自動控制原理

宋崎航空航天工程學部課程介紹教師：宋崎聯系電話：辦公室：機械館209學時：40學時【4學時實驗】考試形式：期末試卷成績占總成績的80%，考勤及作業占10%，實驗占10%自動控制理論第1章自動控制的基本概念第2章控制系統的數學描述第3章線性系統的時域分析與校正第4章根軌跡法第5章線性系統的頻域分析與校正第6章線性離散系統的分析與校正第1章自動控制的基本概念

1.1引言

1.2自動控制理論發展概述

1.3自動控制系統的基本原理

1.4自動控制系統的分類

1.5對控制系統性能的基本要求1.1引言人工控制的缺點：速度慢精度低效率差不適應惡劣的環境什么是自動控制？自動控制：在無人直接參加的情況下，利用控制裝置使被控對象和過程自動地按預定規律變化的控制過程。自動控制系統：是以實現控制目的為目標，由相互制約的各裝置按一定規律組成具有特定功能的整體。第一階段:經典(自動)控制理論

經典控制理論即古典控制理論,也稱為自動控制理論。主要研究對象:對單輸入單輸出線性定常系統的分析和設計問題。它的發展大致經歷了以下幾個過程：一萌芽階段如果要追朔自動控制技術的發展歷史,早在兩千年前中國就有了自動控制技術的萌芽。1.2自動控制理論發展概述公元235年馬鈞研制出能自動指示方向的指南車

指南車，又稱司南車，是中國古代用來指示方向的一種機械裝置。它利用差速齒輪原理，它與指南針利用地磁效應不同，它是利用齒輪傳動系統，根據車輪的轉動，由車上木人指示方向。不論車子轉向何方，木人的手始終指向南方，“車雖回運而手常指南”。最先辜使用顧反饋呢控制紋裝置凱特積斯比乒斯(K丸it藥es丘ib翠bi療os標)，希核臘人,公元俊前30弓0年使舒用的傘浮子綱調節眾器。炭以保倚持油茂面高嬌度穩爐定。控制器閥門流入Q1浮子水箱流出Q2H二構起步斤階段

隨著科學技術與工業生產的發展，到十八世紀，自動控制技術逐漸應用到現代工業中。其中最卓越的代表是瓦特（J.Watt）發明的蒸汽機離心調速器，加速了第一次工業革命的步伐。瓦特17課88年英燃國Wa扛tt發明翻的控怨制蒸慘汽機脈速度董的離付心式康調速鏈器。鴿隨著漏蒸汽鎮機角爹速度摩的增境大，置離心漲力推冰動小延球向璃上，攻蒸汽翅閥門旅關小回。隨針著蒸陵汽閥釋門關蔬小，誤從鍋甚爐進勢入引狹擎的覺蒸汽終減少要，蒸陪汽機幫的角薦速度拒減小少。反灰之，輝隨著壯蒸汽糊機角飄速度挎的下哲降，悶小球達向下來，蒸純汽閥鳥門開衣大，揚進入叛發動柏機的叔蒸汽嶺量增俗加，滑角速暴度增軌加。字通過忠這種炊方式駛，調建節發孫動機勝轉速步。三疼發展窄階段1.1868年麥克斯韋爾（J.C.Maxwell）解決了蒸汽機調速系統中出現的劇烈振蕩的不穩定問題，提出了簡單的穩定性代數判據。麥克斯韋爾（J.C.Maxwell）1895年勞斯（Routh）與赫爾維茨（Hurwitz）把麥克斯韋爾的思想擴展到高階微分方程描述的更復雜的系統中,各自提出了兩個著名的穩定性判據—勞斯判據和赫爾維茨判據。基本上滿足了二十世紀初期控制工程師的需要。赫爾維茨（Hurwitz）3.由于第二次世界大戰需要控制系統具有準確跟蹤與補償能力，1932年奈奎斯特（H.Nyquist）提出了頻域內研究系統的頻率響應法，為具有高質量的動態品質和靜態準確度的軍用控制系統提供了所需的分析工具。

奈奎斯特4.祖19萬48年伊遞萬斯炎（）制提出亦了復付數域臘內研竭究系罰統的祖根軌伴跡法背。建立桌在奈叮奎斯賊特的悉頻率偷響應飄法和疏伊萬斃斯的倒根軌輕跡法設基礎墊上的愉理論堅，稱發為經脅典（乓古典鴉）控猶制理衡論（竊或自險動控封制理摩論）巨。四誘標志煤階段

1.1947年控制論的奠基人美國數學家維納（N.Weiner）把控制論引起的自動化同第二次產業革命聯系起來，并與1948年出版了《控制論—關于在動物和機器中控制與通訊的科學》，書中論述了控制理論的一般方法，推廣了反饋的概念，為控制理論這門學科奠定了基礎。控制論之父——維納2.我國泄著名資科學囑家錢學袍森將控朽制理掩論應沸用于凈工程碌實踐紀，并焰與19息54年出餡版了《工程搜控制密論》。錢學森從四先十年默代到左五十抽年代吧末，涌經典蘇控制蒼理論懶的發洞展與悉應用刺使整縮慧個世展界的邪科學動水平寶出現足了巨膽大的突飛躍柴，幾磨乎在活工業家、農更業、爐交通喝運輸墳及國圈防建忘設的乞各個陶領域長都廣刺泛采滿用了竿自動候化控魔制技我術。可以務說工烏業革欲命和火戰爭壇促使境了經泊典控橫制理耽論的旅發展酒。第二蟻階段昌現代看控制纖理論科學晉技術垃的發肉展不奴僅需婦要迅交速地臟發展墨控制邪理論鄭，而錯且也死給現漠代控爭制理戀論的墨發展肅準備沫了兩防個重視要的偉條件—現代壟數學當和數負字計赴算機書。現代苦數學欠，例蘋如泛柏函分猾析、斯現代且代數喇等，偵為現偽代控攪制理爆論提棚供了魯多種烘多樣闖的分著析工圍具；棟而數額字計騙算機原為現抄代控佛制理得論發嫌展提拔供了疊應用怨的平鞠臺。在二抗十世殺紀五斗十年塑代末雄開始霞，隨華著計牽算機兩的飛貫速發罵展，卵推動印了核忘能技臥術、是空間負技術輛的發偽展，羅從而婦對出殊現的撤多輸橫入多艱輸出形系統策、非法線性望系統芳和時耽變系化統。主要度研究宿對象:多輸職入、旁多輸葵出、廚時變典參數睛、高拼精度映復雜肆系統祝的分套析和散設計策問題尚。1.五十隙年代蔑后期濫，貝爾匙曼（Be情ll貼ma磁n）等人甚提出蹈了狀柱態分桑析法踏；在19兆57年提出促了動榨態規閥劃。1.1959年卡爾曼（Kalman）和布西創建了卡爾曼濾波理論；1960年在控制系統的研究中成功地應用了狀態空間法，并提出了可控性和可觀測性的新概念。卡爾曼3.羅森究布洛畜克（未）、攪歐文女斯（捎）和悼麥克杰法輪扇（）抱研究歐了使決用于題計算慢機輔蓋助控廳制系邪統設刪計的憤現代抵頻域慕法理來論，央將經飽典控抹制理失論傳股遞函食數的衛概念爬推廣皮到多外變量牧系統枕，并殼探討填了傳塌遞函梁數矩怖陣與嶺狀態帶方程絡之間括的等直價轉細換關叢系，耐為進味一步勝建立櫻統一妥的線應性系交統理銹論奠梁定了為基礎2.利1歷96孩1年龐臟特里董亞金蜜（俄揉國人盲）提征出了判極小更（大宗）值折原理射。龐特里亞金L.S.Pontryagin4.肚20世紀70年代餃奧斯分特隆級姆（腸瑞典晚）和協朗道賓（法籌國，鍬）在模自適暴應控現制理叔論和矩應用棟方面憑作出智了貢具獻。與此速同時阻，關應于系蔑統辨輪識、鑄最優劈燕控制汪、離駱散時耀間系笑統和寺自適艙應控頭制的污發展差大大毅豐富鑒了現織代控技制理斜論的渾內容陷。

朗道L.D.Landau第三文階段胸大鉤系統網和智久能控晴制理駝論階漠段20世紀70年代照末，誘控制敬理論衡向著“大系話統理才論”和“智能益控制禾理論”的方衣向發望展。大系謀統理紙論：用控靈制和視信息竄的觀查點，鞠研究學各種桿大系喇統的冒結構氧方案涌、總榆體設眉計中斷的分映解方顧法和那協調椅等問專題的跡技術刷基礎小理論舍。復雜大系統控制智能災控制毛理論解：研究揭與模消擬人改類智鋒能活們動及屋其控蛛制與愿信息值傳遞怒過程剪的規腹律，憤研制斗具有態某些哄擬人訊智能爺的工甚程控知制與段信息語處理仆系統回的理頌論。洗衣機智能模糊控制機器人神經網絡控制回顧摟控制弄理論都的發閉展歷蟻程可礦以看敞出，級它的緣瑞發展嶼過程去反映襲了人大類由秤機械竟化時眠代進咬入電架氣化攜時代故，并裝走向廉自動虧化、帝信息遲化、讓智能骨化時熄代。哈勃饒望遠完鏡－匙特殊故地衛離星中巴征資源倒衛星人造誦地球華衛星麗控鼻制其充準確縮慧地進資入預烘定軌束道運田行并法回收4.自動饞控制席系統陰（應陵用舉蜜例）無人董駕駛螺飛機鑰按預蘇定軌漁跡飛負行制導甘導彈現代事的高油新技茫術讓皇導彈篇長上云了“眼睛”和“大腦”，利淚用負箏反饋嶄控制邊原理巧去緊肯緊盯怕住目稿標我國比研制場的地雖空導經彈機器孩人足舍球比遍賽月球央車采用預高敏管感度女照相語機檢紡測半捐導體業晶片示的三煮軸控吧制系棍統激光籌眼科營手術系統1.膏3自動刻控制鈴的基總本原概理自動添控制樹的例綠子當實督際水擠位低于要求趕水位須時，蛛電位亞器輸雄出電析壓值為正，且拆其大屈小反震映了脆實際庸水位唯與水震位要求值的塵差值波，放斬大器閉輸出潔信號借將有萌正的朗變化罰，電幼動機關帶動爬減速旬器使仿進水眠閥門開度拌增加，直麥到實交際水鞋位重禿新與根水位忍要求橡值相仁等時蘇為止爆。36被控衣對象莖：又稱區控制濃對象藝或受姥控對匆象，苦指需賽要對芹它的蠻某個缸特定測的量囑進行堆控制狼的設絹備或晨過程伐。（饞水箱贊）測量雪元件：它把獨被控推對象換的被旨控量披檢測村出來肚（浮襯子）比較植元件：它把膀測量者信號斜與給私定信英號比章較，笛得到古偏差職（比旦較電騙路）計算農元件：可以睜進行蜓復雜蓮運算意，決懼定系灘統性粗能的檔好壞放大杠元件：經過建計算主處理畏的信涂號通吳常是箱弱信欠號，血不能南驅動收被控助制對瘋象，始由它誕進行輕放大愈（放笑大器建）執行健元件：它推利動被火控對吐象的唉被控醒量發暫生變主化斧（電阻動機+閥門拍）一個逃典型聚自動涉控制邪系統削的基饑本組暈成輸入書信號：也脆叫參拐考輸缸入，騰給定攏量或保給定溫值，站它是勉控制寨著輸茅出量險變化延規律攔的指健令信預號。輸出湖信號：是城指被族控對量象中煙要求陰按一國定規沉律變庸化的譜物理智量，窯又稱編被控資量，曠它與歌輸入樹量之策間保櫻持一蘭定的霞函數辰關系里。反饋新信號：由便系統(或元趨件)輸出碑端取影出并轟反向基送回般系統(或元濫件)輸入賊端的池信號蒸稱為貿反饋抓信號恥。反騰饋有主反換饋和局部秤反饋之分掩。名詞完術語偏差掩信號：它南是指酷參考決輸入禿與主悔反饋委信號晌之差語。誤差騎信號：指賀系統頭輸出辨量的扇實際便值與內期望復值之尸差，畫簡稱病誤差壺。擾動數信號：簡脾稱擾研動或叢干擾粉、它割與控旱制作鋪用相岡反，莖是一到種不消希望氣的、棉影響搶系統喬輸出松的不曉利因峰素。靜擾動霞信號賭既可勁來自視系統謎內部糞，又壇可來倦自系慮統外借部，啄前者曠稱內部擱擾動，后稍者稱外部孟擾動。名詞腳術語391.施4自動波控制謙系統恭的分鳥類1.足4.積1按信就號傳掀遞路安徑分未類(1踢)按給陵定值后操作李的開氣環控逮制系返統(2抄)按干割擾補屯償的害開環雙控制遷系統40(3覽)按偏冷差調賣節的材閉環揮控制凝系統(4蠟)復合鮮控制在系統1.眨4.戒2按輸抵入信宗號的失特征見分類恒值滴控制脖系統柱（又掘稱自拴動調符節系亦統）輸出充量以峰一定唇的精峽度等蛾于給許定值資，而受給定據值一脂般不輪變化泥或變筍化很魔緩慢寺，擾謎動可雜隨時驗變化散的系地統稱奪為恒粱值系慌統，巨在生攤產過關程中擱，這樂類系凍統非疑常多聲。例腸如，則冶金故部門躁的恒鑰溫系收統，伯石油竟部門廊的恒定壓系姐統等易。主滾要強父調抗擾零性。隨動切系統盼（又望稱伺帶服系率統）輸入馬信號烈是預勾先不牙知道音的隨溪時間糠任意愈變化予的函僅數，誼控制沃系統放能使真輸出則信號屠以任跡意高弟的精搞度跟討隨給蟻定值孤的變奏化笨。主愚要強躬調跟隨松性。系統酷的參筐據量柳時按給預定防規律鈔隨時幫間變并化的桿函數蹈，要累求被戶控量鍬迅速薪、準此確地壺加以共復現票。程賢序控身制系勤統和左隨動叨系統施的參詠據量縱都是陸時間湯函數饞，不嫩過前俊者是租已知炕的時窄間函肆數，叮后者悼是未中知的黎任意緞時間停函數笨，而恒丈值控腎制系策統也曾可視龍為程袖序控哄制系鳴統的些特例廊。程序葉控制壺系統自動起控制獅原理43(1停)線性li久ne抬ar系統線性融系統退中各淺元件匯的靜特敢性為直線。線性殼系統續有兩由個重坐要特厘性——疊加溫性和貌齊次緊性1)疊加恥性：如果向用c1(t)表示擴由r1(t)產生騎的輸心出，你用c2(t)表示插由r2(t)產生蜘的輸菜出，散則當r1(t)和r2(t)同時走作用億時，輸出尤量為c1(t)鍛+c2(t)。2)齊次例性：如磨果用c(t)表示窯由r(t)產生彼的輸歇出量怪，則尾在Kr(t)作用下的輸出養量為Kc(t)。1.俗4.紗3按系俊統數學珍模型分類自動梯控制狠原理44(2淚)非線皆性no垃n-葉li物ne凡ar系統系統拌中只要孫某一污部件硬具有旁非線控性特宜性就是非線累性系燙統。非線壘性系跟統的潔特點登是不滿記足疊什加原規理。圖搬中分蓄別為繼電丸器、金死區罷、飽肯和、墓間隙膊特性，還掏有大仔量的專其它猶非線觸性特礦性。(a左)桃(碌b)近(c拼)刑(長d盤)45(1杯)連續嶄時間價系統惜：控成制系盆統中阿各環押節的動輸入釀量和獄輸出敞量均滑為時拳間t的連頂續函寇數(2姜)離散允時間英系統鎮：系呀統中謀只要抽一處酸信號滲是脈鹿沖序丟列或表數字超編碼1.喂4.爐4按時遺間變捎量特苗性分襯類46(1帶)定常奴系統系統沖參數虛在系這統運海行過蒸程中收相對彈于時屈間是悄不變芝的(2垮)時變首系統系統渾參數載是時宅間t的函抗數1.震4.摔5按系踢統參課數特宵性分德類47(1斤)單輸窩入單頂輸出除系統(2久)多輸汽入多帽輸出拾系統1.忙4.帥6揮按輸滅入輸閃出信熔號的獨數目年分類動態談過程抬：通耀常將劍系統妨受到續給定信值或宵干擾老信號爹作用悶后，橡控制叼被控漲量變到化的揉全過酒程稱份為系乒統的碌動態捎過程像。工程蟲上常鍋從穩朝、快乞、準請三個愁方面搬來評繼價控惜制系杠統。穩：冠指動雜態過從程的槐平穩泰性。快：晚指動蹄態過豎程的籍快速他性。準：畏指動蘇態過俊程的逝最終奪精度治。1.別5對控倚制系拔統性駐能的艘基本栽要求49當系擋統受貧到干墊擾后瘦，系潑統的抬輸出c(t)可能機出現瀉增幅雹振蕩師或單芹調增敗長現憶象，襯這種往現象飾稱為不穩延定現象旁，這望樣的雙系統郊稱為撥不穩家定系縱統。才