自動控制理論：1第一章 緒 論

1、2022/7/13歡迎來到 自動控制理論課堂 2022/7/13前序1課程性質(zhì)專業(yè)基礎(chǔ)課，以公共課為基礎(chǔ)，向?qū)I(yè)課靠攏涉及到的基礎(chǔ)課程高等數(shù)學(xué)、線性代數(shù)、積分變換、復(fù)變函數(shù)等電路原理、電子技術(shù)課堂要求盡量不遲到，不早退上課盡量不要影響別人聽課有事請假考核試卷成績 ：100%2022/7/13前序2參考教材胡壽松.自動控制原理. 科學(xué)出版社王忠勇、蔣天發(fā)等.系統(tǒng)分析與控制，武漢理工出版社梅曉榕.自動控制原理， 科學(xué)出版社孫揚(yáng)聲.自動控制理論， 水利電力出版社盧京潮 劉慧英.自動控制原理典型題解析及自測試題，西北工業(yè)大學(xué)出版社胡壽松等.自動控制原理習(xí)題集.國防工業(yè)出版社本書授課內(nèi)容2022/7/1

2、3第一章 緒 論在科學(xué)和工程技術(shù)的發(fā)展過程中，自動控制技術(shù)起著重要的作用。除了在宇宙飛船、導(dǎo)彈發(fā)射和飛機(jī)駕駛等系統(tǒng)中自動控制技術(shù)具有特別重要的作用之外，它在現(xiàn)代機(jī)器制造和工業(yè)生產(chǎn)過程中也是不可缺少的重要組成部分。 隨著自動控制理論和技術(shù)的不斷發(fā)展，給人們提供了獲得動態(tài)系統(tǒng)最佳性能的方法，提高了產(chǎn)品質(zhì)量，降低了生產(chǎn)成本，提高了勞動生產(chǎn)率，使人們從繁重的體力勞動和重復(fù)的手工操作中解放出來。 2022/7/13本章主要內(nèi)容第一節(jié) 控制理論在國民經(jīng)濟(jì)中的作用第二節(jié) 自動控制理論發(fā)展簡介第三節(jié) 自動控制和自動控制系統(tǒng)第四節(jié) 開環(huán)控制和閉環(huán)控制第五節(jié) 本課程的內(nèi)容和特點本章小結(jié)、重點和習(xí)題2022/7/1

3、3第一節(jié) 控制理論在國民經(jīng)濟(jì)中的作用自動控制，是指在人不直接參與的情況下，通過控制器使被控對象（如機(jī)器設(shè)備、生產(chǎn)過程等）自動地按照預(yù)定的規(guī)律進(jìn)行工作。 一、自動控制技術(shù)應(yīng)用于軍事、航天領(lǐng)域 火炮、雷達(dá)、跟蹤系統(tǒng)； 人造衛(wèi)星； 宇宙飛船。 二、自動控制技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)過程 軋鋼過程； 工業(yè)窯爐；石油化工； 水泥建材； 玻璃、造紙等三、自動控制技術(shù)應(yīng)用于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn) 自動灌溉；農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量檢測；災(zāi)情檢測等。 四、自動控制技術(shù)應(yīng)用于其他領(lǐng)域 2022/7/13 通信、交通、醫(yī)學(xué)、環(huán)境保護(hù)、經(jīng)濟(jì)管理等領(lǐng)域 生物：人口控制，藥物動力學(xué) 金融：貨幣控制 日常生活：抽水馬桶，電扇，空調(diào)，洗衣機(jī)，電飯煲202

4、2/7/13第二節(jié) 自動控制理論發(fā)展簡介自動控制理論是自動控制技術(shù)的基礎(chǔ)理論，是一門理論性較強(qiáng)的工程科學(xué)。根據(jù)自動控制技術(shù)的發(fā)展進(jìn)程，自動控制理論可分為經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論兩大部分。經(jīng)典控制理論 （1）工業(yè)化促使自動控制裝置產(chǎn)生 最早工業(yè)應(yīng)用的自動裝置： 1769年Watt發(fā)明的飛球式蒸汽機(jī)調(diào)速器。 一種憑借直覺的實證性發(fā)明。2022/7/13（2） 最早的穩(wěn)定性研究 J.C.Maxwell（麥克斯韋），1868年發(fā)表論調(diào)節(jié)器，研究調(diào)節(jié)器的微分方程，線性化處理，系統(tǒng)穩(wěn)定性取決于微分方程的特征根是否都具有一對負(fù)的實部，針對二階和三階系統(tǒng)討論了使特征根具有負(fù)實部時，特征多項式系列應(yīng)滿足的條件

5、。 2022/7/13（3） 系統(tǒng)穩(wěn)定判據(jù)由Hurwitz（赫爾維茨，1895年）和 E.J.Routh（勞斯，1884年）提出的勞斯-赫爾維茨穩(wěn)定判據(jù) A.M.Lyapunov（李雅普諾夫，1892年）提出了李雅普諾夫第一法與第二法 ，奠定理論基礎(chǔ)H.Nyquist（奈魁斯特，1932年）提出奈氏判據(jù)，Bode(波德，1927年）提出了對數(shù)頻率特性的方法。 W.R.Evans（伊萬斯，1948年)提出根軌跡法，此方法和規(guī)則指的是當(dāng)系統(tǒng)參數(shù)變化時特征方程式的根變化的幾何軌跡。目前仍然是系統(tǒng)設(shè)計和穩(wěn)定性分析的一種重要方法。 2022/7/13（4）4050年代形成 SISO（Single Inp

6、ut Single Output）系統(tǒng) 二戰(zhàn)期間，軍事科學(xué)的需要大大促進(jìn)了反饋控制理論的發(fā)展。美國麻省理工學(xué)院雷達(dá)實驗室的科學(xué)家們將反饋放大器理論、 PID（比例-積分-微分）控制以及N.Wiener（維納）的隨機(jī)過程理論等結(jié)合在一起，形成了一整套被稱為隨動控制系統(tǒng)的設(shè)計方法 1948年 N.Wiener發(fā)表著名的控制論2022/7/13（5） 50年代末期所討論的內(nèi)容主要有：系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立時域分析祛頻率特性法根軌跡法系統(tǒng)綜合與校正非線性系統(tǒng)采樣控制系統(tǒng)分析法等也被稱為經(jīng)典控制理論。2022/7/13現(xiàn)代控制理論 空間技術(shù)競賽催生了現(xiàn)代控制理論1954年，錢學(xué)森發(fā)表工程控制論一書，可以認(rèn)為

7、是現(xiàn)代控制理論的啟蒙之作。1957年，美國的Bellman（貝爾曼）：發(fā)表“動態(tài)規(guī)劃論”1960年，前蘇聯(lián)的龐德里亞金：出版”最優(yōu)控制的極大值原則”，闡述了最 有控制的必要條件1961年，美國的Kalman（卡爾曼）：發(fā)表“最優(yōu)濾波與線性最優(yōu)調(diào)節(jié)器”理論，采用狀態(tài)空間法研究線性系統(tǒng)，稱“卡爾曼濾波器” 。2022/7/13 這種方法在標(biāo)準(zhǔn)形式或狀態(tài)形式的常微分方程的基礎(chǔ)上直接引進(jìn)并大量使用了計算機(jī)。這種方法通常稱為“現(xiàn)代控制理論”，以區(qū)別于60年代以前的“經(jīng)典控制理論”。 他們考慮用常微分方程作為控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。由于數(shù)字計算機(jī)的發(fā)展使得十年前尚無法進(jìn)行的計算問題成為可能，這時李雅普諾夫的工

8、作被引人到控制理論中來，而由Wiener（維納）等人在第二次世界大戰(zhàn)期間關(guān)于最優(yōu)控制的研究也被用來研究系統(tǒng)狀態(tài)軌跡的優(yōu)化問題。2022/7/13 軟著陸 極大值原理（1960） 最小燃料控制 動態(tài)規(guī)劃 （1957） 姿態(tài)控制 狀態(tài)空間理論(1961） 現(xiàn)代控制理論的重要標(biāo)志： 狀態(tài)空間法被引入到控制理論中來。 Kalman提出了能控性與能觀測性。表征系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特征的重要概念。 “內(nèi)部研究”代替了傳統(tǒng)的“外部研究”。并使分析與綜合過程建立在嚴(yán)格的理論基礎(chǔ)之上。2022/7/13主要分支學(xué)科線性系統(tǒng)理論、非線性系統(tǒng)理論最優(yōu)控制理論、系統(tǒng)辨識與自適應(yīng)控制、大系統(tǒng)理論和特大系統(tǒng)理論等。隨機(jī)控制與如濾波技

9、術(shù)、自學(xué)習(xí)理論與人工智能、建模理論與系統(tǒng)工程、模糊控制生物控制（遺傳算法、螞蟻算法）2022/7/13第三節(jié) 自動控制和自動控制系統(tǒng)一、自動控制的概念1、手動控制 水箱水位的手動控制： 觀測實際水位，將實際水位與要求的水位值相比較，得出兩者偏差。根據(jù)偏差的大小和方向調(diào)節(jié)進(jìn)水閥門的開度，即當(dāng)實際水位高于要求值時，關(guān)小進(jìn)水閥門開度，否則加大閥門開度以改變進(jìn)水量，從而改變水箱水位，使之與要求值保持一致。圖1-1 水箱水位的人工控制系統(tǒng)示意圖2022/7/132、自動控制 自動控制是在人不直接參與的情況下，利用外加設(shè)備或裝置（稱為自動控制裝置）使被控對象（如機(jī)器、設(shè)備、生產(chǎn)過程等）自動地按照預(yù)定的規(guī)律

10、運(yùn)行，使被控對象的一個或多個物理參數(shù)（如溫度、流量成分等）能夠自動地在一定的精度范圍內(nèi)，按照給定的規(guī)律變化。圖1-2 水箱水位的自動控制系統(tǒng)示意圖2022/7/13當(dāng)實際水位低于要求水位時，電位器輸出電壓值為正，且其大小反映了實際水位與水位要求值的差值，放大器輸出信號將有正的變化，電動機(jī)帶動減速器使閥門開度增加，直到實際水位重新與水位要求值相等時為止。 浮子：測量作用 連桿：比較作用 放大器、伺服電動機(jī)和減速器：調(diào)節(jié)作用 閥門：執(zhí)行元件作用水位自動控制的目的：使偏差消除或減小，使實際水位達(dá)到要求的水位值。2022/7/13二、自動控制系統(tǒng) 為達(dá)到某一目的，由相互制約、相互聯(lián)系的各個部件按照一定

11、規(guī)律構(gòu)成且具有獨(dú)立功能的整體稱為系統(tǒng)。自動控制系統(tǒng)是由被控對象和自動控制裝置按照一定方式連接起來，能完成一定自動控制任務(wù)的總體。 自動控制系統(tǒng)的被控制量稱為系統(tǒng)輸出量 影響系統(tǒng)輸出量的外界輸入稱為系統(tǒng)的輸入量 輸入量分類： 給定輸入（或稱參考輸入、希望值等）：指對系統(tǒng)輸出量的要求值. 擾動輸入：指對系統(tǒng)輸出量有不利影響的輸入量2022/7/13自動控制系統(tǒng)的組成 由兩大組成部分，即被控對象和自動控制裝置（有時也稱為控制器） 自動控制裝置又可分為下列幾個部分：（1）測量元件（或測量裝置）。用于測量被控量的實際值或?qū)Ρ豢亓窟M(jìn)行物理量變換的裝置。（2）比較元件（或比較器）。它將被控量的實際值（常取負(fù)

12、號）與被控量的要求值（常取正號）相比較，得到偏差的大小和符號。（3）調(diào)節(jié)元件。通常包括放大器和校正裝置。它能將偏差信號放大，并使輸出控制信號與偏差信號之間具有一定的數(shù)值運(yùn)算關(guān)系（也稱為調(diào)節(jié)規(guī)律或控制算法）。（4）執(zhí)行元件。接受調(diào)節(jié)元件的輸出控制信號，產(chǎn)生具體的控制效果，使被控制量產(chǎn)生預(yù)期的改變。2022/7/13系統(tǒng)方框圖 為了清楚地表示控制系統(tǒng)的組成及各組成部分之間信號的傳輸關(guān)系，畫出的控制系統(tǒng)元件作用圖稱為系統(tǒng)方框圖。共有四種圖例： （1）裝置用方框表示 （2）信號用帶箭號的線段表示 （3）信號引出點 （4）信號相加點（比較點）2022/7/13系統(tǒng)方框圖圖1-3 水箱水位控制系統(tǒng)方框圖2

13、022/7/13 三、自動控制系統(tǒng)的分類 從信號傳送的結(jié)構(gòu)特點可將控制系統(tǒng)可分為開環(huán)控制系統(tǒng)與閉環(huán)控制系統(tǒng)。 按照其他分類原則還可分為：（一）隨動系統(tǒng)與自動調(diào)整系統(tǒng) 隨動系統(tǒng)又稱為伺服系統(tǒng)。 特點：給定值是預(yù)先未知的、隨時間任意變化，要求系統(tǒng)被控量以盡可能小的誤差跟隨給定值變化。（如高射炮跟蹤敵機(jī)隨動系統(tǒng)，雷達(dá)） 自動調(diào)整系統(tǒng)又稱為恒值控制系統(tǒng)、定值調(diào)節(jié)系統(tǒng)或自動鎮(zhèn)定系統(tǒng)。 特點：系統(tǒng)輸入量（即給定值）不變，但由于擾動使被控量偏離要求值，該系統(tǒng)能根據(jù)偏差產(chǎn)生控制作用，使被控量恢復(fù)到要求值，并以一定的準(zhǔn)確度保持在要求值附近。（如恒溫控制系統(tǒng)）程序控制系統(tǒng)： 特點：輸入信號按事先預(yù)定的規(guī)律變化，（

14、如機(jī)床控制系統(tǒng)）2022/7/13（二）線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng) 線性系統(tǒng)是指組成系統(tǒng)的元器件的靜態(tài)特性為直線，能用線性常微分方程描述其輸出與輸入關(guān)系的系統(tǒng)。線性系統(tǒng)的主要特點是具有疊加性和齊次性。 非線性系統(tǒng)是指組成系統(tǒng)的元器件中有一個以上具有非直線的靜態(tài)特性的系統(tǒng)。非線性系統(tǒng)還可分為非線性時變系統(tǒng)與非線性定常系統(tǒng)。2022/7/13（三）連續(xù)系統(tǒng)與離散系統(tǒng) 連續(xù)系統(tǒng)，各部分的輸入和輸出信號都是連續(xù)變化的模擬量，可用微分方程來描述各部分輸入-輸出關(guān)系的系統(tǒng)。 離散系統(tǒng)，某一處或多處的信號以脈沖序列或數(shù)碼形式傳遞的系統(tǒng)。 離散系統(tǒng)也有線性離散系統(tǒng)和非線性離散系統(tǒng)、定常離散系統(tǒng)和時變離散系統(tǒng)之分。2

15、022/7/13（四）單輸入-單輸出系統(tǒng)與多輸入-多輸出系統(tǒng) 單輸入單輸出系統(tǒng)（SISO, Single Input Single Output)：只有一個輸入量和一個輸出量的控制系統(tǒng)，也稱為單變量系統(tǒng)。如前述的直流電極調(diào)速系統(tǒng)。 多輸入多輸出系統(tǒng)（MIMO, Multiple Inputs Multiple Outputs): 有多個輸入量和多個輸出量的控制系統(tǒng)，也稱為多變量系統(tǒng)。如后述的火力發(fā)電廠綜合控制系統(tǒng) 。2022/7/13（五）確定系統(tǒng)與不確定系統(tǒng) 確定系統(tǒng)：若系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)是確定的、預(yù)先可知的，系統(tǒng)的輸入信號（包括給定輸入和擾動）也是確定的，則可用解析式或圖表確切地表示，這種系

16、統(tǒng)稱為確定系統(tǒng)。 不確定系統(tǒng)：系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不確定或作用于系統(tǒng)的輸入信號不確定時，則稱這種系統(tǒng)為不確定系統(tǒng)。2022/7/13（六）集中參數(shù)系統(tǒng)和分布參數(shù)系統(tǒng) 能用常微分方程描述的系統(tǒng)稱為集中參數(shù)系統(tǒng)。 不能用常微分方程而必須用偏微分方程描述的系統(tǒng)稱為分布參數(shù)系統(tǒng)。 本課程中涉及的內(nèi)容主要是： 單變量、集中參數(shù)、線性、定常、連續(xù)系統(tǒng)。2022/7/13本教材ch7討論這類系統(tǒng)本教材ch8討論這類系統(tǒng)2022/7/13四、自動控制系統(tǒng)中的術(shù)語和定義控制環(huán)節(jié)被控對象G0控制量輸出量給定值r(t)u(t)c(t)反饋環(huán)節(jié)H偏差e(t)參考輸入r：輸入到控制系統(tǒng)的指令信號主反饋b：與輸入成正比或

17、某種函數(shù)關(guān)系，但量綱與參考輸入相同的信號。偏差e：參考輸入與主反饋之差的信號，有時也叫誤差?？刂骗h(huán)節(jié)Gc：接收偏差信號，通過轉(zhuǎn)換與運(yùn)算，產(chǎn)生控制量?？刂屏縰：控制環(huán)節(jié)的輸出，作用于被控對象的信號。擾動n主反饋b比較環(huán)節(jié)圖1-4 自動控制系統(tǒng)示意圖2022/7/13擾動n：不希望的，影響輸出的信號。被控對象G0：它接受控制量，并輸出被控制量。輸出c：系統(tǒng)被控制量。反饋環(huán)節(jié)H：將輸出轉(zhuǎn)換為主反饋信號的裝置。比較環(huán)節(jié)：將主反饋信號和參考輸入信號進(jìn)行比較，產(chǎn)生偏差量。2022/7/13第四節(jié) 開環(huán)控制和閉環(huán)控制 實際應(yīng)用的控制系統(tǒng)中，根據(jù)有無反饋作用，又可分為開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。 一、開環(huán)控制

18、 在控制器與被控對象之間只有正向控制作用而沒有反饋控制作用，即系統(tǒng)的輸出量對輸入量沒有影響。輸入量直接送入控制器，產(chǎn)生控制量作用于被控對象，從而改變被控制量。(只有順向作用，控制單方向進(jìn)行）輸出量控制器被控對象控制量給定值r(t)u(t)y(t)優(yōu)點：簡單，快速 缺點：對擾動沒有抑制能力（如外擾引起n變化）圖1-5 開環(huán)控制系統(tǒng)2022/7/13 kudnug例：直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（機(jī)械力矩 ML恒定)穩(wěn)態(tài)時 ugudi Me n e i直至達(dá)到穩(wěn)態(tài)力矩平衡（轉(zhuǎn)速上升）圖1-6 直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（開環(huán)）2022/7/13二、閉環(huán)控制 引入測量元件構(gòu)成閉環(huán)，通過負(fù)反饋構(gòu)成按偏差調(diào)節(jié)的閉環(huán)系統(tǒng)。通

19、過信息雙向流動反映了控制量與被控制量（輸出量）相互間的矛盾,使動靜性能得到提高?？刂破鞅豢貙ο罂刂屏枯敵隽拷o定值r(t)u(t)y(t)測量元件偏差e(t)特點：控制器與被控對象之間，不僅存在著正向作用，而且存在著反饋作用。系統(tǒng)的輸出量對控制量有著直接影響。反饋：將檢測出來的輸出量送回到輸入端，并與輸入信號比較的過程。有負(fù)反饋與正反饋之分。反饋量圖1-7 閉環(huán)控制系統(tǒng)2022/7/13優(yōu)點：抗干擾能力強(qiáng)，穩(wěn)態(tài)精度高、動態(tài)性能好、穩(wěn)定裕度大等等。例：閉環(huán)直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)ug kudnub控制量：ud = K (ug-ub)偏差信號：ug-ub按偏差調(diào)節(jié)：nub( ug-ub)ud n ug不變

20、 時可維持轉(zhuǎn)速恒定而抵御擾動（加裝測速電機(jī)）圖1-8 直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（閉環(huán)）2022/7/13三、自動控制系統(tǒng)舉例1、恒溫箱控制系統(tǒng)圖1-9 恒溫箱控制系統(tǒng)原理圖2022/7/13圖1-10 恒溫箱控制系統(tǒng)方框圖2022/7/132、機(jī)床工作臺位置控制系統(tǒng)圖111 機(jī)床工作臺位置控制系統(tǒng)原理圖和方框圖2022/7/13火力發(fā)電廠綜合控制系統(tǒng)2022/7/13古老的棉紡廠2022/7/13現(xiàn)代化的化工廠2022/7/13第五節(jié) 本課程的內(nèi)容和特點一、自動控制理論的內(nèi)容 自動控制理論的內(nèi)容與自動控制系統(tǒng)需要研究的問題密切相關(guān)。要研究的問題有兩個方面，即： 控制系統(tǒng)的分析；控制系統(tǒng)設(shè)計與綜合。（）

21、自動控制系統(tǒng)的分析 控制系統(tǒng)分析主要包括三個方面內(nèi)容： 穩(wěn)定性分析； 穩(wěn)態(tài)特性分析（準(zhǔn)確性，精度）； 動態(tài)特性分析（暫態(tài)特性或瞬態(tài)特性）。 （穩(wěn)、準(zhǔn)、快） 1系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析 2022/7/13第五節(jié) 本課程的內(nèi)容和特點 1、穩(wěn)定性分析； 給出判斷系統(tǒng)穩(wěn)定性的基本方法，并闡述系統(tǒng)的穩(wěn)定性與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（或稱控制規(guī)律）及系統(tǒng)參數(shù)間的關(guān)系。2、穩(wěn)態(tài)特性分析：系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)特性表征了系統(tǒng)實際穩(wěn)態(tài)值與希望穩(wěn)態(tài)值之間的差值，即穩(wěn)態(tài)誤差，表征了控制系統(tǒng)的控制精度。給出計算系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差的方法，指出系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和參數(shù)對穩(wěn)態(tài)特性的影響。2022/7/133動態(tài)特性分析 系統(tǒng)的輸入一定時，一般將由初始穩(wěn)態(tài)向終止穩(wěn)態(tài)過渡。初始穩(wěn)態(tài)與終止穩(wěn)態(tài)之間的過渡過程稱為系統(tǒng)的動