自动控制理论第一章引论.ppt

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1、欢迎各位来到自动控制理论课堂计算机与信息工程学院 王战果,参考教材,自动控制理论,夏德钤，翁贻方 编著 机械工业出版社,第二、三版,配套教辅教材,自动控制理论例习题集考研试题解,翁贻方 编著 机械工业出版社，2006,考虑学习的态度和目的存在五种类型的学生：A级，厌学型：不快乐、厌烦、心理上的强烈反感和抵触；B级，被动型：消极、被动、麻木，在父母、老师的督促和舆论的压力下取得进步；C级，机械型：全身心投入、刻苦用功、头悬梁锥刺骨、按部就班地朝着一流的方向努力；D级，进取型：自信、主动、积极，把必须要做的事情做到最好，持续性地保持一流的成绩；E级，自主型：拥有D级学生的特征，此外还有：自主、自由

2、、坚韧、扎实、快乐，有个性，有激情，有想象力，享受学习而不是完成学习，不以分数来衡量优劣，不一定是第一名，但一定有独立的意志，有强烈的兴趣，有一个执著追求的目标。,自主型学生对应E级，因此称为“E学生”E学生是拥有强烈自主意识和很高的情商，因而是更快乐更杰出的学生。其特征称为“3E”：EQ情商；Enjoy快乐、享受（学习）；Excellence优秀、杰出、卓越。“E学生”不一定个个杰出，但杰出的人一定出自“E学生”。是非智力因素决定了你站在什么位置，而你的位置决定了你能从现在的教育体系中吸收多少真正有用的东西。,第一章 引 论,相对论、量子论和控制论是20世纪上半叶的三大伟绩，称为三项科学革命

3、，是人类认识客观世界的三大飞跃。控制论的两个核心是信息论和反馈控制。机器系统、生命系统、社会及经济系统的共同特点即通过信息的传递、加工处理并利用反馈来进行控制-控制论的中心思想。,控制论是一门既与技术科学又与基础科学紧密相关的边缘学科。它不仅具有重大的理论意义，而且对生产力的发展、生产率的提高、尖端技术的研究与尖端武器的研制以及对社会管理都发生重大影响。因此，控制论建立后短短时期内便迅速渗透到许多科学技术领域，派生出许多新型边缘学科。,生物控制论：运用控制论研究生命系统的控制与信 息处理。,经济控制论：研究经济计划、财贸信贷等经济活动 及其控制。,工程控制论：控制论与工程技术的结合。,自动控制

4、理论就是指导实现自动控制技术设计的基本理论，运用基本理论解决某些工程实际问题的具体技术措施。在科学和工程技术的发展过程中，自动控制技术起着重要的作用。除了在宇宙飞船、导弹发射和飞机驾驶等系统中，自动控制技术具有特别重要的作用之外，它在现代机器制造和工业生产过程中也是不可缺少的重要组成部分。,随着自动控制理论和技术的不断发展，给人们提供了获得动态系统最佳性能的方法，提高了产品质量，降低了生产成本，提高了劳动生产率，使人们从繁重的体力劳动和重复的手工操作中解放出来。,本课程在人才培养中的重要地位,自动化、电气工程及其自动化专业主干课程知识结构中起到承上启下作用构建和设计自动控制系统的理论与方法后续

5、课程计算机控制系统、运动控制系统、过 程控制系统等,高等数学中的微分方程,拉普拉斯变换,电路理论中相关知识,模拟电子技术中的运算放大器,本课程所需基础知识,物理学相关知识,本课程的任务,掌握闭环控制系统的结构、原理掌握自动控制系统的传递函数数学模型掌握自动控制系统的分析方法掌握自动控制系统的校正方法 本章将对本课程的主要内容作一个简介，使同学们对自动控制理论的内容有一个基本了解，以便更好地学习以后各章节。,本章主要内容,第一节 控制理论在国民经济中的作用第二节 自动控制理论发展简介第三节 自动控制和自动控制系统第四节 开环控制和闭环控制第五节 本课程的内容和特点本章小结、重点和习题,第一节 控

6、制理论在国民经济中的作用,什么是自动控制？,自动控制是在人不直接参与的情况下，利用自动控制装置使机器、设备、生产过程等自动地按照预定的规律运行，使机器的动作、设备的运转、生产过程的状态能够自动地在一定的精度范围内，按照给定的规律变化。,自动控制系统无处不在(1),军事、航天领域 火炮跟踪系统、雷达跟踪系统；人造卫星 的姿态控制等；宇宙飞船的各种自动控制。工业领域 产品加工和物流调配的自动控制；石油化 工生产过程、造纸、工业窑炉、轧钢过程的自 动控制等。,自动控制系统无处不在(2),由于计算机等技术的诞生和飞速发展，使得控制技术水平不断提高，已扩大到经济与社会生活的各个领域，如通信、交通、医学、

7、环境保护、经济管理等领域，控制技术已成为现代社会不可缺少的重要组成部分。生物：人口控制，药物动力学 金融：货币控制,自动控制系统无处不在(3),第二节 自动控制理论发展简介,自动控制理论是自动控制技术的基础理论，是一门理论性较强的工程科学。根据自动控制技术的发展进程，自动控制理论可分为 经典控制理论和现代控制理论两大部分。,经典控制理论的形成和基本内容（1）工业化促使自动控制装置产生 最早工业应用的自动装置：1769年Watt发明的飞球式蒸汽机调速器。一种凭借直觉的实证性发明。,（2）最早的稳定性研究 J.C.Maxwell（麦克斯韦尔），1868年发表论调节器，研究调节器的微分方程，线性化处

8、理，系统稳定性取决于微分方程的特征根是否都具有一对负的实部，针对二阶和三阶系统讨论了使特征根具有负实部时，特征多项式系数应满足的条件。,（3）系统稳定判据由E.J.Routh（劳斯，1884年）和 Hurwitz（霍尔维茨，1895年）提出的劳斯-霍尔维茨稳定判据 俄国A.M.Lyapunov（李雅普诺夫，1892年）在论运动稳定性的一般问题中建立了动力学系统的一般稳定性理论。提出了李雅普诺夫第一法与第二法 H.Nyquist（乃魁斯特，1932年）提出乃氏判据，Bode(波特，1927年）提出了对数频率特性的方法。W.R.Evans（伊万斯，1948年)提出根轨迹法，此方法和规则指的是当系统

9、参数变化时特征方程式根变化的几何轨迹。目前仍然是系统设计和稳定性分析的一种重要方法。,（4）20世纪4050年代形成 SISO（Single Input Single Output）系统 二战期间，军事科学的需要大大促进了反馈控制理论的发展。美国麻省理工学院雷达实验室的科学家们将反馈放大器理论、PID控制以及N.Wiener（维纳）的随机过程理论等结合在一起，形成了一整套被称为随动控制系统的设计方法。1948年维纳发表著名的控制论。系统地论述了控制理论的一般原理和方法。标志控制学科的诞生,（5）1954年，钱学森的工程控制论在美国出版。奠定了工程控制论的基础 20世纪50年代末期所讨论的内容主

10、要有：系统数学模型的建立、时域分析法、频率特性法、根轨迹法、系统综合与校正、非线性系统和采样控制系统分析法等，也被称为经典控制理论。,经典控制理论-以积分变换为主要数学工具，用频率特性法和根轨迹法以描述输入、输出外部传递函数为基础，研究控制系统的动态特性的理论。,研究对象：单输入、单输出线性定常系统。解决方法：频率法、根轨迹法、传递函数。非线性系统：相平面法和描述函数分析。数学工具：拉氏变换、常微分方程。,b.局限性难以应用于时变系统、多变量系统。难以揭示系统更为深刻的特性。,经典控制理论 a.特点,现代控制理论 空间技术竞赛催生了现代控制理论 50年代末，美国的Bellman（贝尔曼）、Ka

11、lman（卡尔曼）和前苏联的庞德里亚金等考虑用常微分方程作为控制系统的数学模型。由于数字计算机的发展使得十年前尚无法进行的计算问题成为可能，这时李雅普诺夫的工作被引入到控制理论中来，而由Wiener（维纳）等人在第二次世界大战期间关于最优控制的研究也被用来研究系统状态轨迹的优化问题。这种方法在标准形式或状态形式的常微分方程的基础上直接引进并大量使用了计算机。这种方法通常称为“现代控制理论”，以区别于60年代以前的“经典控制理论”。,状态空间法被引入到控制理论中来。Kalman（卡尔曼）提出了能控性与能观测性。表征系统结构特征的重要概念。“内部研究”代替了传统的“外部研究”。并使分析与综合过程建

12、立在严格的理论基础之上。,现代控制理论的重要标志：,现代控制理论 以微分方程、线性代数及数值计算为主要数学工具，用时域方法（状态空间方法）以描述系统内部状态变量关系的状态方程为基础，研究系统状态运动的理论。,主要分支学科：线性系统理论、最优控制理论、系统辨识与自适应控制、大系统理论和特大系统理论等。一些分支学科还渗透到相邻学科中去，如滤波技术、自学习理论与人工智能、建模理论与系统工程等。,研究对象：多输入、多输出系统，线性、定常或时变、离散系统。解决方法：状态空间法（时域方法）。方 法 上：研究系统输入/输出特性和内 部性能。内 容 上：线性系统理论、系统辨识、最 优控制、自适应控制等数学工具

13、：线性代数、微分方程。,现代控制理论特点,自动控制理论的发展历程,经典控制理论现代控制理论智能控制理论 现代控制理论是相对于经典控制理论而发展起来的.计算机技术的发展与应用促进了现代控制理论的研究、应用与发展.经典的控制理论在浅层意义上模拟人们反馈自动调节的行动过程.智能控制方法在较深层次上模拟人类大脑的思维判断过程，通过模拟人类思维判断的各种算法实现控制。主要有模糊控制、人工神经网络控制、专家控制等。,第三节 自动控制和自动控制系统,一、自动控制的概念 1、手动控制 水箱水位的手动控制：,图1-1 水箱水位的人工控制系统示意图,2、自动控制 自动控制是在人不直接参与的情况下，利用外加设备或装

14、置（称为自动控制装置）使被控对象（如机器、设备、生产过程等）自动地按照预定的规律运行，使被控对象的状态（一个或多个物理参数，如温度、流量等。称为被控量）能够自动地在一定的精度范围内，按照给定的规律变化。,浮子：测量作用连杆：比较作用放大器、伺服电动机和减速器：调节作用阀门：执行元件作用水位自动控制的目的：使偏差消除或减小，使实际水位达到要求的水位值。,图1-2 水箱水位的自动控制系统示意图,二、自动控制系统 系统:为达到某一目的，由相互制约、相互联系的各个部件按照一定规律构成且具有独立功能的整体称为系统。自动控制系统:自动控制系统是由被控对象和自动控制装置按照一定方式连接起来，完成一定的自动控

15、制任务，并具有预定性能的动力学系统。,自动控制系统的被控制量称为系统输出量 影响系统输出量的外界输入称为系统的输入量 输入量分类：给定输入：（或称参考输入、希望值等）：指对系统输出量的要求值。扰动输入：指对系统输出量有不利影响的输入量,自动控制系统的组成 由两大组成部分，即被控对象和自动控制装置（有时也称为控制器）自动控制装置又可分为下列几个部分：,（1）测量元件（或测量装置）。用于测量被控量的实际值或对被控量进行 物理量变换的装置。,（2）比较元件（或比较器）。它将被控量的实际值（常取负号）与被控 量的要求值（常取正号）相比较，得到偏差的 大小和符号。,（3）调节元件。通常包括放大器和校正装

16、置。它能将偏差信号放 大，并使输出控制信号与偏差信号之间具有一定的 数值运算关系（也称为调节规律或控制算法）。,（4）执行元件。接受调节元件的输出控制信号，产生具体的 控制效果，使被控制量产生预期的改变。,系统框图 为了清楚地表示控制系统的组成及各组成部分之间信号的传输关系，画出的控制系统元件作用图称为系统框图。共有四种图例：（1）装置用方框表示（2）信号用带箭号的线段表示（3）信号引出点（4）信号相加点（比较点）,图13 水箱水位控制系统框图,三、自动控制系统的分类 从信号传送的结构特点可将控制系统可分为开环控制系统与闭环控制系统。按照其他分类原则还可分为：,（一）随动系统与自动调整系统 随

17、动系统又称为伺服系统。特点：给定值是预先未知的、随时间任意变化，要求系统被控量以尽可能小的误差跟随给定值变化。（比如高射炮跟踪敌机随动系统）自动调整系统又称为恒值控制系统、定值调节系统或自动镇定系统。特点：系统输入量（即给定值）不变，但由于扰动使被控量偏离要求值，该系统能根据偏差产生控制作用，使被控量恢复到要求值，并以一定的准确度保持在要求值附近。（如恒温控制系统）,（二）线性系统和非线性系统 线性系统是指组成系统的元器件的静态特性为直线，能用线性常微分方程描述其输出与输入关系的系统。线性系统的主要特点是具有叠加性和齐次性。本课程研究线性定常系统（或称为线性时不变系统、自治系统），简单涉及非线

18、性系统。非线性系统是指组成系统的元器件中有一个以上具有非直线的静态特性的系统。非线性系统还可分为非线性时变系统与非线性定常系统。,（三）连续系统与离散系统 连续系统，各部分的输入和输出信号都是连续变化的模拟量，可用微分方程来描述各部分输入-输出关系的系统。离散系统，某一处或多处的信号以脉冲序列或数码形式传递的系统。离散系统也有线性离散系统和非线性离散系统、定常离散系统和时变离散系统之分。,（四）单输入-单输出系统与多输入-多输出系统 单输入单输出系统（SISO,Single Input Single Output)：只有一个输入量和一个输出量的控制系统，也称为单变量系统。如前述的直流电机调速系

19、统。多输入多输出系统（MIMO,Multiple Inputs Multiple Outputs):有多个输入量和多个输出量的控制系统，也称为多变量系统。如后述的火力发电厂综合控制系统。,（五）确定系统与不确定系统 确定系统：若系统的结构和参数是确定的、预先可知的，系统的输入信号（包括给定输入和扰动）也是确定的，则可用解析式或图表确切地表示，这种系统称为确定系统。不确定系统：系统本身的结构和参数不确定或作用于系统的输入信号不确定时，则称这种系统为不确定系统。,（六）集中参数系统和分布参数系统能用常微分方程描述的系统称为集中参数系统。不能用常微分方程而必须用偏微分方程描述的系统称为分布参数系统。

20、本课程中涉及的内容主要是单变量、集中参数、线性、定常、连续系统，同时对非线性系统及线性离散系统也作必要的阐述。,四、自动控制系统中的术语和定义,参考输入r：输入到控制系统的指令信号主 反 馈b:与输入成正比或成某种函数关系，但量纲与参考输 入相同的信号。偏 差 e：参考输入与主反馈之差的信号，有时也称为误差。,扰动n,主反馈b,比较环节,图1-4 自动控制系统示意图,控制环节Gc：接收偏差信号，通过转换与运算，产生控制量。控 制 量u：控制环节的输出，作用于被控对象的信号。扰 动 n：不希望的，影响输出的信号。被控对象G0：它接受控制量，并输出被控制量。,扰动n,比较环节,主反馈b,被控对象G

21、0：它接受控制量，并输出被控制量。输 出 c：系统被控制量。反馈环节H：将输出转换为主反馈信号的装置。比较环节：将主反馈信号和参考输入信号进行比较，产生偏差量。,扰动n,比较环节,主反馈b,第四节 开环控制和闭环控制,实际应用的控制系统中，根据有无反馈作用，又可分为开环控制系统和闭环控制系统。一、开环控制 在控制器与被控对象之间只有正向控制作用而没有反馈控制作用，即系统的输出量对输入量没有影响。输入量直接送入控制器，产生控制量作用于被控对象，从而改变被控制量。(只有顺向作用，控制单方向进行）,输出量,优点：简单，快速 缺点：对扰动没有抑制能力,图1-5 开环控制系统,例：直流电动机调速系统（机

22、械力矩 ML恒定),稳态时 ugudi Me n e i直至达到稳态力矩平衡（转速上升）优点：简单 缺点：对扰动没有抑制能力（如外扰引起n变化）,图1-6 直流电机调速系统（开环）,二、闭环控制 引入测量元件构成闭环，通过负反馈构成按偏差调节的闭环系统。通过信息双向流动反映了控制量与被控制量（输出量）相互间的矛盾,使动静性能得到提高。,反馈量,图1-7 闭环控制系统,反馈将检测出来的输出量送回到输入端，并与输入信号比较的过程。有负反馈与正反馈之分。反馈控制在控制过程中对被控制量（输出量）不断测量，并将其反馈到输入端与给定值（参考输入量）比较，利用放大后的偏差信号产生控制作用。,闭环控制是一种反

23、馈控制。（1）从信号流向看，输出量经测量后送回到输入端，构成闭环系统；（2）从控制作用产生看，它是由偏差引起的；（3）抑制包围的前向通道的干扰；（4）由于引起超调，注意稳定性问题。闭环控制在控制器与被控对象之间，不仅存在着正向作用，而且存在着反馈作用。系统的输出量对控制量有着直接影响。有抗干扰能力强，稳态精度高、动态性能好、稳定裕度大等优点。,-抗干扰能力强，稳态精度高、动态性能好等。,闭环控制的优点,设计不合理时，将出现不稳定。在开环控制系统中不存在同样的问题。,由此带来的问题,例：闭环直流电动机调速系统,控制量：ud=K(ug-ub)偏差信号：ug-ub,按偏差调节：nub(ug-ub)u

24、d n ug不变 时可维持转速恒定而抵御扰动,图1-8 直流电机调速系统（闭环）,三、自动控制系统举例 1、恒温箱控制系统,图1-9 恒温箱控制系统原理图,图1-10 恒温箱控制系统方框图,2、机床工作台位置控制系统,图111 机床工作台位置控制系统原理图和方框图,火力发电厂综合控制系统,生产过程自动控制系统控制柜,工艺流程画面,古老的棉纺厂,现代化的化工厂,本课程以闭环控制系统为研究对象用传递函数数学模型描述自动控制系统的 输入输出关系用经典控制理论的方法分析和设计系统主要研究线性定常系统,第五节 本课程的内容和特点,一、自动控制理论的内容 自动控制理论的内容与自动控制系统需要研究的问题密切

25、相关。要研究的问题有两个方面，即:控制系统的分析；控制系统设计与综合。,（）自动控制系统的分析 控制系统分析包括三个方面内容：稳定性分析；稳态特性分析；动态特性（暂态特性或瞬态特性）分析。,1系统的稳定性分析 稳定是任何一个自动控制系统能否实际应用的必要条件。给出判断系统稳定性的基本方法，并阐述系统的稳定性与系统结构（或称控制规律）及系统参数间的关系。,2稳态特性分析 系统稳态特性表征了系统实际稳态值与希望稳态值之间的差值，即稳态误差，表征了控制系统的控制精度。给出计算系统稳态误差的方法，指出系统结构和参数对稳态特性的影响。,3动态特性分析 系统的输入一定时，一般将由初始稳态向终止稳态过渡。初

26、始稳态与终止稳态之间的过渡过程称为系统的动态过程（或瞬态过程、暂态过程）。分析系统结构、参数与动态特性的关系，并给出计算系统动态性能指标的方法和讨论改善系统动态性能的途径。,（二）自动控制系统的设计与综合 设计一个系统比分析一个系统要复杂得多，要有控制理论的知识，并对控制元件、控制规律都要十分熟悉，还要将理论与实际问题结合起来。本课程的一个重要内容是当给定一个被控对象的数学模型，一组要求的性能指标时，寻求一种方法去解决以下问题:,（1）决定出一种合适的控制规律及相应的参数；（2）不须求助方程的解，能从系统的数学模型近似地估计系统时域响应；（3）若结果不能令人满意，应能指明改善系统性能的途径。这

27、就是我们以后所讲的，为满足动态性能指标和稳态性能指标的要求，需要改变系统的某些参数或附加某种装置的方法。这种方法称为控制系统的校正。改变系统参数或附加校正装置的过程称为系统的综合。,应用自动控制理论对自动控制系统进行设计与综合的过程如下：设计控制器确定出一种合适的控制规律及相应的参数；根据设计结果，对系统性能进行分析；若结果不能令人满意，应能指明改善系统性能的途径，并调整设计方案或参数。,二、主要分析方法 自动控制理论在阐述自动控制与自动控制系统相关基本概念的基础上，从控制系统的数学模型入手，分别介绍时域分析法、根轨迹分析法和频率特性分析法。上述三种分析方法虽然不同，但都围绕着系统稳定性、稳态

28、特性和动态特性的分析这条主线来进行的，各种分析方法之间具有内在的联系。,掌握上述基本分析方法后，将进行系统校正与综合的讨论，这是比系统分析更深层次的内容，主要介绍根轨迹法和频率特性法校正与系统综合的原理与思路。此外，还介绍了针对非线性系统的描述函数法和相平面分析法。最后还要学习线性离散控制系统的基本分析方法。,经典控制理论的体系,数学模型：以线性常微分方程为基础的、用传递函数表示系统的输入输出关系；用框图表示系统的数学模型，化简的方法；用信号流程图表示系统各部分之间的信号关系，并化简。,经典控制理论的体系,根据系统 的传递函数 判定系统的稳定性,根据系统的 传递函数分 析和计算系统的暂态性能；

29、,时域分析方法：,用系统的根轨 迹分析稳定 性、稳态误 差和暂态性能,根据系统的传递函数分析和计算系统的稳 态误差；,经典控制理论的体系,根据系统 的传递函数 得到系统频率特性表达式；,根据系统的 开环频率特性 分析系统稳态和暂态性能,频域分析方法：,根据系统的开 环频率特性设 计控制装置。,根据系统的开环频率特性定性和定量地分析闭环系统的稳 定性,第一章小结及学习指导,本章介绍了自动控制理论的应用领域、发展过程和分类。通过一些控制系统实例讨论了手动控制、自动控制、自动控制系统的工作原理、系统分类及相关术语等基本概念。最后介绍了本课程将要学习的主要内容，以利于读者从总体上把握本课程的相关知识。

30、,1、基本要求（1）明确什么叫自动控制，正确理解被控对象、被控量、控制装置和自控系统等概念。（2）正确理解控制系统的基本控制方式及特点，特别是闭环控制。（3）初步掌握由系统工作原理图画方框图的方法，并能正确判别系统的控制方式。（4）明确系统常用的分类方式，掌握各类别的含义和信息特征，特别是按数学模型分类的方式。（5）明确对自控系统的基本要求，正确理解三大性能指标（稳、准、快）的含义。,2.本章重点,基本了解 自动控制理论发展概况 自动控制系统的分类重点理解 开环控制和闭环控制的特点 闭环控制系统的工作原理 本课程的研究对象是闭环的单变量线性定常系统 本课程学习经典控制理论,3内容提要及小结（1

31、）几个重要概念,在没有人直接参与的情况下，利用控制器使被控对象的被控量自动地按预先给定的规律去运行。,自动控制：,指被控对象和控制装置的总体。这里控制装置是一个广义的名词，主要是指以控制器为核心的一系列附加装置的总和。共同构成控制系统，对被控对象的状态实行自动控制，有时又泛称为控制器或调节器。,自动控制系统：,自动控制系统,把被控量反送到系统的输入端与给定量进行比较，利用偏差引起控制器产生控制量，以减小或消除偏差。,负反馈原理：,（2）控制系统基本控制方式 实现自动控制的基本途径有二：开环和闭环。实现自动控制的主要原则有三：主反馈原则按被控量偏差实行控制。补偿原则按给定或扰动实行硬调或补偿控制

32、。复合控制原则闭环为主、开环为辅的组合控制。（3）系统分类的重点 重点掌握线性与非线性系统的分类，特别对线性系统的定义、性质、判别方法要准确理解。,线性系统,非线性系统,（4）正确绘制系统方框图 绘制系统方框图一般遵循以下步骤：搞清系统的工作原理，正确判别系统的控制方式。正确找出系统的被控对象及控制装置所包含的各功能元件。确定外部变量（即给定值、被控量和干扰量），然后按典型系统方框图的连接模式将各部分连接起来。,（5）对自控系统的要求对自控系统的要求用语言叙述就是两句话：要求输出等于给定输入所要求的期望输出值；要求输出尽量不受扰动的影响。衡量一个系统是否完成上述任务，把要求转化成三大性能指标来评价：稳定系统的工作基础；准确稳定精度要高，误差要小。快速、平稳动态过程时间要短，振荡要轻。,1自动控制系统由 和 两大部分组成。自动控制系统有 和 两种最基本的形式。2 对自动控制系统的性能要求为三个方面:。3 控制系统的分析和综合方法有，根轨迹法和状态空间法等。4 根据系统给定值信号特点，控制系统可分为：控制系统、控制系统和程序控制系统。5 名词解释（1）自动控制：（2）线性控制系统：（3）反馈控制：,