guī)律的指令信號?？刂浦敵隽孔兓?guī)律的指令信號。被控對象中要求按一定規(guī)律變化的物理量。被控對象中要求按一定規(guī)律變化的物理量。由系統(tǒng)（或元件）輸出端取出并反向送回系統(tǒng)由系

18、統(tǒng)（或元件）輸出端取出并反向送回系統(tǒng)（或元件）輸入端的信號，有主反饋和局部反饋（或元件）輸入端的信號，有主反饋和局部反饋之分。之分。參考輸入與主反饋信號之差，簡稱偏差。參考輸入與主反饋信號之差，簡稱偏差。系統(tǒng)輸出量的實(shí)際值與期望值之差，簡稱誤差。系統(tǒng)輸出量的實(shí)際值與期望值之差，簡稱誤差。與控制作用相反，是一種不希望的、影響系統(tǒng)輸與控制作用相反，是一種不希望的、影響系統(tǒng)輸出的不利因素，分為內(nèi)部擾動(dòng)和外部擾動(dòng)。出的不利因素，分為內(nèi)部擾動(dòng)和外部擾動(dòng)。恒值控制系統(tǒng)（恒值調(diào)節(jié)系統(tǒng)，自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)）恒值控制系統(tǒng)（恒值調(diào)節(jié)系統(tǒng)，自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)） 程序控制系統(tǒng)程序控制系統(tǒng) 隨動(dòng)系統(tǒng)（伺服系統(tǒng)）隨動(dòng)系統(tǒng)（伺服系統(tǒng)） 線性系統(tǒng)線性系統(tǒng) 非線性系統(tǒng)非線性系統(tǒng)連續(xù)系統(tǒng)連續(xù)系統(tǒng) 離散系統(tǒng)離散系統(tǒng)定常系統(tǒng)定常系統(tǒng) 時(shí)變系統(tǒng)時(shí)變系統(tǒng)蒸汽蒸汽nnn1圖圖1-9 1-9 蒸汽機(jī)轉(zhuǎn)速自動(dòng)控制系統(tǒng)蒸汽機(jī)轉(zhuǎn)速自動(dòng)控制系統(tǒng)負(fù)載負(fù)載圓錐形齒輪圓錐形齒輪飛錘飛錘套筒套筒杠桿杠桿閥門閥門彈簧彈簧蒸汽機(jī)蒸汽機(jī)圖圖1-10 1-10 爐溫自動(dòng)控制系統(tǒng)原理圖爐溫自動(dòng)控制系統(tǒng)原理圖+電壓電壓放大器放大器功率功率放大器放大器ua電爐電爐u1ue+uf給定毫伏信號給定毫伏信號+