自动控制理论第一章

第一章自动控制理论概述§1－1引言自动控制技术在工农业生产、国防、航空航天等各个领域中起着重要的作用！广泛应用于各种工程学科领域，并扩展到生物、医学、环境、经济管理和其它许多社会生活领域。独立的学科并与其它学科相互渗透、相互促进。

《自动控制原理》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。

现代的工程技术人员和科学工作者，必须具备一定的自动控制理论基础知识！

§1-2自动控制理论和自动控制系统的基本概念第一章自动控制理论概述采用离心调速器的蒸汽机转速控制系统举例：第一章自动控制理论概述一、人工控制与自动控制第一章自动控制理论概述第一章自动控制理论概述二、开环控制系统例：烤面包机输入—定时器设定的时间输出—面包的颜色控制对象—烤箱的加热系统控制器与被控对象之间只有正向的控制作用。输出量对控制量没有影响。输入输出间没有反馈回路。第一章自动控制理论概述第一章自动控制理论概述开环控制系统的特点：结构简单、造价低。系统的控制精度取决于给定信号的标定精度及控制器及被控对象参数的稳定性。开环系统没有抗干扰的能力。因此精度较低。应用场合：控制量的变化规律可以预知。可能出现的干扰可以抑制。被控量很难测量。应用较为广泛，如家电、加热炉、车床等等。第一章自动控制理论概述三、闭环控制系统开环系统精度不高、适应性不强。

将输出量引入到输入端，使输出量对控制作用产生直接的影响。形成闭环控制系统。第一章自动控制理论概述前向通道：系统输入量到输出量之间的通道。反馈通道：从输出量到反馈信号之间的通道。比较环节：输出量为各输入量的代数和。输入量：ur

输出量：n反馈量：uf

控制量：ua偏差量(ue)＝给定量

(ur)－反馈量(uf)第一章自动控制理论概述闭环控制系统的特点：系统对外部或内部干扰(如内部件参数变动)的影响不甚敏感。出于采用反馈装置，导致设备增多，线路复杂。闭环系统存在稳定性问题。由于反馈通道的存在，对于那些惯性较大的系统，若参数配合不当，控制性能可能变得很差．甚至出现发散或等幅振荡等不稳定的情况。注意：对于主反馈必须采用负反馈。若采用正反馈将使偏差越来越大。闭环控制系统：通过反馈回路使系统构成闭环并按偏差的性质产生控制作用，以求减小或消除偏差(从而减小或消除误差)的控制系统。第一章自动控制理论概述四、自动控制系统的概念和特征自动控制：在没有人直接参与的情况下，通过控制器（控制装置）使被控制对象或过程自动地在一定的精度范围内按照预定的规律运行。系统：由相互制约的各个部分按一定的规律组成的、为达到一定目的的、具有一定功能的整体。反馈：将检测出来的输出量送回到系统的输入端，并与输入信号比较的过程。反馈分为负反馈（反馈信号与输入信号相减）和正反馈（反馈信号与输入信号相加）。自动控制的基础为闭环控制。控制论的奠基人N.Wiener给出的定义为：“Feedbackisamethodofcontrollingasystembyinsertingintoittheresultofitspastperformance”

《控制论——关于在动物和机器中控制和通讯的科学》美国MIT的N.Wiener研究随机过程的预测(1942)，提出Wiener滤波理论(1942)，发表《控制论》(Cybernetics)一书(1948)，标志着控制论学科的诞生。第一章自动控制理论概述自动控制系统的特征：1.结构上必须有反馈装置并按负反馈的原则构成系统。2.由偏差产生控制作用。控制的目的是尽量的减小或消除偏差，使输出量接近于期望值。自动控制系统定义：

是一个带有反馈装置的动力学系统。系统能自动而连续地测量被控制量，并求出偏差，进而根据偏差的大小和正负极性进行控制，而控制的目的是力图减小或消除所存在的偏差。第一章自动控制理论概述§1－3自动控制系统的组成和分类一、控制系统的组成测量反馈元件——用以测量被控量并将其转换成与输入量同一物理量后，再反馈到输入端以作比较。比较元件——用来比较输人信号与反馈信号。放大元件——将微弱的信号作线性放大。校正元件——按某种函数规律变换控制信号，并产生反映两者差值的偏差信号。以利于改善系统的动态品质或静态性能。执行元件——根据偏差信号的性质执行相应的控制作用，以便使被控量按期望值变化。控制对象——又称被控对象或受控对象，通常是指生产过程中需要进行控制的工作机械或生产过程。出现于被控对象中需要控制的物理量称为被控量。第一章自动控制理论概述第一章自动控制理论概述常用的名词术语输入信号：也叫参考输入，给定量或给定值，它是控制着输出量变化规律的指令信号。输出信号：是指被控对象中要求按一定规律变化的物理量，又称被控量，它与输入量之间保持一定的函数关系。反馈信号：由系统(或元件)输出端取出并反向送回系统(或元件)输入端的信号称为反馈信号。反馈有主反馈和局部反馈之分。偏差信号：它是指参考输入与主反馈信号之差。误差信号：指系统输出量的实际值与期望值之差，简称误差。扰动信号：简称扰动或干扰、它与控制作用相反，是一种不希望的、影响系统输出的不利因素。扰动信号既可来自系统内部，又可来自系统外部，前者称内部扰动，后者称外部扰动。第一章自动控制理论概述二、自动控制系统的分类1.按输入信号的特征分

恒值控制系统（又称自动调节系统）输入信号为常数。主要强调抗扰性。

随动系统（又称伺服系统）输入信号是预先不知道的随时间任意变化的函数，控制系统能使输出信号以任意高的精度跟随给定值的变化。主要强调跟随性。程序控制系统

输入信号是已知的、预先设定好的时间的函数。

第一章自动控制理论概述第一章自动控制理论概述飞机示意图给定装置放大器舵机飞机

反馈电位器

垂直陀螺仪θ0θc扰动俯仰角控制系统方块图国民收入的反馈系统模型第一章自动控制理论概述2.按描述元件的动态方程分

线性系统组成系统的全部元件都是线性元件，它们的输入-输出的静态特性均为线性，这类系统的运动可由常系数的微分方程（或差分方程）来描述。非线性系统系统中含有一个或多个非线性元件，非线性元件的静态输入-输出特性均为非线性的。凡含有非线性元件的系统均称为非线性系统。系统的运动需要用非线性的微分方程或差分方程来描述。第一章自动控制理论概述3.按信号传递是否连续分类连续系统系统中各环节间的信号均为时间t的连续函数。运动规律用微分方程来描述。离散系统信号的传递过程中，只要有一处是脉冲序列或数字编码，这类系统要用差分方程来进行描述。4.按系统的参数是否随时间的变化而分类定常系统时变系统5.单输入-单输出和多输入多输出第一章自动控制理论概述6.确定和不确定系统7.集中参数系统和分布参数系统第一章自动控制理论概述§1-4自动控制理论概要一、自动控制理论主要研究的问题

系统分析

在已知系统的结构参数的条件下，研究系统在某种典型输入信号下输出信号变化的全过程，并从这个变化过程中得到评价系统性能的指标；以及讨论系统的性能和系统结构、参数的关系。

系统设计

在给定被控对象及所要求的性能指标的情况下，设计一个即能完成控制任务又可以满足所提出的性能指标的控制系统。要改变系统的某些参数或者是加入校正装置，使其满足预定的性能指标要求。第一章自动控制理论概述二、对控制系统的基本要求稳定性、快速性、准确性，即稳、快、准。

稳定性稳定性是指系统重新恢复平衡状态的能力，任何一个正常工作的系统首先必须是稳定的。快速性由于系统的对象和元件通常具有一定的惯性，并受到能源功率的限制，因此，当系自输入(给定输入或扰动输入)信号改变时，在控制作用下，系统必然由原先的平衡状态经过一段时间才过渡到另一个新的平衡状态，这个过程称为过渡过程。过渡过程越短，表明系统的快速性越好。快速性是衡量系统质量高低的重要指标之一。第一章自动控制理论概述

准确性对一个稳定的系统而言，当过渡过程结束后，系统输出量的实际值与期望值之差称为稳态误差，它是衡量系统稳态精度的重要指标。稳态误差越小，表示系统的准确性越好。稳、准、快是相互制约的！

控制系统设计过程第一章自动控制理论概述三、古典控制理论和现代控制理论1.发展过程

1877年，劳斯(E．Routh)和1895年赫尔维茨(A．Hurwith)分别独立地提出了关于判断控制系统稳定性的代数判据。

1932年奈奎斯特(H．Nyquist)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。

1945年伯德(H.W.Bode)提出了分析控制系统的另一种图解方法即频率法。

1948年伊万斯(w.K．Evans)又创立了根轨迹法。

美国MIT的N.Wiener研究随机过程的预测(1942)，提出Wiener滤波理论(1942)，发表《控制论》(Cybernetics)一书(1948)，标志着控制论学科的诞生。第一章自动控制理论概述

50年代中期，经典控制理论又添加了非线性系统理论和离散控制理论，从而形成了完整的理论体系。60年代初又形成了现代控制理论。

1956年庞特里亚金提出了极大值原理。

1957年贝尔曼(K．Bellman)提出了动态规划。

1961年卡尔曼(R．E．Kalman)提出了最优滤波理论以及状态空间方法的应用。从60年代至今，现代控制理论义有巨大的发展，并形成了若干学科分支．如线性系统理论、最优控制理论、动态系统辨识、自适应控制、鲁棒控制理论、复杂大系统理论等。第一章自动控制理论概述四、自动控制理论的主要内容1经典控制理论以描述输入与输出外部关系的传递函数为基础。研究单输入、单输出系统的分析和设计问题。以积分变换为主要的数学工具。研究方法有时域分析法、根轨迹法