自動控制原理

AutomaticControlTheoryChapter1

Preface

緒論自動控制原理第1章緒論●自動控制的發展歷史●控制系統的基本概念●控制系統的分類●控制系統的響應模態與基本要求3自動控制的發展是一個很長的過程自動控制是人類在認識世界和發明創新的過程中發展起來的一門重要的科學技術。依靠它，人類可以從笨重，重復性的勞動中解放出來，從事更富創造性的工作。自動化技術是當代發展迅速，應用廣泛，最引人矚目的高技術之一，是推動新的技術革命和新的產業革命的關鍵技術。

自動化也即大范圍自動控制系統的應用，從而達到現代化。自動控制的發展歷史4自動控制原理I.前期控制(EarlyControl)（1400B.C.–1900）(0)中國，埃及和巴比倫出現自動計時漏壺(1400B.C.~1100B.C.)。孫武著《孫子兵法》(600B.C.)(1)秦昭王時，李冰主持修筑都江堰體現的系統觀念和實踐(300B.C.)西漢漏壺5自動控制原理(3)中國張衡發明水運渾象，研制出自動測量地震的候風地動儀(132年)(2)亞歷山大的希羅發明開閉廟門和分發圣水等自動裝置(100年)I.前期控制(EarlyControl)（1400B.C.–1900）6自動控制原理(4)中國馬鈞研制出用齒輪傳動的自動指示方向的指南車(235年)(5)中國北宋蘇頌制造的水運儀象臺(1086年)I.前期控制(EarlyControl)（1400B.C.–1900）7自動控制原理(6)英國J.Watt用離心式調速器控制蒸汽機的速度(1788年)(7)英國J.C.Maxwell發表“論調速器”(OnGovernors)論文(1868年)I.前期控制(EarlyControl)（1400B.C.–1900）8自動控制原理(8)英國E.J.Routh建立Routh判據(Routh-HurwitzStabilityCriteria)(1875年)(9)俄國A.M.Lyapunov博士論文“論運動穩定性的一般問題”(1892年)(10)英國J.M.Gray設計出第一艘全自動蒸汽輪船“東方”號(GreatEastern)(1866年)I.前期控制(EarlyControl)（1400B.C.–1900）9自動控制原理(11)由徐壽設計的中國第一艘蒸汽輪船“黃鵠”號(L20m,25T,10km/hr)在安慶內軍械所下水(1866)。次年，中國第一艘木質明輪蒸汽艦船“恬古”號在江南造船廠下水。操江號(62mx10m),392匹馬力，600T排水，備炮9門I.前期控制(EarlyControl)（1400B.C.–1900）10自動控制原理II.經典控制前期(ThePre-classicalPeriod)(1900-1935)(1)美國福特(FordMotor)汽車公司建成最早的汽車裝配流水線(1913)(2)美國N.Minorsky研制出用于船舶駕駛的伺服結構，提出PID控制方法(1922)(3)美國MIT的VannevarBush研制成第一臺大型模擬計算機(DifferentialAnalyzer)(1928)V.Bush11自動控制原理(4)美國H.S.Black提出放大器性能的負反饋方法(NegativeFeedbackAmplifier)

(1927)H.S.BlackII.經典控制前期(ThePre-classicalPeriod)(1900-1935)12自動控制原理(5)自動控制的基礎為閉環控制。控制論的奠基人N.Wiener給出的定義為：“Feedbackisamethodofcontrollingasystembyinsertingintoittheresultofitspastperformance”閉環控制系統的結構框圖：II.經典控制前期(ThePre-classicalPeriod)(1900-1935)13自動控制原理(6)美國E.Sperry以及C.Mason研制出火炮控制器(1925)，氣壓反饋控制器(1929)II.經典控制前期(ThePre-classicalPeriod)(1900-1935)14自動控制原理III.經典控制(ClassicalControl)

（1935-1950）(1)美國貝爾實驗室的H.Bode(1938)，以及Nyquist(1940)提出頻率響應法(2)美國Taylor儀器公司的J.G.Ziegler和N.B.Nichols提出PID參數的最佳調整法(1942)(3)美國MIT的N.Wiener研究隨機過程的預測(1942)，提出Wiener濾波理論(1942)，發表《控制論》(Cybernetics)一書(1948)，標志著控制論學科的誕生。N.B.NicholsN.WienerN.Wiener,shownherein1954withYukWingLee(left)andAmarG.Bose,discussinganaspectofstatisticalcommunicationtheory15自動控制原理(4)美國的H.Hazen發表“關于伺服結構理論”(TheoryofServome-chanism)

(1934)，并在MIT建立伺服機構實驗室(ServomechanismLaboratory)

(1939)H.HazenIII.經典控制(ClassicalControl)

（1935-1950）16自動控制原理(5)英國A.M.Turine提出圖靈計算機的設想(1937)(6)在貝爾實驗室Bode領導的火炮控制系統研究小組工作的C.Shannon提出繼電器邏輯自動化理論(1938)，隨后，發表專著《通信的數字理論》(TheMathematicalTheoryofCommunication)，奠定了信息論的基礎(1948)C.E.ShannonIII.經典控制(ClassicalControl)

（1935-1950）17自動控制原理(7)

MITRadiationLaboratory在研究SCR-584雷達控制系統的過程中，創立了NicholsChartDesignMethod，R.S.Philips的工作OnNoiseinServomechanisms，以及Hurwicz(1947)的數字控制系統(SampledDataSystem)(8)美國W.Evans提出根軌跡法(RootLocusMethod)(1948)，以單輸入線性系統為對象的經典控制研究工作完成。(9)多本有關經典控制的經典名著相繼出版，包括Ed.S.Smith的AutomaticControlEngineering(1942)，H.Bode的NetworkAnalysisandFeedbackAmplifier(1945)，L.A.MacColl的FundamentalTheoryofServomechanisms(1945)，以及錢學森的《工程控制論》(EngineeringCybernetics)(1954)LanJ.ChuIII.經典控制(ClassicalControl)

（1935-1950）18自動控制原理現代控制(ModernControl)

(1950-)二次世界大戰中火炮，雷達，飛機以及通訊系統的控制研究直接推動了經典控制的發展。五十年代后興起的現代控制起源于冷戰時期的軍備競賽，如導彈(發射，操縱，指導及跟蹤)，衛星，航天器和星球大戰，以及計算機技術的出現(英國科學家A.J.G.MacFarlane)。19自動控制原理(2)美國R.Bellman在RANDCoporation數學部的支持下，發表著名的DynamicProgramming，建立最優控制的基礎(1957)(3)國際自動控制聯合會(IFAC)成立(1957)，中國為發起國之一，第一屆學術會議于莫斯科召開(1960)(1)蘇聯L.S.Pontryagin發表“最優過程數學理論”，提出極大值原理(MaximumPrinciple)(1956)L.S.Pontryagin現代控制(ModernControl)

(1950-)20自動控制原理(4)美國MIT的ServomechanismLaboratory研制出第一臺數控機床(1952)現代控制(ModernControl)

(1950-)21自動控制原理(5)世界第一顆人造地球衛星(Sputnik)由蘇聯發射成功(1957)Sputnik1wasthefirstartificialsatellitelaunchedintospace

1957.Laika.Sputnik222自動控制原理Oct.4,1957:LaunchoftherocketcarryingSputnik,thefirstman-madesatellite.Photosofthelaunchwerenotinitiallyreleased.Thisphotoisastillfroma1967Sovietdocumentaryfilm.K.S.Pavlovitch(1906-1966),RussianspacecraftdesignerandheaderoftheVostokandVoskhodprojects.現代控制(ModernControl)

(1950-)23自動控制原理(6)美國GeorgeDevol研制出第一臺工業機器人樣機(1954)，兩年后，被稱為機器人之父的JosephEngelberger創立了第一家機器人公司，UnimationR.E.Kalman現代控制(ModernControl)

(1950-)24自動控制原理(7)美籍匈牙利人R.E.Kalman發表“OntheGeneralTheoryofControlSystems”等論文，引入狀態空間法分析系統，提出能控性，能觀測性，最佳調節器和kalman濾波等概念，奠定了現代控制理論的基礎(1960)(8)

蘇聯東方-１號飛船載著加加林進入人造地球衛星軌道，人類宇航時代開始了(1961)1961,attheageof27,Gagarinlefttheearth.ItwasAprilthe12th,9.07Moscowtime(launch-site,Baikonur).108minuteslater,hewasback.Theperiodoforbitalrevolutionwas89:34minutes(thisfigurewas"calculatedbyelectroniccomputers").Themissionsmaximumflightaltitudewas327000meters.Themaximumspeedreachedwas28260kilometersperhour.

宇宙哥倫布-加加林AstampissuedbyRussiatomemorizeY.GagarinCapsuleusedinfirstmannedorbitofearthIn1961,thefirsthumantopilotaspacecraft,YuriGagarin,waslaunchedbytheSovietUnionaboardVostokI.現代控制(ModernControl)

(1950-)25自動控制原理(9)

1963年,美國的LoftiZadeh與C.Desoer發表LinearSystems-AStateSpaceApproach。1965年，Zadeh提出模糊集合和模糊控制概念(10)美國的E.I.Jury

發表“數字控制系統”(Sampled-DataControlSystem)，建立了數字控制及數字信號處理的基礎(1958)

C.Desoer現代控制(ModernControl)

(1950-)26自動控制原理(11)蘇聯發射“月球”9號探測器，首次在月面軟著陸成功(1966)，三年后(1969)，美國“阿波羅”11號把宇航員N.A.Armstrong送上月球。N.A.Armstrong現代控制(ModernControl)

(1950-)27自動控制原理(12)瑞典KarlJ.Astrom提出最小二乘辯識，解決了線性定常系統參數估計問題和定階方法(1967)，六年后，提出了自啟調節器，建立自適應控制的基礎。Astrom于1993年獲得IEEEMedalofHonor。K.J.Astrom(13)

英國H.HRosenbrock

發表StateSpaceandMultivariableTheory(1970)。加拿大W.MWonham

發表LinearMultivariableControl:AGeometricApproach(1974)。W.MWonham現代控制(ModernControl)

(1950-)28自動控制原理(14)美國的M.E.Merchant提出計算機集成制造的概念(1969)現代控制(ModernControl)

(1950-)29自動控制原理(15)美國ARPA計算機網絡初步建成(1971)(16)日本Fanuc公司研制出由加工中心和工業機器人組成的柔性制造單元(1976)現代控制(ModernControl)

(1950-)30自動控制原理(17)美國R.Brockett提出用微分幾何研究非線性控制系統(1976)，意大利A.Isidori出版(NonlinearControlSystems)

(1985)。A.IsidoriR.Brockett現代控制(ModernControl)

(1950-)31自動控制原理(18)加拿大G.Zames提出H∞

魯棒控制設計方法(1981年)(19)美國“哥倫比亞”號航天飛機首次發射成功(1981年)GorgeZames現代控制(ModernControl)

(1950-)32自動控制原理(20)美國A.Bryson

和Y.CHo

發表AppliedOptimalControl(1969)。Y.CHo

和X.RCao等提出離散事件系統理論(1983)(21)中國批準863高技術計劃，包括自動化領域的計算機集成制造系統和智能機器人兩個主題(1986)A.BrysonYuC.HoP.Kokotovic現代控制(ModernControl)

(1950-)33自動控制原理(22)

IEEEControlSystemsAward獲得者。現代控制(ModernControl)

(1950-)34自動控制原理(23)第一臺火星探測器Sojourner在火星表面軟著陸(1996)(24)旅行者Voyager一號，二號開始走出太陽系，對茫茫太空進行探索現代控制(ModernControl)

(1950-)35自動控制原理36自動控制的發展和現狀以維納的《控制論》為標志，1948年正式形成。第一時期經典控制理論時期20世紀40年代末到50年代初第二時期現代控制理論時期20世紀60年代第三時期大系統理論、智能控制理論時期20世紀70始至今自動控制原理自動控制原理控制系統的發展自動控制理論是研究自動控制系統組成，進行系統分析設計的一般性理論，是研究自動控制過程共同規律的技術學科。它是一個方法論。

本課程在重點，經典控制理論主要研究單輸入單輸出線性定常系統的分析和設計問題。37該課程與其它課程的關系自動控制原理電機與拖動模擬電子技術線性代數微積分（含微分方程）復變函數、拉普拉斯變換電路理論大學物理（力學、熱力學）過程工程基礎電力電子技術各類控制系統課程38自動控制原理自動控制原理第1章緒論●自動控制的發展歷史●控制系統的基本概念●控制系統的分類●控制系統的響應模態與基本要求39自動控制原理為消除不確定的干擾的影響，借助于某些儀器設備等工具（控制裝置）使對象（被控對象）的一個或多個屬性（被控變量）滿足期望的運動變化要求的操作過程稱為控制，用人工操作稱為人工控制，不要人的干預完全借助儀器設備來完成的控制稱為自動控制。控制系統的基本概念右圖的被控對象：水池被控變量：水池的水位控制裝置：閥門干擾：閥門前后壓力變化、出水量的變化等40自動控制原理自動控制的定義：是指在沒有人直接參與的情況下，利用控制裝置（控制器），使機器、設備或生產過程（被控對象）的某一工作狀態或參數（被控量）自動按照預定的規律運行。自動控制系統：由被控對象(水池)和控制裝置(測量裝置-浮子；運算裝置-連桿杠桿；執行裝置-閥門)構成的實現控制功能的統一有機整體。控制系統的基本概念41自動控制原理控制系統的基本概念◆

被控對象：控制系統要進行控制的受控客體◆被控變量：被控制對象上需要實現其期望要的物理量常見的控制系統被控變量如冰箱溫度、電機的轉速、飛機姿態角、船的航跡、電網的電壓、生產過程中的壓力、流量、溫度、濕度等。◆控制裝置：代替人對生產設備和工藝過程施加控制作用的裝置。◆給定量：決定被控量的物理量稱為給定量或參考輸入。給定量表征被控量的期望值或受控對象的期望狀態。◆擾動量：妨礙給定量對被控量進行正常控制的所有因素稱為擾動量。如果擾動量產生在系統內部稱為內擾；擾動量產生在系統外部稱為外擾。給定量和擾動量都是自動控制系統的輸入量。42自動控制系統的工作原理

為什么自動控制是一個系統？各對象間是怎么相互作用制約的？系統：為了達到某一目的，由多個對象相互作用相互制約，組成的具有確定功能的有機整體。浮子的水位信息連桿杠桿的比例運算閥門開度變化進水流量變化水池水位變化控制系統的基本概念43自動控制原理自動控制原理系統中存在信息的傳遞。從被控對象輸出端獲得的信息通過中間環節（稱為反饋環節）再送回控制器的輸入端的過程，稱為反饋。控制系統的應用領域：冰箱、空調、洗衣機、電梯、汽車、電廠鍋爐、釀酒過程、航空航天等各種機器或生產過程控制以及軍事領域。控制系統的基本概念44方塊圖的基本元素：（1）：元件（2）：信號（物理量）及傳遞方向（3），：比較點（信號疊加）（4）：引出點（分支、信號強度）（5）+/-：符號的意義（正、負反饋）控制系統的基本概念45自動控制原理輸出量

環節名稱(或特性)輸入量(a)

(-)e=r-br(+)

(-)b(b)re=r-b

b或(c)c引出點cc控制系統的基本概念方框圖中的幾種表示法：系統的方框圖

46自動控制原理溫度計

加熱電阻絲調壓器u(a)原理圖~220V輸出量(手柄位置)輸入量

調壓器

加熱電阻絲

電爐

恒溫箱

受控對象(溫度)擾動量(b)方塊圖控制裝置基本控制方式擾動輸出量輸入量控制裝置受控對象開環控制系統的方框圖

閉環控制開環控制爐溫開環控制控制系統的基本概念47自動控制原理控制任務

爐溫保持恒定工作原理調壓器電壓→加熱電阻電流→加熱爐溫

特點：系統的輸出端與輸入端不存在反饋回路，輸出量對系統的控制作用不發生影響的系統。只有從輸入端到輸出端的信號前向通道，不存在由輸出端到輸入端的信號反饋通路。按給定值控制，無抗擾動能力，精度低。環節簡單，容易實現，穩定性好。

爐溫開環控制控制系統的基本概念48自動控制原理開環控制有兩種形式

１按給定值控制２按擾動補償

圖1.3兩種開環控制形式方框圖

控制系統的基本概念49自動控制原理+-+ugudoMiuin(a)原理圖R

放大

器

負載

給定信號ug被控量

擾動inui(b)方塊圖

電壓

放大

電阻

R

觸發器

晶闡管可控整流器

電動

機控制裝置與受控對象之間只有順向作用而無反向聯系。開環控制按擾動補償的前饋控制(開環)兩種開環控制50自動控制原理開環控制的應用

目前國民經濟各部門都廣泛應用開環控制系統，如自動售貨機、自動洗衣機、產品自動生產流水線及交通指揮的紅綠燈轉換等。控制系統的基本概念51自動控制原理閉環控制系統

開環控制系統難以保持被控變量滿足希望的要求，比如無論擾動大小都要使爐溫保持恒定，就需人工干預。閉環控制是在開環控制基礎上改進演變而來的

控制系統的基本概念52自動控制原理人工閉環爐溫控制

手動控制電加熱爐

控制系統的基本概念53自動控制原理人工干預過程１用眼觀察溫度計測量爐溫２大腦中比較實際與給定溫度３相應調整(增加或減小)電壓

手動控制電加熱爐方框圖

54自動控制原理人工閉環控制作用

人工的關鍵性作用是使系統的輸出量參與了系統的控制，形成了信號傳遞的閉環回路。系統一旦出現偏差，就調整控制量，從而保證了輸出量的恒定。人工控制系統也叫做人工反饋系統，或叫人工閉環控制系統。這兒如果用自動控制裝置來取代人工操作功能，就變成自動控制系統。控制系統的基本概念55自動控制原理前向通道反饋反饋通道負反饋正反饋反饋控制系統控制任務：電機轉速保持恒定閉環控制系統控制系統的基本概念56自動控制原理電機轉速閉環控制系統工作原理

控制結構

控制系統的基本概念57自動控制原理閉環控制系統特點系統的輸出端與輸入端存在反饋回路，輸出量對系統的控制作用發生影響的系統。存在從輸入端到輸出端的信號前向通道和從輸出端到輸入端的信號反饋通路，形成一個閉合的回路。按偏差控制，有抗擾動能力，精度高。結構復雜，穩定性降低，實現較困難。控制系統的基本概念58自動控制原理自動控制原理59閉環控制系統又稱反饋控制系統，是應用最廣泛的控制方式。負反饋——假設個環節輸入輸出正特性（同向變化），把輸出量送回輸入端，并與輸入信號相比較產生偏差信號的過程，稱為負反饋。閉環控制通常采用負反饋方式，并利用偏差進行決策控制的過程（利用偏差修正偏差）。由于引入了被控量的反饋信息，整個控制過程成為閉合的，信息傳遞構成了回路，稱為閉環。應當指出，反饋控制系統不限于工程范疇，在各種非工程范疇內，諸如社會學、經濟學和生物學中，也存在著反饋控制系統。閉環控制系統控制系統的基本概念如何判斷反饋還是前饋？反饋（有回路，測得的輸出影響輸入）前饋（無回路）信息傳遞存在回路。控制系統的基本概念60自動控制原理自動控制原理第1章緒論●自動控制的發展歷史●控制系統的基本概念●控制系統的分類●控制系統的響應模態與基本要求61

開環控制按控制方式閉環控制（反饋控制）復合控制控制系統的分類按信號結構特點分類62自動控制原理復合控制將開環控制方式和閉環控制方式組合在一起的控制方式

控制系統的分類63自動控制原理

各種系統組成結構控制系統的分類64自動控制原理自動控制原理按給定信號變化特點分類

恒值控制系統

輸入信號是一個恒定的數值。如：工業生產中的恒溫、恒壓等自動控制系統。

隨動系統

輸入信號是一個未知函數。要求控制系統的輸出量跟隨輸入信號變化。如：火炮自動跟蹤系統。

程序控制系統

輸入信號是一個已知的函數但不一定是恒定的。系統的控制過程按預定的程序進行，要求被控量能迅速準確地復現輸入，如化工中的壓力、溫度、流量控制。恒值控制系統可看成輸入等于常值的程序控制系統。

控制系統的分類65按控制系統元件特性分類：線性系統、非線性系統疊加性：當有幾個輸入信號同時作用于系統時，系統的總響應等于每個輸入信號單獨作用所產生響應之和（疊加）。控制系統的分類66自動控制原理續1均勻性：當輸入信號倍乘一常數時，則響應也倍乘同一常數。即，若r(t)→c(t)，則kr(t)→kc(t)。控制系統的分類67自動控制原理[舉例1]：設系統的輸入信號為r(t)，輸出信號為c(t)，試判斷c(t)=r(t)+5時，系統是否是線性系統？[解]：控制系統的分類68自動控制原理自動控制原理控制系統的輸入輸出滿足均勻和疊加性，就叫線性控制系統，否則叫非線性系統，但部分非線性系統可線性化，不能線性化的叫本質非線性。含有非線性環節的控制系統叫非線性控制系統。描述系統模型的線性微分方程的系數是不隨時間而變化的常數，則這種線性系統稱為線性定常系統若線性微分方程的系數是時間的函數，則這種線性系統稱為線性時變系統控制系統的分類69非線性(P17)70自動控制原理按控制信號形式分信號連續信號離散控制系統的分類71自動控制原理按系統內部傳輸信號的性質分為連續控制和離散控制系統。

控制系統中各部傳輸信號都是時間t的連續函數，則稱這類系統為連續控制系統計算機控制系統的方框圖

若在控制系統內部有一個或一個以上的信號是時間t的離散信號，則稱這類系統為離散控制系統。計算機控制系統是一種常見離散控制系統。控制系統的分類72自動控制原理輸入信號數量：單輸入單輸出系統多輸入多輸出系統系統參數分布特征：集中參數系統、分布參數系統元件類型：機電系統、氣動系統、液壓系統、生物系統等系統功用：溫度控制系統、壓力控制系統、位置控制系統等按控制理論方法：最優控制、自適應控制、模糊控制、預測控制等按其他參數分控制系統的分類73自動控制原理自動控制系統分類的補充說明嚴格地講，任何實際系統都是非線性的嚴格地講，任何系統都是時變的嚴格地講，任何系統都是隨機的控制系統的分類74自動控制原理自動控制原理第1章緒論●自動控制的發展歷史●控制系統的基本概念●控制系統的分類●控制系統的響應模態