1、第一章第一章 緒論緒論1. 1 引言引言1. 2 自動控制系統(tǒng)概述自動控制系統(tǒng)概述1. 3 自動控制系統(tǒng)的分類自動控制系統(tǒng)的分類1. 4 對控制系統(tǒng)的要求及任務(wù)對控制系統(tǒng)的要求及任務(wù) 主要內(nèi)容主要內(nèi)容1.自動控制的基本原理自動控制的基本原理2.概念：自動控制、受控對象、控制器、被控量等概念：自動控制、受控對象、控制器、被控量等3.自動控制系統(tǒng)的基本控制方式和組成自動控制系統(tǒng)的基本控制方式和組成4.自動控制系統(tǒng)的分類自動控制系統(tǒng)的分類5.根據(jù)系統(tǒng)原理圖畫方框圖的方法根據(jù)系統(tǒng)原理圖畫方框圖的方法6.對控制系統(tǒng)的基本要求對控制系統(tǒng)的基本要求第一章第一章 緒論緒論重重 點點 與與 難難 點點1、自動控

2、制的基本原理與基本方式、自動控制的基本原理與基本方式2、根據(jù)系統(tǒng)原理圖畫方框圖的方法、根據(jù)系統(tǒng)原理圖畫方框圖的方法 根據(jù)系統(tǒng)原理圖畫方框圖的方法根據(jù)系統(tǒng)原理圖畫方框圖的方法難難 點點重重 點點第一章第一章 緒論緒論1. 1 引引 言言 自動控制理論是研究自動控制共同規(guī)律的一門自動控制理論是研究自動控制共同規(guī)律的一門科學(xué)，目前已形成工程控制論、生物控制論、經(jīng)濟科學(xué)，目前已形成工程控制論、生物控制論、經(jīng)濟控制論和社會控制論等多個分支。控制論和社會控制論等多個分支。1.1.1 自動控制理論及應(yīng)用自動控制理論及應(yīng)用 控制論控制論的創(chuàng)始人是美的創(chuàng)始人是美國數(shù)學(xué)家維納，他的全名是國數(shù)學(xué)家維納，他的全名是諾

3、伯特諾伯特維納（維納（Norbert Wiener，1894-1964） 。 第一章第一章 緒論緒論 維納維納1894年年11月月26日生于密蘇里州的哥倫比日生于密蘇里州的哥倫比亞，亞，1964年年3月月18日卒于斯德哥爾摩。維納在其日卒于斯德哥爾摩。維納在其50年的科學(xué)生涯中，先后涉足哲學(xué)、數(shù)學(xué)、物理學(xué)和年的科學(xué)生涯中，先后涉足哲學(xué)、數(shù)學(xué)、物理學(xué)和工程學(xué)，最后轉(zhuǎn)向生物學(xué)，在各個領(lǐng)域中都取得了工程學(xué)，最后轉(zhuǎn)向生物學(xué)，在各個領(lǐng)域中都取得了豐碩成果，稱得上是恩格斯頌揚過的、豐碩成果，稱得上是恩格斯頌揚過的、20世紀多才世紀多才多藝和學(xué)識淵博的科學(xué)巨人。他一生發(fā)表論文多藝和學(xué)識淵博的科學(xué)巨人。他一生

4、發(fā)表論文240多篇，著作多篇，著作14本。他的主要著作有本。他的主要著作有控制論控制論(1948)、維納選集維納選集(1964)和和維納數(shù)學(xué)論文集維納數(shù)學(xué)論文集(1980)。維納還有兩本自傳。維納還有兩本自傳昔日神童昔日神童和和我是我是一個數(shù)學(xué)家一個數(shù)學(xué)家。維納簡介維納簡介第一章第一章 緒論緒論 1945年年維納維納把反饋的概念推廣到生物等一切把反饋的概念推廣到生物等一切控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)，1948年出版了名著年出版了名著控制論控制論，為控，為控制論奠定了基礎(chǔ)。制論奠定了基礎(chǔ)。自動控制理論（續(xù)）自動控制理論（續(xù)） 1954年年“中國導(dǎo)彈之父中國導(dǎo)彈之父”錢學(xué)錢學(xué)森（森（1911.12.1120

5、09.10.31）全面全面地總結(jié)和提高了經(jīng)典控制理論，在地總結(jié)和提高了經(jīng)典控制理論，在美國出版了用英語撰寫的、在世界美國出版了用英語撰寫的、在世界上很有影響的上很有影響的工程控制論工程控制論一書。一書。第一章第一章 緒論緒論 工程控制論是控制論中的一個重要分支，工程控制論是控制論中的一個重要分支，主要研究工程領(lǐng)域的自動控制。主要研究工程領(lǐng)域的自動控制。自動控制理論（續(xù)）自動控制理論（續(xù)） 就是指在沒有人直接參與的情況下，利就是指在沒有人直接參與的情況下，利用控制裝置使整個生產(chǎn)過程或設(shè)備自動地用控制裝置使整個生產(chǎn)過程或設(shè)備自動地按預(yù)定規(guī)律運行，或使其某個參數(shù)按要求按預(yù)定規(guī)律運行，或使其某個參數(shù)按

6、要求變化。變化。 什么是自動控制什么是自動控制? ? 第一章第一章 緒論緒論自動控制技術(shù)的應(yīng)用自動控制技術(shù)的應(yīng)用 當前，自動控制技術(shù)已在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交當前，自動控制技術(shù)已在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運輸、國防建設(shè)和航空航天事業(yè)等領(lǐng)域獲通運輸、國防建設(shè)和航空航天事業(yè)等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。得廣泛應(yīng)用。比如：人造地球衛(wèi)星的發(fā)射成功與安全返回。比如：人造地球衛(wèi)星的發(fā)射成功與安全返回。第一章第一章 緒論緒論自動控制技術(shù)的應(yīng)用（續(xù)）自動控制技術(shù)的應(yīng)用（續(xù)）導(dǎo)彈的準確導(dǎo)彈的準確擊中目標擊中目標雷達系統(tǒng)的準雷達系統(tǒng)的準確跟蹤目標確跟蹤目標第一章第一章 緒論緒論自動控制技術(shù)的應(yīng)用（續(xù)）自動控制技術(shù)的應(yīng)用（續(xù)）數(shù)控車床按數(shù)控

7、車床按照預(yù)定程序照預(yù)定程序自動地切削自動地切削工件工件第一章第一章 緒論緒論 安全、快捷、舒適、準點自動控制技術(shù)的應(yīng)用自動控制技術(shù)的應(yīng)用交通系統(tǒng)交通系統(tǒng)第一章第一章 緒論緒論自動控制技術(shù)的應(yīng)用自動控制技術(shù)的應(yīng)用家用電器家用電器 電扇：電扇：控制轉(zhuǎn)速控制轉(zhuǎn)速 電冰箱、空調(diào)、電飯煲：電冰箱、空調(diào)、電飯煲：控制溫度控制溫度 洗衣機：洗衣機：控制水位、強弱、時間等控制水位、強弱、時間等第一章第一章 緒論緒論自動控制理論及應(yīng)用（續(xù)）自動控制理論及應(yīng)用（續(xù)） 自動控制技術(shù)的應(yīng)用，推動了控制理自動控制技術(shù)的應(yīng)用，推動了控制理論的發(fā)展；而自動控制理論的發(fā)展，又指論的發(fā)展；而自動控制理論的發(fā)展，又指導(dǎo)了控制技術(shù)

8、的應(yīng)用，使其進一步完善。導(dǎo)了控制技術(shù)的應(yīng)用，使其進一步完善。 隨著生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，自動控隨著生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，自動控制技術(shù)已滲透到各種學(xué)科領(lǐng)域，成為促進制技術(shù)已滲透到各種學(xué)科領(lǐng)域，成為促進當代生產(chǎn)發(fā)展和科學(xué)技術(shù)進步的重要因素。當代生產(chǎn)發(fā)展和科學(xué)技術(shù)進步的重要因素。第一章第一章 緒論緒論1.1.2 自動控制理論的發(fā)展概況自動控制理論的發(fā)展概況 按其發(fā)展的不同階段，自動控制理論分為按其發(fā)展的不同階段，自動控制理論分為經(jīng)典經(jīng)典控制理論控制理論和和現(xiàn)代控制理論現(xiàn)代控制理論兩大部分。兩大部分。 經(jīng)典控制理論也就是自動控制原理，是經(jīng)典控制理論也就是自動控制原理，是2020世紀世紀4040年代到年

9、代到5050年代形成的一門年代形成的一門獨立學(xué)科獨立學(xué)科。早期的。早期的控制控制系統(tǒng)較為簡單，只要列出微分方程并求解之，就可系統(tǒng)較為簡單，只要列出微分方程并求解之，就可用時域法分析他們的性能。第二次世界大戰(zhàn)前后，用時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)器，于是出現(xiàn)了較復(fù)雜的控制系統(tǒng)，這些控制系統(tǒng)第一章第一章 緒論緒論經(jīng)典經(jīng)典控制理論的控制理論的形成形成通常是用高階微分方程來描述的。由于高階微分方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

10、系統(tǒng)的理論研究和分析方程求解的困難，各種控制系統(tǒng)的理論研究和分析方法就應(yīng)運而生。法就應(yīng)運而生。1932年奈奎斯特年奈奎斯特（美國物理學(xué)家，（美國物理學(xué)家，18891976）在研究負反饋放大器時創(chuàng)立了有名的）在研究負反饋放大器時創(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。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，在此基礎(chǔ)上，1945年伯德年伯德（H.W.Bode）提出）提出了分析控制系統(tǒng)的一種圖解方法即頻率法，致使研了分析控制系統(tǒng)的一種圖解方法即頻率法，致使研究控制系統(tǒng)的方法由初期的時域分析轉(zhuǎn)到頻域分析。究控制系統(tǒng)的方法由初期的時域分析轉(zhuǎn)到頻域分析。隨后，隨后，1948年伊文斯（年伊

11、文斯（W.R.Evans）又創(chuàng)立了另一又創(chuàng)立了另一第一章第一章 緒論緒論種圖解法即有名的根軌跡法。追溯到種圖解法即有名的根軌跡法。追溯到1877年，勞斯（年，勞斯（E.Routh）和）和1895年赫爾維茨年赫爾維茨（A.Hurwitz，瑞士數(shù)學(xué)家），瑞士數(shù)學(xué)家）分別獨立地提分別獨立地提出了關(guān)于判斷控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的代數(shù)判據(jù)。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。這些都是經(jīng)典控制理論的重要組成部分。20世紀世紀50年代中期，年代中期，經(jīng)典控制理論又添加了非經(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，從而形成了線性系統(tǒng)理論和離散控制理論，從而形成了完整的理論

12、體系。完整的理論體系。經(jīng)典經(jīng)典控制理論的控制理論的形成形成第一章第一章 緒論緒論20世紀世紀4050年代年代 經(jīng)典控制理論經(jīng)典控制理論 （頻域法或復(fù)頻域法）（頻域法或復(fù)頻域法）核心核心：傳遞函數(shù)，穩(wěn)定性、穩(wěn)定裕度等：傳遞函數(shù)，穩(wěn)定性、穩(wěn)定裕度等特點特點：圖形方法，直觀簡便，設(shè)置參數(shù)少，：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）（以簡單控制結(jié)構(gòu)獲取相對滿意的性能）適用范圍適用范圍：單輸入單輸出（：單輸入單輸出（SISO）系統(tǒng)）系統(tǒng)數(shù)學(xué)基礎(chǔ)數(shù)學(xué)基礎(chǔ)：復(fù)變函數(shù)，積分變換：復(fù)變函數(shù)，積分變換SISO: Single Input and Single Output經(jīng)典經(jīng)典控

13、制理論的控制理論的形成形成第一章第一章 緒論緒論 20世紀世紀50年代年代開始，開始，由于空間技術(shù)的發(fā)展，各種由于空間技術(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、時變和自適應(yīng)等控制問題，理多變量、非線性、時變和自適應(yīng)等控制問題，20世紀世紀60年代初年代初又形成了現(xiàn)代控制理論?，F(xiàn)代控制理又形成了現(xiàn)代控制理論。現(xiàn)代控制理論的基礎(chǔ)是：論的基礎(chǔ)是：1956年龐特里亞金年龐特里亞金提出了極大值原理，提出了極大值原理，1957年貝爾曼（年貝爾曼（R.Bellman）提出了動態(tài)規(guī)劃，提出了動態(tài)規(guī)劃，1960年卡爾曼（年卡爾曼（R

14、.E.Kalman）提出了最優(yōu)濾波理論以及提出了最優(yōu)濾波理論以及狀態(tài)空間方法的應(yīng)用。從狀態(tài)空間方法的應(yīng)用。從20世紀世紀60年代至今年代至今50年來，年來，現(xiàn)代控制理論又有巨大的發(fā)展，并形成了若干學(xué)科現(xiàn)代控制理論又有巨大的發(fā)展，并形成了若干學(xué)科分支，如線性控制理論、最優(yōu)控制理論、動態(tài)系統(tǒng)分支，如線性控制理論、最優(yōu)控制理論、動態(tài)系統(tǒng)辨識、自適應(yīng)控制、大系統(tǒng)理論等。辨識、自適應(yīng)控制、大系統(tǒng)理論等?，F(xiàn)代現(xiàn)代控制理論的控制理論的形成形成第一章第一章 緒論緒論 60 70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、能觀性，核心：狀態(tài)變量的能控、能觀性， 系統(tǒng)性能的

15、最優(yōu)化系統(tǒng)性能的最優(yōu)化特點：時域法，統(tǒng)一處理特點：時域法，統(tǒng)一處理SISO、MIMO系統(tǒng)，系統(tǒng)， 有完整的理論體系有完整的理論體系 數(shù)學(xué)基礎(chǔ)：線性代數(shù)，矩陣理論數(shù)學(xué)基礎(chǔ)：線性代數(shù)，矩陣理論缺點：對系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型精度要求高，缺點：對系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型精度要求高， 實際性能達不到設(shè)計的最優(yōu)，實際性能達不到設(shè)計的最優(yōu)， 所需狀態(tài)反饋難以直接實現(xiàn)所需狀態(tài)反饋難以直接實現(xiàn)MIMO: Multi-Input and Multi-Output第一章第一章 緒論緒論70年代年代現(xiàn)在現(xiàn)在 多種新型控制理論多種新型控制理論 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

16、棒性（魯棒性（robustness）：）：系統(tǒng)存在模型誤差或系統(tǒng)存在模型誤差或 受到擾動時仍能保持良好性能的能力受到擾動時仍能保持良好性能的能力魯棒控制：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第一章第一章 緒論緒論70年代年代現(xiàn)在現(xiàn)在 多種新型控制理論多種新型控制理論控制系統(tǒng)具有擬人智能（學(xué)習(xí)、記憶、判斷、推控制系統(tǒng)具有擬人智能（學(xué)習(xí)、記憶、判斷、推理等）理等）被控系統(tǒng)具有高維數(shù)、強關(guān)聯(lián)、多約束、多目標、被控系統(tǒng)具有高維數(shù)、強關(guān)聯(lián)、多約束、多目標、不確定性、分散性、非線性、大時滯、難建模等不確定性、分散性、非線性、大時滯、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)、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)濟系統(tǒng)等制造系統(tǒng)、經(jīng)濟系統(tǒng)等第一章第一章 緒論緒論第一章第一章 緒論緒論 經(jīng)典控制理論以傳遞函數(shù)為數(shù)學(xué)工具，研究單輸經(jīng)典控制理論以傳遞函數(shù)為數(shù)學(xué)工具，研究單輸入、單輸出自動控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計問題，主要入、單輸出自動控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計問題，主要研究方法有時域分析法、根軌跡法和頻率特性法。研究方法有時域分析法、根軌跡法和頻率特性法。而現(xiàn)代控制理論則以矩陣理論等近代數(shù)學(xué)方法作為而現(xiàn)