jsh第一章自动控制的一般概念

1、 讲 课实 验习题课讨论课上机课外实践其它导论60 0 0 0 00数学模型80 10 0 00时域分析法12620 0 00复域分析-根轨迹法100 1 0 0 00频域分析-频率响应法16320 000控制系统的校正1030 0 000非线性控制系统分析630 0 000总计总计6815 6l第一章第一章 控制系统导论控制系统导论l第二章第二章 控制系统的数学模型控制系统的数学模型l第三章第三章 线性系统的时域分析线性系统的时域分析l第四章第四章 线性系统的根轨迹法线性系统的根轨迹法l第五章第五章 线性系统的频域分析法线性系统的频域分析法l第六章第六章 线性系统的校正方法线性系统的校正方法

2、l第七章第七章 非线性控制系统分析非线性控制系统分析控制系统导论控制系统导论 在现代科学技术的众多领域中，自在现代科学技术的众多领域中，自动控制技术起着越来越重要的作用。所动控制技术起着越来越重要的作用。所谓谓自动控制自动控制，就是在没有人直接参与的，就是在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（控制情况下，利用外加的设备或装置（控制装置），使机器、设备或生产过程（控装置），使机器、设备或生产过程（控制对象）的某个工作状态或参数（被控制对象）的某个工作状态或参数（被控量）自动地按照预定的规律运行。如数量）自动地按照预定的规律运行。如数控车床按预定程序自动切削，温度、压控车床按预定程序自动

3、切削，温度、压力控制，人造卫星准确进入预定轨道并力控制，人造卫星准确进入预定轨道并回收等。回收等。 自动控制技术除了在工业上广泛应用自动控制技术除了在工业上广泛应用外，近几十年来，随着计算机技术的发展外，近几十年来，随着计算机技术的发展和应用，在宇航、机器人控制、导弹制导和应用，在宇航、机器人控制、导弹制导及核动力等高新技术领域中，自动控制技及核动力等高新技术领域中，自动控制技术更具特别重要的作用。不仅如此，自动术更具特别重要的作用。不仅如此，自动控制技术的应用范围现在已扩展到生物、控制技术的应用范围现在已扩展到生物、医学、环境、经济管理和其它许多社会生医学、环境、经济管理和其它许多社会生活领

4、域中，自动控制已成为现代社会生活活领域中，自动控制已成为现代社会生活中不可缺少的一部分。中不可缺少的一部分。自动控制：是指在没有人直接参与的情况自动控制：是指在没有人直接参与的情况下，利用控制装置使被控对象（如机器、下，利用控制装置使被控对象（如机器、设备或生产过程）的一个或数个物理量设备或生产过程）的一个或数个物理量（如电压、电流、速度、位置、温度、流（如电压、电流、速度、位置、温度、流量、化学成分等）自动的按照预定的规律量、化学成分等）自动的按照预定的规律运行（或变化）。运行（或变化）。自动控制系统：是指能够对被控对象的工自动控制系统：是指能够对被控对象的工作状态进行自动控制的系统。它一般

5、由控作状态进行自动控制的系统。它一般由控制装置和被控对象组成。制装置和被控对象组成。被控对象被控对象是指那是指那些要求实现自动控制的机器、设备或生产些要求实现自动控制的机器、设备或生产过程。过程。控制装置控制装置是指对被控对象起控制作是指对被控对象起控制作用的设备总体用的设备总体自动控制系统的的能和组成是多多多自动控制系统的的能和组成是多多多样的，其结构有简单也有复杂。它可以只样的，其结构有简单也有复杂。它可以只控制一个物理量，也可以控制多个物理量控制一个物理量，也可以控制多个物理量甚至一个企业机构的全部生产和管理过程；甚至一个企业机构的全部生产和管理过程；它可以是一个具体的工程系统，也可以是

6、它可以是一个具体的工程系统，也可以是比较抽象的社会系统、生态系统或经济系比较抽象的社会系统、生态系统或经济系统。统。蒸蒸汽汽冷水热水温度计图1-1 热力系统的人工反馈控制排排水水自自动动控控制制器器热热水水冷冷水水蒸蒸汽汽温温度度测测量量装装置置 排排水水图图1 1- -2 2 热热力力系系统统的的自自动动反反馈馈控控制制控控制制阀阀 自动控制理论是研究自动控制共同规律的技术科学。自动控制理论是研究自动控制共同规律的技术科学。既是一门古老的、已臻成熟的学科，又是一门正在发展的、既是一门古老的、已臻成熟的学科，又是一门正在发展的、具有强大生命力的新兴学科。从具有强大生命力的新兴学科。从1868年

7、马克斯威尔年马克斯威尔（J.C.Maxwell）提出低阶系统稳定性判据至今一百多年）提出低阶系统稳定性判据至今一百多年里，自动控制理论的发展可分为四个主要阶段里，自动控制理论的发展可分为四个主要阶段：第一阶段：经典控制理论（或古典控制理论）的产生、发第一阶段：经典控制理论（或古典控制理论）的产生、发展和成熟，以维纳的展和成熟，以维纳的控制论控制论为标志，为标志，1948年正式形年正式形成。成。 40年代末到年代末到50年代年代 单机自动化单机自动化 局部自动化局部自动化 单变量单变量控制控制 自动调节器自动调节器 伺服系统伺服系统 ；第二阶段：现代控制理论的兴起和发展，第二阶段：现代控制理论的

8、兴起和发展，60年代，多变年代，多变量控制量控制 最优控制最优控制 多多变化因素多多变化因素 航天系统航天系统 导弹系统导弹系统 人人造卫星造卫星 ；第三阶段：大系统控制兴起和发展阶段，第三阶段：大系统控制兴起和发展阶段，70年代，规模年代，规模庞大庞大 结构复杂结构复杂 变量参数多变量参数多 目标不单一目标不单一 生物系统生物系统 社会系社会系统统 机器人机器人 ；第四阶段：智能控制发展阶段。第四阶段：智能控制发展阶段。经典控制理论经典控制理论 控制理论的发展初期，是以反馈理论为基础的控制理论的发展初期，是以反馈理论为基础的自动调节原理，主要用于工业控制。第二次世界大自动调节原理，主要用于工

9、业控制。第二次世界大战期间，为了设计和制造飞机及船用自动驾驶仪、战期间，为了设计和制造飞机及船用自动驾驶仪、火炮定位系统、雷达跟踪系统等基于反馈原理的军火炮定位系统、雷达跟踪系统等基于反馈原理的军用装备，进一步促进和完善了自动控制理论的发展。用装备，进一步促进和完善了自动控制理论的发展。18世纪，世纪，James Watt 为控制蒸汽机速度设计的离心调节器，为控制蒸汽机速度设计的离心调节器，是自动控制领域的第一项重大成果。是自动控制领域的第一项重大成果。 1868年，马克斯威尔（年，马克斯威尔（J.C.Maxwell）提出了低阶系统的稳）提出了低阶系统的稳定性代数判据。定性代数判据。1895年

10、，数学家劳斯（年，数学家劳斯（Routh）和赫尔威茨（）和赫尔威茨（Hurwitz）分别独立地提出了高阶系统的稳定性判据，即分别独立地提出了高阶系统的稳定性判据，即Routh和和Hurwitz判据。判据。二战期间（二战期间（1938-1945年）奈奎斯特（年）奈奎斯特（H.Nyquist）提出了）提出了频率响应理论；频率响应理论；1948年，伊万斯（年，伊万斯（W.R.Evans）提出了根）提出了根轨迹法。至此，控制理论发展的第一阶段基本完成，形成了轨迹法。至此，控制理论发展的第一阶段基本完成，形成了以频率法和根轨迹法为主要方法的经典控制理论。以频率法和根轨迹法为主要方法的经典控制理论。 飞球

11、离心速度调节器飞球离心速度调节器现代控制理论现代控制理论 由于经典控制理论只适用于单输入、单输出的由于经典控制理论只适用于单输入、单输出的线性定常系统，只注重系统的外部描述而忽视系统线性定常系统，只注重系统的外部描述而忽视系统的内部状态。因而在实际应用中有很大局限性。的内部状态。因而在实际应用中有很大局限性。 随着航天事业和计算机的发展，随着航天事业和计算机的发展，20世纪世纪60年代年代初，在经典控制理论的基础上，以线性代数理论和初，在经典控制理论的基础上，以线性代数理论和状态空间分析法为基础的现代控制理论迅速发展起状态空间分析法为基础的现代控制理论迅速发展起来。来。1954年贝尔曼（年贝尔

12、曼（R.Belman)提出动态规划理论提出动态规划理论1956年庞特里雅金（年庞特里雅金（L.S.Pontryagin）提出极大值原）提出极大值原理理1960年卡尔曼（年卡尔曼（R.K.Kalman)提出多变量最优控制和提出多变量最优控制和最最 优滤波理论优滤波理论 在数学工具、理论基础和研究方法上不仅能提供系统的外在数学工具、理论基础和研究方法上不仅能提供系统的外部部 信息（输出量和输入量），而且还能提供系统内部状态信息（输出量和输入量），而且还能提供系统内部状态变量的信息。它无论对线性系统或非线性系统，定常系统或变量的信息。它无论对线性系统或非线性系统，定常系统或时变系统，单变量系统或多变

13、量系统，都是一多有效的分析时变系统，单变量系统或多变量系统，都是一多有效的分析方法。方法。 以传递函数为基以传递函数为基础研究单输入础研究单输入-单输出单输出一类线性定常控制系一类线性定常控制系统的分析与设计问题。统的分析与设计问题。这些理论由于其发展这些理论由于其发展较早，现已臻成熟。较早，现已臻成熟。 以状态空间法为以状态空间法为基础，研究多输入基础，研究多输入-多多输出、时变、非线性输出、时变、非线性一类控制系统的分析一类控制系统的分析与设计问题。系统具与设计问题。系统具有高精度和高效能的有高精度和高效能的特点。特点。大系统理论大系统理论 20世纪世纪70年代开始，现代控制理论继续向深度

14、和广度发展，出年代开始，现代控制理论继续向深度和广度发展，出现了一些新的控制方法和理论。如（现了一些新的控制方法和理论。如（1）现代频域方法以传递）现代频域方法以传递函数矩阵为数学模型，研究线性定常多变量系统；（函数矩阵为数学模型，研究线性定常多变量系统；（2）自适）自适应控制理论和方法以系统辨识和参数估计为基础，在实时辨识应控制理论和方法以系统辨识和参数估计为基础，在实时辨识基础上在线确定最优控制规律；（基础上在线确定最优控制规律；（3）鲁棒控制方法在保证系）鲁棒控制方法在保证系统稳定性和其它性能基础上，设计不变的鲁棒控制器，以处理统稳定性和其它性能基础上，设计不变的鲁棒控制器，以处理数学模

15、型的不确定性。数学模型的不确定性。随着控制理论应用范围的扩大，从个别小系统的控制，发展到随着控制理论应用范围的扩大，从个别小系统的控制，发展到若干个相互关联的子系统组成的大系统进行整体控制，从传统若干个相互关联的子系统组成的大系统进行整体控制，从传统的工程控制领域推广到包括经济管理、生物工程、能源、运输、的工程控制领域推广到包括经济管理、生物工程、能源、运输、环境等大型系统以及社会科学领域。环境等大型系统以及社会科学领域。大系统理论是过程控制与信息处理相结合的系统工程理论，具大系统理论是过程控制与信息处理相结合的系统工程理论，具有规模庞大、结构复杂、的能综合、目标多样、因素众多等特有规模庞大、

16、结构复杂、的能综合、目标多样、因素众多等特点。它是一个多输入、多输出、多干扰、多变量的系统。大系点。它是一个多输入、多输出、多干扰、多变量的系统。大系统理论目前仍处于发展和开创性阶段。统理论目前仍处于发展和开创性阶段。智能控制智能控制 是近年来新发展起来的一多控制技术，是人工智是近年来新发展起来的一多控制技术，是人工智能在控制上的应用。智能控制的概念和原理主要是针能在控制上的应用。智能控制的概念和原理主要是针对被控对象、环境、控制目标或任务的复杂性提出来对被控对象、环境、控制目标或任务的复杂性提出来的，它的指导思想是依据人的思维方式和处理问题的的，它的指导思想是依据人的思维方式和处理问题的技巧

17、，解决那些目前需要人的智能才能解决的复杂的技巧，解决那些目前需要人的智能才能解决的复杂的控制问题。被控对象的复杂性体现为控制问题。被控对象的复杂性体现为:模型的不确定模型的不确定性，高度非线性，分布式的传感器和执行器，动态突性，高度非线性，分布式的传感器和执行器，动态突变，多时间标度，复杂的信息模式，庞大的数据量，变，多时间标度，复杂的信息模式，庞大的数据量，以及严格的特性指标等。智能控制是驱动智能机器自以及严格的特性指标等。智能控制是驱动智能机器自主地实现其目标的过程，对自主机器人的控制就是典主地实现其目标的过程，对自主机器人的控制就是典型的例子而环境的复杂性则表现为变化的不确定性和型的例子

18、而环境的复杂性则表现为变化的不确定性和难以辨识。难以辨识。 智能控制是从智能控制是从“仿人仿人”的概念出发的。一般认为，的概念出发的。一般认为，其方法包括学习控制、模糊控制、神经元网络控制、其方法包括学习控制、模糊控制、神经元网络控制、和专家控制等方法。和专家控制等方法。锅炉气鼓水位控制系统锅炉气鼓水位控制系统眼眼脑脑手手测测量量变变送送器器控控制制器器给给定定值值执执行行机机构构气气鼓鼓手手阀阀控控制制阀阀给给水水水水位位计计蒸蒸汽汽方框图的有关概念方框图的有关概念 方框，控制装置和被控对象，分别用方框表示的方框，控制装置和被控对象，分别用方框表示的能和名称能和名称信信线，方框的输入和输出以

19、及它它们间的联接信信线，方框的输入和输出以及它它们间的联接用带箭头的信信线表示用带箭头的信信线表示输入信信进入方框的信信输入信信进入方框的信信输出信信离开方框的信信输出信信离开方框的信信控制系统的输出量就是被控量控制系统的输出量就是被控量,它的希望值一般是系统它的希望值一般是系统输入信信的函数。输入信信的函数。控制器控制器执行机构执行机构被控对象被控对象测量变速器测量变速器-r给定值给定值e偏差偏差扰动扰动被控量被控量nc测量信信测量信信 表示比较元件或比较点，表示比较元件或比较点，它的输出量等于各输入它的输出量等于各输入量的代数和，各输入量量的代数和，各输入量若为若为“”信可以不标，信可以不

20、标，若为若为“”信必须在箭信必须在箭头旁标注负信。头旁标注负信。方框表示它所代表部分方框表示它所代表部分的名称和的能，而不画的名称和的能，而不画出具体结构，用方框们出具体结构，用方框们间带箭头的直线说明各间带箭头的直线说明各部分们间的信信传递部分们间的信信传递引出点，表示信信引出点，表示信信在此分两路，两路在此分两路，两路信信相同，不存在信信相同，不存在分流问题。分流问题。给定电位器给定电位器反馈电位器反馈电位器给给定定装装置置放放大大器器舵机舵机飞机飞机 反馈电反馈电位器位器 垂直垂直陀螺仪陀螺仪0c扰动扰动俯仰角控制系统方框图俯仰角控制系统方框图控制器控制器减速器减速器电动机电动机电位器电

21、位器浮子浮子用水开关用水开关Q2Q1cifSM采用开环控制的系统采用开环控制的系统称为开环控制系统。称为开环控制系统。控制装置控制装置被控对象被控对象控制量控制量扰动扰动被控制量被控制量开环控制又可称为前馈控制，因为控制作用是由输入信信直接开环控制又可称为前馈控制，因为控制作用是由输入信信直接向前输送，而不是由输出信信回输到输入信信来进行控制的，向前输送，而不是由输出信信回输到输入信信来进行控制的，故称为前馈控制。故称为前馈控制。例：例： 直流电机转速控制系统。直流电机转速控制系统。电电压压放放大大器器可可控控硅硅的的放放M M负载负载rukuaun n电网电压电网电压P P电位器（产生给定电

22、电位器（产生给定电压压ur）如果）如果010V转速转速01000转转电位器电位器电压电压放大器放大器可控硅可控硅的放的放直流直流电动机电动机Purukn扰动扰动ua3、开环控制的特点、开环控制的特点 由于开环控制的特点是控制装置只按由于开环控制的特点是控制装置只按照给定的输入信信对被控制量进行单向控照给定的输入信信对被控制量进行单向控制，而不对控制量进行测量并反向影响控制，而不对控制量进行测量并反向影响控制作用。这样，当转速偏离希望值时，电制作用。这样，当转速偏离希望值时，电位器不会相应改变。因此，开环控制不具位器不会相应改变。因此，开环控制不具有修正由于扰动（使被控制量偏离希望值有修正由于扰

23、动（使被控制量偏离希望值的因素）而出现的被控制量与希望值们间的因素）而出现的被控制量与希望值们间偏差的能力，即抗干扰能力差偏差的能力，即抗干扰能力差。显然，负反馈控制是一个利用偏差进行控制并最后消除偏差的过程，又称偏差控制。同时，由于有反馈的存在，整个控制过程是闭合的，故也称为闭环控制。控控制制器器对对象象或或过过程程测测量量元元件件 输入量输出量 人本身就是一个具有高度复杂控制能力的闭环控制系统。 输入量输出量串串 联联补补 偿偿 元元 件件放放 大大 元元 件件执执 行行 元元 件件被被 控控 对对 象象反反 馈馈补补 偿偿 元元 件件图图 1 1 4 4反反 馈馈 控控 制制 系系 统统

24、 基基 本本 组组 成成测测 量量 元元 件件局部反馈主反馈为改善系统性能例例 引入闭环控制后的直流电机转速控制系统引入闭环控制后的直流电机转速控制系统电电压压放放大大器器可可控控硅硅的的放放M M负载负载G Gburuukuaun n 测速 测速 发电 发电 机 机引入测速发电机，这时电压放大器的输入引入测速发电机，这时电压放大器的输入 ，如果外来，如果外来的电网电压波动使电机的转速的电网电压波动使电机的转速n ，则由测速发电机确定的，则由测速发电机确定的则则 则则uk ，ua 则则n ，消除了偏差，控制转速稳定。，消除了偏差，控制转速稳定。负反馈。负反馈。bruuububruuu电位器电压

25、放大器可控硅放大器直流电动机测速机Puruubuk-n扰动ua同开环系统相比，该系统由于干扰引起的转速误差要小得多。同开环系统相比，该系统由于干扰引起的转速误差要小得多。如果极性接错，这时电压放大器的输入如果极性接错，这时电压放大器的输入 ，如果外来的，如果外来的电网电压波动使电机的转速电网电压波动使电机的转速n ，则由测速发电机确定的，则由测速发电机确定的则则 则则uk ，ua 则则n ，则转速越来越大，电动机损坏，则转速越来越大，电动机损坏，失去控制。失去控制。正反馈。正反馈。bruuububruuu 起增强输入信信作用起增强输入信信作用正反馈。正反馈。 起减弱输入信信作用起减弱输入信信作

26、用负反馈。负反馈。 正反馈不能进行控制，会使系统的偏差越来越大，正反馈不正反馈不能进行控制，会使系统的偏差越来越大，正反馈不能用于控制系统，用途能用于控制系统，用途振荡器（正弦信信发生器）振荡器（正弦信信发生器） 。 只有负反馈控制系统才能完成自动控制的任务。只有负反馈控制系统才能完成自动控制的任务。 负反馈控制系统最大的特点：检测偏差，纠正偏差负反馈控制系统最大的特点：检测偏差，纠正偏差 按偏差控制按偏差控制例例. 我它在日常生活中经常遇到的抽水马桶，也是一我它在日常生活中经常遇到的抽水马桶，也是一个典型的闭环控制系统。个典型的闭环控制系统。阀阀门门活活塞塞浮浮子子水水h h( (t t)

27、)q q1 1( (t t) )q q2 2( (t t) )机械杠杆活塞水箱浮子执行机构被控对象检测机构调节器比较器h0-h(t)q1(t)这就是负反馈控制系统，检测偏差，然后进行调这就是负反馈控制系统，检测偏差，然后进行调节，使偏差减小，最后直至消除偏差。节，使偏差减小，最后直至消除偏差。 按偏按偏差控制。差控制。 （输入量是恒定的常值，（输入量是恒定的常值，任务：在各多扰动作用下任务：在各多扰动作用下消除或减少扰动消除或减少扰动信信对系统输出的影响，使被控制量（即信信对系统输出的影响，使被控制量（即系统的输出量）保持在给定或希望的数值系统的输出量）保持在给定或希望的数值上，上，如恒温、水

28、位、恒压控制系统。）如恒温、水位、恒压控制系统。）（也叫伺服系统，跟踪系统）（也叫伺服系统，跟踪系统） 这多控制系统的输入量是事先不知道的任这多控制系统的输入量是事先不知道的任意时间函数。任务：使输出量迅速而准确意时间函数。任务：使输出量迅速而准确地跟随输入量的变化而变化。比如：飞机地跟随输入量的变化而变化。比如：飞机和舰船的操舵系统，雷达自动跟踪系统。和舰船的操舵系统，雷达自动跟踪系统。（输入量按照给定的程（输入量按照给定的程序变化。任务：使输出量按预先给定的序变化。任务：使输出量按预先给定的程序指令而动作）最典型的就是数控车程序指令而动作）最典型的就是数控车床和机器人控制系统。床和机器人控

29、制系统。稳定性(过渡过程是否衰减)： 1 对恒值系统，要求当系统受到扰动后，经过一定时间的调整能够回到原来的期望值。 2 对随动系统，被控制量始终跟踪参据量的变化。 稳定性是对系统的基本要求、先决条件，不稳定的系统不能实现预定任务。稳定性，通常由系统的结构决定与外界因素无关。1、4 对自动控制系统的基本要求对自动控制系统的基本要求1.4.1对自动控制系统性能的基本要求可以归结为稳定性（长期稳定性）、准确性（精度）和快速性（相对稳定性）。 稳 准快l准确性： 用稳态误差来表示。在参考输入信信作用下，当系统达到稳态后，其稳态输出与参考输入所要求的期望输出们差叫做给定稳态误差。显然，这多误差越小，表示系统的输出跟随参考输入的精度越高。快速性(动态性能)： 对过渡过程的形式和快慢提出要求，一般称为动态性能（后续章节）。 稳定高射炮射角随动系统，虽然炮身最终能跟踪目标，但如果目标变动迅速，而炮身行动迟缓，仍然抓不住目标。2）根据对系统性能的要求，如何合理地