1、HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY自動控制理論自動控制理論自動控制理論自動控制理論E-mail: WGLHARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY自動控制理論自動控制理論第一章自動控制理論概述第一章自動控制理論概述11引言動控制(automatic control)技術在工農業、國防、航空航天等各個領域中起著重要的作用！并擴展到生物、醫學、環境、經濟管理和其它許多社會生活領域。 獨立的學科并與其它學科相互滲透、相互促進。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?，F代工程技術人員和科學工作者必須具備一定現代工程技術人員和科學工作

2、者必須具備一定的自動控制理論基礎知識！的自動控制理論基礎知識！ 自動控制：在沒有人直接參與的情況下，通過控制器（控制裝置）使被控制對象或過程自動地在一定的精度范圍內按照預定的規律運行。HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY自動控制理論自動控制理論1-2 自動控制理論和自動控制系統的基本概念第一章自動控制理論概述第一章自動控制理論概述如何在裝置中設定轉速自動給定？舉例：采用離心調速器的蒸汽機轉速控制系統HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY自動控制理論自動控制理論第一章自動控制理論概述第一章自動控制理論概述一、人工控制與自動控制手動控制電加熱爐手動控制

3、電加熱爐HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY自動控制理論自動控制理論第一章自動控制理論概述第一章自動控制理論概述自動控制電加熱爐自動控制電加熱爐為什么溫度計換成熱電偶為什么溫度計換成熱電偶? 給定值怎么實現給定值怎么實現 ? 比比較怎么實現較怎么實現? 為什么用放大器為什么用放大器?HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY自動控制理論自動控制理論手動與自動控制電加熱爐分析手動與自動控制電加熱爐分析p 任務：控制爐溫在給定值。任務：控制爐溫在給定值。p 測量：溫度計測量：溫度計熱電偶溫度計。熱電偶溫度計。p 比較：通過觀察溫度計讀數，在人腦中比較比較：

4、通過觀察溫度計讀數，在人腦中比較 電路自動進行電路自動進行電壓值比較。電壓值比較。p 控制：根據比較結果控制：根據比較結果(溫度偏高或偏低溫度偏高或偏低)手動調節加熱電阻絲手動調節加熱電阻絲兩端的電壓兩端的電壓 電壓差值正負決定電機轉向，最終控制加熱電壓差值正負決定電機轉向，最終控制加熱電阻絲兩端的電壓。電阻絲兩端的電壓。自動控制的優點：各類信號的自動傳遞！自動控制的優點：各類信號的自動傳遞！不用人工干預，提高效率，精度提高。不用人工干預，提高效率，精度提高。HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY自動控制理論自動控制理論第一章自動控制理論概述第一章自動控制理論概述二、開環

5、(open loop)控制系統例例1：烤面包機：烤面包機輸入輸入定時器設定的時間定時器設定的時間輸出輸出面包的顏色面包的顏色控制對象控制對象烤箱的加熱系統烤箱的加熱系統u控制器與被控對象之間只有正向的控制作用控制器與被控對象之間只有正向的控制作用。u輸出量對控制量沒有影響。輸出量對控制量沒有影響。u輸入輸出間沒有反饋回路。輸入輸出間沒有反饋回路。HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY自動控制理論自動控制理論第一章自動控制理論概述第一章自動控制理論概述影響轉速控制精度有哪些因素？例例2：直流電機開環控制系統：直流電機開環控制系統HARBIN INSTITUTE OF TEC

6、HNOLOGY自動控制理論自動控制理論第一章自動控制理論概述第一章自動控制理論概述開環控制系統的特點開環控制系統的特點： 結構簡單，造價低。結構簡單，造價低。 系統的控制精度取決于給定信號的標定精度、控制器系統的控制精度取決于給定信號的標定精度、控制器及被控對象參數的穩定程度。及被控對象參數的穩定程度。 開環系統沒有抗干擾的能力，因此精度較低。開環系統沒有抗干擾的能力，因此精度較低。 應用場合：應用場合： 控制量的變化規律可以預知?？刂屏康淖兓幝煽梢灶A知。 可能出現的干擾可以抑制。可能出現的干擾可以抑制。 被控量很難測量。被控量很難測量。應用較為廣泛，如小家電、加熱爐、交通信號燈、風機水泵調

7、應用較為廣泛，如小家電、加熱爐、交通信號燈、風機水泵調速系統等。速系統等。HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY自動控制理論自動控制理論第一章自動控制理論概述第一章自動控制理論概述三、閉環(closed loop)控制系統將輸出量引入到輸入端，使輸出量對控制作用產生直接的影響，形成閉環控制系統。對擾動有較好的抑制作用，為什么？對擾動有較好的抑制作用，為什么？原因：與開環比較，原因：與開環比較，干擾和控制輸入同干擾和控制輸入同樣作用于被控對象樣作用于被控對象上，干擾引起的系上，干擾引起的系統偏差通過閉環同統偏差通過閉環同樣出現在給定值與樣出現在給定值與實際值的偏差項中，實際

8、值的偏差項中，可以被反饋抑制?？梢员环答佉种啤ARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY自動控制理論自動控制理論第一章自動控制理論概述第一章自動控制理論概述前向通道前向通道：系統輸入量到輸出量之間的通道。：系統輸入量到輸出量之間的通道。反饋通道反饋通道：從輸出量到反饋：從輸出量到反饋(feedback)信號之間的通道。信號之間的通道。比較環節比較環節：輸出量為各輸入量的代數和。：輸出量為各輸入量的代數和。輸入量：輸入量：ur ；輸出量：輸出量：n； 反饋量：反饋量：uf ； 控制量：控制量：ua偏差量偏差量(ue)給定量給定量 (ur )反饋量反饋量(uf ) HARBIN

9、INSTITUTE OF TECHNOLOGY自動控制理論自動控制理論第一章自動控制理論概述第一章自動控制理論概述閉環控制系統的特點？閉環控制系統的特點？ 系統對外部或內部干擾(如內部件參數變動)的影響不甚敏感。 由于采用反饋裝置，導致設備增多，結構較復雜。 閉環系統存在穩定性問題。由于反饋通道的存在，對于那些慣性較大的系統，若參數配合不當，控制性能可能變得很差，甚至出現發散或等幅振蕩等不穩定的情況。注意：主反饋必須采用負反饋，若采用正反饋將使偏差越來越大。閉環控制系統：通過反饋回路使系統構成閉環并按偏差的性質產生控制作用，以求減小或消除偏差(從而減小或消除誤差)的控制系統。HARBIN IN

10、STITUTE OF TECHNOLOGY自動控制理論自動控制理論第一章自動控制理論概述第一章自動控制理論概述四、自動控制系統的概念和特征系統：系統：由相互制約的各個部分按一定的規律組成、為達到由相互制約的各個部分按一定的規律組成、為達到一定目的、具有一定功能的整體。一定目的、具有一定功能的整體。反饋：反饋：將檢測出來的輸出量送回到系統的輸入端，并與輸將檢測出來的輸出量送回到系統的輸入端，并與輸入信號比較的過程。反饋分為入信號比較的過程。反饋分為負反饋負反饋（反饋信號與輸入（反饋信號與輸入信號相減）和信號相減）和正反饋正反饋（反饋信號與輸入信號相加）。（反饋信號與輸入信號相加）。 自動控制的基

11、礎為閉環控制自動控制的基礎為閉環控制?？刂普摰牡旎恕？刂普摰牡旎薔.Wiener 給出的定義為：給出的定義為：“Feedback is a method of controlling a system by inserting into it the result of its past performance” HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY自動控制理論自動控制理論第一章自動控制理論概述第一章自動控制理論概述自動控制系統的特征自動控制系統的特征 ：1. 結構上必須有反饋裝置并按負反饋的原則構成系統。結構上必須有反饋裝置并按負反饋的原則構成系統。2. 由偏差產

12、生控制作用。由偏差產生控制作用。3. 控制的目的是盡量減小或消除偏差，使輸出量接近于控制的目的是盡量減小或消除偏差，使輸出量接近于期望值。期望值。自動控制系統定義：自動控制系統定義： 是一個是一個帶有反饋裝置帶有反饋裝置的動力學系統。系統能自動而的動力學系統。系統能自動而連續地測量被控制量，并求出偏差，進而根據偏差的大連續地測量被控制量，并求出偏差，進而根據偏差的大小和正負極性進行控制，而控制的目的是力圖減小或消小和正負極性進行控制，而控制的目的是力圖減小或消除所存在的偏差。除所存在的偏差。HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY自動控制理論自動控制理論第一章自動控制理論概

13、述第一章自動控制理論概述13自動控制系統的組成和分類一、控制系統的組成HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY自動控制理論自動控制理論測量反饋元件測量反饋元件用以測量被控量并將其轉換成與輸入量同一物理量后，再反饋到輸入端以作比較。比較元件比較元件用來比較輸人信號與反饋信號。放大元件放大元件將微弱的信號作線性放大。校正元件校正元件按某種函數規律變換控制信號，并產生反映兩者差值的偏差信號。以利于改善系統的動態品質或靜態性能。執行元件執行元件根據偏差信號的性質執行相應的控制作用，以便使被控量按期望值變化?？刂茖ο罂刂茖ο笥址Q被控對象或受控對象，通常是指生產過程中需要進行控制的工作

14、機械或生產過程。出現于被控對象中需要控制的物理量稱為被控量被控量。第一章自動控制理論概述第一章自動控制理論概述HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY自動控制理論自動控制理論第一章自動控制理論概述第一章自動控制理論概述常用的名詞術語常用的名詞術語輸入信號輸入信號：也叫參考輸入，給定量或給定值，它是控制著輸出：也叫參考輸入，給定量或給定值，它是控制著輸出量變化規律的指令信號。量變化規律的指令信號。輸出信號輸出信號：是指被控對象中要求按一定規律變化的物理量，又：是指被控對象中要求按一定規律變化的物理量，又稱被控量，它與輸入量之間保持一定的函數關系。稱被控量，它與輸入量之間保持一

15、定的函數關系。反饋信號反饋信號：由系統：由系統(或元件或元件)輸出端取出并反向送回系統輸出端取出并反向送回系統(或元件或元件)輸入端的信號稱為反饋信號。反饋有輸入端的信號稱為反饋信號。反饋有主反饋主反饋和和局部反饋局部反饋之分。之分。偏差信號偏差信號：它是指參考輸入與主反饋信號之差。：它是指參考輸入與主反饋信號之差。誤差信號誤差信號：指系統輸出量的實際值與期望值之差，簡稱誤差。：指系統輸出量的實際值與期望值之差，簡稱誤差。擾動信號擾動信號：簡稱擾動或干擾、它與控制作用相反，是一種不希：簡稱擾動或干擾、它與控制作用相反，是一種不希望的、影響系統輸出的不利因素。擾動信號既可來自系統內部，望的、影響

16、系統輸出的不利因素。擾動信號既可來自系統內部，又可來自系統外部，前者稱又可來自系統外部，前者稱內部擾動內部擾動，后者稱，后者稱外部擾動外部擾動。 HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY自動控制理論自動控制理論第一章自動控制理論概述第一章自動控制理論概述二、自動控制系統的分類1. 按輸入信號的特征分 恒值控制系統恒值控制系統（又稱自動調節系統又稱自動調節系統） 輸入信號為常數輸入信號為常數。主要強調主要強調抗擾性抗擾性。 隨動系統隨動系統（又稱伺服系統又稱伺服系統） 輸入信號是預先不知道的隨時間任意輸入信號是預先不知道的隨時間任意變化函數，控制系統能使輸出信號跟變化函數，控

17、制系統能使輸出信號跟隨給定值的變化隨給定值的變化 。主要強調。主要強調跟隨性跟隨性。程序控制系統程序控制系統 輸入信號是已知的、預先設定好的輸入信號是已知的、預先設定好的時間的函數。時間的函數。 HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY自動控制理論自動控制理論第一章自動控制理論概述第一章自動控制理論概述HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY自動控制理論自動控制理論第一章自動控制理論概述第一章自動控制理論概述2. 2. 按描述元件的動態方程分按描述元件的動態方程分 線性系統線性系統 組成系統的全部元件都是線性元件，它們的輸入組成系統的全部元件都是線性元件

18、，它們的輸入- -輸出的靜態特性均為線性，這類系統的運動可由常輸出的靜態特性均為線性，這類系統的運動可由常系數的系數的微分方程（或差分方程）微分方程（或差分方程）來描述。來描述。 非線性系統非線性系統 系統中含有一個或多個非線性元件，非線性元件系統中含有一個或多個非線性元件，非線性元件的靜態輸入的靜態輸入- -輸出特性均為非線性的。凡含有非線性輸出特性均為非線性的。凡含有非線性元件的系統均稱為非線性系統。系統的運動需要用元件的系統均稱為非線性系統。系統的運動需要用非線性的微分方程或差分方程來描述。非線性的微分方程或差分方程來描述。HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY自動

19、控制理論自動控制理論第一章自動控制理論概述第一章自動控制理論概述3. 按信號傳遞是否連續分類按信號傳遞是否連續分類 連續系統連續系統 系統中各環節間的信號均為時間系統中各環節間的信號均為時間t t的連續函數。運動規律的連續函數。運動規律用微分方程來描述。用微分方程來描述。 離散系統離散系統 信號的傳遞過程中，只要有一處是脈沖序列或數字編碼，信號的傳遞過程中，只要有一處是脈沖序列或數字編碼，這類系統要用差分方程來進行描述。這類系統要用差分方程來進行描述。4. 按系統的參數是否隨時間的變化而分類按系統的參數是否隨時間的變化而分類 定常系統定常系統 時變系統時變系統5. 單輸入單輸入- -單輸出單輸

20、出系統和系統和多輸入多輸出多輸入多輸出系統系統6. 確定確定和和不確定不確定系統系統7. 7. 集中參數集中參數系統和系統和分布參數分布參數系統系統HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY自動控制理論自動控制理論第一章自動控制理論概述第一章自動控制理論概述1-4 自動控制理論概要一、自動控制理論主要研究的問題 系統分析系統分析在已知系統的結構參數的條件下，研究系統在某種典型在已知系統的結構參數的條件下，研究系統在某種典型輸入信號下輸出信號變化的全過程，并從這個變化過程中輸入信號下輸出信號變化的全過程，并從這個變化過程中得到評價系統性能的指標；以及討論系統的性能和系統結得到評

21、價系統性能的指標；以及討論系統的性能和系統結構、參數的關系。構、參數的關系。 系統設計系統設計在給定被控對象及所要求的性能指標的情況下，設計一在給定被控對象及所要求的性能指標的情況下，設計一個即能完成控制任務又可以滿足所提出性能指標的控制系個即能完成控制任務又可以滿足所提出性能指標的控制系統。要改變系統的某些參數或者是加入校正裝置，使其滿統。要改變系統的某些參數或者是加入校正裝置，使其滿足預定的性能指標要求。足預定的性能指標要求。HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY自動控制理論自動控制理論第一章自動控制理論概述第一章自動控制理論概述二、對控制系統的基本要求穩定性、快速性

22、、準確性，即穩、快、準。穩定性、快速性、準確性，即穩、快、準。 p 穩定性穩定性穩定性能穩定性能。穩定性是指系統重新恢復平衡狀。穩定性是指系統重新恢復平衡狀態的能力，任何一個正常工作的系統首先必須是穩定的。態的能力，任何一個正常工作的系統首先必須是穩定的。p 快速性快速性暫態性能暫態性能。當系自輸入信號改變時，系統必。當系自輸入信號改變時，系統必然由原先的平衡狀態經過一段時間才過渡到另一個新的然由原先的平衡狀態經過一段時間才過渡到另一個新的平衡狀態，這個過程稱為過渡過程。過渡過程越短，表平衡狀態，這個過程稱為過渡過程。過渡過程越短，表明系統的快速性越好。明系統的快速性越好。p 準確性準確性穩態

23、性能穩態性能。對一個穩定的系統而言，當過渡。對一個穩定的系統而言，當過渡過程結束后，系統輸出量的實際值與期望值之差稱為穩過程結束后，系統輸出量的實際值與期望值之差稱為穩態誤差，它是衡量系統穩態精度的重要指標。態誤差，它是衡量系統穩態精度的重要指標。HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY自動控制理論自動控制理論 一個處于靜止或平衡工作狀態的系統，當受到任何輸入一個處于靜止或平衡工作狀態的系統，當受到任何輸入（給定信號或干擾）作用后，就可能偏離原有的平衡狀態。（給定信號或干擾）作用后，就可能偏離原有的平衡狀態。穩定是任何一個自動控穩定是任何一個自動控制系統能否實際應用的制系統

24、能否實際應用的必要條件。必要條件。 a 給出判斷系統穩定性給出判斷系統穩定性的基本方法的基本方法b 系統的穩定性與系統系統的穩定性與系統結構及參數間的關系結構及參數間的關系c 討論改善系統穩態性討論改善系統穩態性能的途徑能的途徑當作用消失后，系統中的當作用消失后，系統中的狀態和輸出都能恢復到原狀態和輸出都能恢復到原來的平衡狀態的系統稱為來的平衡狀態的系統稱為穩定的系統。穩定的系統。若作用消失后，系統中若作用消失后，系統中的的狀態和輸出狀態和輸出發生發生增幅增幅振蕩或單調增長振蕩或單調增長現象的現象的系統稱為系統稱為不穩定系統。不穩定系統。1. 穩定性能穩定性能 HARBIN INSTITUTE

25、 OF TECHNOLOGY自動控制理論自動控制理論第一章自動控制理論概述第一章自動控制理論概述 系統的輸入一定時，一般將由初始穩態向終止穩態過渡。系統的輸入一定時，一般將由初始穩態向終止穩態過渡。初始穩態與終止穩態之間的過渡過程稱為系統的初始穩態與終止穩態之間的過渡過程稱為系統的暫態響應過暫態響應過程程。 在控制系統穩定的前提下，在控制系統穩定的前提下，總是希望總是希望暫態過程時間暫態過程時間越短越越短越好，而且好，而且振蕩幅度（超調量）振蕩幅度（超調量）越小越好。越小越好。a 給出計算系統暫態性能指標的給出計算系統暫態性能指標的方法方法b 分析系統結構、參數與暫態特分析系統結構、參數與暫態

26、特性的關系性的關系c 討論改善系統暫態性能的途徑討論改善系統暫態性能的途徑2. 暫態性能暫態性能 HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY自動控制理論自動控制理論在參考輸入信號作用下，當系統暫態過程結束，輸出量達到穩態后，在參考輸入信號作用下，當系統暫態過程結束，輸出量達到穩態后，其穩態輸出與參考輸入所要求的期望輸出之差叫做其穩態輸出與參考輸入所要求的期望輸出之差叫做給定穩態誤差給定穩態誤差。顯然，。顯然，穩態誤差越小，表示系統的輸出跟隨參考輸入的精度越高。穩態誤差越小，表示系統的輸出跟隨參考輸入的精度越高。注意：注意：對于同一個系統體現對于同一個系統體現穩定性穩定性、暫態

27、性能暫態性能和和穩態性能穩態性能的的“穩、快、準穩、快、準”這三個要求是相互制約的。這三個要求是相互制約的。a a 給出計算系統給出計算系統穩態誤差穩態誤差的方法的方法b b 分析系統結構、參數與穩態特性分析系統結構、參數與穩態特性 的關系的關系c c 討論改善系統穩態誤差的途徑討論改善系統穩態誤差的途徑3. 穩態性能穩態性能 HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY自動控制理論自動控制理論控制系統設計過程HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY自動控制理論自動控制理論第一章自動控制理論概述第一章自動控制理論概述三、古典控制理論和現代控制理論 1877年

28、，勞斯年，勞斯(E. Routh)和和1895年赫爾維茨年赫爾維茨(A. Hurwith)分分別獨立地提出了關于判斷控制系統穩定性的代數判據。別獨立地提出了關于判斷控制系統穩定性的代數判據。 1932年奈奎斯特年奈奎斯特(H. Nyquist)在研究負反饋放大器時創立了在研究負反饋放大器時創立了有名的穩定性判據，并提出了穩定裕量的概念。有名的穩定性判據，并提出了穩定裕量的概念。 1945年伯德年伯德(H. W. Bode)提出了分析控制系統的另一種圖提出了分析控制系統的另一種圖解方法即頻率法。解方法即頻率法。 1948年伊萬斯年伊萬斯(W. K. Evans)又創立了根軌跡法。又創立了根軌跡法

29、。 美國美國MIT的的N. Wiener研究隨機過程的預測研究隨機過程的預測(1942)，提出，提出Wiener濾波理論濾波理論(1942)，發表，發表控制論控制論(Cybernetics)一一書書(1948)，標志著控制論學科的誕生。，標志著控制論學科的誕生。HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY自動控制理論自動控制理論第一章自動控制理論概述第一章自動控制理論概述 50年代中期，經典控制理論又添加了非線性系統理論和離年代中期，經典控制理論又添加了非線性系統理論和離散控制理論，從而形成了完整的理論體系。散控制理論，從而形成了完整的理論體系。 60年代初又形成了現代控制理論。年代初又形成了現代控制理論。 1956年龐特里亞金提出了極大值原理。年龐特里亞金提出了極大值原理。 1957年貝爾曼年貝爾曼(K. Bellman)提出了動態規劃。提出了動態規劃。 1961年卡爾曼年卡爾曼(