第1章_緒論浙江工業(yè)大學(xué)國(guó)家精品課程自動(dòng)控制原理

1、國(guó)國(guó) 家家 精精 品品 課課 程程自動(dòng)控制原理自動(dòng)控制原理國(guó)家級(jí)精品教材：王萬(wàn)良國(guó)家級(jí)精品教材：王萬(wàn)良, ,自動(dòng)控制原理自動(dòng)控制原理, ,高等教育出版社高等教育出版社,2008,2008自動(dòng)控制原理國(guó)家精品課程 2自動(dòng)控制原理自動(dòng)控制原理國(guó)家精品課程網(wǎng)站國(guó)家精品課程網(wǎng)站 http:/ 3授課計(jì)劃授課計(jì)劃 1 1 自動(dòng)控制的基本概念（自動(dòng)控制的基本概念（2 2） 2 2 連續(xù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型（連續(xù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型（8 8） 3 3 時(shí)域分析法（時(shí)域分析法（1010） 4 4 頻率法（頻率法（1212） 5 5 線性系統(tǒng)的校正方法（線性系統(tǒng)的校正方法（4 4） 6 6 離散系統(tǒng)控制理論（離散系統(tǒng)控制理

2、論（1212）自動(dòng)控制原理國(guó)家精品課程 6授課老師授課老師 張端張端 1360570591613605705916，0571-852906150571-85290615 地址：地址： 廣廣C318C318 郵箱：郵箱： 研究方向：應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)、控制軟件開(kāi)發(fā)、研究方向：應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)、控制軟件開(kāi)發(fā)、能量收集系統(tǒng)、非線性控制能量收集系統(tǒng)、非線性控制 長(zhǎng)期招聘有興趣的學(xué)生，做研究，寫(xiě)仿真，長(zhǎng)期招聘有興趣的學(xué)生，做研究，寫(xiě)仿真，發(fā)表論文，申請(qǐng)專(zhuān)利。發(fā)表論文，申請(qǐng)專(zhuān)利。自動(dòng)控制原理國(guó)家精品課程 7導(dǎo) 讀為什么要介紹本章?自動(dòng)化技術(shù)幾乎滲透到國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域及社會(huì)生活的各個(gè)方面，是當(dāng)代發(fā)展最迅速、應(yīng)用最廣

3、泛、最引人注目的高科技，是推動(dòng)新的技術(shù)革命和新的產(chǎn)業(yè)革命的關(guān)鍵技術(shù)，在某種程度上說(shuō)，自動(dòng)化是現(xiàn)代化的同義詞。自動(dòng)控制原理研究分析、設(shè)計(jì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本方法。本章主要講什么內(nèi)容?從介紹自動(dòng)控制的發(fā)展歷史入手，引出自動(dòng)控制理論分析、設(shè)計(jì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本思想，然后介紹自動(dòng)控制的基本概念，以及對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求，使讀者對(duì)自動(dòng)控制理論的總的目標(biāo)有個(gè)大致的了解。第第1 1章章 自動(dòng)控制的基本概念自動(dòng)控制的基本概念自動(dòng)控制原理國(guó)家精品課程 8第第1 1章章 自動(dòng)控制的基本概念自動(dòng)控制的基本概念 1.0 1.0 自動(dòng)控制發(fā)展簡(jiǎn)史自動(dòng)控制發(fā)展簡(jiǎn)史 1.1 1.1 自動(dòng)控制系統(tǒng)自動(dòng)控制系統(tǒng) 1.2 1.

4、2 自動(dòng)控制系統(tǒng)的類(lèi)型自動(dòng)控制系統(tǒng)的類(lèi)型 1.3 1.3 對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)性能的基本要求對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)性能的基本要求 1.4 1.4 本課程的主要內(nèi)容及其相互關(guān)系本課程的主要內(nèi)容及其相互關(guān)系自動(dòng)控制原理國(guó)家精品課程 91.0 自動(dòng)控制發(fā)展簡(jiǎn)史中國(guó)古代自動(dòng)化方面的成就：中國(guó)古代自動(dòng)化方面的成就： 公元前公元前1414世紀(jì)至前世紀(jì)至前1111世紀(jì)，中國(guó)、世紀(jì)，中國(guó)、埃及和巴比倫出現(xiàn)埃及和巴比倫出現(xiàn)自動(dòng)計(jì)時(shí)漏壺自動(dòng)計(jì)時(shí)漏壺； 公元公元130130年，張衡年，張衡(78-139,(78-139,東漢東漢) )發(fā)明水運(yùn)渾象，發(fā)明水運(yùn)渾象，132132年研制出年研制出自動(dòng)自動(dòng)測(cè)量地震的候風(fēng)地動(dòng)儀測(cè)量地震的候

5、風(fēng)地動(dòng)儀； 公元公元235235年，馬鈞研制出用齒輪傳年，馬鈞研制出用齒輪傳動(dòng)自動(dòng)指示方向的動(dòng)自動(dòng)指示方向的指南車(chē)指南車(chē)，類(lèi)似，類(lèi)似按擾動(dòng)補(bǔ)償?shù)淖钥叵到y(tǒng)；按擾動(dòng)補(bǔ)償?shù)淖钥叵到y(tǒng)；自動(dòng)控制原理國(guó)家精品課程 10中國(guó)古代自動(dòng)化方面的輝煌成就：中國(guó)古代自動(dòng)化方面的輝煌成就： 公元公元725年，一行、梁令瓚發(fā)明有自動(dòng)報(bào)時(shí)機(jī)構(gòu)的年，一行、梁令瓚發(fā)明有自動(dòng)報(bào)時(shí)機(jī)構(gòu)的水運(yùn)渾象水運(yùn)渾象，其中使用了一個(gè)天衡裝置，是一個(gè)按，其中使用了一個(gè)天衡裝置，是一個(gè)按被調(diào)量偏差調(diào)節(jié)的自動(dòng)調(diào)節(jié)器；被調(diào)量偏差調(diào)節(jié)的自動(dòng)調(diào)節(jié)器； 公元公元1086-1092年，蘇頌和韓公廉在開(kāi)封建成年，蘇頌和韓公廉在開(kāi)封建成“水水運(yùn)儀象臺(tái)運(yùn)儀象臺(tái)”,

6、把時(shí)鐘機(jī)械和觀測(cè)用渾儀結(jié)合起來(lái)，把時(shí)鐘機(jī)械和觀測(cè)用渾儀結(jié)合起來(lái)，這比西方羅伯特這比西方羅伯特.胡克早六個(gè)世紀(jì)胡克早六個(gè)世紀(jì) ； 公元公元l135年，宋代王普記述年，宋代王普記述“蓮華漏蓮華漏”上使用浮上使用浮子子閥門(mén)式機(jī)構(gòu)閥門(mén)式機(jī)構(gòu)自動(dòng)調(diào)節(jié)漏壺的水位自動(dòng)調(diào)節(jié)漏壺的水位； 公元公元1637年，明代的年，明代的天工開(kāi)物天工開(kāi)物一書(shū)中記載有一書(shū)中記載有程序控制思想的程序控制思想的提花織機(jī)提花織機(jī)結(jié)構(gòu)圖。結(jié)構(gòu)圖。 自動(dòng)控制原理國(guó)家精品課程 11十八世紀(jì)，各種動(dòng)力裝置成為人們研究的重點(diǎn)。十八世紀(jì)，各種動(dòng)力裝置成為人們研究的重點(diǎn)。1750年，安得魯年，安得魯. 米克爾米克爾(1719-1811)發(fā)明發(fā)明風(fēng)

7、車(chē)扇尾傳動(dòng)裝置風(fēng)車(chē)扇尾傳動(dòng)裝置，使風(fēng)車(chē)自動(dòng)地面向風(fēng)。使風(fēng)車(chē)自動(dòng)地面向風(fēng)。威廉威廉. 丘比特對(duì)自動(dòng)開(kāi)合的百葉窗式翼板進(jìn)行改進(jìn)，使其能丘比特對(duì)自動(dòng)開(kāi)合的百葉窗式翼板進(jìn)行改進(jìn)，使其能夠自動(dòng)地調(diào)整風(fēng)車(chē)的傳動(dòng)速度。這種可調(diào)整的調(diào)節(jié)器在夠自動(dòng)地調(diào)整風(fēng)車(chē)的傳動(dòng)速度。這種可調(diào)整的調(diào)節(jié)器在1807年取的專(zhuān)利權(quán)。年取的專(zhuān)利權(quán)。托馬斯托馬斯.米德和斯蒂芬米德和斯蒂芬.胡泊分別于胡泊分別于 1787年和年和1789年獲得年獲得風(fēng)車(chē)風(fēng)車(chē)離心調(diào)速器離心調(diào)速器的專(zhuān)利權(quán)。的專(zhuān)利權(quán)。1765年俄國(guó)的波爾祖諾夫發(fā)明了蒸汽機(jī)鍋爐的水位年俄國(guó)的波爾祖諾夫發(fā)明了蒸汽機(jī)鍋爐的水位自動(dòng)調(diào)節(jié)器。自動(dòng)調(diào)節(jié)器。這在俄國(guó)被認(rèn)為是世界上第一個(gè)自動(dòng)這

8、在俄國(guó)被認(rèn)為是世界上第一個(gè)自動(dòng)調(diào)節(jié)器。調(diào)節(jié)器。 國(guó)外古代自動(dòng)化方面的輝煌成就：國(guó)外古代自動(dòng)化方面的輝煌成就：自動(dòng)控制原理國(guó)家精品課程 12世界上公認(rèn)的第一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)世界上公認(rèn)的第一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)英國(guó)格拉斯哥大學(xué)的儀器修理工瓦特在英國(guó)格拉斯哥大學(xué)的儀器修理工瓦特在紐可門(mén)蒸汽機(jī)汽缸外增加了冷凝器，紐可門(mén)蒸汽機(jī)汽缸外增加了冷凝器，1769年他的年他的“在火力機(jī)中減少蒸汽和燃在火力機(jī)中減少蒸汽和燃料消耗的一種新方法料消耗的一種新方法”專(zhuān)利獲得批準(zhǔn)。專(zhuān)利獲得批準(zhǔn)。1774年瓦特制成新型單向蒸汽機(jī)，年瓦特制成新型單向蒸汽機(jī)，1781年將往返運(yùn)動(dòng)改成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，年將往返運(yùn)動(dòng)改成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，1782年改進(jìn)為雙

9、向作用蒸汽機(jī)。年改進(jìn)為雙向作用蒸汽機(jī)。馬克思的馬克思的資本資本論論評(píng)價(jià)為評(píng)價(jià)為“才才找到一種原動(dòng)找到一種原動(dòng)機(jī)機(jī)”。自動(dòng)控制原理國(guó)家精品課程 13飛球調(diào)節(jié)器飛球調(diào)節(jié)器世界上公認(rèn)的第一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)世界上公認(rèn)的第一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng) 圖 1.1 飛球調(diào)節(jié)器原理圖 關(guān) 汽閥聯(lián)結(jié)器 開(kāi) 調(diào)節(jié)器軸 套環(huán) 汽輪機(jī)軸 1788年瓦特發(fā)明飛球年瓦特發(fā)明飛球調(diào)節(jié)器，進(jìn)一步推動(dòng)調(diào)節(jié)器，進(jìn)一步推動(dòng)蒸汽機(jī)的應(yīng)用，促進(jìn)蒸汽機(jī)的應(yīng)用，促進(jìn)了工業(yè)的發(fā)展。了工業(yè)的發(fā)展。 推動(dòng)了社會(huì)進(jìn)步是飛推動(dòng)了社會(huì)進(jìn)步是飛球調(diào)節(jié)器公認(rèn)為第一球調(diào)節(jié)器公認(rèn)為第一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)的最個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)的最主要原因！主要原因！自動(dòng)控制原理國(guó)家精品課程 14

10、沒(méi)有理論指導(dǎo)使控制技術(shù)停滯了一個(gè)世紀(jì)！沒(méi)有理論指導(dǎo)使控制技術(shù)停滯了一個(gè)世紀(jì)！ 飛球調(diào)節(jié)器有時(shí)使蒸汽機(jī)速度出現(xiàn)大幅度飛球調(diào)節(jié)器有時(shí)使蒸汽機(jī)速度出現(xiàn)大幅度振蕩。其它自動(dòng)控制系統(tǒng)也有類(lèi)似現(xiàn)象。振蕩。其它自動(dòng)控制系統(tǒng)也有類(lèi)似現(xiàn)象。 由于當(dāng)時(shí)還沒(méi)有自控理論，所以不能從理由于當(dāng)時(shí)還沒(méi)有自控理論，所以不能從理論上解釋這一現(xiàn)象。論上解釋這一現(xiàn)象。 為了解決這個(gè)問(wèn)題，盲目探索了大約一個(gè)為了解決這個(gè)問(wèn)題，盲目探索了大約一個(gè)世紀(jì)之久。世紀(jì)之久。 自動(dòng)控制原理國(guó)家精品課程 15自動(dòng)控制理論的開(kāi)端自動(dòng)控制理論的開(kāi)端 1868年英國(guó)麥克斯韋爾的年英國(guó)麥克斯韋爾的“論調(diào)速器論調(diào)速器”論文指出：論文指出： 不應(yīng)單獨(dú)研究飛球調(diào)

11、節(jié)器，必須從整個(gè)系統(tǒng)分析控制的不不應(yīng)單獨(dú)研究飛球調(diào)節(jié)器，必須從整個(gè)系統(tǒng)分析控制的不穩(wěn)定。穩(wěn)定。 建立系統(tǒng)微分方程，分析微分方程解的穩(wěn)定性，從而分析建立系統(tǒng)微分方程，分析微分方程解的穩(wěn)定性，從而分析實(shí)際系統(tǒng)是否會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象。實(shí)際系統(tǒng)是否會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象。 這樣，控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的分析，變成了判別微分方程的特這樣，控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的分析，變成了判別微分方程的特征根的實(shí)部的正、負(fù)號(hào)問(wèn)題。征根的實(shí)部的正、負(fù)號(hào)問(wèn)題。 麥克斯韋爾的這篇論文被公認(rèn)為自動(dòng)控制理論的開(kāi)麥克斯韋爾的這篇論文被公認(rèn)為自動(dòng)控制理論的開(kāi)端。端。自動(dòng)控制原理國(guó)家精品課程 161875年，英國(guó)勞斯（年，英國(guó)勞斯（1831- 1907）提出

12、代數(shù)穩(wěn)定判據(jù)。）提出代數(shù)穩(wěn)定判據(jù)。約在約在1875年，年，Maxwell擔(dān)任了劍橋擔(dān)任了劍橋Adams Prize的評(píng)獎(jiǎng)委員。這的評(píng)獎(jiǎng)委員。這項(xiàng)兩年一次的獎(jiǎng)授予在該委員會(huì)所選科學(xué)主題方面竟?fàn)幍淖罴秧?xiàng)兩年一次的獎(jiǎng)授予在該委員會(huì)所選科學(xué)主題方面竟?fàn)幍淖罴颜撐摹Ｕ撐摹?877年該項(xiàng)獎(jiǎng)的主題是年該項(xiàng)獎(jiǎng)的主題是“運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性”。E.J.Routh在這項(xiàng)竟賽中以其跟據(jù)多項(xiàng)式的系數(shù)決定多項(xiàng)式在右在這項(xiàng)竟賽中以其跟據(jù)多項(xiàng)式的系數(shù)決定多項(xiàng)式在右半平面的根的數(shù)目的論文奪得桂冠。半平面的根的數(shù)目的論文奪得桂冠。Routh的這一成果現(xiàn)在被稱(chēng)為勞斯判據(jù)。的這一成果現(xiàn)在被稱(chēng)為勞斯判據(jù)。Routh工作的意義在于

13、開(kāi)始建立有關(guān)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性的系統(tǒng)理論。工作的意義在于開(kāi)始建立有關(guān)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性的系統(tǒng)理論。 1895年，瑞士數(shù)學(xué)家赫爾維茲提出另外一種形式的代年，瑞士數(shù)學(xué)家赫爾維茲提出另外一種形式的代數(shù)穩(wěn)定判據(jù)。數(shù)穩(wěn)定判據(jù)。經(jīng)典控制理論的孕育經(jīng)典控制理論的孕育自動(dòng)控制原理國(guó)家精品課程 17經(jīng)典控制理論的孕育經(jīng)典控制理論的孕育 1892年，俄國(guó)李雅普諾夫提出穩(wěn)定性定義年，俄國(guó)李雅普諾夫提出穩(wěn)定性定義和兩個(gè)穩(wěn)定判據(jù)。和兩個(gè)穩(wěn)定判據(jù)。1892年，俄羅斯偉大的數(shù)學(xué)力學(xué)家年，俄羅斯偉大的數(shù)學(xué)力學(xué)家A.M.Lyapunov（1857.5.25-1918.11.3）發(fā)表了具有深遠(yuǎn)歷史意義的博士論文）發(fā)表了具有深遠(yuǎn)歷史意義的博士論文

14、“運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性的一般問(wèn)題的一般問(wèn)題” ，提出了為當(dāng)今學(xué)術(shù)界廣為應(yīng)用且影響巨大的，提出了為當(dāng)今學(xué)術(shù)界廣為應(yīng)用且影響巨大的李亞普諾夫方法，也即李亞普諾夫第二方法或李亞普諾夫直李亞普諾夫方法，也即李亞普諾夫第二方法或李亞普諾夫直接方法。接方法。該方法不僅適用于線性系統(tǒng)，而且適用于非線性時(shí)變?cè)摲椒ú粌H適用于線性系統(tǒng)，而且適用于非線性時(shí)變系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)，是自動(dòng)控制理論課程講授的主要系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)，是自動(dòng)控制理論課程講授的主要內(nèi)容之一。內(nèi)容之一。 自動(dòng)控制原理國(guó)家精品課程 18經(jīng)典控制理論的孕育經(jīng)典控制理論的孕育 1932年，美國(guó)奈奎斯特提出奈氏穩(wěn)定判據(jù)。年，美國(guó)奈奎斯特提出奈氏穩(wěn)定判據(jù)。19

15、28年年8月月2日，日，Harold Black(1898-1983)在上班途中的渡船上在上班途中的渡船上靈光一閃，發(fā)明了在當(dāng)今控制理論中占核心地位的負(fù)反饋放大靈光一閃，發(fā)明了在當(dāng)今控制理論中占核心地位的負(fù)反饋放大器。他將其發(fā)明隨手記在了一份紐約時(shí)報(bào)上，這份早報(bào)已成為器。他將其發(fā)明隨手記在了一份紐約時(shí)報(bào)上，這份早報(bào)已成為一件珍貴的文物診藏在一件珍貴的文物診藏在AT&T的檔案館中。的檔案館中。九年后，九年后， Black開(kāi)發(fā)出實(shí)用的負(fù)反饋放大器和負(fù)反饋理論，開(kāi)發(fā)出實(shí)用的負(fù)反饋放大器和負(fù)反饋理論，Black才得到這項(xiàng)專(zhuān)利。才得到這項(xiàng)專(zhuān)利。反饋放大器的振蕩問(wèn)題給其實(shí)用化帶來(lái)了難以克服的反饋放大器的振

16、蕩問(wèn)題給其實(shí)用化帶來(lái)了難以克服的麻煩。麻煩。Harry Nyquist(1889-1976)于于1932年發(fā)表了包含著名的年發(fā)表了包含著名的“乃奎乃奎斯特判據(jù)斯特判據(jù)” 的論文，并在的論文，并在1934年加入了年加入了Bell Labs。自動(dòng)控制原理國(guó)家精品課程 19經(jīng)典控制理論的孕育經(jīng)典控制理論的孕育 1940年，美國(guó)伯德引入半對(duì)數(shù)坐標(biāo)系。年，美國(guó)伯德引入半對(duì)數(shù)坐標(biāo)系。Bell實(shí)驗(yàn)室的另一位理論專(zhuān)家，實(shí)驗(yàn)室的另一位理論專(zhuān)家，Hendrik Bode(1905-1982)也和也和一些數(shù)學(xué)家開(kāi)始對(duì)負(fù)反饋放大器的設(shè)計(jì)問(wèn)題進(jìn)行研究。一些數(shù)學(xué)家開(kāi)始對(duì)負(fù)反饋放大器的設(shè)計(jì)問(wèn)題進(jìn)行研究。Bode是一位應(yīng)用數(shù)

17、學(xué)家，是一位應(yīng)用數(shù)學(xué)家，1926年在俄荷俄州立大學(xué)年在俄荷俄州立大學(xué)(Ohio State)獲碩士；獲碩士；1935年在哥倫比亞大學(xué)年在哥倫比亞大學(xué)(ColumbiaUniversity)獲物理獲物理學(xué)博士學(xué)位。學(xué)博士學(xué)位。1940年，年，Bode引入了半對(duì)數(shù)坐標(biāo)系，使頻率特性的繪引入了半對(duì)數(shù)坐標(biāo)系，使頻率特性的繪制工作更加適用于工程設(shè)計(jì)。制工作更加適用于工程設(shè)計(jì)。自動(dòng)控制原理國(guó)家精品課程 20經(jīng)典控制理論的孕育經(jīng)典控制理論的孕育 二戰(zhàn)中自動(dòng)火炮、雷達(dá)、飛機(jī)以及通訊系二戰(zhàn)中自動(dòng)火炮、雷達(dá)、飛機(jī)以及通訊系統(tǒng)的控制研究直接推動(dòng)了經(jīng)典控制的發(fā)展。統(tǒng)的控制研究直接推動(dòng)了經(jīng)典控制的發(fā)展。自動(dòng)控制原理國(guó)家

18、精品課程 21維納維納控制論控制論是關(guān)于怎樣把機(jī)械元件和電氣元件組合成穩(wěn)是關(guān)于怎樣把機(jī)械元件和電氣元件組合成穩(wěn)定的并且具有特定性能的系統(tǒng)的科學(xué)。這門(mén)新科學(xué)的一個(gè)非定的并且具有特定性能的系統(tǒng)的科學(xué)。這門(mén)新科學(xué)的一個(gè)非常突出的特點(diǎn)就是完全常突出的特點(diǎn)就是完全不考慮能量、熱量和效率不考慮能量、熱量和效率等因素，可等因素，可是，在其他各門(mén)自然科學(xué)中，這些因素是十分重要的。是，在其他各門(mén)自然科學(xué)中，這些因素是十分重要的?？刂普撍懻摰闹饕獑?wèn)題是一個(gè)控制論所討論的主要問(wèn)題是一個(gè)系統(tǒng)的各個(gè)不同部分之間的系統(tǒng)的各個(gè)不同部分之間的相互作用的定性性質(zhì)相互作用的定性性質(zhì)，以及整個(gè)系統(tǒng)的總體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。，以及整個(gè)系統(tǒng)的

19、總體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。經(jīng)典控制理論的形成經(jīng)典控制理論的形成 1948年，維納出版年，維納出版控制論控制論，形成完整的，形成完整的經(jīng)典控制理論，標(biāo)志控制學(xué)科的誕生。經(jīng)典控制理論，標(biāo)志控制學(xué)科的誕生。維納成為控制論的創(chuàng)始人！維納成為控制論的創(chuàng)始人！自動(dòng)控制原理國(guó)家精品課程 22空間技術(shù)促使現(xiàn)代控制理論的產(chǎn)生空間技術(shù)促使現(xiàn)代控制理論的產(chǎn)生現(xiàn)代控制理論促進(jìn)了空間技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)代控制理論促進(jìn)了空間技術(shù)的發(fā)展 二次世界大戰(zhàn)結(jié)束后，各國(guó)大力發(fā)展空間技二次世界大戰(zhàn)結(jié)束后，各國(guó)大力發(fā)展空間技術(shù)，經(jīng)典控制理論不能滿足需要，需要研究術(shù)，經(jīng)典控制理論不能滿足需要，需要研究新的控制理論。新的控制理論。 現(xiàn)代控制理論在空間技術(shù)取得

20、巨大成功，促現(xiàn)代控制理論在空間技術(shù)取得巨大成功，促進(jìn)了空間技術(shù)的發(fā)展。進(jìn)了空間技術(shù)的發(fā)展。自動(dòng)控制原理國(guó)家精品課程 23現(xiàn)代控制理論在工業(yè)過(guò)程控制方面遭遇現(xiàn)代控制理論在工業(yè)過(guò)程控制方面遭遇滑鐵盧，促使智能控制技術(shù)的誕生！滑鐵盧，促使智能控制技術(shù)的誕生！ 現(xiàn)代控制理論在空間技術(shù)取得巨大成功，但現(xiàn)代控制理論在空間技術(shù)取得巨大成功，但由于工業(yè)過(guò)程控制中普遍存在的不確定性和由于工業(yè)過(guò)程控制中普遍存在的不確定性和干擾，難以取得預(yù)期的效果。干擾，難以取得預(yù)期的效果。 模擬人的控制技術(shù)模擬人的控制技術(shù)智能控制，雖然不能智能控制，雖然不能實(shí)現(xiàn)精確的控制，但對(duì)各種復(fù)雜系統(tǒng)能夠做實(shí)現(xiàn)精確的控制，但對(duì)各種復(fù)雜系統(tǒng)能

21、夠做到比較滿意的控制。到比較滿意的控制。第第1 1章章 自動(dòng)控制的基本概念自動(dòng)控制的基本概念1.0 1.0 自動(dòng)控制發(fā)展簡(jiǎn)史自動(dòng)控制發(fā)展簡(jiǎn)史1.1 1.1 自動(dòng)控制系統(tǒng)自動(dòng)控制系統(tǒng)1.2 1.2 自動(dòng)控制系統(tǒng)的類(lèi)型自動(dòng)控制系統(tǒng)的類(lèi)型1.3 1.3 對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)性能的基本要求對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)性能的基本要求1.4 1.4 本課程的主要內(nèi)容及其相互間的關(guān)系本課程的主要內(nèi)容及其相互間的關(guān)系自動(dòng)控制原理國(guó)家精品課程 251.1 1.1 自動(dòng)控制系統(tǒng)自動(dòng)控制系統(tǒng) 自動(dòng)控制是自動(dòng)控制是在沒(méi)有人參與的情況下在沒(méi)有人參與的情況下，系統(tǒng)的，系統(tǒng)的控制器自動(dòng)地按照人預(yù)定的要求控制設(shè)備或控制器自動(dòng)地按照人預(yù)定的要求控

22、制設(shè)備或過(guò)程，使之具有一定的狀態(tài)和性能。過(guò)程，使之具有一定的狀態(tài)和性能。 具有自動(dòng)控制功能的系統(tǒng)稱(chēng)為具有自動(dòng)控制功能的系統(tǒng)稱(chēng)為自動(dòng)控制系統(tǒng)自動(dòng)控制系統(tǒng)。自動(dòng)控制原理國(guó)家精品課程 26火炮自動(dòng)控制系統(tǒng)火炮自動(dòng)控制系統(tǒng)自動(dòng)控制原理國(guó)家精品課程 27人在控制過(guò)程中起了三個(gè)作用：人在控制過(guò)程中起了三個(gè)作用： （1）觀測(cè)：）觀測(cè)：用眼睛去觀測(cè)溫度計(jì)和轉(zhuǎn)速表的指示值；用眼睛去觀測(cè)溫度計(jì)和轉(zhuǎn)速表的指示值； （2）比較與決策：）比較與決策：人腦把觀測(cè)得到的數(shù)據(jù)與要求的人腦把觀測(cè)得到的數(shù)據(jù)與要求的數(shù)據(jù)相比較，進(jìn)行判斷，根據(jù)給定的控制規(guī)律給出控?cái)?shù)據(jù)相比較，進(jìn)行判斷，根據(jù)給定的控制規(guī)律給出控制量；制量； （3）執(zhí)行

23、：）執(zhí)行：根據(jù)控制量用手具體調(diào)節(jié)，如調(diào)節(jié)閥門(mén)根據(jù)控制量用手具體調(diào)節(jié)，如調(diào)節(jié)閥門(mén)開(kāi)度、改變觸點(diǎn)位置。開(kāi)度、改變觸點(diǎn)位置。在自動(dòng)控制中，則用控制裝置代替人來(lái)完成上述功能。在自動(dòng)控制中，則用控制裝置代替人來(lái)完成上述功能。 自動(dòng)控制原理國(guó)家精品課程 28自動(dòng)控制熱力系統(tǒng)自動(dòng)控制熱力系統(tǒng)自動(dòng)控制原理國(guó)家精品課程 29直流電機(jī)速度控制系統(tǒng)直流電機(jī)速度控制系統(tǒng)第第1 1章章 自動(dòng)控制的基本概念自動(dòng)控制的基本概念1.0 1.0 自動(dòng)控制發(fā)展簡(jiǎn)史自動(dòng)控制發(fā)展簡(jiǎn)史1.1 1.1 自動(dòng)控制系統(tǒng)自動(dòng)控制系統(tǒng)1.2 1.2 自動(dòng)控制系統(tǒng)的類(lèi)型自動(dòng)控制系統(tǒng)的類(lèi)型1.3 1.3 對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)性能的基本要求對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)性

24、能的基本要求1.4 1.4 本課程的主要內(nèi)容及其相互間的關(guān)系本課程的主要內(nèi)容及其相互間的關(guān)系自動(dòng)控制原理國(guó)家精品課程 31 1.2 1.2 自動(dòng)控制系統(tǒng)的類(lèi)型自動(dòng)控制系統(tǒng)的類(lèi)型1.2.1 1.2.1 開(kāi)環(huán)、閉環(huán)與復(fù)合控制系統(tǒng)開(kāi)環(huán)、閉環(huán)與復(fù)合控制系統(tǒng)開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng):如果控制系統(tǒng)如果控制系統(tǒng)的被控量對(duì)系的被控量對(duì)系統(tǒng)沒(méi)有控制作統(tǒng)沒(méi)有控制作用。用。 自動(dòng)控制原理國(guó)家精品課程 32開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)合開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)合 邏輯控制邏輯控制 順序控制順序控制 擾動(dòng)少的場(chǎng)合擾動(dòng)少的場(chǎng)合優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性簡(jiǎn)單，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：

25、控制精度易受擾動(dòng)影響控制精度易受擾動(dòng)影響控制精度差（擾動(dòng)存在時(shí)）控制精度差（擾動(dòng)存在時(shí)）自動(dòng)控制原理國(guó)家精品課程 33 直流電機(jī)速度開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)直流電機(jī)速度開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)自動(dòng)控制原理國(guó)家精品課程 34 閉環(huán)控制系統(tǒng)或閉環(huán)控制系統(tǒng)或負(fù)負(fù)反饋控制系統(tǒng)反饋控制系統(tǒng):系統(tǒng)的被控量直接或間接地參與控制系統(tǒng)的被控量直接或間接地參與控制 負(fù)負(fù)反饋控制系統(tǒng)與反饋控制系統(tǒng)與正正反饋控制系統(tǒng)的分析反饋控制系統(tǒng)的分析自動(dòng)控制原理國(guó)家精品課程 35 復(fù)合控制系統(tǒng)復(fù)合控制系統(tǒng):在系統(tǒng)中同時(shí)引進(jìn)開(kāi)環(huán)控制和閉環(huán)控制在系統(tǒng)中同時(shí)引進(jìn)開(kāi)環(huán)控制和閉環(huán)控制 自動(dòng)控制原理國(guó)家精品課程 361.2.2 1.2.2 線性系統(tǒng)與非線性系統(tǒng)線

26、性系統(tǒng)與非線性系統(tǒng)滿足疊加原理的系統(tǒng)是線性系統(tǒng)滿足疊加原理的系統(tǒng)是線性系統(tǒng),否則是非線性系統(tǒng)。否則是非線性系統(tǒng)。微分方程描述：若系統(tǒng)的輸入量、輸出量及其各階導(dǎo)數(shù)均為微分方程描述：若系統(tǒng)的輸入量、輸出量及其各階導(dǎo)數(shù)均為線性時(shí)，系統(tǒng)為線性系統(tǒng)。線性時(shí)，系統(tǒng)為線性系統(tǒng)。放大器放大器輸入輸入輸出輸出輸入輸入輸入輸入輸出輸出輸出輸出自動(dòng)控制原理國(guó)家精品課程 371.2.3 1.2.3 連續(xù)系統(tǒng)與離散系統(tǒng)連續(xù)系統(tǒng)與離散系統(tǒng)若系統(tǒng)中所有信號(hào)都是連續(xù)信號(hào)，則稱(chēng)為連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱(chēng)若系統(tǒng)中所有信號(hào)都是連續(xù)信號(hào)，則稱(chēng)為連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱(chēng)為連續(xù)系統(tǒng)。為連續(xù)系統(tǒng)。如果系統(tǒng)中有一處或幾處的信號(hào)是離散信號(hào)，則稱(chēng)為離散時(shí)間

27、如果系統(tǒng)中有一處或幾處的信號(hào)是離散信號(hào)，則稱(chēng)為離散時(shí)間系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱(chēng)為離散系統(tǒng)。系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱(chēng)為離散系統(tǒng)。 自動(dòng)控制原理國(guó)家精品課程 381.2.4 1.2.4 定常系統(tǒng)與時(shí)變系統(tǒng)定常系統(tǒng)與時(shí)變系統(tǒng)時(shí)變系統(tǒng)實(shí)例：航天器的飛行過(guò)程時(shí)變系統(tǒng)實(shí)例：航天器的飛行過(guò)程 如果控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、參數(shù)在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中不隨時(shí)間變化，如果控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、參數(shù)在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中不隨時(shí)間變化，則稱(chēng)為定常系統(tǒng)或者時(shí)不變系統(tǒng)，否則，稱(chēng)為時(shí)變系統(tǒng)。則稱(chēng)為定常系統(tǒng)或者時(shí)不變系統(tǒng)，否則，稱(chēng)為時(shí)變系統(tǒng)。 定常系統(tǒng)實(shí)例：定常系統(tǒng)實(shí)例：RLCRLC電路電路 自動(dòng)控制原理國(guó)家精品課程 39 1.2.5 SISO1.2.5 SISO系統(tǒng)和系統(tǒng)和MI

28、MOMIMO系統(tǒng)系統(tǒng)圖 1.10 單 變 量 系 統(tǒng) 與 多 變 量 系 統(tǒng)系 統(tǒng))(tc)(tr系 統(tǒng))(1tc)(1tr)(trm)(tcn(a) 單 變 量 系 統(tǒng)(b) 多 變 量 系 統(tǒng) 單輸入單輸出系統(tǒng)通常稱(chēng)為單變單輸入單輸出系統(tǒng)通常稱(chēng)為單變量系統(tǒng)，只有一個(gè)輸入（不包括擾動(dòng)量系統(tǒng)，只有一個(gè)輸入（不包括擾動(dòng)輸入）和一個(gè)輸出。輸入）和一個(gè)輸出。 多輸入多輸出系統(tǒng)通常稱(chēng)為多變多輸入多輸出系統(tǒng)通常稱(chēng)為多變量系統(tǒng)，有多個(gè)輸入和輸出。量系統(tǒng)，有多個(gè)輸入和輸出。 單變量系統(tǒng)可以作為多變量系統(tǒng)單變量系統(tǒng)可以作為多變量系統(tǒng)的特例。的特例。多變量系統(tǒng)實(shí)例：化工過(guò)程中多變量系統(tǒng)實(shí)例：化工過(guò)程中溫度、壓力

29、、液位控制系統(tǒng)溫度、壓力、液位控制系統(tǒng)自動(dòng)控制原理國(guó)家精品課程 401.2.6 1.2.6 集中參數(shù)系統(tǒng)與分布參數(shù)系統(tǒng)集中參數(shù)系統(tǒng)與分布參數(shù)系統(tǒng)集中參數(shù)系統(tǒng)實(shí)例：集中參數(shù)系統(tǒng)實(shí)例：mF(t)fX(t)分布參數(shù)系統(tǒng)實(shí)例：電力線路分布參數(shù)系統(tǒng)實(shí)例：電力線路不能只用一個(gè)電阻和電容表示，而要考慮分布電阻和電容的影響。不能只用一個(gè)電阻和電容表示，而要考慮分布電阻和電容的影響。彈簧阻尼器系統(tǒng)彈簧阻尼器系統(tǒng)第第1 1章章 自動(dòng)控制的基本概念自動(dòng)控制的基本概念1.0 1.0 自動(dòng)控制發(fā)展簡(jiǎn)史自動(dòng)控制發(fā)展簡(jiǎn)史1.1 1.1 自動(dòng)控制系統(tǒng)自動(dòng)控制系統(tǒng)1.2 1.2 自動(dòng)控制系統(tǒng)的類(lèi)型自動(dòng)控制系統(tǒng)的類(lèi)型1.3 1.

30、3 對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)性能的基本要求對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)性能的基本要求1.4 1.4 本課程的主要內(nèi)容及其相互間的關(guān)系本課程的主要內(nèi)容及其相互間的關(guān)系自動(dòng)控制原理國(guó)家精品課程 421.3 1.3 對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)性能的基本要求對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)性能的基本要求穩(wěn)定性穩(wěn)定性: :系統(tǒng)正常工作的系統(tǒng)正常工作的首要條件首要條件穩(wěn)穩(wěn)自動(dòng)控制原理國(guó)家精品課程 43 穩(wěn)態(tài)性能穩(wěn)態(tài)性能: :控制的準(zhǔn)確性控制的準(zhǔn)確性準(zhǔn)準(zhǔn)自動(dòng)控制原理國(guó)家精品課程 44 暫態(tài)性能暫態(tài)性能: :控制的快速性控制的快速性快快自動(dòng)控制原理國(guó)家精品課程 45暫態(tài)性能暫態(tài)性能（動(dòng)態(tài)性能，（動(dòng)態(tài)性能， 瞬態(tài)性能）瞬態(tài)性能）快快第第1 1章章 自動(dòng)控制的基本概念自動(dòng)控制的基本概念1.0 1.0 自動(dòng)控制發(fā)展簡(jiǎn)史自動(dòng)控制發(fā)展簡(jiǎn)史1.1 1.1 自動(dòng)控制系統(tǒng)自動(dòng)控制系統(tǒng)1.2 1.2 自動(dòng)控制