自動(dòng)控制原理：chapt1－1 自動(dòng)控制的基本概念

1、第一章 緒論（2）第二章 控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型（8）第三章 控制系統(tǒng)的時(shí)域分析（8）第四章 線性系統(tǒng)的頻域分析（10）第五章 線性系統(tǒng)的校正方法（2）自動(dòng)控制原理（48學(xué)時(shí)）第六章 采樣系統(tǒng)分析（10）第七章 狀態(tài)空間分析（8）學(xué)科特點(diǎn)與學(xué)習(xí)方法工程學(xué)科：和數(shù)學(xué)類課程不同思考方法蘊(yùn)涵的工程背景建立系統(tǒng)、閉環(huán)、控制的概念體系PhysicsMathematicsIEEE Trans ACAutomaticaIEEE Trans CSTControl Engineering Practice課程介紹介紹課程基本情況 學(xué)時(shí)： 48 考試：閉卷考試 參考書: 自動(dòng)控制原理 孫炳達(dá)、梁志坤 自動(dòng)控制基礎(chǔ) 嚴(yán)

2、偉孫、許鴻量主編 自動(dòng)控制原理 孫德寶主編 自動(dòng)控制原理 胡壽松 國防工業(yè)出版社實(shí)驗(yàn)安排每個(gè)小班四次1）電子12班；第2周，周5，56（332，614），第6周周5，78（620），第7周周5（56）（620）2）電子34班；第2周，周5，78（332，614），第6周周5，910（620），第7周周5（78）（620）3）電子5；第2周，（620）第一章 緒論1.1 自動(dòng)控制的基本概念1.2 自動(dòng)控制理論的發(fā)展1.3 控制系統(tǒng)的分類1.4 對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求1.5 小結(jié)1.1 自動(dòng)控制的基本概念1. 自動(dòng)控制技術(shù)及其應(yīng)用 在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的眾多領(lǐng)域中，自動(dòng)控制技術(shù)起著越來越重要的作用。如數(shù)控

3、車床按預(yù)定程序自動(dòng)切削，人造衛(wèi)星準(zhǔn)確進(jìn)入預(yù)定軌道并回收等。 除了在工業(yè)(化工、冶金)上廣泛應(yīng)用外，近幾十年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，在宇航、機(jī)器人控制、導(dǎo)彈制導(dǎo)、核動(dòng)力等高新技術(shù)領(lǐng)域中，自動(dòng)控制技術(shù)更具特別重要的作用。不僅如此，自動(dòng)控制技術(shù)的應(yīng)用范圍現(xiàn)在已擴(kuò)展到生物、醫(yī)學(xué)、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)管理和其它許多社會(huì)生活領(lǐng)域中，自動(dòng)控制已成為現(xiàn)代社會(huì)生活中不可缺少的一部分。 自動(dòng)控制系統(tǒng)的功能和組成是多種多樣的，其結(jié)構(gòu)有簡單也有復(fù)雜。它可以只控制一個(gè)物理量，也可以控制多個(gè)物理量甚至一個(gè)企業(yè)機(jī)構(gòu)的全部生產(chǎn)和管理過程；它可以是一個(gè)具體的工程系統(tǒng)，也可以是比較抽象的社會(huì)系統(tǒng)、生態(tài)系統(tǒng)或經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)。1.1 自動(dòng)控

4、制的基本概念(續(xù))自動(dòng)控制：自動(dòng)控制，就是在沒有人直接參與的情況下，利用外加的設(shè)備或裝置（控制裝置），使機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過程（控制對(duì)象）的某個(gè)工作狀態(tài)或參數(shù)（被控量）自動(dòng)地按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行。與手動(dòng)控制相反。 （實(shí)例：代步車，及其商業(yè)應(yīng)用）自動(dòng)控制系統(tǒng)：是指能夠?qū)Ρ豢貙?duì)象的工作狀態(tài)進(jìn)行自動(dòng)控制的系統(tǒng)。它一般由控制裝置和被控對(duì)象組成。被控制對(duì)象是指那些要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過程?？刂蒲b置是指對(duì)被控對(duì)象起控制作用的設(shè)備總體（含執(zhí)行器和檢測(cè)器）。1.1 自動(dòng)控制的基本概念(續(xù))方框圖：方框 控制裝置和被控對(duì)象分別用方框表示信號(hào)線 方框的輸入和輸出以及它們之間的連接用帶箭頭的信號(hào)線表示輸入

5、信號(hào) 進(jìn)入方框的信號(hào)輸出信號(hào) 離開方框的信號(hào)比較環(huán)節(jié) 信號(hào)的疊加1.1 自動(dòng)控制的基本概念(續(xù)) 開環(huán)控制是指系統(tǒng)的被控制量（輸出量）只受控于控制作用，而對(duì)控制作用不能反施任何影響的控制方式。采用開環(huán)控制的系統(tǒng)稱為開環(huán)控制系統(tǒng)。 開環(huán)控制與閉環(huán)控制開環(huán)控制1.1 自動(dòng)控制的基本概念(續(xù))開環(huán)控制系統(tǒng)方框圖控制裝置被控對(duì)象輸入量輸出量 （被控量）輸入量：加在電阻絲兩端的電壓被控制對(duì)象：爐子被控制量（輸出量）：爐溫控制裝置：開關(guān)K和電熱絲，對(duì)被控制量起控制作用。1.1 自動(dòng)控制的基本概念(續(xù)) 閉環(huán)控制是指系統(tǒng)的被控制量（輸出量）與控制作用之間存在著負(fù)反饋的控制方式。采用閉環(huán)控制的系統(tǒng)稱為閉環(huán)控制

6、系統(tǒng)或反饋控制系統(tǒng)。閉環(huán)控制是一切生物控制自身運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律。人本身就是一個(gè)具有高度復(fù)雜控制能力的閉環(huán)系統(tǒng)。閉環(huán)控制1.1 自動(dòng)控制的基本概念(續(xù))人取書的控制過程眼睛大腦手 輸入量（書的位置） 輸出量（手的位置）1.1 自動(dòng)控制的基本概念(續(xù))閉環(huán)控制系統(tǒng)方框圖1.1 自動(dòng)控制的基本概念(續(xù))溫度計(jì)繼電器電阻絲爐溫 輸入量（爐溫希望值） 輸出量（爐溫實(shí)際值）擾動(dòng)閉環(huán)控制的電加熱爐方框圖1.1 自動(dòng)控制的基本概念(續(xù))反饋的概念反饋：把輸出量送回到系統(tǒng)的輸入端并與輸入信號(hào)比較的過程。若反饋信號(hào)是與輸入信號(hào)相減而使偏差值越來越小，則稱為負(fù)反饋；反之，則稱為正反饋。顯然，負(fù)反饋控制是一個(gè)利用偏差進(jìn)

7、行控制并最后消除偏差的過程，又稱偏差控制。同時(shí)，由于有反饋的存在，整個(gè)控制過程是閉合的，故也稱為閉環(huán)控制。1.1 自動(dòng)控制的基本概念(續(xù))比較以上兩種控制方式由于開環(huán)控制的特點(diǎn)是控制裝置只按照給定的輸入信號(hào)對(duì)被控量進(jìn)行單向控制，而不對(duì)被控量進(jìn)行測(cè)量并反向影響控制作用。這樣，當(dāng)爐溫偏離希望值時(shí)，開關(guān)K的接通或斷開時(shí)間不會(huì)相應(yīng)改變。因此，開環(huán)控制不具有修正由于擾動(dòng)（使被控制量偏離希望值的因素）而出現(xiàn)的被控制量與希望值之間偏差的能力，即抗干擾能力差。在閉環(huán)控制中，被控量一般是由測(cè)量裝置檢測(cè)并反饋到輸入端，然后由比較裝置將它與輸入信號(hào)綜合得到偏差（誤差），有時(shí)，測(cè)量與綜合作用是由一個(gè)裝置完成的，如水銀

8、溫度計(jì)。由于采用了接觸式水銀溫度計(jì)，可以不斷對(duì)爐溫進(jìn)行測(cè)量和比較，根據(jù)爐溫的實(shí)際偏差進(jìn)行控制，提高了控制精度和抗干擾能力。1.1 自動(dòng)控制的基本概念(續(xù))開環(huán)和閉環(huán)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)開環(huán)系統(tǒng)：結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定性好，容易設(shè)計(jì)和調(diào)整以及成本較低的優(yōu)點(diǎn)，但控制精度較低。對(duì)那些負(fù)載恒定，擾動(dòng)小，控制精度要求不高的實(shí)際系統(tǒng)，是有效的控制方式。閉環(huán)系統(tǒng)：由于增加了檢測(cè)裝置和反饋環(huán)節(jié)，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，成本有所增加；但它提高了系統(tǒng)的控制精度和抗干擾能力；同時(shí)負(fù)反饋對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。1.1 自動(dòng)控制的基本概念(續(xù))反饋控制系統(tǒng)方框圖反饋控制系統(tǒng)的組成、名詞術(shù)語和定義1.1 自動(dòng)控制的基本概念(續(xù))參考輸入r 輸入

9、到控制系統(tǒng)中的指令信號(hào)；主反饋b 與輸出成正比或某種函數(shù)關(guān)系且與參考輸入量綱相同的 反饋信號(hào)；偏差e 參考輸入與主反饋之差，即e=r-b;控制量u 從控制器輸出并作用于被控制對(duì)象的信號(hào)；擾動(dòng)n 來自系統(tǒng)內(nèi)部或外部，對(duì)系統(tǒng)輸出產(chǎn)生不利影響的信號(hào)；輸出c 反饋控制系統(tǒng)的被控制量，即被控制對(duì)象的輸出量；1.1 自動(dòng)控制的基本概念(續(xù))比較環(huán)節(jié) 將參考輸入與主反饋信號(hào)進(jìn)行比較的環(huán)節(jié)，它的輸出等 于參考輸入與主反饋信號(hào)的差值，即偏差e,比較環(huán)節(jié)又 稱為偏差檢測(cè)器；控制器 用來對(duì)被控制對(duì)象施加控制作用的裝置；控制對(duì)象 被控制的機(jī)器、設(shè)備、過程或系統(tǒng)；反饋環(huán)節(jié) 將輸出量轉(zhuǎn)化為主反饋信號(hào)的裝置，反饋環(huán)節(jié)中通常

10、含 有信號(hào)檢測(cè)裝置。1.1 自動(dòng)控制的基本概念(續(xù))放大器v2v112主動(dòng)手爪從動(dòng)手爪電位計(jì)A電位計(jì)Be1.1 自動(dòng)控制的基本概念(續(xù))主從機(jī)械手原理（隨動(dòng)系統(tǒng)） 自動(dòng)控制理論是研究自動(dòng)控制共同規(guī)律的技術(shù)科學(xué)。既是一門古老的、已臻成熟的學(xué)科，又是一門正在發(fā)展的、具有強(qiáng)大生命力的新興學(xué)科。從1868年馬克斯威爾（J.C.Maxwell）提出低階系統(tǒng)穩(wěn)定性判據(jù)至今一百多年里，自動(dòng)控制理論的發(fā)展可分為四個(gè)主要階段：第一階段：經(jīng)典控制理論（或古典控制理論）的產(chǎn)生、發(fā)展和成熟；第二階段：現(xiàn)代控制理論的興起和發(fā)展；第三階段：大系統(tǒng)控制興起和發(fā)展階段；第四階段：智能控制發(fā)展階段。1.2 自動(dòng)控制理論的發(fā)展經(jīng)

11、典控制理論 控制理論的發(fā)展初期，是以反饋理論為基礎(chǔ)的自動(dòng)調(diào)節(jié)原理，主要用于工業(yè)控制。第二次世界大戰(zhàn)期間，為了設(shè)計(jì)和制造飛機(jī)及船用自動(dòng)駕駛儀、火炮定位系統(tǒng)、雷達(dá)跟蹤系統(tǒng)等基于反饋原理的軍用裝備，進(jìn)一步促進(jìn)和完善了自動(dòng)控制理論的發(fā)展。1868年，馬克斯威爾（J.C.Maxwell）提出了低階系統(tǒng)的穩(wěn)定性代數(shù)判據(jù) 。1895年，數(shù)學(xué)家勞斯（Routh）和赫爾威茨（Hurwitz）分別獨(dú)立地提出了高階系統(tǒng)的穩(wěn)定性判據(jù)，即Routh和Hurwitz判據(jù)。二戰(zhàn)期間（1938-1945年）奈奎斯特（H.Nyquist）提出了頻率響應(yīng)理論 1948年，伊萬斯（W.R.Evans）提出了根軌跡法。至此，控制理論

12、發(fā)展的第一階段基本完成，形成了以頻率法和根軌跡法為主要方法的經(jīng)典控制理論。1.2 自動(dòng)控制理論的發(fā)展（續(xù)）經(jīng)典控制理論的基本特征（1）主要用于線性定常系統(tǒng)的研究，即用于常系數(shù)線性微分方程描述的系統(tǒng)的分析與綜合；（2）只用于單輸入，單輸出的反饋控制系統(tǒng)；（3）只討論系統(tǒng)輸入與輸出之間的關(guān)系，而忽視系統(tǒng)的內(nèi)部狀態(tài)，是一種對(duì)系統(tǒng)的外部描述方法。 反饋控制是一種最基本最重要的控制方式，引入反饋信號(hào)后，系統(tǒng)對(duì)來自內(nèi)部和外部干擾的響應(yīng)變得十分遲鈍，從而提高了系統(tǒng)的抗干擾能力和控制精度。與此同時(shí)，反饋?zhàn)饔糜謳砹讼到y(tǒng)穩(wěn)定性問題，正是這個(gè)曾一度困擾人們的系統(tǒng)穩(wěn)定性問題激發(fā)了人們對(duì)反饋控制系統(tǒng)進(jìn)行深入研究的熱情

13、，推動(dòng)了自動(dòng)控制理論的發(fā)展與完善。因此從某種意義上講，古典控制理論是伴隨著反饋控制技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展而逐漸完善和成熟起來的。1.2 自動(dòng)控制理論的發(fā)展（續(xù)）現(xiàn)代控制理論 經(jīng)典控制理論只適用于單輸入、單輸出的線性定常系統(tǒng)，只注重系統(tǒng)的外部描述而忽視系統(tǒng)的內(nèi)部狀態(tài)。在實(shí)際應(yīng)用中有很大局限性。 隨著航天事業(yè)和計(jì)算機(jī)的發(fā)展，20世紀(jì)60年代初，在經(jīng)典控制理論的基礎(chǔ)上，以線性代數(shù)理論和狀態(tài)空間分析法為基礎(chǔ)的現(xiàn)代控制理論迅速發(fā)展起來。1954年貝爾曼（R.Belman)提出動(dòng)態(tài)規(guī)劃理論1956年龐特里雅金（L.S.Pontryagin）提出極大值原理1960年卡爾曼（R.K.Kalman)提出多變量最優(yōu)控制

14、和最優(yōu)濾波理論 在數(shù)學(xué)工具、理論基礎(chǔ)和研究方法上不僅能提供系統(tǒng)的外部信息（輸出量和輸入量），而且還能提供系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)變量的信息。它無論對(duì)線性系統(tǒng)或非線性系統(tǒng)，定常系統(tǒng)或時(shí)變系統(tǒng)，單變量系統(tǒng)或多變量系統(tǒng)，都是一種有效的分析方法。1.2 自動(dòng)控制理論的發(fā)展（續(xù)）大系統(tǒng)理論 20世紀(jì)70年代開始，現(xiàn)代控制理論繼續(xù)向深度和廣度發(fā)展，出現(xiàn)了一些新的控制方法和理論。如（1）現(xiàn)代頻域方法 以傳遞函數(shù)矩陣為數(shù)學(xué)模型，研究線性定常多變量系統(tǒng)；（2）自適應(yīng)控制方法 以系統(tǒng)辨識(shí)和參數(shù)估計(jì)為基礎(chǔ)，在實(shí)時(shí)辨識(shí)基礎(chǔ)上在線確定最優(yōu)控制規(guī)律；（3）魯棒控制方法 在保證系統(tǒng)穩(wěn)定性和其它性能基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)不變的魯棒控制器，以處理數(shù)

15、學(xué)模型的不確定性。 隨著控制理論應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，從個(gè)別小系統(tǒng)的控制，發(fā)展到若干個(gè)相互關(guān)聯(lián)的子系統(tǒng)組成的大系統(tǒng)進(jìn)行整體控制，從傳統(tǒng)的工程控制領(lǐng)域推廣到包括經(jīng)濟(jì)管理、生物工程、能源、運(yùn)輸、環(huán)境等大型系統(tǒng)以及社會(huì)科學(xué)領(lǐng)域。（Aspen Tech.的PFC軟件包，控制603283的系統(tǒng)） 大系統(tǒng)理論是控制論、信息論和系統(tǒng)論相結(jié)合的系統(tǒng)工程理論，具有規(guī)模龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功能綜合、目標(biāo)多樣、因素眾多等特點(diǎn)。它是一個(gè)多輸入、多輸出、多干擾、多變量的系統(tǒng)。大系統(tǒng)理論目前仍處于發(fā)展和開創(chuàng)性階段。 1.2 自動(dòng)控制理論的發(fā)展（續(xù)）智能控制 是近年來新發(fā)展起來的一種控制技術(shù)，是人工智能在控制上的應(yīng)用。智能控制的概念

16、和原理主要是針對(duì)被控對(duì)象、環(huán)境、控制目標(biāo)或任務(wù)的復(fù)雜性提出來的，它的指導(dǎo)思想是依據(jù)人的思維方式和處理問題的技巧，解決那些目前需要人的智能才能解決的復(fù)雜的控制問題。被控對(duì)象的復(fù)雜性體現(xiàn)為:模型的不確定性，高度非線性，分布式的傳感器和執(zhí)行器，動(dòng)態(tài)突變，多時(shí)間標(biāo)度，復(fù)雜的信息模式，龐大的數(shù)據(jù)量，以及嚴(yán)格的特性指標(biāo)等。智能控制是驅(qū)動(dòng)智能機(jī)器自主地實(shí)現(xiàn)其目標(biāo)的過程，對(duì)自主機(jī)器人的控制就是典型的例子，而環(huán)境的復(fù)雜性則表現(xiàn)為變化的不確定性和難以辨識(shí)。 智能控制是從“仿人”的概念出發(fā)的。一般認(rèn)為，其方法包括學(xué)習(xí)控制、模糊控制、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)（含ANN、SVM等）控制和專家控制等方法。 1.2 自動(dòng)控制理論的發(fā)展（

17、續(xù)）恒值系統(tǒng)和隨動(dòng)系統(tǒng)（按參考輸入形式分類） 恒值系統(tǒng)是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(dòng)信號(hào)對(duì)系統(tǒng)輸出的影響，使被控制量（即系統(tǒng)的輸出量）保持在給定或希望的數(shù)值上。（穩(wěn)） 隨動(dòng)系統(tǒng)是指參考輸入量隨時(shí)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(dòng)系統(tǒng)的兩項(xiàng)主要性能指標(biāo)。（準(zhǔn)、快）1.3 控制系統(tǒng)的分類線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)（按照組成系統(tǒng)的元件特性分類） 線性系統(tǒng)是指構(gòu)成系統(tǒng)的所有元件都是線性元件的系統(tǒng)。其動(dòng)態(tài)性能可用線性微分方程描述，系統(tǒng)滿足疊加原理。非線性系統(tǒng)是指構(gòu)成系統(tǒng)的元件中含有非線性元件的系統(tǒng)。其只能用非線性微分方程描述，不滿

18、足疊加原理。同時(shí)把可以進(jìn)行線性化處理的系統(tǒng)或元件特性稱為非本質(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。1.3 控制系統(tǒng)的分類（續(xù)）連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)（按照系統(tǒng)內(nèi)信號(hào)的傳遞形式分類） 連續(xù)系統(tǒng)是指系統(tǒng)內(nèi)各處的信號(hào)都是以連續(xù)的模擬量傳遞的系統(tǒng)。如果系統(tǒng)內(nèi)某處或數(shù)處信號(hào)是以脈沖序列或數(shù)碼形式傳遞的系統(tǒng)則稱為離散系統(tǒng)。其脈沖序列可由脈沖信號(hào)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(hào)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(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。1.3 控制系統(tǒng)的分類（續(xù)）1.3 控制系統(tǒng)的分類（續(xù)）對(duì)控制系統(tǒng)性能的要求概括為三方面穩(wěn)定性 控制系統(tǒng)運(yùn)行的必要條件，不穩(wěn)定的系統(tǒng)是不能工作的穩(wěn)態(tài)性能 過渡過程結(jié)束，到達(dá)穩(wěn)態(tài)后系統(tǒng)的控制精度的度量瞬態(tài)性能 系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的快速性，系統(tǒng)的過渡過程越短越好y(t)t0y(t)t0y(t)t0y(t)t0(a)(b)(c)(d)1.4 對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求 穩(wěn)定性 系統(tǒng)在受到擾動(dòng)作用后自動(dòng)返回原來的平衡狀態(tài)的能力。如果系統(tǒng)受到擾動(dòng)作用（系統(tǒng)內(nèi)或系統(tǒng)外）后，能自動(dòng)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(xué)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)。1.