《自动控制原理》李素玲 教材配套PPT第一章第一节

1、第一章第一章 绪论绪论1. 1 引言引言1. 2 自动控制系统概述自动控制系统概述1. 3 自动控制系统的分类自动控制系统的分类1. 4 对控制系统的要求及任务对控制系统的要求及任务 主要内容主要内容1.自动控制的基本原理自动控制的基本原理2.概念：自动控制、受控对象、控制器、被控量等概念：自动控制、受控对象、控制器、被控量等3.自动控制系统的基本控制方式和组成自动控制系统的基本控制方式和组成4.自动控制系统的分类自动控制系统的分类5.根据系统原理图画方框图的方法根据系统原理图画方框图的方法6.对控制系统的基本要求对控制系统的基本要求第一章第一章 绪论绪论重重 点点 与与 难难 点点1、自动控

2、制的基本原理与基本方式、自动控制的基本原理与基本方式2、根据系统原理图画方框图的方法、根据系统原理图画方框图的方法 根据系统原理图画方框图的方法根据系统原理图画方框图的方法难难 点点重重 点点第一章第一章 绪论绪论1. 1 引引 言言 自动控制理论是研究自动控制共同规律的一门自动控制理论是研究自动控制共同规律的一门科学，目前已形成工程控制论、生物控制论、经济科学，目前已形成工程控制论、生物控制论、经济控制论和社会控制论等多个分支。控制论和社会控制论等多个分支。1.1.1 自动控制理论及应用自动控制理论及应用 控制论控制论的创始人是美的创始人是美国数学家维纳，他的全名是国数学家维纳，他的全名是诺

3、伯特诺伯特维纳（维纳（Norbert Wiener，1894-1964） 。 第一章第一章 绪论绪论 维纳维纳1894年年11月月26日生于密苏里州的哥伦比日生于密苏里州的哥伦比亚，亚，1964年年3月月18日卒于斯德哥尔摩。维纳在其日卒于斯德哥尔摩。维纳在其50年的科学生涯中，先后涉足哲学、数学、物理学和年的科学生涯中，先后涉足哲学、数学、物理学和工程学，最后转向生物学，在各个领域中都取得了工程学，最后转向生物学，在各个领域中都取得了丰硕成果，称得上是恩格斯颂扬过的、丰硕成果，称得上是恩格斯颂扬过的、20世纪多才世纪多才多艺和学识渊博的科学巨人。他一生发表论文多艺和学识渊博的科学巨人。他一生

4、发表论文240多篇，著作多篇，著作14本。他的主要著作有本。他的主要著作有控制论控制论(1948)、维纳选集维纳选集(1964)和和维纳数学论文集维纳数学论文集(1980)。维纳还有两本自传。维纳还有两本自传昔日神童昔日神童和和我是我是一个数学家一个数学家。维纳简介维纳简介第一章第一章 绪论绪论 1945年年维纳维纳把反馈的概念推广到生物等一切把反馈的概念推广到生物等一切控制系统，控制系统，1948年出版了名著年出版了名著控制论控制论，为控，为控制论奠定了基础。制论奠定了基础。自动控制理论（续）自动控制理论（续） 1954年年“中国导弹之父中国导弹之父”钱学钱学森（森（1911.12.1120

5、09.10.31）全面全面地总结和提高了经典控制理论，在地总结和提高了经典控制理论，在美国出版了用英语撰写的、在世界美国出版了用英语撰写的、在世界上很有影响的上很有影响的工程控制论工程控制论一书。一书。第一章第一章 绪论绪论 工程控制论是控制论中的一个重要分支，工程控制论是控制论中的一个重要分支，主要研究工程领域的自动控制。主要研究工程领域的自动控制。自动控制理论（续）自动控制理论（续） 就是指在没有人直接参与的情况下，利就是指在没有人直接参与的情况下，利用控制装置使整个生产过程或设备自动地用控制装置使整个生产过程或设备自动地按预定规律运行，或使其某个参数按要求按预定规律运行，或使其某个参数按

6、要求变化。变化。 什么是自动控制什么是自动控制? ? 第一章第一章 绪论绪论自动控制技术的应用自动控制技术的应用 当前，自动控制技术已在工农业生产、交当前，自动控制技术已在工农业生产、交通运输、国防建设和航空航天事业等领域获通运输、国防建设和航空航天事业等领域获得广泛应用。得广泛应用。比如：人造地球卫星的发射成功与安全返回。比如：人造地球卫星的发射成功与安全返回。第一章第一章 绪论绪论自动控制技术的应用（续）自动控制技术的应用（续）导弹的准确导弹的准确击中目标击中目标雷达系统的准雷达系统的准确跟踪目标确跟踪目标第一章第一章 绪论绪论自动控制技术的应用（续）自动控制技术的应用（续）数控车床按数控

7、车床按照预定程序照预定程序自动地切削自动地切削工件工件第一章第一章 绪论绪论 安全、快捷、舒适、准点自动控制技术的应用自动控制技术的应用交通系统交通系统第一章第一章 绪论绪论自动控制技术的应用自动控制技术的应用家用电器家用电器 电扇：电扇：控制转速控制转速 电冰箱、空调、电饭煲：电冰箱、空调、电饭煲：控制温度控制温度 洗衣机：洗衣机：控制水位、强弱、时间等控制水位、强弱、时间等第一章第一章 绪论绪论自动控制理论及应用（续）自动控制理论及应用（续） 自动控制技术的应用，推动了控制理自动控制技术的应用，推动了控制理论的发展；而自动控制理论的发展，又指论的发展；而自动控制理论的发展，又指导了控制技术

8、的应用，使其进一步完善。导了控制技术的应用，使其进一步完善。 随着生产和科学技术的发展，自动控随着生产和科学技术的发展，自动控制技术已渗透到各种学科领域，成为促进制技术已渗透到各种学科领域，成为促进当代生产发展和科学技术进步的重要因素。当代生产发展和科学技术进步的重要因素。第一章第一章 绪论绪论1.1.2 自动控制理论的发展概况自动控制理论的发展概况 按其发展的不同阶段，自动控制理论分为按其发展的不同阶段，自动控制理论分为经典经典控制理论控制理论和和现代控制理论现代控制理论两大部分。两大部分。 经典控制理论也就是自动控制原理，是经典控制理论也就是自动控制原理，是2020世纪世纪4040年代到年

9、代到5050年代形成的一门年代形成的一门独立学科独立学科。早期的。早期的控制控制系统较为简单，只要列出微分方程并求解之，就可系统较为简单，只要列出微分方程并求解之，就可用时域法分析他们的性能。第二次世界大战前后，用时域法分析他们的性能。第二次世界大战前后，由于生产和军事的需要，各国均在大力研制新型武由于生产和军事的需要，各国均在大力研制新型武器，于是出现了较复杂的控制系统，这些控制系统器，于是出现了较复杂的控制系统，这些控制系统第一章第一章 绪论绪论经典经典控制理论的控制理论的形成形成通常是用高阶微分方程来描述的。由于高阶微分方通常是用高阶微分方程来描述的。由于高阶微分方程求解的困难，各种控制

10、系统的理论研究和分析方程求解的困难，各种控制系统的理论研究和分析方法就应运而生。法就应运而生。1932年奈奎斯特年奈奎斯特（美国物理学家，（美国物理学家，18891976）在研究负反馈放大器时创立了有名的）在研究负反馈放大器时创立了有名的稳定性判据，并提出了稳定裕量的概念。稳定性判据，并提出了稳定裕量的概念。 在此基础上，在此基础上，1945年伯德年伯德（H.W.Bode）提出）提出了分析控制系统的一种图解方法即频率法，致使研了分析控制系统的一种图解方法即频率法，致使研究控制系统的方法由初期的时域分析转到频域分析。究控制系统的方法由初期的时域分析转到频域分析。随后，随后，1948年伊文斯（年伊

11、文斯（W.R.Evans）又创立了另一又创立了另一第一章第一章 绪论绪论种图解法即有名的根轨迹法。追溯到种图解法即有名的根轨迹法。追溯到1877年，劳斯（年，劳斯（E.Routh）和）和1895年赫尔维茨年赫尔维茨（A.Hurwitz，瑞士数学家），瑞士数学家）分别独立地提分别独立地提出了关于判断控制系统稳定性的代数判据。出了关于判断控制系统稳定性的代数判据。这些都是经典控制理论的重要组成部分。这些都是经典控制理论的重要组成部分。20世纪世纪50年代中期，年代中期，经典控制理论又添加了非经典控制理论又添加了非线性系统理论和离散控制理论，从而形成了线性系统理论和离散控制理论，从而形成了完整的理论

12、体系。完整的理论体系。经典经典控制理论的控制理论的形成形成第一章第一章 绪论绪论20世纪世纪4050年代年代 经典控制理论经典控制理论 （频域法或复频域法）（频域法或复频域法）核心核心：传递函数，稳定性、稳定裕度等：传递函数，稳定性、稳定裕度等特点特点：图形方法，直观简便，设置参数少，：图形方法，直观简便，设置参数少， （以简单控制结构获取相对满意的性能）（以简单控制结构获取相对满意的性能）适用范围适用范围：单输入单输出（：单输入单输出（SISO）系统）系统数学基础数学基础：复变函数，积分变换：复变函数，积分变换SISO: Single Input and Single Output经典经典控

13、制理论的控制理论的形成形成第一章第一章 绪论绪论 20世纪世纪50年代年代开始，开始，由于空间技术的发展，各种由于空间技术的发展，各种高速、高性能的飞行器相继出现，要求高精度地处高速、高性能的飞行器相继出现，要求高精度地处理多变量、非线性、时变和自适应等控制问题，理多变量、非线性、时变和自适应等控制问题，20世纪世纪60年代初年代初又形成了现代控制理论。现代控制理又形成了现代控制理论。现代控制理论的基础是：论的基础是：1956年庞特里亚金年庞特里亚金提出了极大值原理，提出了极大值原理，1957年贝尔曼（年贝尔曼（R.Bellman）提出了动态规划，提出了动态规划，1960年卡尔曼（年卡尔曼（R

14、.E.Kalman）提出了最优滤波理论以及提出了最优滤波理论以及状态空间方法的应用。从状态空间方法的应用。从20世纪世纪60年代至今年代至今50年来，年来，现代控制理论又有巨大的发展，并形成了若干学科现代控制理论又有巨大的发展，并形成了若干学科分支，如线性控制理论、最优控制理论、动态系统分支，如线性控制理论、最优控制理论、动态系统辨识、自适应控制、大系统理论等。辨识、自适应控制、大系统理论等。现代现代控制理论的控制理论的形成形成第一章第一章 绪论绪论 60 70年代年代 现代控制理论（状态空间法）现代控制理论（状态空间法）核心：状态变量的能控、能观性，核心：状态变量的能控、能观性， 系统性能的

15、最优化系统性能的最优化特点：时域法，统一处理特点：时域法，统一处理SISO、MIMO系统，系统， 有完整的理论体系有完整的理论体系 数学基础：线性代数，矩阵理论数学基础：线性代数，矩阵理论缺点：对系统的数学模型精度要求高，缺点：对系统的数学模型精度要求高， 实际性能达不到设计的最优，实际性能达不到设计的最优， 所需状态反馈难以直接实现所需状态反馈难以直接实现MIMO: Multi-Input and Multi-Output第一章第一章 绪论绪论70年代年代现在现在 多种新型控制理论多种新型控制理论 经典经典SISOMIMO； 基于互质分解的全新的频域优化理论基于互质分解的全新的频域优化理论鲁

16、棒性（鲁棒性（robustness）：）：系统存在模型误差或系统存在模型误差或 受到扰动时仍能保持良好性能的能力受到扰动时仍能保持良好性能的能力鲁棒控制：鲁棒控制：使系统具有良好鲁棒性的控制使系统具有良好鲁棒性的控制第一章第一章 绪论绪论70年代年代现在现在 多种新型控制理论多种新型控制理论控制系统具有拟人智能（学习、记忆、判断、推控制系统具有拟人智能（学习、记忆、判断、推理等）理等）被控系统具有高维数、强关联、多约束、多目标、被控系统具有高维数、强关联、多约束、多目标、不确定性、分散性、非线性、大时滞、难建模等不确定性、分散性、非线性、大时滞、难建模等特征，如电力系统、城市交通系统、网络系统、特征，如电力系统、城市交通系统、网络系统、制造系统、经济系统等制造系统、经济系统等第一章第一章 绪论绪论第一章第一章 绪论绪论 经典控制理论以传递函数为数学工具，研究单输经典控制理论以传递函数为数学工具，研究单输入、单输出自动控制系统的分析与设计问题，主要入、单输出自动控制系统的分析与设计问题，主要研究方法有时域分析法、根轨迹法和频率特性法。研究方法有时域分析法、根轨迹法和频率特性法。而现代控制理论则以矩阵理论等近代数学方法作为而现