自动控制的基本概念

自动控制原理

宋崎航空航天工程学部课程介绍教师：宋崎联系电话公室：机械馆209学时：40学时【4学时实验】考试形式：期末试卷成绩占总成绩的80%，考勤及作业占10%，实验占10%自动控制理论第1章自动控制的基本概念第2章控制系统的数学描述第3章线性系统的时域分析与校正第4章根轨迹法第5章线性系统的频域分析与校正第6章线性离散系统的分析与校正第1章自动控制的基本概念

1.1引言

1.2自动控制理论发展概述

1.3自动控制系统的基本原理

1.4自动控制系统的分类

1.5对控制系统性能的基本要求1.1引言人工控制的缺点：速度慢精度低效率差不适应恶劣的环境什么是自动控制？自动控制：在无人直接参加的情况下，利用控制装置使被控对象和过程自动地按预定规律变化的控制过程。自动控制系统：是以实现控制目的为目标，由相互制约的各装置按一定规律组成具有特定功能的整体。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。主要研究对象:对单输入单输出线性定常系统的分析和设计问题。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。1.2自动控制理论发展概述公元235年马钧研制出能自动指示方向的指南车

指南车，又称司南车，是中国古代用来指示方向的一种机械装置。它利用差速齿轮原理，它与指南针利用地磁效应不同，它是利用齿轮传动系统，根据车轮的转动，由车上木人指示方向。不论车子转向何方，木人的手始终指向南方，“车虽回运而手常指南”。最先使用反馈控制装置凯特斯比斯(Kitesibbios)，希腊人,公元前300年使用的浮子调节器。以保持油面高度稳定。控制器阀门流入Q1浮子水箱流出Q2H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1788年英国Watt发明的控制蒸汽机速度的离心式调速器。随着蒸汽机角速度的增大，离心力推动小球向上，蒸汽阀门关小。随着蒸汽阀门关小，从锅炉进入引擎的蒸汽减少，蒸汽机的角速度减小。反之，随着蒸汽机角速度的下降，小球向下，蒸汽阀门开大，进入发动机的蒸汽量增加，角速度增加。通过这种方式，调节发动机转速。三发展阶段1.1868年麦克斯韦尔（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。麦克斯韦尔（J.C.Maxwell）1895年劳斯（Routh）与赫尔维茨（Hurwitz）把麦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）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，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4.卧19处48年伊枣万斯埋（W.菊R.阵Ew枯an心s）提责出了颤复数幻玉域内驼研究帆系统夜的根肃轨迹雷法。建立圈在奈体奎斯莫特的挤频率交响应腊法和啦伊万单斯的刮根轨枕迹法傍基础痕上的正理论众，称荣为经隐典（体古典勇）控旷制理吊论（鸽或自贵动控室制理宪论）雹。四友标志茂阶段

1.1947年控制论的奠基人美国数学家维纳（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——维纳2.我国它著名嫁科学性家钱学胖森将控帽制理搏论应乘用于薄工程景实践船，并举与19犯54年出妨版了《工程尼控制职论》。钱学森从四锦十年饼代到靠五十忽年代煮末，威经典蚁控制马理论冒的发睁展与那应用队使整欠个世霉界的愤科学寨水平柳出现以了巨顺大的扬飞跃秋，几广乎在邀工业毙、农黎业、蜓交通禁运输陵及国纲防建免设的天各个剃领域闭都广定泛采姨用了件自动匆化控查制技杰术。可以懂说工奋业革掉命和臭战争馅促使区了经知典控鸽制理急论的顾发展搜。第二腿阶段薯现代丽控制嫌理论科学齿技术扫的发信展不艳仅需厘要迅缎速地澡发展疑控制兔理论肃，而盒且也隆给现枝代控蜂制理姑论的厌发展贪准备摄了两吗个重简要的源条件—现代桥数学护和数洋字计凯算机腰。现代什数学支，例辛如泛稀函分敏析、炕现代诊代数谎等，挨为现太代控闭制理本论提洋供了马多种屯多样推的分孟析工沉具；次而数影字计犁算机腰为现涉代控桃制理更论发摸展提苹供了热应用含的平肃台。在二支十世舍纪五己十年削代末均开始帖，随荐着计卫算机律的飞炭速发砍展，以推动册了核员能技便术、猛空间炼技术腹的发督展，糠从而魄对出狼现的铁多输羡入多醋输出鼠系统暖、非葬线性敏系统鉴和时潜变系导统。主要乘研究随对象:多输火入、序多输缠出、俱时变缸参数豆、高铅精度煮复杂绘系统湖的分否析和梯设计强问题陶。1.五十煤年代蝇后期先，贝尔安曼（Be顿ll烧ma矩n）等人藏提出由了状昆态分态析法金；在19量57年提出筑了动色态规班划。1.1959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3.罗森盲布洛圣克（H.踏H.狼Ro疏se歼nb扬ro旅ck）、限欧文煤斯（D.爽H.感Ow难en倾s）和诱麦克网法轮贱（G.著J.栗Ma菜cF肌ar乒la央ne）研脂究了唉使用绣于计很算机宵辅助匆控制虏系统泉设计嫂的现宿代频模域法给理论钻，将勾经典镜控制磨理论凡传递鼻函数和的概芹念推贴广到从多变晨量系目统，壶并探别讨了脾传递哨函数珍矩阵贱与状铅态方努程之详间的学等价漆转换扛关系扶，为仰进一尤步建香立统事一的冤线性劲系统若理论淡奠定莫了基破础2.辽1摩96师1年庞悼特里源亚金对（俄制国人碗）提动出了描极小壳（大纵）值蛋原理病。庞特里亚金L.S.Pontryagin4.菠20世纪70年代遍奥斯拐特隆盾姆（乌瑞典松）和厉朗道佳（法拜国，L.松D.焦La蹄nd售au）在哥自适霜应控诸制理柏论和昂应用免方面瘦作出径了贡茧献。与此距同时培，关曾于系容统辨膊识、虹最优辉控制索、离祝散时侄间系中统和稠自适辣应控委制的伤发展尊大大洽丰富仇了现芬代控丝式制理施论的端内容铁。

朗道L.D.Landau第三搜阶段且大路系统框和智挣能控雨制理袖论阶拴段20世纪70年代龄末，促控制滑理论所向着“大系地统理叛论”和“智能布控制谋理论”的方堡向发佳展。大系典统理倦论：用控权制和蜜信息昆的观寺点，饱研究叙各种勺大系付统的异结构斩方案碑、总神体设近计中泛的分屋解方切法和勿协调吼等问蝴题的绢技术恨基础耗理论水。复杂大系统控制智能泰控制辟理论怕：研究马与模供拟人父类智悦能活券动及迷其控骡制与再信息灾传递治过程霜的规策律，议研制叛具有线某些像拟人华智能马的工叉程控修制与荷信息栽处理胆系统绢的理壁论。洗衣机智能模糊控制机器人神经网络控制回顾委控制首理论好的发刑展历荐程可旧以看晚出，晒它的毒发展顾过程份反映母了人监类由溜机械洗化时务代进愈入电嘉气化敞时代壤，并传走向候自动宾化、亡信息冤化、击智能躁化时蒜代。哈勃奏望远吨镜－阵特殊钱地卫四星中巴伴资源薯卫星人造蛙地球察卫星旷控说制其雾准确攻地进古入预吹定轨示道运颤行并道回收4.自动闷控制必系统饱（应祸用举拍例）无人荷驾驶错飞机率按预乡丰定轨品迹飞胶行制导驱导弹现代客的高丘新技截术让耳导弹卡长上歼了“眼睛”和“大脑”，利押用负怜反馈帐控制结原理讲去紧瞧紧盯赚住目富标我国倦研制积的地雾空导叠弹机器畅人足逼球比浆赛月球贺车采用与高敏棵感度馒照相令机检斜测半颜导体阵晶片撤的三半轴控角制系双统激光锈眼科技手术系统1.天3自动胖控制能的基布本原兆理自动奖控制她的例塑子当实福际水唇位低于要求素水位展时，牛电位榜器输城出电伤压值为正，且症其大掏小反干映了葵实际乒水位驼与水鸟位要求值的晒差值崇，放歪大器历输出透信号闹将有晚正的轿变化毁，电筋动机中带动虎减速模器使悟进水大阀门开度指增加，直痛到实认际水聚位重格新与疯水位场要求楼值相狮等时况为止救。36被控无对象仔：又称眼控制事对象泥或受掘控对猫象，鸦指需音要对邀它的侍某个架特定府的量睬进行衬控制烧的设妙备或糖过程史。（堪水箱牧）测量挡元件：它把继被控侦对象凶的被苗控量未检测陵出来薄（浮渡子）比较歼元件：它把圾测量蒜信号拘与给笋定信虎号比催较，绞得到启偏差跳（比秒较电汽路）计算反元件：可以渔进行混复杂惜运算种，决肿定系臂统性羽能的拴好坏放大钩元件：经过该计算文处理疼的信荒号通厌常是浊弱信密号，旦不能黎驱动睁被控例制对娃象，止由它奔进行讯放大乒（放仿大器脱）执行拴元件：它推追动被困控对伐象的归被控迈量发抖生变声化庙（电详动机+阀门料）一个归典型闹自动胁控制刊系统陷的基抛本组椅成输入渗信号：也切叫参冠考输盘入，课给定爆量或锯给定欲值，破它是禾控制抹着输绞出量尽变化替规律盖的指室令信码号。输出秀信号：是戒指被饺控对罗象中懒要求洋按一住定规亚律变换化的迁物理凡量，泡又称蛋被控题量，四它与肢输入雄量之悟间保较持一赔定的抖函数婶关系磨。反馈填信号：由使系统(或元仿件)输出驻端取慰出并冻反向纱送回芬系统(或元惕件)输入候端的扑信号离称为段反馈搭信号沈。反洪馈有主反榴馈和局部幕反馈之分看。名词详术语偏差牙信号：它暖是指砌参考兼输入穿与主稀反馈你信号蹦之差傲。误差逗信号：指膊系统浓输出债量的替实际侮值与跳期望件值之内差，数简称抹误差浮。扰动把信号：简摩称扰漆动或逮干扰身、它颜与控呜制作桂用相俗反，龙是一林种不喜希望浓的、已影响窗系统朴输出心的不波利因脸素。赴扰动松信号叉既可篇来自资系统合内部堆，又劲可来竹自系辣统外呢部，拔前者捧称内部睛扰动，后晨者称外部岛扰动。名词陈术语391.坐4自动响控制偷系统精的分膀类1.氧4.色1按信奴号传否递路避径分吧类(1火)按给寺定值睛操作祖的开帖环控单制系光统(2殊)按干戏扰补棕偿的省开环旋控制报系统40(3墓)按偏淋差调浊节的便闭环缩慧控制蚂系统(4渐)复合圆控制次系统1.尽4.俩2按输挡入信斩号的个特征姥分类恒值昆控制寄系统腾（又耍称自划动调听节系吧统）输出盟量以寄一定迷的精其度等其于给棉定值奶，而生给定轿值一纠般不代变化话或变拿化很侨缓慢将，扰并动可址随时羽变化哨的系倾统称厕为恒奥值系怕统，贵在生挽产过蓬程中亿，这毅类系仁统非迅常多瓜。例破如，末冶金曾部门依的恒夺温系毛统，脑石油语部门除的恒鱼压系递统等待。主众要强权调抗扰吨性。随动蛙系统掠（又贞称伺险服系剃统）输入酿信号叼是预险先不包知道往的随往时间桂任意聋变化沃的函宴数，泛控制蹄系统结能使厘输出费信号秘以任胡意高熔的精果度跟畅随给冠定值阔的变予化呢。主撒要强围调跟随讽性。系统救的参低据量悟时按踪蝶预定习规律扒随时粉间变街化的请函数蒸，要狡求被偶控量柿迅速素、准犹确地埋加以压复现指。程棉序控赚制系辰统和载随动手系统闭的参栽据量情都是胖时间米函数壳，不胀过前获者是隔已知催的时矿间函否数，幸后者芝是未有知的万任意共时间食函数玩，而恒永值控兰制系烟统也剪可视康为程盏序控反制系银统的曲特例聚。程序士控制丧系统自动阳控制郊原理43(1屑)线性li优ne睛ar系统线性齿系统殊中各照元件株的静特身性为直线。线性乔系统旱有两冬个重熊要特献性——叠加旧性和炕齐次语性1)叠加即性：如果检用c1(t)表示钓由r1(t)产生读的输存出，和用c2(t)表示逢由r2(t)产生声的输器出，惑则当r1(t)和r2(t)同时司作用薪时，输出刚量为c1(t)乎+c2(t)。2)齐次亿性：如焦果用c(t)表示急由r(t)产生泛的输足出量挑，则蒜在Kr(t)作用下的输出捞量为Kc(t)。1.隶4.花3按系以统数学破模型分类自动洒控制福原理44(2然)非线使性no寒n-昌li项ne旱ar系统系统驰中只要散某一哲部件毒具有另非线立性特冬性就是非线竖性系题统。非线艘性系熄统的仿特点牢是不满阀足叠蔬加原挥理。图旨中分匙别为继电尤器、雨死区巨、饱兆和、交间隙撇特性，还丢有大拴量的检其它葡非线垃性特子性。(a恩)侮(谅b)躲(c匹)睁(拌d炊)45(1魄)连续庭时间揭系统感：控嚷制系饿统中尤各环垃节的罩输入阴量和糕输出兵量均括为时折间t的连呢续函照数(2睡)离散咸时间伞系统愁：系况统中嚷只要报一处筐信号翠是脉色冲序兼列或教数字英编码1.元4.急4按时籍间变校量特稼性分位类46(1风)定常锐系统系统绪参数特在系并统运瞎行过夫程中相相对垃于时醉间是秘不变时的(2固)时变遵系统系统渐参数侄是时妈间t的函私数1.递4.替5按系掘统参未数特赛性分姥类47(1端)单输顽入单依输出设系统(2折)多输映入多警输出出系统1.被4.街6尚按输源入输艘出信棍号的旧数目介分类动态泻过程继：通番常将但系统织受到很给定杜值或袋干扰陆信号碗作用痰后，鹊控制蛙被控握量变贵化的废全过聪程称蜂为系莫统的秘动态睁过程浇。工程温上常蔑从稳跪、快盆、准披三个累方面再来评陪价控氧制系沙统。稳：紫指动鼻态过牵程的肢平稳秋性。快：扁指动乘态过柱程的岸快速叹性。准：派指动简态过伐程的觉最终喜精度扮。1.接5对控期制系宰统性次能的音基本养要求49当系介统受洞到干留扰后素，系温统的光输出c(t)可能夕出现篮增幅捕振荡铸或单赔调增绸长现竖象，煎这种懂现象渴称为不稳竟定现象慕，这眨样的冬系统胡称为啄不稳岩定系暗统。苗当系叔统受难到干泪扰