2012年自动控制原理课件ch1绪论

1、自动控制理论(A)蒋丽英第一章 自动控制的一般概念本章主要内容 1.1 引言 1.2 自动控制理论发展概述 1.3 自动控制和自动控制系统的基本概念 1.4 自动控制系统的基本组成 1.5 控制系统示例 1.6 自动控制系统的分类 1.7 对控制系统性能的基本要求 1.8 本课程的研究内容1.2 自动控制理论发展概述1经典控制理论以单变量控制，随动/调节为主要内容，以微分方程和传递函数为数学模型，以频率响应法为主要方法。数学工具：微分方程，复变函数3后现代控制理论 大系统、智能控制 ；以 网络、通讯、人机交互为代表的信息自动化 集成的理论与技术。2现代控制理论 现代控制理论以多变量控制、最优控

2、制为主要内容，采用时域法，以状态方程为数学模型。数学工具：线性代数， 泛函分析第一阶段：经典控制理论最先使用反馈控制装置的是希腊人在公元前300年到1年中使用的浮子调节器。凯特斯比斯（Kitesibbios）在油灯中使用了浮子调节器以保持油面高度稳定。闭环的自动控制装置的应用，可以追溯到1788年瓦特（J.Watt）发明的飞锤调速器的研究。然而最终形成完整的自动控制理论体系，是在20世纪40年代末。19世纪60年代期间是控制系统高速发展的时期1868年麦克斯韦尔（J.C.Maxwell）基于微分方程描述从理论上给出了它的稳定性条件。1877年劳斯（E.J.Routh）,1895年霍尔维茨（A.

3、Hurwitz）分别独立给出了高阶线性系统的稳定性判据；1892年，李雅普诺夫（A.M.Lyapunov）给出了非线性系统的稳定性判据。瓦特调速器 第一阶段：经典控制理论1922年米罗斯基(N.Minorsky)给出了位置控制系统的分析，并对PID三作用控制给出了控制规律公式。 1942年，齐格勒（J.G.Zigler）和尼科尔斯(N.B.Nichols)又给出了PID控制器的最优参数整定法。1932年柰奎斯特(Nyquist)提出了负反馈系统的频率域稳定性判据。1940年，波德(H.Bode)进一步研究通信系统频域方法，提出了频域响应的对数坐标图描述方法。1943年，霍尔(A.C.Hall)

4、利用传递函（复数域模型）和方框图，把通信工程的频域响应方法和机械工程的时域方法统一起来，人们称此方法为复域方法。1948年伊文斯（W.Evans）又进一步提出了属于经典方法的根轨迹设计法第一阶段：经典控制理论总结:经典控制理论的分析方法为复数域方法,以传递函数作为系统数学模型，常利用图表进行分析设计，比求解微分方程简便。优点:可通过试验方法建立数学模型，物理概念清晰，得到广泛的工程应用。缺点:只适应单变量线性定常系统，对系统内部状态缺少了解，且复数域方法研究时域特性，得不到精确的结果。自动控制理论发展概述1经典控制理论以单变量控制，随动/调节为主要内容，以微分方程和传递函数为数学模型，以频率响

5、应法为主要方法。数学工具：微分方程，复变函数3后现代控制理论 大系统、智能控制 ；以 网络、通讯、人机交互为代表的信息自动化 集成的理论与技术。2现代控制理论 现代控制理论以多变量控制、最优控制为主要内容，采用时域法，以状态方程为数学模型。数学工具：线性代数， 泛函分析现代控制理论、后现代控制理论 现代控制理论 60年代初形成并迅速发展起来的 现代控制理论是在航天、航空、导弹等军事尖端技术的发展，对自动控制系统提出越来越高的要求的推动下发展起来的。要求设计高精度、快速响应、低消耗、低代价的控制系统；被控制对象越来越大型、复杂、综合化，从单个局部自动化发展成综合集成自动化第二阶段：现代控制理论2

6、0世纪60年代初，在原有“经典控制理论”的基础上，形成了所谓的“现代控制理论” 。1892年俄国数学家Lyapunov创立的稳定性理论被引入到控制中；1954年贝尔曼(R.Bellman)的动态规划理论；1956年庞特里雅金(L.S.Pontryagin)提出了极大值原理；1960年卡尔曼（R.E.Kalman）的多变量最优控制和最优滤波理论。现代控制理论主要利用计算机作为系统建模、分析、设计以及控制的手段，适用于多变量、非线性、时变系统。现代控制理论、后现代控制理论后现代控制理论 80年代以后，控制理论向广度与深度发展 大系统，是指规模大，结构复杂变量众多的信息与控制系统。在系统理论中，采用

7、状态方程和代数方程相结合的数学模型，状态空间，运筹学等相结合的数学方法。 智能控制 是具有某些仿人智能的工程控制与信息处理系统，其中最典型的是智能机器人， 智能主体等。 21世纪 网络、通讯、人机交互为代表的信息自动化 集成的理论与技术。第三阶段：大系统控制20世纪70年代开始，出现了一些新的控制方法和理论。如（1）现代频域方法，该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；（2）自适应控制理论和方法，该方法以系统辨识和参数估计为基础，处理被控对象不确定和缓时变，在实时辨识基础上在线确定最优控制规律；（3）鲁棒控制方法，该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

8、处理数学模型的不确定性；（4）预测控制方法，该方法为一种计算机控制算法，在预测模型的基础上采用滚动优化和反馈校正，可以处理多变量系统。第四阶段：智能控制智能控制的指导思想是依据人的思维方式和处理问题的技巧，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: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。而环境的复杂性则表现为变化的不确定性和难以辨识。 试图用传统的控制理论和方法去解决复杂的对象，复杂的环境和复杂的任务是不可能的。 智能控制的方法包括模糊控制，神经元网络控制，专家控制等方法。1.

9、3 自动控制和自动控制系统的基本概念 1.3.1 自动控制问题的提出水位控制系统（人工）目的：保持水池的水平保持不变什么影响水位的变化？进水流量出水流量如何实现呢？调节阀门的开度有何缺点？自动控制和自动控制系统的基本概念1.3.1 自动控制问题的提出水位自动控制系统（简单形式）工作原理用水量增大用水量变小缺点存在误差原因建立新的平衡状态未达到控制要求怎么办？自动控制和自动控制系统的基本概念较完善的水位自动控制系统自动控制系统的动画自动控制在无人直接参与的情况下，利用控制装置，使工作机械、或生产过程（被控对象）的某一个物理量（被控量）按预定的规律（给定量）运行。自动控制与人工控制水位控制系统总结

10、人工控制眼睛 大脑 人手自动控制浮子连杆、电位器电动机自动控制系统只不过是把某些装置有机地组合在一起，以代替人的职能而已。 测量 偏差控制 最常见的控制方式开环控制闭环控制复合控制1.3.2 开环控制概念（定义）：系统的控制输入不受输出影响的控制系统称开环控制系统。特点：在开环控制系统中，输入端与输出端之间，只有信号的前向通道而不存在由输出端到输入端的反馈通路。 ？电压放大器功率放大器他励直流电动机转速控制系统任务：控制直流电动机以恒定的转速带动负载工作。 被控对象被控量（输出量）给定量（输入量）直流电动机转速开环控制系统方框图方框图(Block diagram)是控制系统中信息的流向和各环节

11、相互关系的图解表示，非常方便定性分析和定量计算。它描述“信息”的传递，“信息”传递的路径，“信息”的变换等等。电压放大器功率放大器直流电动机方框图中各符号的意义 元部件 方框（块）图 信号（物理量）及传递方向中的符号 比较点 引出点 表示负反馈电压放大器功率放大器电压放大器功率放大器直流电动机分析与结论输出到输入没有信号传递开环控制精度不高如何提高控制精度呢？闭环控制方案1.3.3 闭环控制系统把输出量的信息反馈到输入端，通过比较输入值与输出值，产生偏差信号，该偏差信号以一定的控制规律产生控制作用，逐步减小以至消除这一偏差，从而实现所要求的控制性能。 1.3.3 闭环控制系统电压放大器功率放大

12、器闭环系统的方框图电压放大器功率放大器直流电动机测速电动机闭环系统工作的本质机理 将系统的输出信号引回到输入端，与输入信号相比较，利用所得的偏差信号对系统进行调节，达到减小偏差或消除偏差的目的。这就是负反馈控制原理，它是构成闭环控制系统的核心。 1.3.4 开环控制系统与闭环控制系统的比较开环控制系统优点：结构比较简单成本较低 缺点：控制精度不高抑制干扰能力差对系统参数变化比较敏感。 闭环控制系统 缺点：结构复杂造价较高 优点：抑制干扰能力强 对参数变化不敏感 可以选用不太精密的元件构成较为精密的控制系统 1.3.4 开环控制系统与闭环控制系统的比较1.4 自动控制系统的基本组成 被控对象控制

13、系统 测量元件 比较元件 控制装置 放大元件 执行机构 校正装置 给定元件1.4 自动控制系统的基本组成1.5 控制系统示例飞机自动驾驶系统控制任务：系统在任何扰动作用下，保持飞机俯仰角不变。被控对象：飞机。被控量：飞机的俯仰角 。 俯仰角控制系统原理方框图1.6 自动控制系统的分类按给定信号划分恒值控制系统控制输入是恒定值，要求被控量保持给定值不变随动控制系统 给定信号的变化规律是事先不能确定的随时间变化的信号 程序控制系统若给定输入是预先设定的、按预定规律变化的信号 1.6 自动控制系统的分类系统参数是否随时间变化划分定常系统 控制系统的参数在系统运行过程中不随时间变化 时变系统 控制系统

14、的参数在系统运行过程中随时间变化原因元器件老化等 1.6 自动控制系统的分类按系统是否满足叠加原理 （即按系统的数学模型划分）线性系统由线性元部件组成的系统具有齐次性和叠加性非线性系统 含有一个或一个以上非线性元件的系统不满足叠加性1.6 自动控制系统的分类按信号传递的连续性划分连续系统若系统中所有信号都是连续信号，则称为连续系统 传递的信号为模拟信号离散系统如果系统中有一处或几处的信号是离散信号（脉冲序列或数字编码），则称为离散系统 1.6 自动控制系统的分类按系统输入与输出信号的数量划分单变量系统（SISO）只有一个输入、一个输出的系统（不包含干扰信号）多变量系统（MIMO）包含多个输入或多个输出的系统控制系统分类小结1.7 对控制系统性能的基本要求稳系统的稳