自動控制理論課件第講1什么是控制？通俗地說，控制就是使被控對象按照我們預(yù)定的方式工作?？刂葡到y(tǒng)是能夠提供預(yù)期響應(yīng)的系統(tǒng)。人類的支配欲無限，因此，被控對象有多種多樣，如:●工程技術(shù)對象，簡單如家電，復(fù)雜如工業(yè)自動化、精確制導、航天等●社會系統(tǒng)和經(jīng)濟系統(tǒng)●生態(tài)系統(tǒng)和生物系統(tǒng)系統(tǒng)輸入輸出被控對象

2自動控制簡史1788年前后，J.瓦特的蒸汽機離心調(diào)速器。

2自動控制簡史解決蒸汽機所推動的機械裝置的速度控制問題。在19世紀中，僅英國就有7.5萬臺裝有瓦特調(diào)速器的蒸汽機裝置。

進汽閥門，連桿機構(gòu)比較器Metalsphere設(shè)定轉(zhuǎn)速Vd+-轉(zhuǎn)速測量蒸汽室蒸汽機實際轉(zhuǎn)速離心調(diào)節(jié)器2自動控制簡史2自動控制簡史

瓦特離心調(diào)速器在調(diào)速過程中存在不穩(wěn)定現(xiàn)象（“設(shè)備變得發(fā)狂！”），當時并沒有理論指導，所有的努力都集中在改進調(diào)速器本身（重量、彈簧、摩擦）。

J.C.麥克斯維爾把調(diào)節(jié)器跟調(diào)節(jié)對象合在一起，看作一個系統(tǒng)，用線性微分方程來進行研究，指出微分方程的特征根在左半面或右半面，決定著系統(tǒng)穩(wěn)定與否。

僅有實踐是不夠的！

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1877年，E.J.勞斯提出了勞斯代數(shù)穩(wěn)定性判據(jù)，并獲得了亞當獎。

1895年，A.胡爾維茨也提出了本質(zhì)上與勞斯判據(jù)一致的代數(shù)穩(wěn)定性判據(jù)，并在穩(wěn)定性理論的指導下，為瑞士達沃斯電廠的一個蒸汽機設(shè)計了一個調(diào)速系統(tǒng)。胡爾維茨被認為是真正運用控制理論，來指導設(shè)計控制系統(tǒng)的第一人。

只有有了理論的指導，才能從自然王國走向必然王國。

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1892年俄國數(shù)學家A.M.李雅普諾夫發(fā)表《論運動穩(wěn)定性的一般問題》的專著﹐從數(shù)學方面給運動穩(wěn)定性的概念下了嚴格的定義﹐并研究出解決穩(wěn)定性問題的兩種方法。2自動控制簡史1927年8月2號，貝爾實驗室的一個年輕的工程師H.S.布萊克，發(fā)明了負反饋放大器。這是經(jīng)典控制形成的開端。大量的工作積累，老在想這個問題，這樣靈感就出來了。

2自動控制簡史貝爾實驗室里的一個年輕的工程師D.B.帕金森只有29歲，他是一個低職位的工程師，讓他承擔的任務(wù)是繞電位計，就是1940年那天晚上他做了一個夢。他夢到用電位計控制的記錄筆(電壓函數(shù)記錄儀)也可以控制火炮的發(fā)射，他這個夢就促進了自動控制技術(shù)的發(fā)展。

1925年到1940年的防空火力控制2自動控制簡史

在二十世紀40年代，N.B.尼可爾斯發(fā)明了PID的整定法。

當時美國麻省理工學院有唯一一臺模擬計算機，當時的模擬計算機叫微分分析儀。尼可爾斯就在這個模擬計算機上做了大量的仿真實驗，最后列出來這個PID的整定表，有一樣工作50年不變的就是這個PID整定表。

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這一新的學科當時在美國稱為伺服機構(gòu)理論﹐在蘇聯(lián)稱為自動調(diào)整理論﹐主要是解決單變量的控制問題。

主要是解決第二次世界大戰(zhàn)期間防空火力控制系統(tǒng)和飛機自動導航系統(tǒng)等軍事技術(shù)問題，以及戰(zhàn)后的工業(yè)生產(chǎn)問題。

后來統(tǒng)稱為“經(jīng)典控制”2自動控制簡史

經(jīng)驗的積累和總結(jié)，逐漸形成了較完備的理論。

值得自豪的是，1954年，中國科學家錢學森全面地歸納總結(jié)了經(jīng)典控制理論，在美國出版了國際上第一本經(jīng)典控制理論工程化的著作《工程控制論》。

2自動控制簡史經(jīng)典控制理論（1940～1950年代）

時域法復(fù)域法(根軌跡法)頻域法

近代控制理論（1960～1970年代）線性系統(tǒng)自適應(yīng)控制最優(yōu)控制魯棒控制最佳估計容錯控制系統(tǒng)辨識集散控制

智能控制理論（1980～今天）專家系統(tǒng) 大系統(tǒng)理論模糊控制 魯棒控制神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 非線性系統(tǒng)理論遺傳算法本課程的目標

收縮對象→以經(jīng)典控制為主！

課程目標：

以簡單的線性時不變（定常）系統(tǒng)為對象，學習控制系統(tǒng)的分析、設(shè)計與實現(xiàn)，切身體會實施控制的全過程，牢固建立反饋控制的理念，培養(yǎng)實施控制的能力。

本課程的目標對于給定的控制系統(tǒng)，能夠（定性或定量）分析其性能；針對給定的控制對象，設(shè)計控制器，使系統(tǒng)達到要求的性能指標要求。教學內(nèi)容（大綱要求）章節(jié)內(nèi)容課時第1章自動控制導論2-3第3章控制系統(tǒng)的數(shù)學模型6-8第4章線性系統(tǒng)的時域分析法（含穩(wěn)定性）8-10第6章線性系統(tǒng)的根軌跡法4-6第8/9章線性系統(tǒng)的頻域分析法6-10第10章反饋控制系統(tǒng)設(shè)計（含PID）4-8講義數(shù)字控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計6第11/12章線性系統(tǒng)的狀態(tài)空間分析與設(shè)計6實驗10學習建議

廣泛閱讀參考書，深刻理解理論體系教材：Ｋ.Ogata.“ModernControlEngineering”,電子工業(yè)出版社影印版?；蚓w方勝彥著，盧伯英譯，“現(xiàn)代控制工程”，電子工業(yè)出版社。參考書：１、吳麒主編“自動控制原理”，清華大學出版社。２、胡壽松主編“自動控制原理”，國防工業(yè)出版社。

3、樓順天等，“基于Matlab的系統(tǒng)分析與設(shè)計－－控制系統(tǒng)”，西安電子科技大學出版社．學習建議利用網(wǎng)絡(luò)資源

1、學研論壇－自動控制。

2、各個大學重點課程建設(shè)教學資料。學習建議完成大量練習，積極討論問題；學完每章要善于總結(jié)知識點，演繹歸納并重；重視實驗體驗（Mtalab實現(xiàn)）?？己朔绞阶鳂I(yè)（20%）

+閉卷考試（80%）第一章控制系統(tǒng)導論1.1基本概念1.2開環(huán)控制與閉環(huán)控制1.3控制系統(tǒng)的分類1.4控制系統(tǒng)的基本要求關(guān)于自動控制的概念定義控制系統(tǒng)：為了達到預(yù)期的目標（響應(yīng)）而設(shè)計出來的系統(tǒng)，它由相互關(guān)聯(lián)的部件組合而成，它一般由控制裝置和被控對象組成。被控對象（部件或系統(tǒng)）：是指要求實現(xiàn)自動控制的機器、設(shè)備或生產(chǎn)過程，如宇宙飛船，飛機駕駛系統(tǒng)以及工業(yè)生產(chǎn)的某種過程等。反饋：把輸出量送回到輸入端并與輸入信號比較的過程。負反饋是從參考輸入信號中減去反饋輸出信號，并以其差值作為控制器的輸入信號的一種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式；正反饋是將輸出信號反饋回來，疊加在參考輸入信號上。擾動：是一種對系統(tǒng)的輸出量產(chǎn)生相反作用的信號。如果擾動產(chǎn)生在系統(tǒng)的內(nèi)部，稱為內(nèi)擾；擾動產(chǎn)生在系統(tǒng)的外部，稱為外擾，外擾是系統(tǒng)的輸入量之一。導論----開環(huán)控制與閉環(huán)控制控制方式（結(jié)構(gòu)）粗略地可以分為兩種：

開環(huán)控制和閉環(huán)控制

執(zhí)行被控對象預(yù)期輸出實際輸出開環(huán)控制系統(tǒng)（無反饋）信號的單向傳遞電風扇的控制電機（執(zhí)行機構(gòu)）風扇葉片

（控制對象）開關(guān)或程序控制器開環(huán)控制系統(tǒng)舉例1：控制電壓導論----開環(huán)控制與閉環(huán)控制導論----開環(huán)控制與閉環(huán)控制控制目的：提高爐溫受控對象（物理實體）：爐子受控量（輸出物理量）：爐溫控制裝置：開關(guān)K和電熱絲，對受控量起控制作用。加熱爐的開環(huán)控制開環(huán)控制系統(tǒng)舉例2：導論----開環(huán)控制與閉環(huán)控制+控制量u(t)計算比較執(zhí)行被控對象測量干擾閉環(huán)(反饋)控制結(jié)構(gòu)框圖預(yù)期輸出響應(yīng)r(t)輸入變量-誤差e(t)實際輸出y(t)輸出變量被測變量測量值

反饋是控制的精髓導論----開環(huán)控制與閉環(huán)控制計算比較測量測量干擾給定值執(zhí)行被控對象被控量自動控制系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)框圖信號雙向傳遞導論----開環(huán)控制與閉環(huán)控制反饋是控制的精髓，運用反饋的例子也是比比皆是。例3：調(diào)節(jié)容器內(nèi)液面位置的人工閉環(huán)控制系統(tǒng)液位控制示意圖書上圖1.10計算比較腦執(zhí)行被控對象手測量測量干擾或激勵眼預(yù)期目標實際結(jié)果眼液體的流入和流出液位液面控制人工職能圖導論----開環(huán)控制與閉環(huán)控制容器里液體導論----開環(huán)控制與閉環(huán)控制例4：汽車方向控制系統(tǒng)

汽車方向控制系統(tǒng)汽車方向控制人工職能圖預(yù)期行駛路線汽車實際行駛路線大腦眼睛-視覺測量+-偏差手方向盤導論----開環(huán)控制與閉環(huán)控制

反饋是現(xiàn)代控制的精髓，又如：火炮隨動系統(tǒng)領(lǐng)導實施管理央行調(diào)整利息

“沒有調(diào)查就沒有發(fā)言權(quán)”，等等

都體現(xiàn)了反饋的理念！

閉環(huán)與開環(huán)控制系統(tǒng)的比較閉環(huán)控制系統(tǒng)的特點

偏差控制，可以抑制內(nèi)、外擾動對被控制量產(chǎn)生的影響。精度高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)計、分析麻煩。開環(huán)控制系統(tǒng)的特點

順向作用，沒有反向的聯(lián)系，沒有修正偏差能力，抗擾動性較差。結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)整方便、成本低。討論：全自動洗衣機、汽車駕駛傳動機構(gòu)、人騎自行車、指南車、空調(diào)溫度控制都屬于何種控制方式？被控對象控制裝置(傳感器+控制器+執(zhí)行器)

測量元件：其職能是測量被控制的物理量;

給定元件：其職能是給出與期望的被控量相對應(yīng)的系統(tǒng)

輸入量（即參據(jù)量）。

比較元件：把測量元件檢測的被控量實際值與給定元件

給出的參據(jù)量進行比較，求出它們之間的偏差。

放大元件：將比較元件給出的偏差進行放大，用來推動

執(zhí)行元件去控制被控對象。

執(zhí)行元件：直接推動被控對象，使其被控量發(fā)生變化。

校正元件：亦稱補償元件，它是結(jié)構(gòu)或參數(shù)便于調(diào)整的

元件，用串聯(lián)或反饋的方式連接在系統(tǒng)中，以改善

系統(tǒng)性能。導論----閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成用“○”號代表比較元件，“—”號代表兩者符號相反，“+”號代表兩者符號相同。信號沿箭頭方向從輸入端到達輸出端的傳輸通路稱前向通路；系統(tǒng)輸出量經(jīng)測量元件反饋到輸入端的傳輸通路稱主反饋通路。前向通路與主反饋通路共同構(gòu)成主回路。此外，還有局部反饋通路以及由它構(gòu)成的內(nèi)回路。

—+例1飛機俯仰角飛行控制系統(tǒng)導論----控制系統(tǒng)舉例給定裝置放大器舵機飛機

反饋電位器

垂直陀螺儀θ0θ擾動俯仰角控制系統(tǒng)飛機方塊圖例2磁懸浮控制系統(tǒng)2003年初在上海建成的世界上第一條高速磁懸浮鐵路商業(yè)運營線

例3：液位控制系統(tǒng)自動控制器通過比較實際液位與希望液位，并通過調(diào)整氣動閥門的開度，對誤差進行修正，從而保持液位不變。試畫出相應(yīng)的人工操縱液位控制系統(tǒng)方塊圖?？刂破鳎罕容^、放大的作用浮子：液面高度的反饋元件Q2為系統(tǒng)的干擾量氣動閥門：執(zhí)行機構(gòu)被控對象：水箱導論----反饋控制系統(tǒng)的分類按參考輸入形式分為：

恒值系統(tǒng)：指參考輸入量保持常值的系統(tǒng)。其任務(wù)是消除或減少擾動信號對系統(tǒng)輸出的影響，使被控量（即系統(tǒng)的輸出量）保持在給定或希望的數(shù)值上。

隨動系統(tǒng)：指參考輸入量隨時間任意變化的系統(tǒng)。其任務(wù)是要求輸出量以一定的精度和速度跟蹤參考輸入量，跟蹤的速度和精度是隨動系統(tǒng)的兩項主要性能指標。按照系統(tǒng)的元件特性分為:線性系統(tǒng)：構(gòu)成系統(tǒng)的所有元件都是線性元件的系統(tǒng)。其動態(tài)性能可用線性微分方程描述，系統(tǒng)滿足齊次性和疊加原理。非線性系統(tǒng)：構(gòu)成系統(tǒng)的元件中含有非線性元件的系統(tǒng),只能用非線性微分方程描述，不滿足疊加原理?？梢赃M行線性化處理的系統(tǒng)或元件特性又稱為非本質(zhì)非線性特性。反之，稱之為本質(zhì)非線性，它只能用非線性理論分析研究。導論----反饋控制系統(tǒng)的分類按照系統(tǒng)內(nèi)信號的形式分為連續(xù)系統(tǒng):系統(tǒng)內(nèi)各處的信號都是以連續(xù)的模擬量傳遞的系統(tǒng)。離散系統(tǒng):系統(tǒng)內(nèi)某處或數(shù)處信號是以脈沖序列或數(shù)碼形式傳遞的系統(tǒng)。其脈沖序列可由脈沖信號發(fā)生器或振蕩器產(chǎn)生，也可用采樣開關(guān)將連續(xù)信號變成脈沖序列，這類控制系統(tǒng)又稱為采樣控制系統(tǒng)或脈沖控制系統(tǒng)。而用數(shù)字計算機或數(shù)字控制器控制的系統(tǒng)又稱為數(shù)字控制系統(tǒng)或計算機控制系統(tǒng)。導論----反饋控制系統(tǒng)的分類導論----控制系統(tǒng)性能的基本要求穩(wěn)定性：要求自動控制系統(tǒng)必須是穩(wěn)定的，它是保證系統(tǒng)能正常工作的必要條件?？焖傩裕阂笞詣涌刂葡到y(tǒng)的過渡過程其持續(xù)時間盡量短，即過渡過程盡快結(jié)束，輸出盡快地跟蹤上輸入的變化。準確性：當過渡過程結(jié)束后，要求輸出量最終應(yīng)準確地達到希望值，否則將產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)誤差。

穩(wěn)

準

快導論----控制系統(tǒng)性能的基本要求穩(wěn)定性系統(tǒng)在受到擾動作用后,自動返回原來的平衡狀態(tài)的能力。如果系統(tǒng)受到擾動作用（系統(tǒng)內(nèi)或系統(tǒng)外）后，能自動返回到原來的平衡狀態(tài)，則該系統(tǒng)是穩(wěn)定的。穩(wěn)定系統(tǒng)的數(shù)學特征是其輸出量具有非發(fā)散性；反之，系統(tǒng)是不穩(wěn)定系統(tǒng)。穩(wěn)定性是保證系統(tǒng)能正常工作的必要條件，衡量指標有穩(wěn)定裕度等。穩(wěn)定性示意圖快速性要求自動控制系統(tǒng)的過渡過程盡量短暫，輸出盡快平穩(wěn)地跟蹤上輸入的變化。通常在時域中給出瞬態(tài)響應(yīng)指標來衡量快速性。常用單位階躍信號作用下，系統(tǒng)輸出的超調(diào)量σ,上升時間Tr,峰值時間Tp,過渡過程時間（或調(diào)整時間）Ts和振蕩次數(shù)N等指標表示。導論-----控制系統(tǒng)性能的基本要求

準確性當過渡過程結(jié)束后，要求輸出量最終應(yīng)準確地達到希望值，否則將產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)誤差。準確性指標有穩(wěn)態(tài)誤差和穩(wěn)態(tài)誤差系數(shù)，指穩(wěn)定系統(tǒng)在完成過渡過程后的穩(wěn)態(tài)輸出偏離希望值的程度。導論----控制系統(tǒng)性能的基本要求

時間瞬態(tài)過程穩(wěn)態(tài)過程調(diào)節(jié)時間Ts快準穩(wěn)定系統(tǒng)的典型單位階躍響應(yīng)曲線4.當然你可以說我不投錢，但是我把所有時間和經(jīng)歷，所有一切都投入進去別人也會信任，這是共擔風險才會走到明天。19.目標的堅定是性格中最必要的力量源泉之一，也是成功的利器之一。沒有它，天才也會在矛盾無定的迷徑中徒勞無功。19.過去不等于未來，沒有失敗，只有暫時停止成功。3、未曾失敗的人恐怕也未曾成功過。13.太陽也不是神，光和熱的聚合體罷了。越接近太陽的人只會點燃自己。6、時間，是靠自己去擠的。在你這一秒空閑的時候，時間又像腳底抹了油似的溜走了，只有去抓住它，它似乎才會停下腳步這時，你就可以做自己想做的事情。5、每一個人都擁有生命，但并非每個人都懂得生命，乃至于珍惜生命。不了解生命的人，生命對他來說，是一種懲罰。9.成你做了什么，而要問你為別人做了什么。10.無論你在什么時候開始，重要的是開始后就不要停止;無論你在什么時候結(jié)束，重要