自動(dòng)控制與智能控制概論中國石油大學(xué)（華東）2023.9目錄CONTENTS一控制理論的發(fā)展歷程自動(dòng)控制與自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念基本控制方式控制系統(tǒng)的類型二五四三控制系統(tǒng)的組成六控制系統(tǒng)的基本要求2七典型輸入信號31.控制理論的發(fā)展歷程自動(dòng)控制的起源

-指南車41.控制理論的發(fā)展歷程自動(dòng)控制的起源

-指南車齒輪系車身木人方向車輛轉(zhuǎn)彎51.控制理論的發(fā)展歷程自動(dòng)控制的起源

-漏壺61.控制理論的發(fā)展歷程自動(dòng)控制的起源

-漏水轉(zhuǎn)渾天儀

-水運(yùn)儀象臺(tái)71.控制理論的發(fā)展歷程自動(dòng)控制的起源

-公元

1世紀(jì)古埃及和希臘的發(fā)明家也創(chuàng)造了一些機(jī)器人或機(jī)器動(dòng)物來適應(yīng)當(dāng)時(shí)宗教活動(dòng)的需要。如教堂廟門自動(dòng)開啟﹑銅祭司自動(dòng)灑圣水﹑投幣式圣水箱和教堂門口自動(dòng)鳴叫的青銅小鳥等自動(dòng)裝置。

-近代自動(dòng)裝置

17世紀(jì)以來﹐隨著生產(chǎn)的發(fā)展﹐在歐洲的一些國家相繼出現(xiàn)了多種自動(dòng)裝置﹐其中比較典型的有﹕法國物理學(xué)家帕斯卡在1642年發(fā)明能自動(dòng)進(jìn)位的加法器；荷蘭機(jī)械師惠更斯于1657年發(fā)明鐘表﹐提出鐘擺理論﹐利用錐形擺作調(diào)速器；英國機(jī)械師E.李1745年發(fā)明帶有風(fēng)向控制的風(fēng)磨﹐利用尾翼來使主翼對準(zhǔn)風(fēng)向。

81.控制理論的發(fā)展歷程自動(dòng)控制技術(shù)形成時(shí)期

-蒸汽機(jī)調(diào)速器91.控制理論的發(fā)展歷程自動(dòng)控制技術(shù)形成時(shí)期

-蒸汽機(jī)調(diào)速器蒸汽源蒸汽機(jī)(對象)負(fù)荷離心式調(diào)速器(調(diào)節(jié)器)進(jìn)汽閥轉(zhuǎn)速測量101.控制理論的發(fā)展歷程自動(dòng)控制技術(shù)形成時(shí)期

-18世紀(jì)以前，自動(dòng)控制系統(tǒng)發(fā)展的特點(diǎn)是憑借發(fā)明者的直覺、聰明和經(jīng)驗(yàn)，往往是就事論事，不同控制系統(tǒng)之間沒有多少聯(lián)系，沒有理論上的指導(dǎo)。

-隨著技術(shù)的發(fā)展，控制系統(tǒng)的應(yīng)用增多，人們發(fā)現(xiàn)不同的控制系統(tǒng)有一些共同的問題要解決，如：系統(tǒng)的穩(wěn)定性、控制精度，過渡過程。因此，需要發(fā)展一門專門的理論來研究自動(dòng)控制系統(tǒng)的一些共性的問題－－自動(dòng)控制理論。111.控制理論的發(fā)展歷程自動(dòng)控制技術(shù)形成時(shí)期

-1868年，英國人麥克斯韋爾（Maxwell）用微分方程建立了一類調(diào)節(jié)器的數(shù)學(xué)模型，將自動(dòng)控制系統(tǒng)與數(shù)學(xué)聯(lián)系起來。

-1892年，俄國學(xué)者李雅普諾夫發(fā)表了“論運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性的一般問題”的博士論文，提出了李雅普諾夫穩(wěn)定性理論。

-20世紀(jì)30年代，PID控制器出現(xiàn)，并獲得廣泛應(yīng)用。

-1927年，為了使廣泛應(yīng)用的電子管在其性能發(fā)生較大變化的情況下仍能正常工作，反饋放大器正式誕生。

-從而，確立了反饋在自動(dòng)控制技術(shù)中的核心地位，并且有關(guān)系統(tǒng)穩(wěn)定性和性能品質(zhì)分析的大量研究成果也應(yīng)運(yùn)而生。121.控制理論的發(fā)展歷程經(jīng)典控制理論階段（1787——1960）

-自動(dòng)控制領(lǐng)域的第一項(xiàng)重大成果18世紀(jì)詹姆斯·瓦特為控制蒸汽機(jī)速度而設(shè)計(jì)的離心調(diào)節(jié)器。-經(jīng)典控制理論的輝煌總結(jié)維納于1948年出版了專著《控制論》-“工程控制論”誕生1954年錢學(xué)森出版專著《工程控制論》

系統(tǒng)地揭示了控制論對自動(dòng)化、航空、航天、電子通信等工程技術(shù)領(lǐng)域的意義和深遠(yuǎn)影響標(biāo)志著控制論學(xué)科分化而產(chǎn)生的第一個(gè)分支學(xué)科“工程控制論”的誕生。-頻率響應(yīng)法和根軌跡法是經(jīng)典控制理論的核心131.控制理論的發(fā)展歷程現(xiàn)代控制理論階段(1960-1980)

-1960年開始，在“經(jīng)典控制理論”的基礎(chǔ)上形成“現(xiàn)代控制理論”數(shù)字計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)以及工業(yè)、軍事特別是空間技術(shù)的需求；推動(dòng)以時(shí)域方法為主的諸多分析設(shè)計(jì)方法迅猛發(fā)展；人類在自動(dòng)控制技術(shù)認(rèn)識上的一次飛躍。-狀態(tài)空間方法時(shí)域方法，其核心是最優(yōu)化技術(shù)；以狀態(tài)空間描述（實(shí)質(zhì)上是一階微分或差分方程組）作為數(shù)學(xué)模型；利用計(jì)算機(jī)作為系統(tǒng)建模分析、設(shè)計(jì)乃至控制的手段，適應(yīng)于多變量、非線性、時(shí)變系統(tǒng)；在航天、航空、制導(dǎo)與軍事武器控制中有成功的應(yīng)用；在工業(yè)生產(chǎn)過程控制中也得到逐步應(yīng)用。141.控制理論的發(fā)展歷程智能控制理論階段(1980-今)

-傳統(tǒng)控制理論與模糊邏輯、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法等人工智能技術(shù)相結(jié)合；-利用人類的控制知識對復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行控制；-是人工智能在控制上的應(yīng)用；-智能控制體系形成的歷史不長，理論還未完全成熟；-已有的應(yīng)用成果和理論發(fā)展說明了智能控制正成為自動(dòng)控制的前沿學(xué)科之一。151.控制理論的發(fā)展歷程代表人物

-國外：美國數(shù)學(xué)家N.維納、英國機(jī)械師J.瓦特、美國貝爾實(shí)驗(yàn)室的兩位數(shù)學(xué)家（英國的勞斯和德國的胡爾維茨）、美國電信工程師N.奈奎斯特、伯德、數(shù)學(xué)家伊文斯等。

-國內(nèi)：錢學(xué)森、宋健、顧毓秀等。162.自動(dòng)控制與自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念自動(dòng)控制

-指在無人直接參與的情況下，利用控制裝置操縱受控對象，使被控量等于給定值或按輸入信號的變化規(guī)律去變化的過程。

-控制裝置：是控制器和檢測（反饋）元件的總稱?？刂破鳎河脕聿倏v受控對象的設(shè)備（校正器+放大器+執(zhí)行器）。檢測（反饋）元件：一般為傳感器。-被控量：控制對象要實(shí)現(xiàn)的量，是表征對象特征的關(guān)鍵參數(shù)。如冰箱溫度、電機(jī)的轉(zhuǎn)速、飛機(jī)姿態(tài)角、船的航行軌跡、電網(wǎng)的電壓、生產(chǎn)過程中的壓力、流量、溫度、濕度等。。172.自動(dòng)控制與自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念自動(dòng)控制系統(tǒng)-指能夠?qū)κ?被)控對象的工作狀態(tài)進(jìn)行自動(dòng)控制的系統(tǒng)，它由被控對象和控制裝置組成。182.自動(dòng)控制與自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念反饋控制系統(tǒng)基本組成擾動(dòng)測量變送給定環(huán)節(jié)比較環(huán)節(jié)放大變換執(zhí)行機(jī)構(gòu)被控對象串聯(lián)校正反饋校正反饋信號參考輸入偏差控制量被控量輸出-+-

給出與期望的輸出相對應(yīng)的系統(tǒng)輸入量，是一類產(chǎn)生系統(tǒng)控制指令的裝置（或軟件界面）為改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)性能特性而附加的裝置，其參數(shù)可靈活調(diào)整。工程上稱為調(diào)節(jié)器或控制器。將比較微弱的偏差信號加以放大，以足夠的功率來推動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)或被控對象

其職能是直接推動(dòng)被控對象，使其被控量發(fā)生變化。常見的執(zhí)行元件有閥門，伺服電動(dòng)機(jī)等用來檢測被控量的實(shí)際值。測量變送環(huán)節(jié)一般也稱為反饋環(huán)節(jié)。通常是一個(gè)設(shè)備、物體或過程（一般稱任何被控制的運(yùn)行狀態(tài)為過程），其作用是完成一種特定的操作。它是控制系統(tǒng)所控制和操縱的對象，它接受控制量并輸出被控量。其作用是把測量元件檢測到的實(shí)際輸出值與給定環(huán)節(jié)給出的輸入值進(jìn)行比較，求出它們之間的偏差。常用的電量比較元件有差動(dòng)放大器、電橋電路等。

自動(dòng)控制系統(tǒng)192.自動(dòng)控制與自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念名詞術(shù)語

-被控量：系統(tǒng)的輸出，是一種被測量和被控制的量值或狀態(tài)。

-控制量：也稱操縱量，是一種由控制器改變的量值或狀態(tài)。影響被控量（通常為系統(tǒng)的輸出量）的值；對系統(tǒng)的被控量的值進(jìn)行測量，并且使控制量作用于系統(tǒng)，以修正或限制測量值對期望值的偏離。

-參考輸入：人為給定，使系統(tǒng)具有預(yù)定性能或預(yù)定輸出的激發(fā)信號它代表輸出的希望值；又稱為給定輸入、給定值、期望輸出等。-反饋：將系統(tǒng)（或環(huán)節(jié)）的輸出量經(jīng)變換、處理送到系統(tǒng)（或環(huán)節(jié)）的輸入端。202.自動(dòng)控制與自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念名詞術(shù)語

-偏差：給定輸入量與主反饋量之差。

-誤差：是指系統(tǒng)輸出量的實(shí)際值與希望值之差。系統(tǒng)希望值是理想化系統(tǒng)的輸出，實(shí)際很難達(dá)到，因此用與控制輸入量有一定比例關(guān)系的信號來表示；在單位反饋情況下，希望值就是系統(tǒng)的輸入量，誤差量就等于偏差量。

-擾動(dòng)：是一種對系統(tǒng)的輸出量產(chǎn)生不利影響的信號。擾動(dòng)產(chǎn)生在系統(tǒng)的內(nèi)部，稱為內(nèi)部擾動(dòng)；擾動(dòng)產(chǎn)生在系統(tǒng)的外部，則稱之為外部擾動(dòng)。外部擾動(dòng)也是系統(tǒng)的輸入量；控制量與擾動(dòng)：通過調(diào)整控制量使得被控制量按照希望的規(guī)律變化；擾動(dòng)能影響被控制量變化，但是不被控制。212.自動(dòng)控制與自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念自動(dòng)控制×控制器受控對象檢測元件e(t)r(t)c(t)b(t)d(t)自動(dòng)控制示意圖擾動(dòng)量（干擾量）d(t)：影響被控量變化的主要干擾因素。反饋量b(t)：檢測元件的輸出值。與c(t)對應(yīng)且與r(t)同性質(zhì)。即：b(t)=c(t)。偏差量（誤差量）e(t)：e(t)=r(t)-b(t)被控量（輸出量）：表征受控對象特征的關(guān)鍵參數(shù)。實(shí)際輸出量——c(t)；理想輸出量——c0(t)?？刂屏浚ńo定量、輸入量）r(t)：要求被控量達(dá)到理想值時(shí)，所需對應(yīng)的參考輸入值。即：r(t)=c0(t)。223.基本控制方式自動(dòng)控制系統(tǒng)舉例-水箱系統(tǒng)

233.基本控制方式自動(dòng)控制系統(tǒng)舉例-水箱系統(tǒng)

243.基本控制方式自動(dòng)控制系統(tǒng)舉例-水箱系統(tǒng)

實(shí)際液位腦眼給定值手水槽擾動(dòng)測量值人工控制原理方塊圖253.基本控制方式自動(dòng)控制系統(tǒng)舉例-水箱系統(tǒng)

263.基本控制方式自動(dòng)控制系統(tǒng)舉例-水箱系統(tǒng)

273.基本控制方式自動(dòng)控制系統(tǒng)舉例-水箱系統(tǒng)

自動(dòng)控制原理方塊圖：實(shí)際液位控制器變送器給定值執(zhí)行器水槽擾動(dòng)測量值人工控制原理方塊圖：實(shí)際液位腦眼給定值手水槽擾動(dòng)測量值283.基本控制方式控制方式開環(huán)控制閉環(huán)控制復(fù)合控制兩種基本控制方式293.基本控制方式開環(huán)控制（Open-loopControl）-定義：控制裝置與受控對象之間只有順向作用而無反向聯(lián)系時(shí)的控制方式，稱為開環(huán)控制。

-結(jié)構(gòu)：控制裝置被控對象輸入量輸出量擾動(dòng)開環(huán)控制系統(tǒng)原理框圖303.基本控制方式開環(huán)控制（Open-loopControl）-特點(diǎn)：輸出量對系統(tǒng)的控制作用沒有影響。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制過程簡單，但無抗干擾能力，控制精度較低。一般只用于對控制性能要求不高的場合。-開環(huán)控制精度不高的重要原因是：沒有根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際輸出修正輸值?？刂凭韧耆Q于所用的元件及校準(zhǔn)的精度。

-開環(huán)系統(tǒng)的輸出量與輸入量間不存在反饋的通道，不需要對輸出量進(jìn)行測量，也不需要將輸出量反饋到系統(tǒng)輸入端與輸入量進(jìn)行比較。因此，開環(huán)控制系統(tǒng)又稱無反饋控制系統(tǒng)。如：打印機(jī)、復(fù)印機(jī)、簡單生產(chǎn)線、自動(dòng)洗衣機(jī)、自動(dòng)售貨機(jī)、自動(dòng)打包機(jī)等。閉環(huán)控制（Closed-loopControl）

-定義：控制裝置與受控對象之間，不但有順向作用，而且還有反向聯(lián)系，即被控量對控制過程有影響時(shí)的控制方式稱為閉環(huán)控制。不論什么原因使被控量偏離期望值而出現(xiàn)偏差時(shí)，必定會(huì)產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)的控制作用去減小或消除這個(gè)偏差，使被控量與期望值趨于一致。

-組成：313.基本控制方式開環(huán)控制系統(tǒng)原理框圖控制裝置被控對象輸入量被控量反饋環(huán)節(jié)擾動(dòng)閉環(huán)控制（Closed-loopControl）-特點(diǎn)：抗干擾能力強(qiáng)，控制精度較高，但系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制過程復(fù)雜，穩(wěn)定性的問題是系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)的一個(gè)核心問題。

一般用于對控制性能要求較高的大中型工業(yè)系統(tǒng)和精密的儀器、設(shè)備。如：電冰箱、空調(diào)器、復(fù)雜的生產(chǎn)線、精密的自動(dòng)化儀表等。轉(zhuǎn)臺(tái)速度的閉環(huán)控制。-說明：從控制作用的產(chǎn)生原理看，閉環(huán)控制也叫偏差控制；從系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)來看，閉環(huán)控制也叫反饋控制。由于引入了被控量的反饋信息，整個(gè)控制過程成為閉合的，因此反饋控制也稱為閉環(huán)控制。323.基本控制方式333.基本控制方式復(fù)合控制

-定義：復(fù)合控制是閉環(huán)控制和開環(huán)控制相結(jié)合的一種方式；對于主要擾動(dòng)采用適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償裝置實(shí)現(xiàn)按擾動(dòng)控制，同時(shí)，再組成反饋控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)按偏差控制，以消除其余擾動(dòng)產(chǎn)生的偏差。

-在閉環(huán)控制回路的基礎(chǔ)上，附加一個(gè)輸入信號或擾動(dòng)信號（是破壞系統(tǒng)輸入量和輸出量之間預(yù)定規(guī)律的信號）的順饋通路，對該信號帶來的干擾進(jìn)行補(bǔ)償，以達(dá)到精確的控制效果。

-主要特點(diǎn)：具有很高的控制精度；可以抑制幾乎所有的可量測擾動(dòng)，其中包括低頻強(qiáng)擾動(dòng)；補(bǔ)償器的參數(shù)要有較高的穩(wěn)定性。343.基本控制方式復(fù)合控制兩種基本形式干擾補(bǔ)償?shù)膹?fù)合控制系統(tǒng)框圖輸入量控制器控制對象測量元件輸出量×反饋回路被控量干擾量前饋補(bǔ)償353.基本控制方式復(fù)合控制兩種基本形式前饋補(bǔ)償輸出量被控量輸入補(bǔ)償?shù)膹?fù)合控制系統(tǒng)框圖輸入量控制器控制對象測量元件×反饋回路干擾量×363.基本控制方式為什么要采用復(fù)合控制？-反饋控制只有當(dāng)發(fā)生偏差時(shí)才進(jìn)行控制，反應(yīng)較慢；

-按擾動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償?shù)拈_環(huán)控制只要負(fù)載發(fā)生變化就能進(jìn)行控制反應(yīng)較快；-主要擾動(dòng)(可測量)——按擾動(dòng)補(bǔ)償?shù)拈_環(huán)控制其余擾動(dòng)(不可測量)——反饋控制374.控制系統(tǒng)的類型

按控制方式分類按給定值操縱的開環(huán)控制按干擾補(bǔ)償?shù)拈_環(huán)控制按偏差調(diào)節(jié)的閉環(huán)控制復(fù)合控制：閉環(huán)反饋為主，開環(huán)補(bǔ)償為輔按給定值變化規(guī)律方式分類恒值系統(tǒng)隨動(dòng)系統(tǒng)程序控制系統(tǒng)按被控對象分類運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)過程控制系統(tǒng)按系統(tǒng)功用分類溫度控制系統(tǒng)壓力控制系統(tǒng)位置控制系統(tǒng)按系統(tǒng)功能分類線性/非線性系統(tǒng)連續(xù)/離散性系統(tǒng)定常/時(shí)變性系統(tǒng)確定/不確定系統(tǒng)385.控制系統(tǒng)的組成測量元件：傳感器比較元件：對控制量與參考輸入量進(jìn)行比較，多和測量或放大元件結(jié)合在一起放大元件：使微弱信號具有足夠的幅值和功率執(zhí)行元件：接受偏差信號的控制產(chǎn)生動(dòng)作，改變控制量校正元件：用于消除或減弱系統(tǒng)在控制過程中產(chǎn)生的震蕩。

395.控制系統(tǒng)的組成控制系統(tǒng)分析

-系統(tǒng)輸出量和反饋量總是遲于輸入量的變化——控制系統(tǒng)含有儲(chǔ)能元件；-輸入量發(fā)生變化，輸出量從原平衡狀態(tài)到新的平衡狀態(tài)總要經(jīng)歷一定時(shí)間；

-暫態(tài)過程：在輸入量的作用下，系統(tǒng)的輸出量由初始狀態(tài)達(dá)到最終穩(wěn)態(tài)的中間變化過程，又稱為瞬態(tài)過程、動(dòng)態(tài)過程、過渡過程；-穩(wěn)態(tài)過程：過渡過程結(jié)束后的輸出響應(yīng)；405.控制系統(tǒng)的組成暫態(tài)過程特點(diǎn):

(a)(b)非周期振蕩；(c)發(fā)散振蕩；(d)(e)收斂振蕩；(f)等幅振蕩。

tnn1(a)0(b)nt0n0n1t0n(c)n0t(e)n1n0t(d)n0n1n0t(f)416.控制系統(tǒng)的基本要求對控制系統(tǒng)的要求: