1、第一章是自動控制系統(tǒng)的基本概念，第二章是自動控制系統(tǒng)的數(shù)學模型，第三章是自動控制系統(tǒng)的時域分析，第四章是根軌跡法，第五章是頻率法，第六章是控制系統(tǒng)的校正與綜合，第七章是線性離散系統(tǒng)的理論基礎，第八章是非線性系統(tǒng)分析，自動控制原理，課程的性質和特點。本課程與其他課程的關系：本課程的理論體系，1.1控制理論發(fā)展概述，1)經(jīng)典控制理論的研究對象：線性時不變單輸入單輸出系統(tǒng)數(shù)學模型：微分方程，傳遞函數(shù)(第2章)系統(tǒng)分析：時域分析，根軌跡分析，頻率特性分析(第3，4，5章)系統(tǒng)綜合：根軌跡法， 頻率特性法(第6章)2)現(xiàn)代控制理論的研究對象：多輸入多輸出系統(tǒng)的數(shù)學模型：狀態(tài)空間表達系統(tǒng)分析：時域分析，可

2、控性可觀性分析，穩(wěn)定性分析系統(tǒng)綜合：狀態(tài)反饋控制，狀態(tài)反饋控制解耦控制和最優(yōu)控制，1.1引言，經(jīng)典控制理論所采用的方法本質上是頻域方法，它基于啟發(fā)式方法，主要研究系統(tǒng)外部特性的輸入輸出關系，只適用于相對簡單的線性穩(wěn)態(tài)SISO系統(tǒng)。 現(xiàn)代控制理論所采用的方法實質上是一種時域方法，它不僅適用于線性時不變SISO系統(tǒng)，而且適用于時變系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)和多輸入多輸出系統(tǒng)；不僅可以研究系統(tǒng)的外部特性，還可以研究系統(tǒng)的內(nèi)部特性并將其引入到控制中，根據(jù)一定的性能指標設計最優(yōu)控制系統(tǒng)。第一階段是：經(jīng)典(自動)控制理論，也稱自動控制理論。它的發(fā)展大致經(jīng)歷了以下幾個過程：在萌芽階段，如果要追溯自動控制技術的發(fā)展歷史

3、，中國早在兩千年前就有了自動控制技術的萌芽?？刂评碚摰漠a(chǎn)生和發(fā)展可分為以下幾個階段：(2)在初始階段，隨著科學技術和工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，自動控制技術在18世紀逐漸應用于現(xiàn)代工業(yè)。最杰出的代表是瓦特發(fā)明的蒸汽機離心調速器，它加快了第一次工業(yè)革命的步伐。瓦特，發(fā)展的三個階段，1。1868年，麥克斯韋解決了蒸汽機速度控制系統(tǒng)劇烈振蕩的不穩(wěn)定問題，提出了一個簡單的穩(wěn)定性代數(shù)判據(jù)。1895年，勞斯和赫維茨將麥克斯韋的思想推廣到由高階微分方程描述的更復雜的系統(tǒng)，并分別提出了兩個著名的穩(wěn)定性判據(jù)勞斯判據(jù)和赫維茨判據(jù)。它基本上滿足了20世紀初控制工程師的需求。赫維茨，3歲。由于第二次世界大戰(zhàn)中控制系統(tǒng)需要具有精確

4、的跟蹤和補償能力，1932年，奈奎斯特提出了在頻域研究系統(tǒng)頻率響應的方法，為具有高動態(tài)品質和高靜態(tài)精度的軍事控制系統(tǒng)提供了必要的分析工具。奈奎斯特頻率，4。1948年，伊萬斯提出了研究復雜領域系統(tǒng)的根軌跡方法?；谀慰固仡l率響應法和埃文斯根軌跡法的理論稱為經(jīng)典控制理論(或自動控制理論)。1947年，控制論的創(chuàng)始人N.Weiner將控制論引起的自動化與第二次工業(yè)革命聯(lián)系起來，并于1948年發(fā)表了控制論關于動物和機器的控制和通信的科學，其中討論了控制理論的一般方法，擴展了反饋的概念，并為控制理論的學科奠定了基礎?？刂普撝疙f納。中國著名科學家錢學森將控制理論應用于工程實踐，并于1954年發(fā)表了工

5、程控制論。從四十年代到五十年代末，經(jīng)典控制理論的發(fā)展和應用在全世界的科學水平上取得了巨大的飛躍，自動控制技術幾乎被廣泛應用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通和國防建設的各個領域。可以說，工業(yè)革命和戰(zhàn)爭促進了經(jīng)典控制理論的發(fā)展?，F(xiàn)代控制理論的第二階段，科學技術的發(fā)展不僅需要控制理論的迅速發(fā)展，而且也為現(xiàn)代控制理論的發(fā)展準備了兩個重要條件，現(xiàn)代數(shù)學和數(shù)字計算機?，F(xiàn)代數(shù)學，如泛函分析和現(xiàn)代代數(shù)，為現(xiàn)代控制理論提供了各種分析工具。數(shù)字計算機為現(xiàn)代控制理論的發(fā)展提供了應用平臺。自20世紀50年代末以來，隨著計算機的飛速發(fā)展，核能技術和空間技術的發(fā)展得到了促進，這使得多輸入多輸出系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)和時變系統(tǒng)應運而生。20世

6、紀50年代末，貝爾曼等人提出了狀態(tài)分析方法。1957年，動態(tài)規(guī)劃被提出。2.1959年，卡爾曼和布斯創(chuàng)立了卡爾曼濾波理論。1960年，狀態(tài)空間方法成功地應用于控制系統(tǒng)的研究，并提出了能控性和能觀性的新概念?？柭?，4。羅森布魯克、歐文斯和麥克法蘭研究了計算機輔助控制系統(tǒng)設計中的現(xiàn)代頻域方法理論，將經(jīng)典控制理論的傳遞函數(shù)概念推廣到多變量系統(tǒng)，并討論了傳遞函數(shù)矩陣與狀態(tài)方程之間的等價轉換關系，以進一步建立統(tǒng)一性。龐特里亞金龐特里亞金，4歲。羅森布魯克、歐文斯和麥克法蘭研究了計算機輔助控制系統(tǒng)設計中的現(xiàn)代頻域方法理論，并將經(jīng)典控制理論的傳遞函數(shù)概念推廣到多變量系統(tǒng)。討論了傳遞函數(shù)矩陣與狀態(tài)方程之間的

7、等價轉換關系，為進一步建立統(tǒng)一的線性系統(tǒng)理論奠定了基礎。5.奧斯特羅姆(瑞典)和朗道(法國，朗道)在20世紀70年代對自適應控制理論和應用作出了貢獻。同時，系統(tǒng)辨識、最優(yōu)控制、離散時間系統(tǒng)和自適應控制的發(fā)展極大地豐富了現(xiàn)代控制理論的內(nèi)容。朗道，魯棒控制理論的第三階段，1。隨著現(xiàn)代數(shù)學的發(fā)展，H2和H控制結合了H2和H等規(guī)范，以及逆系統(tǒng)控制等。2.20世紀70年代末，控制理論朝著“大系統(tǒng)理論”、“智能控制理論”和“復雜系統(tǒng)理論”的方向發(fā)展。大系統(tǒng)理論：從控制和信息的角度，研究各種大系統(tǒng)結構方案的技術基礎理論，總體設計中的分解方法和協(xié)調。復雜大系統(tǒng)控制，智能控制理論：研究和模擬人類智能活動的規(guī)律及

8、其控制和信息傳遞過程，發(fā)展具有擬人智能的工程控制理論和信息處理系統(tǒng)。洗衣機的智能模糊控制，機器人的神經(jīng)網(wǎng)絡控制，復雜系統(tǒng)理論：將系統(tǒng)的研究擴展到開放的復雜巨系統(tǒng)，旨在解決復雜系統(tǒng)的控制。回顧控制理論的發(fā)展過程，我們可以看到其發(fā)展過程反映了人類已經(jīng)從機械化時代進入電氣化時代，并走向自動化、信息化和智能化時代。復雜航天器控制，現(xiàn)代控制理論與經(jīng)典控制理論的區(qū)別，第1章自動控制系統(tǒng)概述，本書主要討論經(jīng)典控制理論。12、自動控制系統(tǒng)的基本概念，“控制”是指生產(chǎn)設備或生產(chǎn)過程中一個或一些物理量的運行，以克服各種干擾的影響并達到預期的目標。在控制被控量的過程中，根據(jù)系統(tǒng)是否有人參與，可分為手動控制和自動控制

9、。如果人們完成了對受控量的控制，這就叫做手動控制；如果一些物理設備代替人來完成對受控量的控制，這就叫做自動控制。第一章：自動控制系統(tǒng)概述。下面以水池水位控制為例，介紹手動控制和自動控制的過程。第一章自動控制系統(tǒng)概述，自動控制：自動控制是指在沒有直接干預的情況下，利用物理設備對生產(chǎn)設備或工藝過程進行合理的控制，使被控制的物理量保持不變或按照一定的規(guī)則變化。受控對象：受控設備或過程稱為受控對象。受控量(或輸出量):受控物理量稱為受控量。自動控制系統(tǒng)是指實現(xiàn)某一控制目標所需的所有物理部件的有機結合。第1章自動控制系統(tǒng)概述。根據(jù)擾動的來源，擾動可分為內(nèi)部擾動和外部擾動。給定量和擾動量是自動控制系統(tǒng)的輸

10、入。給定的量通常稱為系統(tǒng)的輸入量。自動控制的任務是克服各種干擾的影響，使系統(tǒng)按照給定量設定的規(guī)律運行。1.3.1開環(huán)控制系統(tǒng)如果控制系統(tǒng)的輸出(被控量)對系統(tǒng)沒有控制作用(即沒有返回作用)，稱為開環(huán)控制系統(tǒng)。例：爐溫開環(huán)控制系統(tǒng)，第1章自動控制系統(tǒng)概述，1.3.2閉環(huán)控制系統(tǒng)，檢測輸出量，將其轉換為與輸入量相同的物理量，并與輸入量進行比較(相減)，利用獲得的偏差信號通過控制器控制被控對象，以抑制內(nèi)部擾動或外部擾動對輸出量的影響，減小輸出量的誤差。例如：爐溫閉環(huán)控制系統(tǒng)，第1章自動控制系統(tǒng)概述，開環(huán)控制系統(tǒng)與閉環(huán)控制系統(tǒng)的比較：(1)開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)的輸入和輸出都是一一對應的。第一章，

11、自動控制系統(tǒng)概述，(2)對于開環(huán)控制系統(tǒng)，只有輸入對輸出有控制作用，輸出不參與控制。從結構上看，從輸入端到輸出端只有一個信號傳輸通道(稱為前向通道或前向通道)。不具備抗干擾能力。對于閉環(huán)控制系統(tǒng)，除了輸入，輸出也參與控制。從結構上看，除了前向通道外，從輸出端到輸入端還必須有一個信號傳輸通道(稱為反饋通道)。閉環(huán)控制系統(tǒng)具有抗干擾能力。(3)閉環(huán)控制系統(tǒng)必須有檢測環(huán)節(jié)和比較環(huán)節(jié)。因為為了實現(xiàn)閉環(huán)控制，必須檢測輸出量并將其轉換成與輸入量相同的物理量，然后與輸入量進行比較以獲得偏差信號。開環(huán)控制系統(tǒng)不需要這些環(huán)節(jié)，因此其結構簡單。第一章，自動控制系統(tǒng)概述，(4)開環(huán)控制系統(tǒng)控制精度低。閉環(huán)控制系統(tǒng)具

12、有較高的控制精度。1.3.3復合控制系統(tǒng)，由開環(huán)控制和閉環(huán)控制組成的系統(tǒng)稱為復合控制系統(tǒng)。它的控制效果很好，但結構相對復雜。14閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成和基本環(huán)節(jié)，在圖中，1是給定環(huán)節(jié)；二是比較環(huán)節(jié)；三是矯正環(huán)節(jié)；四是放大環(huán)節(jié)；5是執(zhí)行機構；6是受控對象；7是檢測裝置。第1章自動控制系統(tǒng)概述，輸入，輸出，偏差，控制，1，2，3，4，5，6，7，反饋，閉環(huán)控制系統(tǒng)的典型結構圖，干擾，1給定的環(huán)節(jié)是設定被控量給定值的裝置。如爐溫閉環(huán)控制系統(tǒng)中的電位器。比較鏈接的功能是將檢測到的輸出與給定的量進行比較，并確定它們之間的偏差。3放大鏈接，其功能是將偏差信號轉換成適合于控制致動器操作的信號。第1章，自動控制系

13、統(tǒng)概述，第4章，校準鏈接或校準設備。這是一個環(huán)節(jié)通常，在控制系統(tǒng)中，比較鏈路、校正鏈路和放大鏈路被稱為控制器(或控制設備)。致動器的功能是執(zhí)行控制動作并驅動受控對象，該受控對象直接作用在受控對象上，并且通常由傳動裝置或調節(jié)機構組成。受控對象是指受控的生產(chǎn)設備或生產(chǎn)過程。7檢測裝置(傳感器)該裝置的功能是測量受控量，并將其轉換成與給定量相同的物理量，然后反饋給輸入端。在第一章自動控制系統(tǒng)概述中，對檢測裝置有三個要求：高測量精度、靈敏的響應和穩(wěn)定的性能。1.5.1、15自動控制系統(tǒng)的分類，根據(jù)控制系統(tǒng)部件的特性，它可以根據(jù)構成控制系統(tǒng)的各個部件的輸入/輸出特性分為線性控制系統(tǒng)和非線性控制系統(tǒng)。1線

14、性控制系統(tǒng)，第1章自動控制系統(tǒng)概述，線性控制系統(tǒng)有一個顯著的特點，即它滿足疊加性和同質性。當線性微分方程的所有系數(shù)都為常數(shù)時，稱為線性時不變系統(tǒng)。如果描述系統(tǒng)動態(tài)過程的微分方程是非線性微分方程，那么系統(tǒng)就是非線性系統(tǒng)。換句話說，當系統(tǒng)中至少一個部件的輸入/輸出特性是非線性時，該系統(tǒng)是非線性系統(tǒng)。第1章，自動控制系統(tǒng)概述，1.5.2按控制系統(tǒng)的信號形式分類，1連續(xù)控制系統(tǒng)，當控制系統(tǒng)中各處的信號都是時間的連續(xù)函數(shù)時，稱為連續(xù)控制系統(tǒng)。離散控制系統(tǒng)當控制系統(tǒng)中一個或幾個地方的信號以脈沖序列或數(shù)字形式傳輸時，它們在時間上是離散的，這種系統(tǒng)稱為離散控制系統(tǒng)。第一章，自動控制系統(tǒng)概述，脈沖形式的離散信號

15、系統(tǒng)稱為脈沖控制系統(tǒng)；對于使用數(shù)字計算機或數(shù)字控制器的系統(tǒng)，離散信號是數(shù)字形式的，稱為數(shù)字控制系統(tǒng)。數(shù)字控制系統(tǒng)結構圖，控制器，控制對象，AD，DA，第1章自動控制系統(tǒng)概述，1.5.3根據(jù)輸入量的變化形式分類，1定值控制系統(tǒng)，輸入量是一個常數(shù)，要求輸出量盡可能保持在期望值。2程控系統(tǒng)，系統(tǒng)的輸入量根據(jù)預設的時間函數(shù)而變化，而輸出量要求精確或以一定的精度跟蹤變化。伺服控制系統(tǒng)(也稱伺服系統(tǒng))，系統(tǒng)的輸入量隨時間任意變化，要求輸出量準確或以一定精度跟隨輸入量的變化。示例1-1船舶轉向角位置跟蹤系統(tǒng)。試分析其工作原理并繪制系統(tǒng)結構圖。第1章自動控制系統(tǒng)概述，第1章自動控制系統(tǒng)概述，16自動控制系統(tǒng)的基本要求，1.6.1穩(wěn)定性和瞬態(tài)：輸出處于變化狀態(tài)稱為瞬態(tài)或動態(tài)。穩(wěn)態(tài)：輸出處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)(達到平衡狀態(tài))，稱為穩(wěn)態(tài)或靜態(tài)。所謂穩(wěn)定性是指當系統(tǒng)受到瞬時擾動影響時，輸出偏離初始平衡狀態(tài)并產(chǎn)生偏差。當擾動消失時，輸出可以恢復(或接近)原始平衡狀態(tài)。第1章自動控制系統(tǒng)概述，1.6.2精度，自動控制系統(tǒng)的精度，即控制精度通常用穩(wěn)態(tài)誤差來表示。對于一個穩(wěn)定的系統(tǒng)，當瞬態(tài)過程結束并達到穩(wěn)態(tài)時，系統(tǒng)輸出的實際值和期望值之間的差值稱為穩(wěn)態(tài)誤差。第1章，自動控制系統(tǒng)概述，自動控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，干擾，(b)微分系統(tǒng)，干擾，(a)非微分系統(tǒng)，1.6.3快速性，對于一般控制系統(tǒng)，