第1章 自动控制原理的基本概念课件

第一章自动控制系统的基本概念第二章自动控制系统的数学模型第三章自动控制系统的时域分析第四章根轨迹法第五章频率法第六章控制系统的校正及综合第七章非线性系统分析第八章线性离散系统的理论基础自动控制原理第一章自动控制系统的基本概念1第1章自动控制原理的基本概念第1章自动控制原理的基本概念2第1章自动控制原理的基本概念主要内容开环控制系统与闭环控制系统闭环控制系统的组成和基本环节自动控制系统的类型自动控制系统的性能指标小结第1章自动控制原理的基本概念主要内容3第1章自动控制原理的基本概念学习重点了解自动控制系统的基本结构和特点及其工作原理；

了解闭环控制系统的组成和基本环节；

掌握反馈控制系统的基本要求；

学会分析自动控制系统的类型及本质特征。第1章自动控制原理的基本概念学习重点4第1章自动控制原理的基本概念

课程的性质和特点自动控制是一门技术学科，从方法论的角度来研究系统的建立、分析与设计，《自动控制原理》是本学科的技术基础课。第1章自动控制原理的基本概念5第1章自动控制原理的基本概念本课程与其它课程的关系：自动控制理论电路理论电机与拖动大学物理信号与系统复变函数拉氏变换模拟电子技术线性代数微积分各类专业课线性系统现代控制理论第1章自动控制原理的基本概念本课程与其它课程的关系：自动控6第1章自动控制原理的基本概念课程的理论体系控制理论系统描述——建立系统的数学模型系统分析——系统的动态性能包括稳定性、准确性和快速性分析、能控性、能观性系统综合——就是运用控制理论提供的方法对实际系统进行改造，以便改善系统的性能第1章自动控制原理的基本概念课程的理论体系控制理论系统描述71.1开环控制系统和闭环控制系统1）经典控制理论研究对象：线性定常单输入单输出系统数学模型：微分方程，传递函数（第二章）系统分析：时域分析、根轨迹分析、频率特性分析（第三、四、五章）系统综合：根轨迹法、频率特性法（第六章）2）现代控制理论研究对象：多输入多输出系统数学模型：状态空间表达式系统分析：时域分析、能控能观性分析、稳定性分析系统综合：状态反馈控制、输出反馈控制、解耦控制和最优控制1.1开环控制系统和闭环控制系统1）经典控制理论81.1开环控制系统和闭环控制系统

经典控制理论所采用的方法本质上是频域方法，建立在试探法的基础上，主要研究系统的外部特性——输入输出关系，只适用于比较简单的线性定常SISO系统。

现代控制理论所采用的方法本质上是时域的方法，它不仅适用于线性定常的SISO系统，还适用于时变系统、非线性系统和MIMO系统；不仅可以研究系统的外部特性，还可以研究系统的内部特性，并将其引入控制，而且可以依据一定的性能指标设计出最优控制系统。

1.1开环控制系统和闭环控制系统经典控9第一阶段:经典(自动)控制理论

经典控制理论即古典控制理论,也称为自动控制理论。它的发展大致经历了以下几个过程：一萌芽阶段如果要追朔自动控制技术的发展历史,早在两千年前中国就有了自动控制技术的萌芽。控制理论的产生和发展要分为以下几个发展阶段：第一阶段:经典(自动)控制理论经典控制理101.两千年前我国发明的

指南车，就是一种开

环自动调节系统。指南车2.公元1086－1089年

（北宋哲宗元祐初年），

我国发明的水运仪象台，

就是一种闭环自动调节系

统。水运仪象台1.两千年前我国发明的

指南车，就是一种开11二起步阶段随着科学技术与工业生产的发展，到十八世纪，自动控制技术逐渐应用到现代工业中。其中最卓越的代表是瓦特（J.Watt）发明的蒸汽机离心调速器，加速了第一次工业革命的步伐。瓦特二起步阶段随着科学技术与工业生产的发展，到十八12三发展阶段1.1868年马克斯韦尔（J.C.Maxwell）解决了蒸汽机调速

系统中出现的剧烈振荡的不稳定问题，提出了简单的稳

定性代数判据。马克斯韦尔（J.C.Maxwell）三发展阶段1.1868年马克斯韦尔（J.C.Maxwe131895年劳斯（Routh）与赫尔维茨（Hurwitz）把马克斯韦尔的思想扩展到高阶微分方程描述的更复杂的系统中,各自提出了两个著名的稳定性判据—劳斯判据和赫尔维茨判据。基本上满足了二十世纪初期控制工程师的需要。赫尔维茨（Hurwitz）1895年劳斯（Routh）与赫尔维茨（Hurwitz）把马143.由于第二次世界大战需要控制系统具有准确跟踪与补偿能力，1932年奈奎斯特（H.Nyquist）提出了频域内研究系统的频率响应法，为具有高质量的动态品质和静态准确度的军用控制系统提供了所需的分析工具。

奈奎斯特3.由于第二次世界大战需要控制系统具有准确跟踪与补偿能力，1154.1948年伊万斯（W.R.Ewans）提出了复数域内研究系统的根轨迹法。

建立在奈奎斯特的频率响应法和伊万斯的根轨迹法基础上的理论，称为经典（古典）控制理论（或自动控制理论）。4.1948年伊万斯（W.R.Ewans）提出了复数域内研究16四标志阶段1.1947年控制论的奠基人美国数学家韦纳（N.Weiner）把控制论引起的自动化同第二次产业革命联系起来，并与1948年出版了《控制论—关于在动物和机器中控制与通讯的科学》，书中论述了控制理论的一般方法，推广了反馈的概念，为控制理论这门学科奠定了基础。控制论之父——韦纳四标志阶段1.1947年控制论的奠基人美国数学家韦172.我国著名科学家钱学森将控制理论应用于工程实践，并与1954年出版了《工程控制论》。钱学森2.我国著名科学家钱学森将控制理论应用于工程实践，并与19518从四十年代到五十年代末，经典控制理论的发展与应用使整个世界的科学水平出现了巨大的飞跃，几乎在工业、农业、交通运输及国防建设的各个领域都广泛采用了自动化控制技术。（可以说工业革命和战争促使了经典控制理论的发展）。从四十年代到五十年代末，经典控制理论的发展与应用19第二阶段现代控制理论科学技术的发展不仅需要迅速地发展控制理论，而且也给现代控制理论的发展准备了两个重要的条件—现代数学和数字计算机。现代数学，例如泛函分析、现代代数等，为现代控制理论提供了多种多样的分析工具；而数字计算机为现代控制理论发展提供了应用的平台。在二十世纪五十年代末开始，随着计算机的飞速发展，推动了核能技术、空间技术的发展，从而对出现的多输入多输出系统、非线性系统和时变系统。第二阶段现代控制理论科学技术的发展不仅需201.五十年代后期，贝尔曼（Bellman）等人提出了状态分析法；在1957年提出了动态规划。2.1959年卡尔曼（Kalman）和布西创建了卡尔曼滤波理论；1960年在控制系统的研究中成功地应用了状态空间法，并提出了可控性和可观测性的新概念。卡尔曼1.五十年代后期，贝尔曼（Bellman）等人提出了状态分析214.罗森布洛克（H.H.Rosenbrock）、欧文斯（D.H.Owens）和麦克法轮（G.J.MacFarlane）研究了使用于计算机辅助控制系统设计的现代频域法理论，将经典控制理论传递函数的概念推广到多变量系统，并探讨了传递函数矩阵与状态方程之间的等价转换关系，为进一步建立统一的线性系统理论奠定了基础3.1961年庞特里亚金（俄国人）提出了极小（大）值原理。庞特里亚金L.S.Pontryagin4.罗森布洛克（H.H.Rosenbrock）、欧文斯（224.罗森布洛克（H.H.Rosenbrock）、欧文斯（D.H.Owens）和麦克法轮（G.J.MacFarlane）研究了使用于计算机辅助控制系统设计的现代频域法理论，将经典控制理论传递函数的概念推广到多变量系统，并探讨了传递函数矩阵与状态方程之间的等价转换关系，为进一步建立统一的线性系统理论奠定了基础第1章自动控制原理的基本概念课件235.20世纪70年代奥斯特隆姆（瑞典）和朗道（法国，L.D.Landau）在自适应控制理论和应用方面作出了贡献。

与此同时，关于系统辨识、最优控制、离散时间系统和自适应控制的发展大大丰富了现代控制理论的内容。朗道L.D.Landau5.20世纪70年代奥斯特隆姆（瑞典）和朗道（法国，L.24第三阶段鲁棒控制理论阶段1.由于现代数学的发展，结合着H2和H等范数而

出现了H2和H控制，还有逆系统控制等方法。2.20世纪70年代末，控制理论向着“大系统理论”、

“智能控制理论”和“复杂系统理论”的方向发展：第三阶段鲁棒控制理论阶段1.由于现代数学的发展，结合着25大系统理论：用控制和信息的观点，研究各种大系的结

构方案、总体设计中的分解方法和协调等

问题的技术基础理论。复杂大系统控制大系统理论：用控制和信息的观点，研究各种大系的结

26智能控制理论：研究与模拟人类智能活动及其控制与信

息传递过程的规律，研制具有某些拟人

智能的工程控制与信息处理系统的理论。洗衣机智能模糊控制机器人神经网络控制智能控制理论：研究与模拟人类智能活动及其控制与信

27复杂系统理论：把系统的研究拓广到开放复杂巨系统的范

筹，以解决复杂系统的控制为目标。回顾控制理论的发展历程可以看出，它的发展过程反映了人类由机械化时代进入电气化时代，并走向自动化、信息化、智能化时代。复杂航天器控制复杂系统理论：把系统的研究拓广到开放复杂巨系统的范

28现代控制理论与经典控制理论的差异经典控制理论现代控制理论

研究对象单输入单输出系统(SISO)高阶微分方程

多输入多输出系统(MIMO):一阶微分方程

研究方法传递函数法(外部描述)

状态空间法(内部描述)

研究工具拉普拉斯变换

线性代数矩阵

分析方法频域(复域),频率响应和根轨迹法

复域、实域，可控和可观测

设计方法PID控制和校正网络

状态反馈和输出反馈

其他

频率法的物理意义直观、实用，难于实现最优控制

易于实现实时控制和最优控制现代控制理论与经典控制理论的差异291.1开环控制系统和闭环控制系统

本课程只介绍经典控制理论部分，现代控制理论和智能控制部分将在后续课程中介绍。

1.1开环控制系统和闭环控制系统本课301.1开环控制系统和闭环控制系统6、选用教材：《自动控制原理》，王建辉、顾树生，清华大学出版社。《自动控制原理》，王建辉、顾树生，冶金工业出版社。主要参考书目：[1]杨自厚，《自动控制原理》，冶金工业出版社，2003.6。[2]胡寿松，《自动控制原理》，国防工业出版社，2000年。[3]绪方胜彦，卢伯英等译，《现代控制工程》，科学出版社，1981年。[4]李友善，自动控制原理，国防工业出版社[5]孙虎章主编，自动控制原理，北京：中央广播电视大学出版社，1984[6]李光泉主编，自动控制原理，北京：机械工业出版社，19877、学时安排：80学时1.1开环控制系统和闭环控制系统6、选用教材：311.1开环控制系统和闭环控制系统自动控制自动控制是在没有人的直接干预下，利用物理装置对生产设备和工艺过程进行合理的控制，使被控制的物理量保持恒定，或者按照一定的规律变化，例如矿井提升机的速度控制、轧钢厂加热炉温度的控制等等。自动控制系统自动控制系统是为实现某一控制目标所需要的所有物理部件的有机组合体。1.1开环控制系统和闭环控制系统自动控制321.1开环控制系统和闭环控制系统1.开环控制系统例1-1温度控制系统性能指标工作过程1.1开环控制系统和闭环控制系统1.开环控制系统性能指331.1开环控制系统和闭环控制系统12扰动量给定量输出量1-控制器(自耦变压器)2-被控对象(电阻炉)图中：1.1开环控制系统和闭环控制系统12扰动量给定量输出量341.1开环控制系统和闭环控制系统（1）开环控制

只有输入量对输出量产生控制作用，输出量不参与对系统的控制。（2）开环控制特点输入控制输出输出不参与控制系统没有抗干扰能力

1.1开环控制系统和闭环控制系统（1）开环控制351.1开环控制系统和闭环控制系统2.闭环控制系统例1-2温度闭环控制系统（1）人工闭环控制~220V12uc1.1开环控制系统和闭环控制系统2.闭环控制系统~220361.1开环控制系统和闭环控制系统（2）自动闭环控制1.1开环控制系统和闭环控制系统（2）自动闭环控制371.1开环控制系统和闭环控制系统给定量闭环控制结构图

1-控制器2-控制对象3-检测装置

1.1开环控制系统和闭环控制系统给定量381.1开环控制系统和闭环控制系统①反馈控制把输出量的一部分检测出来,反馈到输入端,与给定信号进行比较，产生偏差,此偏差经过控制器产生控制作用,使输出量按照要求的规律变化反馈信号与给定信号极性相反为负反馈,反之为正反馈②反馈控制特点输入控制输出输出参与控制检测偏差纠正偏差具有抗干扰能力1.1开环控制系统和闭环控制系统①反馈控制391.2闭环控制系统的组成和基本环节1.闭环控制系统的结构图

1-给定环节；2-比较环节；3-校正环节；4-放大环节；5-执行机构；6-被控对象；7-检测装置1.2闭环控制系统的组成和基本环节1.闭环控制系统的结构图401.2闭环控制系统的组成和基本环节2.闭环控制系统的基本环节（1）控制对象或调节对象要进行控制的设备或过程。

（2）执行机构一般由传动装置和调节机构组成。执行机构直接作用于控制对象，使被控制量达到所要求的数值。

（3）检测装置或传感器该装置用来检测被控制量，并将其转换为与给定量相同的物理量。

1.2闭环控制系统的组成和基本环节2.闭环控制系统的基本环411.2闭环控制系统的组成和基本环节（4）给定环节设定被控制量的给定值的装置。

（5）比较环节将所检测的被控制量与给定量进行比较，确定两者之间的偏差量。

（6）中间环节一般包括比较环节和校正环节。1.2闭环控制系统的组成和基本环节（4）给定环节421.2闭环控制系统的组成和基本环节(1)被控对象(2)被控量或输出量(3)控制量(4)设定量或输入量(5)扰动量(6)反馈量(7)偏差量3.闭环控制系统中的基本术语(8)前向通道或正向通道(9)反馈通道或反向通道(10)理想输出(11)实际输出1.2闭环控制系统的组成和基本环节(1)被控对象3431.3自动控制系统类型1.按照主要元件的特性方程的输入输出特征划分

1）线性系统由线性元件组成的系统，其微分方程中输出量及其各阶导数都是一次的，并且各系数与输入量（自变量）无关。2）非线性系统由非线性元件组成的系统，其微分方程式的系数与自变量有关。1.3自动控制系统类型1.按照主要元件的特性方程的输入输出441.3自动控制系统类型2.按照信号传递方式划分

1）连续数据系统系统各部分的信号都是模拟的连续函数。

2）离散数据系统系统的一处或几处，信号是以脉冲系列或数码的形式传递。

1.3自动控制系统类型2.按照信号传递方式划分451.3自动控制系统类型3.按照输入量的变化规律划分

1）恒值系统给定量是恒定不变的。

2）随动系统给定量是按照一定的时间函数变化的。

3）程序控制系统给定量按照事先未知的时间函数变化。

1.3自动控制系统类型3.按照输入量的变化规律划分461.4自动控制系统的性能指标

稳定性（稳）、快速性（快）、准确性（准）“稳”与“快”是说明系统动态（过渡过程）品质。系统的过渡过程产生的原因：系统中储能元件的能量不可能突变。“准”是说明系统的稳态（静态）品质。稳定性是保证控制系统正常工作的先决条件。线性控制系统的稳定性由系统本身的结构与参数所决定的，与外部条件和初始状态无关。1.对自动控制系统基本要求1.4自动控制系统的性能指标稳定性（稳）、快速性（快）471.4自动控制系统的性能指标2.稳态性能指标稳态误差当系统从一个稳态过渡到新的稳态，或系统受扰动作用又重新平衡后，系统可能会出现偏差，这种偏差称为稳态误差。系统稳态误差的大小反映了系统的稳态精度，它表明了系统控制的准确程度。稳态误差越小，则系统的稳态精度越高。1.4自动控制系统的性能指标2.稳态性能指标481.4自动控制系统的性能指标无差系统（图a）若稳态误差不为零，则系统称为有差系统。

有差系统（图b）

若稳态误差为零，则系统称为无差系统。

1.4自动控制系统的性能指标无差系统（图a）491.4自动控制系统的性能指标3.暂态性能指标1.4自动控制系统的性能指标3.暂态性能指标50（1）最大超调量

输出最大值与输出稳态值的相对误差。反映了系统的平稳性。最大超调量越小，则说明系统过渡过程越平稳。

（2）上升时间指系统的输出量第一次到达输出稳态值所对应的时刻。

1.4自动控制系统的性能指标（1）最大超调量1.4自动控制系统的性能指标51（3）过渡过程时间（调节时间）系统的输出量进入并一直保持在稳态输出值附近的允许误差带内所需的时间。允许误差带宽度一般取稳态输出值的2%或5%。调节时间的长短反映了系统的快速性。调节时间越小，系统的快速性越好。

（4）振荡次数在调节时间内，输出量在稳态值附近上下波动的次数。它也反映系统的平稳性。振荡次数越少，说明系统的平稳性越好。

1.4自动控制系统的性能指标（3）过渡过程时间（调节时间）1.4自动控制系统的性能指52小结1.开环控制系统结构简单、稳定性好，但不能自动补偿扰动对输出量的影响。当系统扰动量产生的偏差可以预先进行补偿或影响不大时，采用开环控制是有利的。当扰动量无法预计或控制系统的精度达不到预期要求时，则应采用闭环控制。2.闭环控制系统具有反馈环节，它能依靠反馈环节进行自动调节，以克服扰动对系统的影响。闭环控制极大地提高了系统的精度。但是闭环使系统的稳定性变差，需要重视并加以解决。小结1.开环控制系统结构简单、稳定性好，但不能自动补偿533.自动控制系统通常由给定环节、检测环节、比较环节、放大元件、被控对象、和反馈环节等部件组成。系统的作用量和被控量有：给定量、反馈量、扰动量、输出量和各中间变量。

4.结构图（又简称框图）可直观地表达系统各环节（或各部件）间因果关系，可以表达各种作用量和中间变量的作用点和信号传递情况以及它们对输出量的影响。

小结3.自动控制系统通常由给定环节、检测环节、比较环节、放大元件545.在不同输入量作用下，对系统的输出量的要求，揭示出反馈控制系统的本质特征：输出跟随输入。

6.对自动控制系统的性能指标要求有：

稳定性——系统能工作的首要条件；

快速性——用系统在暂态过程中的响应速度和被控量的波动程度描述；

准确性——用稳态误差来衡量。

小结5.在不同输入量作用下，对系统的输出量的要求，揭示出反馈控制55

第一章自动控制系统的基本概念第二章自动控制系统的数学模型第三章自动控制系统的时域分析第四章根轨迹法第五章频率法第六章控制系统的校正及综合第七章非线性系统分析第八章线性离散系统的理论基础自动控制原理第一章自动控制系统的基本概念56第1章自动控制原理的基本概念第1章自动控制原理的基本概念57第1章自动控制原理的基本概念主要内容开环控制系统与闭环控制系统闭环控制系统的组成和基本环节自动控制系统的类型自动控制系统的性能指标小结第1章自动控制原理的基本概念主要内容58第1章自动控制原理的基本概念学习重点了解自动控制系统的基本结构和特点及其工作原理；

了解闭环控制系统的组成和基本环节；

掌握反馈控制系统的基本要求；

学会分析自动控制系统的类型及本质特征。第1章自动控制原理的基本概念学习重点59第1章自动控制原理的基本概念

课程的性质和特点自动控制是一门技术学科，从方法论的角度来研究系统的建立、分析与设计，《自动控制原理》是本学科的技术基础课。第1章自动控制原理的基本概念60第1章自动控制原理的基本概念本课程与其它课程的关系：自动控制理论电路理论电机与拖动大学物理信号与系统复变函数拉氏变换模拟电子技术线性代数微积分各类专业课线性系统现代控制理论第1章自动控制原理的基本概念本课程与其它课程的关系：自动控61第1章自动控制原理的基本概念课程的理论体系控制理论系统描述——建立系统的数学模型系统分析——系统的动态性能包括稳定性、准确性和快速性分析、能控性、能观性系统综合——就是运用控制理论提供的方法对实际系统进行改造，以便改善系统的性能第1章自动控制原理的基本概念课程的理论体系控制理论系统描述621.1开环控制系统和闭环控制系统1）经典控制理论研究对象：线性定常单输入单输出系统数学模型：微分方程，传递函数（第二章）系统分析：时域分析、根轨迹分析、频率特性分析（第三、四、五章）系统综合：根轨迹法、频率特性法（第六章）2）现代控制理论研究对象：多输入多输出系统数学模型：状态空间表达式系统分析：时域分析、能控能观性分析、稳定性分析系统综合：状态反馈控制、输出反馈控制、解耦控制和最优控制1.1开环控制系统和闭环控制系统1）经典控制理论631.1开环控制系统和闭环控制系统

经典控制理论所采用的方法本质上是频域方法，建立在试探法的基础上，主要研究系统的外部特性——输入输出关系，只适用于比较简单的线性定常SISO系统。

现代控制理论所采用的方法本质上是时域的方法，它不仅适用于线性定常的SISO系统，还适用于时变系统、非线性系统和MIMO系统；不仅可以研究系统的外部特性，还可以研究系统的内部特性，并将其引入控制，而且可以依据一定的性能指标设计出最优控制系统。

1.1开环控制系统和闭环控制系统经典控64第一阶段:经典(自动)控制理论

经典控制理论即古典控制理论,也称为自动控制理论。它的发展大致经历了以下几个过程：一萌芽阶段如果要追朔自动控制技术的发展历史,早在两千年前中国就有了自动控制技术的萌芽。控制理论的产生和发展要分为以下几个发展阶段：第一阶段:经典(自动)控制理论经典控制理651.两千年前我国发明的

指南车，就是一种开

环自动调节系统。指南车2.公元1086－1089年

（北宋哲宗元祐初年），

我国发明的水运仪象台，

就是一种闭环自动调节系

统。水运仪象台1.两千年前我国发明的

指南车，就是一种开66二起步阶段随着科学技术与工业生产的发展，到十八世纪，自动控制技术逐渐应用到现代工业中。其中最卓越的代表是瓦特（J.Watt）发明的蒸汽机离心调速器，加速了第一次工业革命的步伐。瓦特二起步阶段随着科学技术与工业生产的发展，到十八67三发展阶段1.1868年马克斯韦尔（J.C.Maxwell）解决了蒸汽机调速

系统中出现的剧烈振荡的不稳定问题，提出了简单的稳

定性代数判据。马克斯韦尔（J.C.Maxwell）三发展阶段1.1868年马克斯韦尔（J.C.Maxwe681895年劳斯（Routh）与赫尔维茨（Hurwitz）把马克斯韦尔的思想扩展到高阶微分方程描述的更复杂的系统中,各自提出了两个著名的稳定性判据—劳斯判据和赫尔维茨判据。基本上满足了二十世纪初期控制工程师的需要。赫尔维茨（Hurwitz）1895年劳斯（Routh）与赫尔维茨（Hurwitz）把马693.由于第二次世界大战需要控制系统具有准确跟踪与补偿能力，1932年奈奎斯特（H.Nyquist）提出了频域内研究系统的频率响应法，为具有高质量的动态品质和静态准确度的军用控制系统提供了所需的分析工具。

奈奎斯特3.由于第二次世界大战需要控制系统具有准确跟踪与补偿能力，1704.1948年伊万斯（W.R.Ewans）提出了复数域内研究系统的根轨迹法。

建立在奈奎斯特的频率响应法和伊万斯的根轨迹法基础上的理论，称为经典（古典）控制理论（或自动控制理论）。4.1948年伊万斯（W.R.Ewans）提出了复数域内研究71四标志阶段1.1947年控制论的奠基人美国数学家韦纳（N.Weiner）把控制论引起的自动化同第二次产业革命联系起来，并与1948年出版了《控制论—关于在动物和机器中控制与通讯的科学》，书中论述了控制理论的一般方法，推广了反馈的概念，为控制理论这门学科奠定了基础。控制论之父——韦纳四标志阶段1.1947年控制论的奠基人美国数学家韦722.我国著名科学家钱学森将控制理论应用于工程实践，并与1954年出版了《工程控制论》。钱学森2.我国著名科学家钱学森将控制理论应用于工程实践，并与19573从四十年代到五十年代末，经典控制理论的发展与应用使整个世界的科学水平出现了巨大的飞跃，几乎在工业、农业、交通运输及国防建设的各个领域都广泛采用了自动化控制技术。（可以说工业革命和战争促使了经典控制理论的发展）。从四十年代到五十年代末，经典控制理论的发展与应用74第二阶段现代控制理论科学技术的发展不仅需要迅速地发展控制理论，而且也给现代控制理论的发展准备了两个重要的条件—现代数学和数字计算机。现代数学，例如泛函分析、现代代数等，为现代控制理论提供了多种多样的分析工具；而数字计算机为现代控制理论发展提供了应用的平台。在二十世纪五十年代末开始，随着计算机的飞速发展，推动了核能技术、空间技术的发展，从而对出现的多输入多输出系统、非线性系统和时变系统。第二阶段现代控制理论科学技术的发展不仅需751.五十年代后期，贝尔曼（Bellman）等人提出了状态分析法；在1957年提出了动态规划。2.1959年卡尔曼（Kalman）和布西创建了卡尔曼滤波理论；1960年在控制系统的研究中成功地应用了状态空间法，并提出了可控性和可观测性的新概念。卡尔曼1.五十年代后期，贝尔曼（Bellman）等人提出了状态分析764.罗森布洛克（H.H.Rosenbrock）、欧文斯（D.H.Owens）和麦克法轮（G.J.MacFarlane）研究了使用于计算机辅助控制系统设计的现代频域法理论，将经典控制理论传递函数的概念推广到多变量系统，并探讨了传递函数矩阵与状态方程之间的等价转换关系，为进一步建立统一的线性系统理论奠定了基础3.1961年庞特里亚金（俄国人）提出了极小（大）值原理。庞特里亚金L.S.Pontryagin4.罗森布洛克（H.H.Rosenbrock）、欧文斯（774.罗森布洛克（H.H.Rosenbrock）、欧文斯（D.H.Owens）和麦克法轮（G.J.MacFarlane）研究了使用于计算机辅助控制系统设计的现代频域法理论，将经典控制理论传递函数的概念推广到多变量系统，并探讨了传递函数矩阵与状态方程之间的等价转换关系，为进一步建立统一的线性系统理论奠定了基础第1章自动控制原理的基本概念课件785.20世纪70年代奥斯特隆姆（瑞典）和朗道（法国，L.D.Landau）在自适应控制理论和应用方面作出了贡献。

与此同时，关于系统辨识、最优控制、离散时间系统和自适应控制的发展大大丰富了现代控制理论的内容。朗道L.D.Landau5.20世纪70年代奥斯特隆姆（瑞典）和朗道（法国，L.79第三阶段鲁棒控制理论阶段1.由于现代数学的发展，结合着H2和H等范数而

出现了H2和H控制，还有逆系统控制等方法。2.20世纪70年代末，控制理论向着“大系统理论”、

“智能控制理论”和“复杂系统理论”的方向发展：第三阶段鲁棒控制理论阶段1.由于现代数学的发展，结合着80大系统理论：用控制和信息的观点，研究各种大系的结

构方案、总体设计中的分解方法和协调等

问题的技术基础理论。复杂大系统控制大系统理论：用控制和信息的观点，研究各种大系的结

81智能控制理论：研究与模拟人类智能活动及其控制与信

息传递过程的规律，研制具有某些拟人

智能的工程控制与信息处理系统的理论。洗衣机智能模糊控制机器人神经网络控制智能控制理论：研究与模拟人类智能活动及其控制与信

82复杂系统理论：把系统的研究拓广到开放复杂巨系统的范

筹，以解决复杂系统的控制为目标。回顾控制理论的发展历程可以看出，它的发展过程反映了人类由机械化时代进入电气化时代，并走向自动化、信息化、智能化时代。复杂航天器控制复杂系统理论：把系统的研究拓广到开放复杂巨系统的范

83现代控制理论与经典控制理论的差异经典控制理论现代控制理论

研究对象单输入单输出系统(SISO)高阶微分方程

多输入多输出系统(MIMO):一阶微分方程

研究方法传递函数法(外部描述)

状态空间法(内部描述)

研究工具拉普拉斯变换

线性代数矩阵

分析方法频域(复域),频率响应和根轨迹法

复域、实域，可控和可观测

设计方法PID控制和校正网络

状态反馈和输出反馈

其他

频率法的物理意义直观、实用，难于实现最优控制

易于实现实时控制和最优控制现代控制理论与经典控制理论的差异841.1开环控制系统和闭环控制系统

本课程只介绍经典控制理论部分，现代控制理论和智能控制部分将在后续课程中介绍。

1.1开环控制系统和闭环控制系统本课851.1开环控制系统和闭环控制系统6、选用教材：《自动控制原理》，王建辉、顾树生，清华大学出版社。《自动控制原理》，王建辉、顾树生，冶金工业出版社。主要参考书目：[1]杨自厚，《自动控制原理》，冶金工业出版社，2003.6。[2]胡寿松，《自动控制原理》，国防工业出版社，2000年。[3]绪方胜彦，卢伯英等译，《现代控制工程》，科学出版社，1981年。[4]李友善，自动控制原理，国防工业出版社[5]孙虎章主编，自动控制原理，北京：中央广播电视大学出版社，1984[6]李光泉主编，自动控制原理，北京：机械工业出版社，19877、学时安排：80学时1.1开环控制系统和闭环控制系统6、选用教材：861.1开环控制系统和闭环控制系统自动控制自动控制是在没有人的直接干预下，利用物理装置对生产设备和工艺过程进行合理的控制，使被控制的物理量保持恒定，或者按照一定的规律变化，例如矿井提升机的速度控制、轧钢厂加热炉温度的控制等等。自动控制系统自动控制系统是为实现某一控制目标所需要的所有物理部件的有机组合体。1.1开环控制系统和闭环控制系统自动控制871.1开环控制系统和闭环控制系统1.开环控制系统例1-1温度控制系统性能指标工作过程1.1开环控制系统和闭环控制系统1.开环控制系统性能指881.1开环控制系统和闭环控制系统12扰动量给定量输出量1-控制器(自耦变压器)2-被控对象(电阻炉)图中：1.1开环控制系统和闭环控制系统12扰动量给定量输出量891.1开环控制系统和闭环控制系统（1）开环控制

只有输入量对输出量产生控制作用，输出量不参与对系统的控制。（2）开环控制特点输入控制输出输出不参与控制系统没有抗干扰能力

1.1开环控制系统和闭环控制系统（1）开环控制901.1开环控制系统和闭环控制系统2.闭环控制系统例1-2温度闭环控制系统（1）人工闭环控制~220V12uc1.1开环控制系统和闭环控制系统2.闭环控制系统~220911.1开环控制系统和闭环控制系统（2）自动闭环控制1.1开环控制系统和闭环控制系统（2）自动闭环控制921.1开环控制系统和闭环控制系统给定量闭环控制结构图

1-控制器2-控制对象3-检测装置

1.1开环控制系统和闭环控制系统给定量931.1开环控制系统和闭环控制系统①反馈控制把输出量的一部分检测出来,反馈到输入端,与给定信号进行比较，产生偏差,此偏差经过控制器产生控制作用,使输出量按照要求的规律变化反馈信号与给定信号极性相反为负反馈,反之为正反馈②反馈控制特点输入控制输出输出参与控制检测偏差纠正偏差具有抗干扰能力1.1开环控制系统和闭环控制系统①反馈控制941.2闭环控制系统的组成和基本环节1.闭环控制系统的结构图

1-给定环节；2-比较环节；3-校正环节；4-放大环节；5-执行机构；6-被控对象；7-检测装置1.2闭环控制系统的组成和基本环节1.闭环控制系统的结构图951.2闭环控制系统的组成和基本环节2.闭环控制系统的基本环节（1）控制对象或调节对象要进行控制的设备或过程。

（2）执行机构一般由传动装置和调节机构组成。执行机构直接作用于控制对象，使被控制量达到所要求的数值。

（3）检测装置或传感器该装置用来检测被控制量，并将其转换为与给定量相同的物理量。

1.2闭环控制系统的组成和基本环节2.闭环控制系统的基本环961.2闭环控制系统的组成和基本环节（4）给定环节设定被控制量的给定值的装置。

（5）比较环节将所检测的被控制量与给定量进行比较，确定两者之间的偏差量。

（6）中间环节一般包括比较环节和校正环节。1.2闭环控制系统的组成和基本环节（4）给定环节971.2闭环控制系统的组成和基本环节(1)被控对象(2)被控量或输出量(3)控制量(4)设定量或输入量(5)扰动量(6)反馈量(7)偏差量3.闭环控制系统中的基本术语(8)前向通道或正向通道(9)反馈通道或反向通道(10)理想输出(11)实际输出1.2闭环控制系统的组成和基本环节(1)被控对象3981.3自动控制系统类型1.按照主要元件的特性方程的输入输出特征划分

1）线性系统由线性元件组成的系统，其微分方程中输出量及其各阶导数都是一次的，并且各系数与输入量（自变量）无关。2）非线性系统由非线性元件组成的系统，其微分方程式的系数与自变量有关。1.3自动控制系统类型1.按照主要元件的特性方程的输入输出991.3自动控制系统类型2.按照信号传递方式划分

1）连续数据系统系统各部分的信号都是模拟的连续函数。

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