1、2021-10-10第一章 緒論1作者： 浙江大學 鄒伯敏 教授 2021-10-10第一章 緒論2v第一節第一節 自動控制理論發展簡介自動控制理論發展簡介v第二節第二節 自動控制系統的一般概念自動控制系統的一般概念v第三節第三節 開環控制和閉環控制開環控制和閉環控制v第四節第四節 自動控制系統的分類自動控制系統的分類v第五節第五節 對控制系統性能的要求和本課程的任務對控制系統性能的要求和本課程的任務本章主要內容本章主要內容2021-10-10第一章 緒論3 自動控制理論是自動控制技術的基礎理論，是一門理論自動控制理論是自動控制技術的基礎理論，是一門理論性較強的工程科學。根據自動控制技術的發展

2、進程，自動控性較強的工程科學。根據自動控制技術的發展進程，自動控制理論可分為經典控制理論和現代控制理論兩大部分。制理論可分為經典控制理論和現代控制理論兩大部分。經典控制理論的形成和基本內容經典控制理論的形成和基本內容（1 1）工業化促使自動控制裝置產生）工業化促使自動控制裝置產生 最早工業應用的自動裝置：最早工業應用的自動裝置：17691769年年wattwatt發明的飛球式發明的飛球式蒸汽機調速器。蒸汽機調速器。 一種憑借直覺的實證性發明。一種憑借直覺的實證性發明。2021-10-10第一章 緒論4（2） 最早的穩定性研究最早的穩定性研究 j.c.maxwell（麥克斯韋爾），（麥克斯韋爾）

3、，1868年發表年發表論調節論調節器器，研究調節器的微分方程，線性化處理，系統穩定性取，研究調節器的微分方程，線性化處理，系統穩定性取決于微分方程的特征根是否都具有一對負的實部，針對二階決于微分方程的特征根是否都具有一對負的實部，針對二階和三階系統討論了使特征根具有負實部時，特征多項式系列和三階系統討論了使特征根具有負實部時，特征多項式系列應滿足的條件。應滿足的條件。 文獻： j.c. maxwell. on governors. proc. of the royal society of london. 16, 1868.（3） 系統穩定判據系統穩定判據 由由hurwitz（霍爾維茨，（霍爾

4、維茨，1895年）和年）和 e.j.routh（勞斯，（勞斯，1884年）提出的勞斯年）提出的勞斯-霍爾維茨穩定判據霍爾維茨穩定判據 a.m.lyapunov（李雅普諾夫，（李雅普諾夫，1892年）提出了李雅年）提出了李雅普諾夫第一法與第二法普諾夫第一法與第二法 2021-10-10第一章 緒論5h.nyquisth.nyquist（奈魁斯特，（奈魁斯特，19321932年）年）提出奈氏判據，提出奈氏判據，bode(bode(波德，波德，19271927年）年）提出了對數頻率特性的方法。提出了對數頻率特性的方法。 w.r.evansw.r.evans（伊萬斯，（伊萬斯，19481948年年)

5、)提出根軌跡法。此方法和規則提出根軌跡法。此方法和規則指的是當系統參數變化時特征方程式根變化的幾何軌跡。目指的是當系統參數變化時特征方程式根變化的幾何軌跡。目前仍然是系統設計和穩定性分析的一種重要方法。前仍然是系統設計和穩定性分析的一種重要方法。（4 4）40-5040-50年代形成年代形成 sisosiso（single input single outputsingle input single output）系統系統 二戰期間，軍事科學的需要大大促進了反饋控制理論的二戰期間，軍事科學的需要大大促進了反饋控制理論的發展。美國麻省理工學院雷達實驗室的科學家們將反饋放大發展。美國麻省理工學院雷

6、達實驗室的科學家們將反饋放大器理論、器理論、 pidpid（比例（比例- -積分積分- -微分）控制以及微分）控制以及n.wienern.wiener（維納）（維納）的隨機過程理論等結合在一起，形成了一整套被稱為隨動控的隨機過程理論等結合在一起，形成了一整套被稱為隨動控制系統的設計方法。制系統的設計方法。19481948年年 n.wienern.wiener發表著名的發表著名的控制論控制論2021-10-10第一章 緒論6（5 5） 5050年代末期所討論的內容主要有：系統數學模型的建年代末期所討論的內容主要有：系統數學模型的建立、時域分析法、頻率特性法、根軌跡法、系統綜合與校立、時域分析法、

7、頻率特性法、根軌跡法、系統綜合與校正、非線性系統和采樣控制系統分析法等，也被稱為經典正、非線性系統和采樣控制系統分析法等，也被稱為經典控制理論。控制理論。現代控制理論現代控制理論空間技術競賽催生了現代控制理論空間技術競賽催生了現代控制理論 5050年代末，美國的年代末，美國的bellmanbellman（貝爾曼）、（貝爾曼）、 kalmkalmanan（卡（卡爾曼）和俄羅斯的龐德里亞金等考慮用常微分方程作為控爾曼）和俄羅斯的龐德里亞金等考慮用常微分方程作為控制系統的數學模型。由于數字計算機的發展使得十年前尚制系統的數學模型。由于數字計算機的發展使得十年前尚無法進行的計算問題成為可能，這時李雅普

8、諾夫的工作被無法進行的計算問題成為可能，這時李雅普諾夫的工作被引入到控制理論中來，而由引入到控制理論中來，而由wienerwiener（維納）等人在第二次（維納）等人在第二次世界大戰期間關于最優控制的研究也被用來研究系統狀態世界大戰期間關于最優控制的研究也被用來研究系統狀態軌跡的優化問題。軌跡的優化問題。2021-10-10第一章 緒論7 這種方法在標準形式或狀態形式的常微分方程的基這種方法在標準形式或狀態形式的常微分方程的基礎上直接引進并大量使用了計算機。這種方法通常稱為礎上直接引進并大量使用了計算機。這種方法通常稱為“現代控制理論現代控制理論”，以區別于，以區別于60年代以前的年代以前的“

9、經典控制經典控制理論理論”軟著陸軟著陸-極大值原理（極大值原理（19561956）最小燃料控制最小燃料控制-動態規劃動態規劃 （19571957）姿態控制姿態控制-狀態空間理論狀態空間理論(1960(1960）2021-10-10第一章 緒論8現代控制理論的重要標志現代控制理論的重要標志 狀態空間法被引入到控制理論中來。狀態空間法被引入到控制理論中來。 kalmankalman提出了能控性與能觀測性。表征系統結構特提出了能控性與能觀測性。表征系統結構特征的重要概念。征的重要概念。 “ “內部研究內部研究”代替了傳統的代替了傳統的“外部研究外部研究”。并使分析。并使分析與綜合過程建立在嚴格的理論

10、基礎之上。與綜合過程建立在嚴格的理論基礎之上。 主要分支學科：主要分支學科：線性系統理論、最優控制理論、系統線性系統理論、最優控制理論、系統辨識與自適應控制、大系統理論和特大系統理論等。一辨識與自適應控制、大系統理論和特大系統理論等。一些分支學科還滲透到相鄰學科中去，如濾波技術、自學些分支學科還滲透到相鄰學科中去，如濾波技術、自學習理論與人工智能、建模理論與系統工程等。習理論與人工智能、建模理論與系統工程等。2021-10-10第一章 緒論9 在科學和工程技術的發展過程中，自動控在科學和工程技術的發展過程中，自動控制技術起著重要的作用。除了在宇宙飛船、導彈制技術起著重要的作用。除了在宇宙飛船、

11、導彈發射和飛機駕駛等系統中，自動控制技術具有特發射和飛機駕駛等系統中，自動控制技術具有特別重要的作用之外，它在現代機器制造和工業生別重要的作用之外，它在現代機器制造和工業生產過程中也是不可缺少的重要組成部分。產過程中也是不可缺少的重要組成部分。 隨著自動控制理論和技術的不斷發展，自隨著自動控制理論和技術的不斷發展，自動控制技術的廣泛應用使生產設備或過程實現了動控制技術的廣泛應用使生產設備或過程實現了自動化，極大地提高了勞動生產率和產品質量、自動化，極大地提高了勞動生產率和產品質量、降低了生產成本、改善了勞動條件，而且在人類降低了生產成本、改善了勞動條件，而且在人類向大自然挑戰、探索新能源、改善

12、人民生活等方向大自然挑戰、探索新能源、改善人民生活等方面都起著極其重要的作用。面都起著極其重要的作用。 控制理論在國民經濟中的作用控制理論在國民經濟中的作用2021-10-10第一章 緒論101 1）自動控制技術應用于軍事、航天領域）自動控制技術應用于軍事、航天領域 火炮、雷達、跟蹤系統；人造衛星；宇宙飛船。火炮、雷達、跟蹤系統；人造衛星；宇宙飛船。 2 2）自動控制技術應用于工業生產過程）自動控制技術應用于工業生產過程 軋鋼過程；工業窯爐；石油化工；水泥建材；軋鋼過程；工業窯爐；石油化工；水泥建材； 玻璃、造紙等。玻璃、造紙等。3 3）自動控制技術應用于現代農業生產）自動控制技術應用于現代農

13、業生產 自動灌溉；農產品質量檢測；病情檢測等。自動灌溉；農產品質量檢測；病情檢測等。2021-10-10第一章 緒論114 4）自動控制技術應用于其它領域）自動控制技術應用于其它領域 由于計算機等技術的誕生和飛速發展，使得控由于計算機等技術的誕生和飛速發展，使得控制技術水平不斷提高，已擴大到經濟與社會生活的制技術水平不斷提高，已擴大到經濟與社會生活的各個領域，如通信、交通、醫學、環境保護、經濟各個領域，如通信、交通、醫學、環境保護、經濟管理等領域，控制技術已成為現代社會不可缺少的管理等領域，控制技術已成為現代社會不可缺少的重要組成部分。重要組成部分。 近年來，我國在自動化儀表、工業調節器、數近

14、年來，我國在自動化儀表、工業調節器、數字控制技術、航天工程、核動力工程等方面的研究字控制技術、航天工程、核動力工程等方面的研究和應用取得了長足進展。和應用取得了長足進展。生物：人口控制，藥物動力學生物：人口控制，藥物動力學金融：貨幣控制金融：貨幣控制家庭：電飯煲，洗衣機家庭：電飯煲，洗衣機2021-10-10第一章 緒論12 2021-10-10第一章 緒論132021-10-10第一章 緒論14一、液位控制系統一、液位控制系統2021-10-10第一章 緒論152021-10-10第一章 緒論16 被控對象被控對象-水池水池 測量元件測量元件-浮子浮子 比較機構比較機構-浮子的希望位置與實際

15、位置之差浮子的希望位置與實際位置之差 放大機構放大機構-提高系統的控制精度提高系統的控制精度 執行元件執行元件-驅動被控對象，以改變被控制的量驅動被控對象，以改變被控制的量2021-10-10第一章 緒論172021-10-10第一章 緒論18二、隨動控制系統二、隨動控制系統2021-10-10第一章 緒論192021-10-10第一章 緒論202021-10-10第一章 緒論21圖中圖中2021-10-10第一章 緒論22v開環控制控制器控制器被控對象被控對象控制量控制量給定值給定值r(t)u(t)y(t)圖圖1-10 開環控制系統開環控制系統2021-10-10第一章 緒論23 k udnug例：直流電動機調速系統（機械力矩例：直流電動機調速系統（機械力矩 ml恒定恒定)圖圖1-11 直流電機調速系統（開環）直流電機調速系統（開環）2021-10-10第一章 緒論24v閉環控制 穩態精度高、動態性能好、穩定裕度大等。穩態精度高、動態性能好、穩定裕度大等。控制器控制器被控對象被控對象控制量控制量輸出量輸出量給定值給定值r(t)u(t)y(t)測量元件測量元件偏差偏差e(t)圖圖1-12 閉環控制系統閉環控制系統2021-10-10第一章 緒論252021-