自動控制理論 第一章-緒論

1、*北京科技大學(xué)自動化學(xué)院自動化系1自動控制理論自動化學(xué)院控制系 付冬梅工作地點：信息樓Fdm_*北京科技大學(xué)自動化學(xué)院控制系2主要參考書1、胡壽松.自動控制原理簡明教程(第4版)，北京：科學(xué)出版社2、盧京潮主編.自動控制原理.第2版 ,西北工業(yè)大學(xué)出版社 2009年3、吳琪等.自動控制原理，北京：清華大學(xué)出版社，2008年4、王積偉, 吳振順. 控制工程基礎(chǔ).第2版 高等教育出版社 2010年*北京科技大學(xué)自動化學(xué)院控制系3綜合考核要求出勤率課堂回答問題獨立完成作業(yè)情況 30%實驗效果及報告期末考試成績 70%*4答疑安排時間：從第五周開始 每周一上午10:00 11:30地點：機(jī)電信息樓80

2、3室或1026室 北京科技大學(xué)自動化學(xué)院控制系*51、緒論1.1 課程介紹1.2 自動控制理論與技術(shù)的產(chǎn)生與發(fā)展1.3 控制系統(tǒng)的基本概念 1.4 控制系統(tǒng)的組成和基本環(huán)節(jié)1.5 自動控制系統(tǒng)的分類1.6 自動控制系統(tǒng)基本要求北京科技大學(xué)自動化學(xué)院控制系*6本章學(xué)習(xí)要點了解自動控制的起源和發(fā)展；了解閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成和基本環(huán)節(jié)；了解反饋控制的工作原理；掌握反饋控制系統(tǒng)的基本要求；學(xué)會分析自動控制系統(tǒng)的類型及本質(zhì)特征。北京科技大學(xué)自動化學(xué)院控制系*7課程介紹自動控制原理是一門技術(shù)基礎(chǔ)課，研究系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立、分析與設(shè)計。自動控制是人類在認(rèn)識世界和發(fā)明創(chuàng)新的過程中發(fā)展起來的一門重要的科學(xué)技術(shù)。依

3、靠它，人類可以從笨重、重復(fù)性的勞動中解放出來，從事更富創(chuàng)造性的工作。自動化技術(shù)是當(dāng)代發(fā)展迅速，應(yīng)用廣泛，最引人矚目的高技術(shù)之一，是推動新的技術(shù)革命和新的產(chǎn)業(yè)革命的關(guān)鍵技術(shù)。北京科技大學(xué)自動化學(xué)院控制系*8控制技術(shù)的應(yīng)用軍事領(lǐng)域 民用領(lǐng)域控制理論研究問題討論控制系統(tǒng)的一般規(guī)律分析設(shè)計合理的自動控制系統(tǒng)綜合北京科技大學(xué)自動化學(xué)院控制系*9經(jīng)典控制理論 研究對象： SISO系統(tǒng) 現(xiàn)代控制理論研究對象： MIMO系統(tǒng) 非線性系統(tǒng) 數(shù)學(xué)工具： 狀態(tài)空間法 頻率域分析方法北京科技大學(xué)自動化學(xué)院控制系*10控制系統(tǒng)的基本概念和原理12擾動量給定量輸出量 1 - 控制器(自耦變壓器) 2 - 被控對象(電阻爐

4、)圖中：溫度控制系統(tǒng) 性能指標(biāo) 工作過程北京科技大學(xué)自動化學(xué)院控制系*11適用范圍：輸入量已知、控制精度要求不高、擾動作用不大?？刂葡到y(tǒng)的基本概念和原理（1）開環(huán)控制：只有輸入量對輸出量產(chǎn)生控制作用，輸出量不參與對系統(tǒng)的控制。（2）開環(huán)控制特點結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)容易、成本低輸入控制輸出輸出不參與控制系統(tǒng)沒有抗干擾能力北京科技大學(xué)自動化學(xué)院控制系*12控制系統(tǒng)的基本概念和原理溫度閉環(huán)控制系統(tǒng)220V12uc 從受控對象（電加熱爐）獲取輸出量（實際爐溫），并回送到輸入端（即反饋），與輸入量（給定爐溫）進(jìn)行比較產(chǎn)生偏差信號（溫度差），利用偏差信號經(jīng)過控制器（手臂）產(chǎn)生控制量（電阻絲兩端的電壓），從而跟蹤

5、輸入量，減小跟蹤誤差。北京科技大學(xué)自動化學(xué)院控制系*13控制系統(tǒng)的基本概念和原理自動閉環(huán)控制：該系統(tǒng)中，爐溫通過熱電耦測量，并將溫度值轉(zhuǎn)換為一個電壓值Uf。給定爐溫通過一個電位器的電壓值Ug反映。通過Ug與Uf的反向串接，就可以實現(xiàn)人腦中的比較算法UgUf U。U的大小反映了實測爐溫與給定爐溫的差別，而且它的正負(fù)決定了執(zhí)行機(jī)構(gòu)電機(jī)的轉(zhuǎn)向。執(zhí)行電機(jī)代替了人的手臂。北京科技大學(xué)自動化學(xué)院控制系*14控制系統(tǒng)的基本概念和原理閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)圖 1控制器 2執(zhí)行機(jī)構(gòu) 3控制對象 4檢測裝置 反饋工作原理：發(fā)現(xiàn)偏差消除偏差。北京科技大學(xué)自動化學(xué)院控制系*15控制系統(tǒng)的基本概念和原理 反饋控制把輸出量的一部分

6、檢測出來,反饋到輸入端,與給定信號進(jìn)行比較，產(chǎn)生偏差,此偏差經(jīng)過控制器產(chǎn)生控制作用,使輸出量按照要求的規(guī)律變化；反饋信號與給定信號極性相反為負(fù)反饋,反之為正反饋。 反饋控制特點輸入控制輸出，輸出參與控制檢測偏差、糾正偏差具有抗干擾能力結(jié)構(gòu)復(fù)雜北京科技大學(xué)自動化學(xué)院控制系*16控制系統(tǒng)的基本概念和原理 閉環(huán)控制系統(tǒng)的自動控制或者自動調(diào)節(jié)作用是基于輸出信號的負(fù)反饋作用而產(chǎn)生的，所以經(jīng)典控制理論的主要研究對象是負(fù)反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)，研究目的是得到它的一般規(guī)律，從而可以設(shè)計出符合設(shè)計要求的，滿足實際需要的，性能指標(biāo)優(yōu)良的控制系統(tǒng)。北京科技大學(xué)自動化學(xué)院控制系*17控制系統(tǒng)的組成和基本環(huán)節(jié) 1給定環(huán)節(jié)；

7、2比較環(huán)節(jié)；3校正環(huán)節(jié)；4放大環(huán)節(jié)；5執(zhí)行機(jī)構(gòu)；6被控對象；7檢測裝置1.閉環(huán)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及基本環(huán)節(jié)設(shè)定被控制量的給定值的裝置將所檢測的被控制量與給定量進(jìn)行比較，確定兩者之間的偏差量，多用差動放大器實現(xiàn)負(fù)反饋一般由傳動裝置和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)組成。執(zhí)行機(jī)構(gòu)直接作用于控制對象，使被控制量達(dá)到所要求的數(shù)值要進(jìn)行控制的設(shè)備或過程控制系統(tǒng)所控制的物理量（被控量） 檢測被控制量，并將其轉(zhuǎn)換為與給定量相同的物理量用來實現(xiàn)調(diào)節(jié)作用，如放大、整流，也稱為調(diào)節(jié)器或調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)北京科技大學(xué)自動化學(xué)院控制系*18控制系統(tǒng)的組成和基本環(huán)節(jié)(1) 被控對象(2) 被控量或輸出量(3) 控制量(4) 設(shè)定量或輸入量(5) 擾動量(6

8、) 反饋量2.閉環(huán)控制系統(tǒng)中的基本術(shù)語(7) 偏差量(8) 前向通道或正向通道(9) 反饋通道或反向通道(10) 理想輸出(11) 實際輸出(12) 檢測量北京科技大學(xué)自動化學(xué)院控制系*19自動控制系統(tǒng)的分類1.按照主要元件的特性方程的輸入輸出特征劃分線性系統(tǒng)：由線性元件組成的系統(tǒng)，主要特征是滿足疊加原理和齊次定理，當(dāng)系統(tǒng)在輸入信號u1(t)的作用下產(chǎn)生系統(tǒng)的輸出y1(t)，當(dāng)系統(tǒng)在輸入信號u2(t)的作用下產(chǎn)生系統(tǒng)的輸出y2(t)。那么，當(dāng)系統(tǒng)的輸入信號為au1(t)+bu2(t)時，系統(tǒng)的輸出滿足ay1(t)+by2(t)，a,b是常數(shù)或時變參數(shù)。非線性系統(tǒng)：由非線性元件組成的系統(tǒng)，不滿足

9、疊加原理和齊次定理。北京科技大學(xué)自動化學(xué)院控制系*20自動控制系統(tǒng)的分類2.按照信號傳遞方式劃分連續(xù)控制系統(tǒng)：系統(tǒng)各部分的信號都是時間的連續(xù)函數(shù)。 離散控制系統(tǒng)：系統(tǒng)的一處或幾處信號是以脈沖系列或數(shù)碼的形式傳遞。 3.按照輸入量的變化規(guī)律劃分恒值系統(tǒng)：給定量是恒定不變的。隨動系統(tǒng)：給定量是按照事先未知的時間函數(shù)變化的。 程序控制系統(tǒng)：給定量按照一定的時間函數(shù)變化。北京科技大學(xué)自動化學(xué)院控制系*21自動控制系統(tǒng)的分類4. 按照端口關(guān)系劃分SISO系統(tǒng)MIMO系統(tǒng)北京科技大學(xué)自動化學(xué)院控制系*22自動控制系統(tǒng)基本要求1. 對自動控制系統(tǒng)基本要求穩(wěn)定性（穩(wěn)）、快速性（快）、準(zhǔn)確性（準(zhǔn)）“穩(wěn)”是指系統(tǒng)

10、的穩(wěn)定性。 穩(wěn)定性 是保證控制系統(tǒng)正常工作的先決條件。線性控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性由系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)與參數(shù)所決定的，與外部條件和初始狀態(tài)無關(guān)。“快”是說明系統(tǒng)動態(tài)（過渡過程）品質(zhì)。 系統(tǒng)的過渡過程產(chǎn)生的原因 ： 系統(tǒng)中儲能元件的能量不可能突變?！皽?zhǔn)”是說明系統(tǒng)的靜態(tài)品質(zhì)。 表明了系統(tǒng)的精確性和準(zhǔn)確性。北京科技大學(xué)自動化學(xué)院控制系*232. 穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)穩(wěn)態(tài)誤差 當(dāng)系統(tǒng)從一個穩(wěn)態(tài)過渡到新的穩(wěn)態(tài)，或系統(tǒng)受擾動作用又重新平衡后，系統(tǒng)可能會出現(xiàn)偏差，這種偏差稱為穩(wěn)態(tài)誤差。 系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差的大小反映了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度，它表明了系統(tǒng)控制的準(zhǔn)確程度。穩(wěn)態(tài)誤差越小，則系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度越高。 北京科技大學(xué)自動化學(xué)院控制系*24

11、自動控制系統(tǒng)基本要求有差系統(tǒng)（圖a）：若穩(wěn)態(tài)誤差不為零，則系統(tǒng)稱為有差系統(tǒng)。 無差系統(tǒng)（圖b）：若穩(wěn)態(tài)誤差為零，則系統(tǒng)稱為無差系統(tǒng)。北京科技大學(xué)自動化學(xué)院控制系*北京科技大學(xué)自動化學(xué)院自動化系25反饋控制原理一個例子淋浴水溫控制過程：開水試溫調(diào)節(jié)試溫合適停止調(diào)節(jié)比較控制動作閥門期望溫度出水溫度*北京科技大學(xué)自動化學(xué)院自動化系26反饋控制原理*北京科技大學(xué)自動化學(xué)院自動化系27反饋控制原理*北京科技大學(xué)自動化學(xué)院自動化系281. 開環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好，但不能自動補(bǔ)償擾動對輸出量的影響。當(dāng)系統(tǒng)擾動量產(chǎn)生的偏差可以預(yù)先進(jìn)行補(bǔ)償或影響不大時，采用開環(huán)控制是有利的。當(dāng)擾動量無法預(yù)計或控制系統(tǒng)的

12、精度達(dá)不到預(yù)期要求時，則應(yīng)采用閉環(huán)控制。2. 閉環(huán)控制系統(tǒng)具有反饋環(huán)節(jié)，它能依靠反饋環(huán)節(jié)進(jìn)行自動調(diào)節(jié)，以克服擾動對系統(tǒng)的影響。閉環(huán)控制極大地提高了系統(tǒng)的精度。但是閉環(huán)使系統(tǒng)的穩(wěn)定性變差，需要重視并加以解決。*北京科技大學(xué)自動化學(xué)院自動化系293.自動控制系統(tǒng)通常由給定環(huán)節(jié)、檢測環(huán)節(jié)、比較環(huán)節(jié)、放大元件、被控對象、和反饋環(huán)節(jié)等部件組成。系統(tǒng)的作用量和被控量有：給定量、反饋量、擾動量、輸出量和各中間變量。 4.結(jié)構(gòu)圖（又簡稱框圖）可直觀地表達(dá)系統(tǒng)各環(huán)節(jié)（或各部件）間因果關(guān)系，可以表達(dá)各種作用量和中間變量的作用點和信號傳遞情況以及它們對輸出量的影響。*北京科技大學(xué)自動化學(xué)院自動化系305.在不同輸入

13、量作用下，對系統(tǒng)的輸出量的要求，揭示出反饋控制系統(tǒng)的本質(zhì)特征：輸出跟隨輸入。 6.對自動控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)要求有： 穩(wěn)定性系統(tǒng)能工作的首要條件； 快速性用系統(tǒng)在暫態(tài)過程中的響應(yīng)速度和被控量的波動程度描述； 準(zhǔn)確性用穩(wěn)態(tài)誤差來衡量。 *31自動控制的基本概念開環(huán)控制與閉環(huán)控制負(fù)反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)的工作原理專用術(shù)語及控制系統(tǒng)的組成小 結(jié)北京科技大學(xué)自動化學(xué)院控制系*32自動控制技術(shù)的產(chǎn)生與發(fā)展自動控制理論的發(fā)展大致經(jīng)歷了以下幾個過程：一、 萌芽階段：如果要追朔自動控制技術(shù)的發(fā)展歷史,早在兩千年前中國就有了自動控制技術(shù)的萌芽。2. 公元10861089年 （北宋哲宗元祐初年）， 我國發(fā)明的水運儀象臺

14、， 就是一種閉環(huán)自動調(diào)節(jié)系 統(tǒng)。水運儀象臺1. 兩千年前我國發(fā)明的 指南車，就是一種開 環(huán)自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)。指南車北京科技大學(xué)自動化學(xué)院控制系*33自動控制技術(shù)的產(chǎn)生與發(fā)展二、 起步階段 隨著科學(xué)技術(shù)與工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，到十八世紀(jì)，自動控制技術(shù)逐漸應(yīng)用到現(xiàn)代工業(yè)中。其中最卓越的代表是瓦特（J.Watt）發(fā)明的蒸汽機(jī)離心調(diào)速器，加速了第一次工業(yè)革命的步伐。北京科技大學(xué)自動化學(xué)院控制系*34自動控制技術(shù)的產(chǎn)生與發(fā)展 1895年勞斯（Routh）與赫爾維茨（Hurwitz）針對高階微分方程描述的更復(fù)雜的系統(tǒng),各自提出了兩個著名的穩(wěn)定性判據(jù)勞斯判據(jù)和赫爾維茨判據(jù)?；旧蠞M足了二十世紀(jì)初期控制工程師的需要。

15、赫爾維茨（Hurwitz）北京科技大學(xué)自動化學(xué)院控制系*35自動控制技術(shù)的產(chǎn)生與發(fā)展美國福特(Ford Motor)汽車公司建成最早的汽車裝配流水線(1913)美國N. Minorsky研制出用于船舶駕駛的伺服結(jié)構(gòu)，提出PID控制方法(1922)美國MIT的Vannevar Bush研制成第一臺大型模擬計算機(jī)(Differential Analyzer)(1928)北京科技大學(xué)自動化學(xué)院控制系*36自動控制技術(shù)的產(chǎn)生與發(fā)展美國H.S. Black提出放大器性能的負(fù)反饋方法(Negative Feedback Amplifier) (1927)H. S. Black北京科技大學(xué)自動化學(xué)院控制系*

16、37自動控制技術(shù)的產(chǎn)生與發(fā)展 由于第二次世界大戰(zhàn)需要控制系統(tǒng)具有準(zhǔn)確跟蹤與補(bǔ)償能力，1932年奈奎斯特（H.Nyquist）提出了頻域內(nèi)研究系統(tǒng)的頻率響應(yīng)法，為具有高質(zhì)量的動態(tài)品質(zhì)和靜態(tài)準(zhǔn)確度的軍用控制系統(tǒng)提供了所需的分析工具。 奈奎斯特三、 經(jīng)典控制理論階段北京科技大學(xué)自動化學(xué)院控制系*38自動控制技術(shù)的產(chǎn)生與發(fā)展 1948年伊萬斯（W.R.Evans）提出了復(fù)數(shù)域內(nèi)研究系統(tǒng)的根軌跡法。 建立在奈奎斯特的頻率響應(yīng)法和伊萬斯的根軌跡法基礎(chǔ)上的理論，稱為經(jīng)典（古典）控制理論（或自動控制原理）。北京科技大學(xué)自動化學(xué)院控制系*39自動控制技術(shù)的產(chǎn)生與發(fā)展美國貝爾實驗室的H. Bode(1938)提出

17、頻率響應(yīng)法。美國Taylor儀器公司的J. G. Ziegler和N. B. Nichols提出PID參數(shù)的最佳調(diào)整法(1942)美國MIT的N. Wiener研究隨機(jī)過程的預(yù)測(1942)，提出Wiener濾波理論(1942)，發(fā)表控制論(Cybernetics)一書(1948)，標(biāo)志著控制論學(xué)科的誕生。N.B. NicholsN. WienerN. Wiener, shown here in 1954 with Yuk Wing Lee (left) and Amar G. Bose, discussing an aspect of statistical communication th

18、eory北京科技大學(xué)自動化學(xué)院控制系*40自動控制技術(shù)的產(chǎn)生與發(fā)展四、現(xiàn)代控制理論階段 二次世界大戰(zhàn)中火炮，雷達(dá)，飛機(jī)以及通訊系統(tǒng)的控制研究直接推動了經(jīng)典控制的發(fā)展。五十年代后興起的現(xiàn)代控制起源于冷戰(zhàn)時期的軍備競賽，如導(dǎo)彈(發(fā)射，操縱，制導(dǎo)及跟蹤)，衛(wèi)星，航天器和星球大戰(zhàn)，以及計算機(jī)技術(shù)的出現(xiàn)。北京科技大學(xué)自動化學(xué)院控制系*41自動控制技術(shù)的產(chǎn)生與發(fā)展 美國R. Bellman在RAND Coporation數(shù)學(xué)部的支持下，發(fā)表著名的動態(tài)規(guī)劃（Dynamic Programming），建立最優(yōu)控制的基礎(chǔ)(1957) 蘇聯(lián)L.S. Pontryagin發(fā)表“最優(yōu)過程數(shù)學(xué)理論”，提出極大值原理(M

19、aximum Principle) (1956)L.S. Pontryagin北京科技大學(xué)自動化學(xué)院控制系*42自動控制技術(shù)的產(chǎn)生與發(fā)展 美籍匈牙利人R. E. Kalman發(fā)表“On the General Theory of Control Systems”等論文，引入狀態(tài)空間法分析系統(tǒng)，提出能控性、能觀測性、最佳調(diào)節(jié)器和Kalman 濾波等概念，奠定了現(xiàn)代控制理論的基礎(chǔ)(1960)。R.E. Kalman 國際自動控制聯(lián)合會(IFAC)成立(1957)，中國為發(fā)起國之一，第一屆學(xué)術(shù)會議于莫斯科召開(1960)。北京科技大學(xué)自動化學(xué)院控制系*43 1963年, 美國的Lofti Zadeh

20、與C. Desoer發(fā)表Linear Systems - A State Space Approach。1965年，Zadeh提出模糊集合和模糊控制概念 美國的E.I. Jury 發(fā)表“數(shù)字控制系統(tǒng)” (Sampled-Data Control System) ，建立了數(shù)字控制及數(shù)字信號處理的基礎(chǔ)(1958) 自動控制技術(shù)的產(chǎn)生與發(fā)展E.I. Jury北京科技大學(xué)自動化學(xué)院控制系*44自動控制技術(shù)的產(chǎn)生與發(fā)展 瑞典Karl J. Astrom提出最小二乘辯識，解決了線性定常系統(tǒng)參數(shù)估計問題和定階方法(1967)，六年后，提出了自啟調(diào)節(jié)器，建立自適應(yīng)控制的基礎(chǔ)。 英國H.H Rosenbrock

21、 發(fā)表State Space and Multivariable Theory(1970)。 加拿大W.M Wonham 發(fā)表Linear Multivariable Control: A Geometric Approach(1974) 。Karl J. AstromH.H Rosenbrock北京科技大學(xué)自動化學(xué)院控制系*45 美國R. Brockett提出用微分幾何研究非線性控制系統(tǒng)(1976)。 意大利A. Isidori出版(Nonlinear Control Systems) (1985)。A. IsidoriR. Brockett自動控制技術(shù)的產(chǎn)生與發(fā)展北京科技大學(xué)自動化學(xué)院控制系*46 加拿大G. Zames提出H魯棒控制設(shè)計方法(1981年)Gorge Zames自動控制技術(shù)的產(chǎn)生與發(fā)展 美國A. Bryson 和Y.C Ho 發(fā)表Applied Optimal Control(1969)。 華人學(xué)者Y.C Ho 和X.R Cao等提出離散事件系統(tǒng)理論(1983)A. BrysonYu C. Ho北京科技大學(xué)自動化學(xué)院控制系*47 中國批準(zhǔn)863高技術(shù)計劃，包括自動化領(lǐng)域的計算機(jī)集成制造系統(tǒng)和智能機(jī)器人兩個主題(1986)自動控制技術(shù)的產(chǎn)生與發(fā)展北京科技大學(xué)自動化學(xué)院控制系*48自動控制的典型應(yīng)用