第一章 自動控制的一般概念

1、自動控制原理自動控制原理杭州電子科技大學(xué)“自動控制原理”精品課程課題組2016.22006年度浙江省精品課程年度浙江省精品課程第一章第一章 自動控制的一般概念自動控制的一般概念 n 1-1 自動控制系統(tǒng)簡介自動控制系統(tǒng)簡介n 1-2 自動控制系統(tǒng)分類自動控制系統(tǒng)分類n 1-3 自動控制理論的發(fā)展歷史自動控制理論的發(fā)展歷史n 1-4 工程控制問題的基本要求工程控制問題的基本要求 1-1 自動控制系統(tǒng)簡介1、自動控制、系統(tǒng)、自動控制系統(tǒng)、自動控制、系統(tǒng)、自動控制系統(tǒng)u自動控制自動控制：是指在沒有人直接參與的情況下，利用外：是指在沒有人直接參與的情況下，利用外加的設(shè)備或裝置（稱加的設(shè)備或裝置（稱控制

2、裝置或控制器控制裝置或控制器），使機(jī)器、），使機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過程（統(tǒng)稱設(shè)備或生產(chǎn)過程（統(tǒng)稱被控對象被控對象）的某個工作狀態(tài)或）的某個工作狀態(tài)或參數(shù)（即參數(shù)（即被控量被控量）自動地按照預(yù)定的規(guī)律（）自動地按照預(yù)定的規(guī)律（給定值給定值）運行。運行。 u系統(tǒng)系統(tǒng)：是指按照某些規(guī)律結(jié)合在一起的物體（元部件：是指按照某些規(guī)律結(jié)合在一起的物體（元部件）的組合，它們相互作用、相互依存，并能完成一定）的組合，它們相互作用、相互依存，并能完成一定的任務(wù)。的任務(wù)。 u自動控制系統(tǒng)自動控制系統(tǒng) ：能夠?qū)崿F(xiàn)自動控制的系統(tǒng)就可稱為自：能夠?qū)崿F(xiàn)自動控制的系統(tǒng)就可稱為自動控制系統(tǒng)，一般由動控制系統(tǒng)，一般由控制裝置和被控對

3、象控制裝置和被控對象組成。組成。分析決策執(zhí)行工作對象實際結(jié)果觀察觀察干擾預(yù)期目標(biāo)人工智能圖比較、計算執(zhí)行被控對象被控量測量測量干擾給定值自動控制方框圖人取書的例子人取書的例子在上圖中，除被控對象外的其余部分統(tǒng)稱為控制裝置，它必須在上圖中，除被控對象外的其余部分統(tǒng)稱為控制裝置，它必須具備以下三種職能部件。具備以下三種職能部件。u測量元件：用以測量被控量或干擾量。測量元件：用以測量被控量或干擾量。u比較元件：將被控量與給定值進(jìn)行比較。比較元件：將被控量與給定值進(jìn)行比較。u執(zhí)行元件：根據(jù)比較后的偏差，產(chǎn)生執(zhí)行作用，去操執(zhí)行元件：根據(jù)比較后的偏差，產(chǎn)生執(zhí)行作用，去操縱被控對象縱被控對象參與控制的信號來

4、自三條通道，即給定值、干擾量、被控量。參與控制的信號來自三條通道，即給定值、干擾量、被控量。比較、計算執(zhí)行被控對象被控量測量測量干擾給定值自動控制方框圖Watts flyball governor英國曼徹斯特棉花廠的離心調(diào)速器水輪離心調(diào)速系統(tǒng)汽車航向控制示例圖u自動控制原理自動控制原理：是研究自動控制：是研究自動控制共同規(guī)律共同規(guī)律的的技術(shù)科學(xué)技術(shù)科學(xué)。而。而不是對某一過程或?qū)ο蟮木唧w控制實現(xiàn)。不是對某一過程或?qū)ο蟮木唧w控制實現(xiàn)。u解決的基本問題解決的基本問題：u建模建模：建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型（實際問題抽象，數(shù)學(xué)描述）建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型（實際問題抽象，數(shù)學(xué)描述）u分析分析：分析控制系統(tǒng)的性能（穩(wěn)定性

5、、動分析控制系統(tǒng)的性能（穩(wěn)定性、動/ /穩(wěn)態(tài)性能）穩(wěn)態(tài)性能）u綜合綜合：控制系統(tǒng)的綜合與校正：控制系統(tǒng)的綜合與校正控制器設(shè)計（方案選控制器設(shè)計（方案選擇、設(shè)計）擇、設(shè)計） 2、自動控制原理及其要解決的基本問題、自動控制原理及其要解決的基本問題3、自動控制原理研究的主要內(nèi)容、自動控制原理研究的主要內(nèi)容經(jīng)典控制理論經(jīng)典控制理論現(xiàn)代控制理論現(xiàn)代控制理論研究對象研究對象 單輸入、單輸出系統(tǒng)單輸入、單輸出系統(tǒng)（SISO） 多輸入、多輸出系統(tǒng)多輸入、多輸出系統(tǒng)（MIMO）數(shù)學(xué)模型數(shù)學(xué)模型 傳遞函數(shù)傳遞函數(shù) 狀態(tài)方程狀態(tài)方程研究手段研究手段 頻域法、根軌跡法頻域法、根軌跡法 狀態(tài)空間方法狀態(tài)空間方法研究目的

6、研究目的 系統(tǒng)綜合、校正系統(tǒng)綜合、校正 最優(yōu)控制、系統(tǒng)辨識、最優(yōu)控制、系統(tǒng)辨識、最優(yōu)估計、自適應(yīng)控制最優(yōu)估計、自適應(yīng)控制簡單復(fù)雜4、室溫控制系統(tǒng)、室溫控制系統(tǒng)室溫控制系統(tǒng)元件框圖 5、控制系統(tǒng)的基本組成、控制系統(tǒng)的基本組成u被控對象：被控對象：在自動化領(lǐng)域，被控制的裝置、物理系統(tǒng)或在自動化領(lǐng)域，被控制的裝置、物理系統(tǒng)或過程稱為被控對象（過程稱為被控對象（室內(nèi)空氣室內(nèi)空氣）。）。 u控制裝置控制裝置( (狹義狹義) )：對控制對象產(chǎn)生控制作用的裝置，也：對控制對象產(chǎn)生控制作用的裝置，也稱為控制器、控制元件、調(diào)節(jié)器等（稱為控制器、控制元件、調(diào)節(jié)器等（放大器放大器）。）。u執(zhí)行元件執(zhí)行元件：直接改變

7、被控變量的元件稱為執(zhí)行元件（：直接改變被控變量的元件稱為執(zhí)行元件（空空調(diào)器調(diào)器）。）。u測量元件測量元件：能夠?qū)⒁环N物理量檢測出來，并轉(zhuǎn)化成另一：能夠?qū)⒁环N物理量檢測出來，并轉(zhuǎn)化成另一種容易處理和使用的物理量的裝置，稱為傳感器或測量種容易處理和使用的物理量的裝置，稱為傳感器或測量元件（元件（熱敏電阻熱敏電阻） 。u給定元件（參考輸入元件）給定元件（參考輸入元件）：將指令輸入信號變：將指令輸入信號變成參考輸入信號的元件（成參考輸入信號的元件（電位器電位器）。）。u比較元件：比較元件：將測量元件和給定元件給出的信號進(jìn)將測量元件和給定元件給出的信號進(jìn)行比較，并得到偏差的元件。行比較，并得到偏差的元件

8、。u放大元件放大元件：放大偏差信號的元件。：放大偏差信號的元件。u校正元件（補(bǔ)償元件）校正元件（補(bǔ)償元件）：結(jié)構(gòu)參數(shù)便于調(diào)整的元：結(jié)構(gòu)參數(shù)便于調(diào)整的元件，用于改善系統(tǒng)性能。件，用于改善系統(tǒng)性能。6、室溫控制系統(tǒng)的功能框圖、室溫控制系統(tǒng)的功能框圖室溫控制系統(tǒng)功能框圖室溫控制系統(tǒng)元件框圖 7、控制系統(tǒng)中常用的信號和變量、控制系統(tǒng)中常用的信號和變量u輸入信號輸入信號：由外部加到系統(tǒng)中的變量，它不受系：由外部加到系統(tǒng)中的變量，它不受系統(tǒng)中其他變量的影響和控制統(tǒng)中其他變量的影響和控制（指令輸入和擾動信（指令輸入和擾動信號）號）。 u輸出信號輸出信號：由系統(tǒng)或元件產(chǎn)生的變量，其中最受：由系統(tǒng)或元件產(chǎn)生的變

9、量，其中最受關(guān)注的輸出信號又稱為關(guān)注的輸出信號又稱為被控變量被控變量（室內(nèi)的實際溫室內(nèi)的實際溫度度）。）。u控制變量控制變量：控制器的輸出信號稱為控制變量，它：控制器的輸出信號稱為控制變量，它作用在控制對象或執(zhí)行元件）上，影響和改變被作用在控制對象或執(zhí)行元件）上，影響和改變被控變量（控變量（放大器的輸出信號放大器的輸出信號）。）。l被控變量被控變量：在控制系統(tǒng)中被控制的物理量是被控變量。（：在控制系統(tǒng)中被控制的物理量是被控變量。（空空氣溫度氣溫度）l反饋信號反饋信號：是被控變量經(jīng)傳感器等元件變換并返回到輸入端：是被控變量經(jīng)傳感器等元件變換并返回到輸入端的信號，一般與被控變量成正比（的信號，一般

10、與被控變量成正比（熱敏電阻的輸出信號熱敏電阻的輸出信號）。）。l給定值（指令輸入信號）：給定值（指令輸入信號）：與被控變量是同一物理單位，用與被控變量是同一物理單位，用來表示被控變量的設(shè)定值（來表示被控變量的設(shè)定值（室內(nèi)溫度的設(shè)定值室內(nèi)溫度的設(shè)定值）。）。l參考輸入信號參考輸入信號：代表指令輸入信號與反饋信號進(jìn)行比較的基：代表指令輸入信號與反饋信號進(jìn)行比較的基準(zhǔn)信號稱為參考輸入信號（準(zhǔn)信號稱為參考輸入信號（電位器的輸出電壓電位器的輸出電壓）。）。u偏差信號偏差信號：參考輸入信號與反饋信號之差稱為偏：參考輸入信號與反饋信號之差稱為偏差信號（差信號（e= r - y）。）。u擾動信號擾動信號：加于

11、系統(tǒng)上不希望的外來信號，它對：加于系統(tǒng)上不希望的外來信號，它對被控變量產(chǎn)生不利的影響（被控變量產(chǎn)生不利的影響（周圍環(huán)境溫度的變化周圍環(huán)境溫度的變化及房間散熱條件的變化等及房間散熱條件的變化等）。）。p輸入信號的響應(yīng)輸入信號的響應(yīng)：由某一個輸入信號產(chǎn)生的輸出：由某一個輸入信號產(chǎn)生的輸出信號又稱為該輸入信號的響應(yīng)。信號又稱為該輸入信號的響應(yīng)。1.2 自動控制系統(tǒng)分類一、開環(huán)控制、閉環(huán)控制和復(fù)合控制一、開環(huán)控制、閉環(huán)控制和復(fù)合控制 按照按照控制方式和策略控制方式和策略，系統(tǒng)可分為開環(huán)控制系統(tǒng)，系統(tǒng)可分為開環(huán)控制系統(tǒng)、閉環(huán)控制系統(tǒng)和復(fù)合控制系統(tǒng)三大類。閉環(huán)控制系統(tǒng)和復(fù)合控制系統(tǒng)三大類。圖1-3 開環(huán)控

12、制系統(tǒng)圖1-4 閉環(huán)控制系統(tǒng)1 1、開環(huán)控制系統(tǒng)、開環(huán)控制系統(tǒng)u控制器和控制對象間控制器和控制對象間只有正向控制作用只有正向控制作用，系統(tǒng)的，系統(tǒng)的輸出量不會對控制器產(chǎn)生任何影響；輸出量不會對控制器產(chǎn)生任何影響；u結(jié)構(gòu)簡單，成本低，容易控制，但控制精度低結(jié)構(gòu)簡單，成本低，容易控制，但控制精度低 ；u一般適合于干擾不強(qiáng)或可預(yù)測的、控制精度要求一般適合于干擾不強(qiáng)或可預(yù)測的、控制精度要求不高的場合；不高的場合；u如果系統(tǒng)的給定輸入與被控量之間的關(guān)系固定，如果系統(tǒng)的給定輸入與被控量之間的關(guān)系固定，且其內(nèi)部參數(shù)或外來擾動的變化都比較??；或這且其內(nèi)部參數(shù)或外來擾動的變化都比較??；或這些擾動因素可以事先確定

13、并能給予補(bǔ)償，則采用些擾動因素可以事先確定并能給予補(bǔ)償，則采用開環(huán)控制也能取得較為滿意的控制效果；開環(huán)控制也能取得較為滿意的控制效果；u對擾動沒有抑制能力對擾動沒有抑制能力。 按給定值操縱的開環(huán)控制系統(tǒng)計算控制對象給定值（控制裝置）被控量執(zhí)行干擾 按干擾補(bǔ)償?shù)拈_環(huán)控制系統(tǒng)計算控制對象測量被控量執(zhí)行干擾( (溫度溫度) )輸出量輸出量 (手柄位置手柄位置)輸入量輸入量 調(diào)壓器調(diào)壓器 加熱加熱 電阻絲電阻絲 電爐電爐 恒溫箱恒溫箱 被控對象被控對象擾動量擾動量控制裝置控制裝置擾動擾動輸出量輸出量輸入量輸入量控制裝置控制裝置被控對象被控對象開環(huán)控制系統(tǒng)的方框圖開環(huán)控制系統(tǒng)的方框圖 （1）按設(shè)定值操縱

14、的開環(huán)控制系統(tǒng)）按設(shè)定值操縱的開環(huán)控制系統(tǒng) k udnug例：直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)例：直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)小結(jié)：按給定值操縱的開環(huán)控制小結(jié)：按給定值操縱的開環(huán)控制特點：特點：控制裝置只按給定值來控制被控對象控制裝置只按給定值來控制被控對象優(yōu)點：控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，相對來說成本低。優(yōu)點：控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，相對來說成本低。缺點：對可能出現(xiàn)的被控量偏離給定值的偏差沒有任何修正能力，抗干擾能力差，控制精度不高。（2）按干擾補(bǔ)償?shù)拈_環(huán)控制）按干擾補(bǔ)償?shù)拈_環(huán)控制q定義：利用干擾信號產(chǎn)生控制作用，以及時補(bǔ)定義：利用干擾信號產(chǎn)生控制作用，以及時補(bǔ)償干擾對被控量的直接影響。償干擾對被控量的直接影響。計算計算測量測量被

15、控對象被控對象執(zhí)行執(zhí)行干擾干擾被控量被控量特點特點：只能對可測干擾進(jìn)行補(bǔ)償，對不可測干擾以及被控對：只能對可測干擾進(jìn)行補(bǔ)償，對不可測干擾以及被控對象、各功能部件內(nèi)部參數(shù)變化對被控量的影響，系統(tǒng)自身無象、各功能部件內(nèi)部參數(shù)變化對被控量的影響，系統(tǒng)自身無法控制。法控制。適用于：存在強(qiáng)干擾且變化比較劇烈的場合。適用于：存在強(qiáng)干擾且變化比較劇烈的場合。水位高度控制系統(tǒng)原理圖水位高度控制系統(tǒng)原理方框圖例：按干擾補(bǔ)償?shù)拈_環(huán)控制例：按干擾補(bǔ)償?shù)拈_環(huán)控制2 2、閉環(huán)控制系統(tǒng)、閉環(huán)控制系統(tǒng)u系統(tǒng)輸出量對控制作用有直接影響；系統(tǒng)輸出量對控制作用有直接影響；u實現(xiàn)了實現(xiàn)了按偏差控制按偏差控制；u也稱為也稱為反饋控制

16、反饋控制；u閉環(huán)控制系統(tǒng)由閉環(huán)控制系統(tǒng)由前向通道前向通道（控制器和控制對象）和（控制器和控制對象）和反饋通道反饋通道（反饋裝置）構(gòu)成（如圖（反饋裝置）構(gòu)成（如圖1-41-4）；）；u反饋控制：反饋控制：正反饋和負(fù)反饋正反饋和負(fù)反饋；u具有正反饋形式的系統(tǒng)一般不能改進(jìn)系統(tǒng)性能，而具有正反饋形式的系統(tǒng)一般不能改進(jìn)系統(tǒng)性能，而且容易使系統(tǒng)性能變壞且容易使系統(tǒng)性能變壞 ；u通常而言，反饋控制就是指負(fù)反饋控制。通常而言，反饋控制就是指負(fù)反饋控制。u閉環(huán)系統(tǒng)必須考慮閉環(huán)系統(tǒng)必須考慮穩(wěn)定性穩(wěn)定性問題問題圖1-4 閉環(huán)控制系統(tǒng)按偏差調(diào)節(jié)的閉環(huán)控制系統(tǒng)按偏差調(diào)節(jié)的閉環(huán)控制系統(tǒng)比較、計算比較、計算控制對象控制對象

17、測量測量被控量被控量執(zhí)行執(zhí)行干擾干擾給定值給定值例：直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)例：直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)ug kudnub按偏差調(diào)節(jié)：nub( ug-ub)ud n 控制量：ud = k (ug-ub)偏差信號：ug-ub飛機(jī)自動駕駛系統(tǒng)原理圖控制任務(wù)控制任務(wù)：系統(tǒng)在任何擾動作用下，保持飛機(jī)俯仰角不變。被控對象被控對象：飛機(jī)。被控量被控量：飛機(jī)的俯仰角 。 俯仰角控制系統(tǒng)原理方框圖3 3、閉環(huán)系統(tǒng)與開環(huán)系統(tǒng)的區(qū)別、閉環(huán)系統(tǒng)與開環(huán)系統(tǒng)的區(qū)別u與開環(huán)控制系統(tǒng)相比，閉環(huán)控制系統(tǒng)的最大特點與開環(huán)控制系統(tǒng)相比，閉環(huán)控制系統(tǒng)的最大特點是是檢測偏差、糾正偏差檢測偏差、糾正偏差 ；u從從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上看，閉環(huán)系統(tǒng)具有

18、反向通道；上看，閉環(huán)系統(tǒng)具有反向通道； u從從功能上功能上看，閉環(huán)系統(tǒng)具有如下特點：看，閉環(huán)系統(tǒng)具有如下特點： u由于增加了反饋通道，系統(tǒng)的由于增加了反饋通道，系統(tǒng)的控制精度得到了提高控制精度得到了提高，若采用開環(huán)控制，要達(dá)到同樣的精度，則需要高精度若采用開環(huán)控制，要達(dá)到同樣的精度，則需要高精度的控制器，從而大大增加了成本；的控制器，從而大大增加了成本；u由于存在系統(tǒng)的反饋，可以較好地由于存在系統(tǒng)的反饋，可以較好地抑制抑制系統(tǒng)各環(huán)節(jié)中系統(tǒng)各環(huán)節(jié)中可能存在的可能存在的擾動擾動和由于器件的老化而引起的和由于器件的老化而引起的結(jié)構(gòu)和參結(jié)構(gòu)和參數(shù)的不確定性數(shù)的不確定性；u反饋環(huán)節(jié)的存在可以較好地反饋環(huán)

19、節(jié)的存在可以較好地改善系統(tǒng)的動態(tài)性能改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。 開環(huán)控制開環(huán)控制閉環(huán)控制閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單、成本低簡單、成本低復(fù)雜、成本高復(fù)雜、成本高精度精度 精度低、對元器件精度低、對元器件要求高要求高 精度高、對元器件要精度高、對元器件要求低求低穩(wěn)定性穩(wěn)定性通常不考慮通常不考慮必須考慮必須考慮4 4、復(fù)合控制、復(fù)合控制 復(fù)合控制就是開環(huán)控制和閉環(huán)控制相結(jié)合的一種控制，是復(fù)合控制就是開環(huán)控制和閉環(huán)控制相結(jié)合的一種控制，是在閉環(huán)控制回路的基礎(chǔ)上，附加了一個輸入信號或擾動作用的在閉環(huán)控制回路的基礎(chǔ)上，附加了一個輸入信號或擾動作用的前饋通路前饋通路，來提高系統(tǒng)的控制精度。，來提高系統(tǒng)的控制精度?？刂蒲b

20、置控制裝置被控對象被控對象 CR補(bǔ)償裝置補(bǔ)償裝置a.按輸入作用補(bǔ)償b.按擾動作用補(bǔ)償n控制裝置控制裝置被控對象被控對象 CR補(bǔ)償裝置補(bǔ)償裝置二、線性控制系統(tǒng)和非線性控制系統(tǒng)二、線性控制系統(tǒng)和非線性控制系統(tǒng) 按照系統(tǒng)按照系統(tǒng)是否滿足疊加原理是否滿足疊加原理，系統(tǒng)可分為線性系，系統(tǒng)可分為線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)兩類統(tǒng)和非線性系統(tǒng)兩類 。線性控制系統(tǒng)線性控制系統(tǒng)u組成控制系統(tǒng)的元件都具有線性特性；組成控制系統(tǒng)的元件都具有線性特性； u輸入輸出關(guān)系一般可以用微分方程、差分方程、輸入輸出關(guān)系一般可以用微分方程、差分方程、傳遞函數(shù)以及狀態(tài)空間表達(dá)式來描述；傳遞函數(shù)以及狀態(tài)空間表達(dá)式來描述；u線性系統(tǒng)的主要特點

21、是具有線性系統(tǒng)的主要特點是具有齊次性和適用疊加原齊次性和適用疊加原理理；u如果線性系統(tǒng)中的參數(shù)不隨時間變化，則稱為如果線性系統(tǒng)中的參數(shù)不隨時間變化，則稱為線線性定常系統(tǒng)性定常系統(tǒng)；否則稱為；否則稱為線性時變系統(tǒng)線性時變系統(tǒng) 。n非線性控制系統(tǒng)非線性控制系統(tǒng) u控制系統(tǒng)中，若至少有一個元件具有非線性控制系統(tǒng)中，若至少有一個元件具有非線性特性；特性； u一般不具有齊次性，也不適用疊加原理一般不具有齊次性，也不適用疊加原理； u輸出響應(yīng)和穩(wěn)定性與輸入信號和初始狀態(tài)有輸出響應(yīng)和穩(wěn)定性與輸入信號和初始狀態(tài)有很大關(guān)系很大關(guān)系； u也有時變和定常系統(tǒng)之分；也有時變和定常系統(tǒng)之分； u嚴(yán)格地講，絕對線性的控制

22、系統(tǒng)（或元件）嚴(yán)格地講，絕對線性的控制系統(tǒng)（或元件）是不存在的。是不存在的。三、定值控制系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)和程序控制系統(tǒng)三、定值控制系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)和程序控制系統(tǒng) 按照按照輸入信號分類輸入信號分類，控制系統(tǒng)可分為定值，控制系統(tǒng)可分為定值控制系統(tǒng)、隨動系統(tǒng)和程序控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)、隨動系統(tǒng)和程序控制系統(tǒng)。定值定值(恒值恒值)控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)（r(t) = const.）u輸入信號是恒值，要求被控變量保持相對輸入信號是恒值，要求被控變量保持相對應(yīng)的數(shù)值不變應(yīng)的數(shù)值不變 p室溫控制系統(tǒng)、直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)室溫控制系統(tǒng)、直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)n隨動系統(tǒng)隨動系統(tǒng)（r(t) 不可預(yù)測）不可預(yù)測） u輸入信號是變

23、化規(guī)律未知的任意時間函數(shù)輸入信號是變化規(guī)律未知的任意時間函數(shù) ；u系統(tǒng)的任務(wù)是使被控變量按照同樣規(guī)律變化并與系統(tǒng)的任務(wù)是使被控變量按照同樣規(guī)律變化并與輸入信號的誤差保持在規(guī)定的范圍內(nèi)；輸入信號的誤差保持在規(guī)定的范圍內(nèi)；p導(dǎo)彈發(fā)射架控制系統(tǒng)、火炮隨動系統(tǒng)、雷達(dá)天線導(dǎo)彈發(fā)射架控制系統(tǒng)、火炮隨動系統(tǒng)、雷達(dá)天線控制系統(tǒng)控制系統(tǒng) ；u當(dāng)被控量為位置、角度或其導(dǎo)數(shù)時，這類系統(tǒng)又當(dāng)被控量為位置、角度或其導(dǎo)數(shù)時，這類系統(tǒng)又稱為稱為伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)。n程序控制系統(tǒng)程序控制系統(tǒng)（ r(t) 變化事先已知）變化事先已知） u輸入信號是按已知的規(guī)律（事先規(guī)定的程輸入信號是按已知的規(guī)律（事先規(guī)定的程序）變化；序）變化；

24、 u要求被控變量也按相應(yīng)的規(guī)律隨輸入信號要求被控變量也按相應(yīng)的規(guī)律隨輸入信號變化，誤差不超過規(guī)定值；變化，誤差不超過規(guī)定值； p熱處理爐的溫控系統(tǒng)、機(jī)床的數(shù)碼加工系熱處理爐的溫控系統(tǒng)、機(jī)床的數(shù)碼加工系統(tǒng)和仿形控制系統(tǒng)。統(tǒng)和仿形控制系統(tǒng)。四、連續(xù)控制系統(tǒng)和離散控制系統(tǒng)四、連續(xù)控制系統(tǒng)和離散控制系統(tǒng)u連續(xù)控制系統(tǒng)連續(xù)控制系統(tǒng)：控制系統(tǒng)中各部分的信號都：控制系統(tǒng)中各部分的信號都是時間的連續(xù)函數(shù)。是時間的連續(xù)函數(shù)。 u離散控制系統(tǒng)離散控制系統(tǒng)：在控制系統(tǒng)各部分的信號中：在控制系統(tǒng)各部分的信號中只要有一個是時間的離散信號。只要有一個是時間的離散信號。u離散模型是計算機(jī)控制的最主要模型。離散模型是計算機(jī)控

25、制的最主要模型。五、其他分類方法五、其他分類方法u集中參數(shù)系統(tǒng)集中參數(shù)系統(tǒng)和和分布參數(shù)系統(tǒng)分布參數(shù)系統(tǒng)u單輸入輸出系統(tǒng)單輸入輸出系統(tǒng)和和多輸入輸出系統(tǒng)多輸入輸出系統(tǒng)u時變時變和和非時變（定常）系統(tǒng)非時變（定常）系統(tǒng)u確定性確定性系統(tǒng)和系統(tǒng)和不確定性不確定性系統(tǒng)系統(tǒng)u有靜差有靜差和和無靜差無靜差系統(tǒng)等等系統(tǒng)等等n思考題：思考題：指出下列方程分別表示哪類系指出下列方程分別表示哪類系統(tǒng)？統(tǒng)？2( )2 ( ) 8 ( )( )y tr tr tr t ( ) 2 ( )( )3( )y ty ty tt r t()2 ()6 ()y kTTy kTr kT1.3 1.3 自動控制理論的發(fā)展簡史自動控

26、制理論的發(fā)展簡史1 經(jīng)典控制理論經(jīng)典控制理論u4050年代形成年代形成 SISO系統(tǒng)系統(tǒng) u基于：二戰(zhàn)軍工技術(shù)基于：二戰(zhàn)軍工技術(shù)u目標(biāo)：反饋控制系統(tǒng)的鎮(zhèn)定目標(biāo)：反饋控制系統(tǒng)的鎮(zhèn)定 u基本方法：傳遞函數(shù)，頻率法，基本方法：傳遞函數(shù)，頻率法，PID調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器 (頻域頻域)2 現(xiàn)代控制理論現(xiàn)代控制理論u6070年代形成年代形成 MIMO系統(tǒng)系統(tǒng) u基于：基于： 冷戰(zhàn)時期空間技術(shù)，計算機(jī)技術(shù)冷戰(zhàn)時期空間技術(shù)，計算機(jī)技術(shù)u目標(biāo)：最優(yōu)控制目標(biāo)：最優(yōu)控制u基本方法：狀態(tài)方程（時域）基本方法：狀態(tài)方程（時域）3 智能控制技術(shù)智能控制技術(shù) u90年代開始發(fā)展年代開始發(fā)展u專家系統(tǒng)專家系統(tǒng)姑蘇慕容姑蘇慕容 u模

27、糊控制模糊控制醉拳醉拳u神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)u預(yù)測控制預(yù)測控制u等等等等4 正在發(fā)展的各個領(lǐng)域正在發(fā)展的各個領(lǐng)域 u自適應(yīng)控制自適應(yīng)控制獨孤九劍獨孤九劍 u大系統(tǒng)理論大系統(tǒng)理論u魯棒控制魯棒控制金鐘罩鐵布衫金鐘罩鐵布衫 u多率周期控制多率周期控制u非線性控制（微分幾何，混沌，變結(jié)構(gòu)）非線性控制（微分幾何，混沌，變結(jié)構(gòu)）u混雜、時滯系統(tǒng)控制混雜、時滯系統(tǒng)控制u量子控制量子控制u等等等等n后現(xiàn)代控制理論后現(xiàn)代控制理論 80年代以后，控制理論向廣度與深度發(fā)展，呈現(xiàn)年代以后，控制理論向廣度與深度發(fā)展，呈現(xiàn)三個主流方向：三個主流方向：u大系統(tǒng)大系統(tǒng)，是指規(guī)模大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜變量眾多的信息與控制，是指規(guī)模大，結(jié)構(gòu)

28、復(fù)雜變量眾多的信息與控制系統(tǒng)。在系統(tǒng)理論中，采用狀態(tài)方程和代數(shù)方程相結(jié)合系統(tǒng)。在系統(tǒng)理論中，采用狀態(tài)方程和代數(shù)方程相結(jié)合的數(shù)學(xué)模型，狀態(tài)空間，運籌學(xué)等相結(jié)合的數(shù)學(xué)方法。的數(shù)學(xué)模型，狀態(tài)空間，運籌學(xué)等相結(jié)合的數(shù)學(xué)方法。u智能控制智能控制 是具有某些仿人智能的工程控制與信息處理是具有某些仿人智能的工程控制與信息處理系統(tǒng)，其中最典型的是智能機(jī)器人，系統(tǒng)，其中最典型的是智能機(jī)器人， 智能主體等。智能主體等。u21世紀(jì)世紀(jì) 網(wǎng)絡(luò)、通訊、人機(jī)交互網(wǎng)絡(luò)、通訊、人機(jī)交互為代表的信息自動化集成為代表的信息自動化集成的理論與技術(shù)。的理論與技術(shù)。 u大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計算環(huán)境下的控制問題。大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計算環(huán)境

29、下的控制問題。1.4 1.4 對自動控制系統(tǒng)的基本要求對自動控制系統(tǒng)的基本要求一、系統(tǒng)的狀態(tài)、過程及對自動控制系統(tǒng)的基本要求一、系統(tǒng)的狀態(tài)、過程及對自動控制系統(tǒng)的基本要求n為實現(xiàn)自動控制，必須對控制系統(tǒng)提出一定的要求；為實現(xiàn)自動控制，必須對控制系統(tǒng)提出一定的要求；n平衡態(tài)或靜態(tài)、穩(wěn)態(tài)（平衡態(tài)或靜態(tài)、穩(wěn)態(tài)（steady state）：）：對于一個閉環(huán)控制系對于一個閉環(huán)控制系統(tǒng)而言，當(dāng)輸入量和擾動量均不變時，系統(tǒng)輸出量也恒定不統(tǒng)而言，當(dāng)輸入量和擾動量均不變時，系統(tǒng)輸出量也恒定不變，稱系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)變，稱系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)； n平衡態(tài)的轉(zhuǎn)移平衡態(tài)的轉(zhuǎn)移：當(dāng)輸入量或擾動量發(fā)生變化時，反饋量將與：當(dāng)輸入量或擾動

30、量發(fā)生變化時，反饋量將與輸入量產(chǎn)生偏差，通過控制器的作用，從而使輸出量最終穩(wěn)輸入量產(chǎn)生偏差，通過控制器的作用，從而使輸出量最終穩(wěn)定，即達(dá)到一個定，即達(dá)到一個新的平衡狀態(tài)新的平衡狀態(tài)；n過渡過程：過渡過程：由于系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)總存在慣性，系統(tǒng)從一個平衡由于系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)總存在慣性，系統(tǒng)從一個平衡點到另一個平衡點無法瞬間完成，即存在一個點到另一個平衡點無法瞬間完成，即存在一個過渡過程過渡過程，該，該過程也稱為過程也稱為動態(tài)過程、暫態(tài)過程和瞬態(tài)過程（動態(tài)過程、暫態(tài)過程和瞬態(tài)過程（transient）。）。 根據(jù)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)輸出和暫態(tài)過程的特性，對閉環(huán)控制系統(tǒng)的根據(jù)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)輸出和暫態(tài)過程的特性，對閉環(huán)控制系統(tǒng)的基本要求可以歸納為三個方面：基本要求可以歸納為三個方面：穩(wěn)、快、準(zhǔn)穩(wěn)、快、準(zhǔn)。(1)(1)穩(wěn)：控制系統(tǒng)的穩(wěn)：控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性穩(wěn)定性與與平穩(wěn)性平穩(wěn)性。u穩(wěn)定性穩(wěn)定性是指控制系統(tǒng)偏離平衡狀態(tài)后，自動恢復(fù)到平衡狀是指控制系統(tǒng)偏離平衡狀態(tài)后，自動恢復(fù)到平衡狀態(tài)的能力。態(tài)