自動(dòng)控制理論作者浙江大學(xué)鄒伯敏教授第一章

1、2021-10-10第一章 緒論1作者： 浙江大學(xué) 鄒伯敏 教授 2021-10-10第一章 緒論2v第一節(jié)第一節(jié) 自動(dòng)控制理論發(fā)展簡介自動(dòng)控制理論發(fā)展簡介v第二節(jié)第二節(jié) 自動(dòng)控制系統(tǒng)的一般概念自動(dòng)控制系統(tǒng)的一般概念v第三節(jié)第三節(jié) 開環(huán)控制和閉環(huán)控制開環(huán)控制和閉環(huán)控制v第四節(jié)第四節(jié) 自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類v第五節(jié)第五節(jié) 對(duì)控制系統(tǒng)性能的要求和本課程的任務(wù)對(duì)控制系統(tǒng)性能的要求和本課程的任務(wù)本章主要內(nèi)容本章主要內(nèi)容2021-10-10第一章 緒論3 自動(dòng)控制理論是自動(dòng)控制技術(shù)的基礎(chǔ)理論，是一門理論自動(dòng)控制理論是自動(dòng)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(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展

2、進(jìn)程，自動(dòng)控性較強(qiáng)的工程科學(xué)。根據(jù)自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展進(jìn)程，自動(dòng)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。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)典控制理論的形成和基本內(nèi)容經(jīng)典控制理論的形成和基本內(nèi)容（1 1）工業(yè)化促使自動(dòng)控制裝置產(chǎn)生）工業(yè)化促使自動(dòng)控制裝置產(chǎn)生 最早工業(yè)應(yīng)用的自動(dòng)裝置：最早工業(yè)應(yīng)用的自動(dòng)裝置：17691769年年wattwatt發(fā)明的飛球式發(fā)明的飛球式蒸汽機(jī)調(diào)速器。蒸汽機(jī)調(diào)速器。 一種憑借直覺的實(shí)證性發(fā)明。一種憑借直覺的實(shí)證性發(fā)明。2021-10-10第一章 緒論4（2） 最早的穩(wěn)定性研究最早的穩(wěn)定性研究 j.c.maxwell（麥克斯韋爾），（麥克斯韋爾）

3、，1868年發(fā)表年發(fā)表論調(diào)節(jié)論調(diào)節(jié)器器，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，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(duì)負(fù)的實(shí)部，針對(duì)二階決于微分方程的特征根是否都具有一對(duì)負(fù)的實(shí)部，針對(duì)二階和三階系統(tǒng)討論了使特征根具有負(fù)實(shí)部時(shí)，特征多項(xiàng)式系列和三階系統(tǒng)討論了使特征根具有負(fù)實(shí)部時(shí)，特征多項(xiàng)式系列應(yīng)滿足的條件。應(yīng)滿足的條件。 文獻(xiàn)： j.c. maxwell. on governors. proc. of the royal society of london. 16, 1868.（3） 系統(tǒng)穩(wěn)定判據(jù)系統(tǒng)穩(wěn)定判據(jù) 由由hurwitz（霍爾維茨，（霍爾

4、維茨，1895年）和年）和 e.j.routh（勞斯，（勞斯，1884年）提出的勞斯年）提出的勞斯-霍爾維茨穩(wěn)定判據(jù)霍爾維茨穩(wěn)定判據(jù) a.m.lyapunov（李雅普諾夫，（李雅普諾夫，1892年）提出了李雅年）提出了李雅普諾夫第一法與第二法普諾夫第一法與第二法 2021-10-10第一章 緒論5h.nyquisth.nyquist（奈魁斯特，（奈魁斯特，19321932年）年）提出奈氏判據(jù)，提出奈氏判據(jù)，bode(bode(波德，波德，19271927年）年）提出了對(duì)數(shù)頻率特性的方法。提出了對(duì)數(shù)頻率特性的方法。 w.r.evansw.r.evans（伊萬斯，（伊萬斯，19481948年年)

5、)提出根軌跡法。此方法和規(guī)則提出根軌跡法。此方法和規(guī)則指的是當(dāng)系統(tǒng)參數(shù)變化時(shí)特征方程式根變化的幾何軌跡。目指的是當(dāng)系統(tǒng)參數(shù)變化時(shí)特征方程式根變化的幾何軌跡。目前仍然是系統(tǒng)設(shè)計(jì)和穩(wěn)定性分析的一種重要方法。前仍然是系統(tǒng)設(shè)計(jì)和穩(wěn)定性分析的一種重要方法。（4 4）40-5040-50年代形成年代形成 sisosiso（single input single outputsingle input single output）系統(tǒng)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(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家們將反饋放大發(fā)展。美國麻省理工學(xué)院雷

6、達(dá)實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家們將反饋放大器理論、器理論、 pidpid（比例（比例- -積分積分- -微分）控制以及微分）控制以及n.wienern.wiener（維納）（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(dòng)控的隨機(jī)過程理論等結(jié)合在一起，形成了一整套被稱為隨動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。19481948年年 n.wienern.wiener發(fā)表著名的發(fā)表著名的控制論控制論2021-10-10第一章 緒論6（5 5） 5050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(shí)域分析法、頻率特性法、根軌跡法、系統(tǒng)綜合與校立、時(shí)域分析法、

7、頻率特性法、根軌跡法、系統(tǒng)綜合與校正、非線性系統(tǒng)和采樣控制系統(tǒng)分析法等，也被稱為經(jīng)典正、非線性系統(tǒng)和采樣控制系統(tǒng)分析法等，也被稱為經(jīng)典控制理論。控制理論?，F(xiàn)代控制理論現(xiàn)代控制理論空間技術(shù)競賽催生了現(xiàn)代控制理論空間技術(shù)競賽催生了現(xiàn)代控制理論 5050年代末，美國的年代末，美國的bellmanbellman（貝爾曼）、（貝爾曼）、 kalmkalmanan（卡（卡爾曼）和俄羅斯的龐德里亞金等考慮用常微分方程作為控爾曼）和俄羅斯的龐德里亞金等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(jì)算機(jī)的發(fā)展使得十年前尚制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。由于數(shù)字計(jì)算機(jī)的發(fā)展使得十年前尚無法進(jìn)行的計(jì)算問題成為可能，這時(shí)李雅普

8、諾夫的工作被無法進(jìn)行的計(jì)算問題成為可能，這時(shí)李雅普諾夫的工作被引入到控制理論中來，而由引入到控制理論中來，而由wienerwiener（維納）等人在第二次（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)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。軌跡的優(yōu)化問題。2021-10-10第一章 緒論7 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(jì)算機(jī)。這種方法通常稱為礎(chǔ)上直接引進(jìn)并大量使用了計(jì)算機(jī)。這種方法通常稱為“現(xiàn)代控制理論現(xiàn)代控制理論”，以區(qū)別于，以區(qū)別于60年代以前的年代以前的“

9、經(jīng)典控制經(jīng)典控制理論理論”軟著陸軟著陸-極大值原理（極大值原理（19561956）最小燃料控制最小燃料控制-動(dòng)態(tài)規(guī)劃動(dòng)態(tài)規(guī)劃 （19571957）姿態(tài)控制姿態(tài)控制-狀態(tài)空間理論狀態(tài)空間理論(1960(1960）2021-10-10第一章 緒論8現(xiàn)代控制理論的重要標(biāo)志現(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。狀態(tài)空間法被引入到控制理論中來。 kalmankalman提出了能控性與能觀測(cè)性。表征系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特提出了能控性與能觀測(cè)性。表征系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特征的重要概念。征的重要概念。 “ “內(nèi)部研究內(nèi)部研究”代替了傳統(tǒng)的代替了傳統(tǒng)的“外部研究外部研究”。并使分析。并使分析與綜合過程建立在嚴(yán)格的理論

10、基礎(chǔ)之上。與綜合過程建立在嚴(yán)格的理論基礎(chǔ)之上。 主要分支學(xué)科：主要分支學(xué)科：線性系統(tǒng)理論、最優(yōu)控制理論、系統(tǒng)線性系統(tǒng)理論、最優(yōu)控制理論、系統(tǒng)辨識(shí)與自適應(yīng)控制、大系統(tǒng)理論和特大系統(tǒng)理論等。一辨識(shí)與自適應(yīng)控制、大系統(tǒng)理論和特大系統(tǒng)理論等。一些分支學(xué)科還滲透到相鄰學(xué)科中去，如濾波技術(shù)、自學(xué)些分支學(xué)科還滲透到相鄰學(xué)科中去，如濾波技術(shù)、自學(xué)習(xí)理論與人工智能、建模理論與系統(tǒng)工程等。習(xí)理論與人工智能、建模理論與系統(tǒng)工程等。2021-10-10第一章 緒論9 在科學(xué)和工程技術(shù)的發(fā)展過程中，自動(dòng)控在科學(xué)和工程技術(shù)的發(fā)展過程中，自動(dòng)控制技術(shù)起著重要的作用。除了在宇宙飛船、導(dǎo)彈制技術(shù)起著重要的作用。除了在宇宙飛船、

11、導(dǎo)彈發(fā)射和飛機(jī)駕駛等系統(tǒng)中，自動(dòng)控制技術(shù)具有特發(fā)射和飛機(jī)駕駛等系統(tǒng)中，自動(dòng)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。產(chǎn)過程中也是不可缺少的重要組成部分。 隨著自動(dòng)控制理論和技術(shù)的不斷發(fā)展，自隨著自動(dòng)控制理論和技術(shù)的不斷發(fā)展，自動(dòng)控制技術(shù)的廣泛應(yīng)用使生產(chǎn)設(shè)備或過程實(shí)現(xiàn)了動(dòng)控制技術(shù)的廣泛應(yīng)用使生產(chǎn)設(shè)備或過程實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化，極大地提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量、自動(dòng)化，極大地提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量、降低了生產(chǎn)成本、改善了勞動(dòng)條件，而且在人類降低了生產(chǎn)成本、改善了勞動(dòng)條件，而且在人類向大自然挑戰(zhàn)、探索新能源、改善

12、人民生活等方向大自然挑戰(zhàn)、探索新能源、改善人民生活等方面都起著極其重要的作用。面都起著極其重要的作用。 控制理論在國民經(jīng)濟(jì)中的作用控制理論在國民經(jīng)濟(jì)中的作用2021-10-10第一章 緒論101 1）自動(dòng)控制技術(shù)應(yīng)用于軍事、航天領(lǐng)域）自動(dòng)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。火炮、雷達(dá)、跟蹤系統(tǒng)；人造衛(wèi)星；宇宙飛船。 2 2）自動(dòng)控制技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)過程）自動(dòng)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；軋鋼過程；工業(yè)窯爐；石油化工；水泥建材； 玻璃、造紙等。玻璃、造紙等。3 3）自動(dòng)控制技術(shù)應(yīng)用于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)）自動(dòng)控制技術(shù)應(yīng)用于現(xiàn)代農(nóng)

13、業(yè)生產(chǎn) 自動(dòng)灌溉；農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)；病情檢測(cè)等。自動(dòng)灌溉；農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)；病情檢測(cè)等。2021-10-10第一章 緒論114 4）自動(dòng)控制技術(shù)應(yīng)用于其它領(lǐng)域）自動(dòng)控制技術(shù)應(yīng)用于其它領(lǐng)域 由于計(jì)算機(jī)等技術(shù)的誕生和飛速發(fā)展，使得控由于計(jì)算機(jī)等技術(shù)的誕生和飛速發(fā)展，使得控制技術(shù)水平不斷提高，已擴(kuò)大到經(jīng)濟(jì)與社會(huì)生活的制技術(shù)水平不斷提高，已擴(kuò)大到經(jīng)濟(jì)與社會(huì)生活的各個(gè)領(lǐng)域，如通信、交通、醫(yī)學(xué)、環(huán)境保護(hù)、經(jīng)濟(jì)各個(gè)領(lǐng)域，如通信、交通、醫(yī)學(xué)、環(huán)境保護(hù)、經(jīng)濟(jì)管理等領(lǐng)域，控制技術(shù)已成為現(xiàn)代社會(huì)不可缺少的管理等領(lǐng)域，控制技術(shù)已成為現(xiàn)代社會(huì)不可缺少的重要組成部分。重要組成部分。 近年來，我國在自動(dòng)化儀表、工業(yè)調(diào)節(jié)器、數(shù)近

14、年來，我國在自動(dòng)化儀表、工業(yè)調(diào)節(jié)器、數(shù)字控制技術(shù)、航天工程、核動(dòng)力工程等方面的研究字控制技術(shù)、航天工程、核動(dòng)力工程等方面的研究和應(yīng)用取得了長足進(jìn)展。和應(yīng)用取得了長足進(jìn)展。生物：人口控制，藥物動(dòng)力學(xué)生物：人口控制，藥物動(dòng)力學(xué)金融：貨幣控制金融：貨幣控制家庭：電飯煲，洗衣機(jī)家庭：電飯煲，洗衣機(jī)2021-10-10第一章 緒論12 2021-10-10第一章 緒論132021-10-10第一章 緒論14一、液位控制系統(tǒng)一、液位控制系統(tǒng)2021-10-10第一章 緒論152021-10-10第一章 緒論16 被控對(duì)象被控對(duì)象-水池水池 測(cè)量元件測(cè)量元件-浮子浮子 比較機(jī)構(gòu)比較機(jī)構(gòu)-浮子的希望位置與實(shí)際

15、位置之差浮子的希望位置與實(shí)際位置之差 放大機(jī)構(gòu)放大機(jī)構(gòu)-提高系統(tǒng)的控制精度提高系統(tǒng)的控制精度 執(zhí)行元件執(zhí)行元件-驅(qū)動(dòng)被控對(duì)象，以改變被控制的量驅(qū)動(dòng)被控對(duì)象，以改變被控制的量2021-10-10第一章 緒論172021-10-10第一章 緒論18二、隨動(dòng)控制系統(tǒng)二、隨動(dòng)控制系統(tǒng)2021-10-10第一章 緒論192021-10-10第一章 緒論202021-10-10第一章 緒論21圖中圖中2021-10-10第一章 緒論22v開環(huán)控制控制器控制器被控對(duì)象被控對(duì)象控制量控制量給定值給定值r(t)u(t)y(t)圖圖1-10 開環(huán)控制系統(tǒng)開環(huán)控制系統(tǒng)2021-10-10第一章 緒論23 k udnug例：直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（機(jī)械力矩例：直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（機(jī)械力矩 ml恒定恒定)圖圖1-11 直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（開環(huán)）直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（開環(huán)）2021-10-10第一章 緒論24v閉環(huán)控制 穩(wěn)態(tài)精度高、動(dòng)態(tài)性能好、穩(wěn)定裕度大等。穩(wěn)態(tài)精度高、動(dòng)態(tài)性能好、穩(wěn)定裕度大等?？刂破骺刂破鞅豢貙?duì)象被控對(duì)象控制量控制量輸出量輸出量給定值給定值r(t)u(t)y(t)測(cè)量元件測(cè)量元件偏差偏差e(t)圖圖1-12 閉環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)2021-10-10第一章 緒論252021-