自動控制原理教材：現代控制系統謝紅衛1精選ppt自動控制原理教材：現代控制系統謝紅衛1精選ppt對于我們每個人來說，最重要和最有成效的學習方法是，重新發現和創新前人已有的答案和方法。教學的最佳境界則是，向學生提供方法、技能、案例和機會，由學生自己去尋求答案。這樣，他們就可以自豪地說，他們所學到的知識都是自己所發現的。2精選ppt對于我們每個人來說，最重要和最有成效的第一講：控制系統導論

（2-3學時）１、控制系統導論２、課程及教學安排３、控制歷史回顧與啟示3精選ppt第一講：控制系統導論

（2-3學時）１、控制系統導論3精選導論----控制系統概要

控制系統是能夠提供預期響應的系統。通俗地說，控制就是使被控對象按照我們預定的方式工作。人類的支配欲無限，因此，被控對象有多種多樣，如，

●工程技術對象，簡單如家電，復雜如工業自動化、精確制導、航天等

●社會系統和經濟系統

●生態系統和生物系統被控對象輸入輸出圖1.１被控對象4精選ppt導論----控制系統概要控制系統是能夠

5精選ppt5精選ppt控制：通俗地說，控制就是使被控對象按照我們預定的方式工作6精選ppt控制：通俗地說，控制就是使被控對象按照我們預定的方式工作6精7精選ppt7精選ppt被控對象:有什么共同的特點？動導論----控制系統概要8精選ppt被控對象:有什么共同的特點？動導論----控制系統概要8精選被控對象:數學上怎么來描述？被控對象位置速度加速度微分描述變化：導論----控制系統概要9精選ppt被控對象:數學上怎么來描述？被控位置速度被控對象的基本描述：微分方程被控對象輸出y(t)輸入r(t)導論----控制系統概要10精選ppt被控對象的基本描述：微分方程被控輸出y(t)輸入r(t)導論求解微分方程，是整個控制理論的數學基礎（1）（2）（3）勻速運動勻加速運動一般運動導論----控制系統概要11精選ppt求解微分方程，是整個控制理論的數學基礎勻速運動勻加速運動一般導論----控制系統概要變化的被控對象多種多樣，這導致了控制理論應用的廣泛性，甚至出現了具有哲學意義的控制論。例如：錢老提倡的新三論（控制論、系統論、信息論）管理中體現的控制論原理，等等

結論：學習本課程益處多多!12精選ppt導論----控制系統概要變化的被控對象導論----控制系統概要

但是！

只有恰當地實施了控制，才能得到預期的響應。這是控制系統的核心和難點，也是本課程的主要內容。13精選ppt導論----控制系統概要13精選ppt導論----控制系統基本概念被控對象（部件或系統）：具有因果關系的物理過程（或工程對象），是指要求實現自動控制的機器、設備或生產過程，如宇宙飛船，火炮操瞄裝置、飛機駕駛系統以及工業生產的某種過程等。自動控制：沒有人直接參與的情況下，利用控制裝置使被控對象的某一物理量（被控量）自動地按照預定的規律運行。14精選ppt導論----控制系統基本概念被控對象（部件或系統）：具有因果導論----控制系統基本概念控制裝置：常被歸納成執行機構、觀測器等。反饋：把輸出量送回到輸入端并與輸入信號比較的過程。分為負反饋和正反饋。控制系統：為了達到預期的目標（響應）而設計出來的系統，它由相互關聯的部件組合而成，主要由控制裝置和被控對象組成。15精選ppt導論----控制系統基本概念控制裝置：常被歸納成執行機構、觀導論----開環控制與閉環控制

控制方式（結構）粗略地可以分為兩種：開環控制和閉環控制

執行被控對象預期輸出實際輸出圖1.２開環控制系統（無反饋）信號的單向傳遞16精選ppt導論----開環控制與閉環控制圖1.3電風扇的控制電機（執行機構）風扇葉片

（控制對象）開關或程序控制器例1：開環控制系統控制電壓導論----開環控制與閉環控制17精選ppt圖1.3電風扇的控制電機風扇葉片

（控制對象）開關或程序控導論----開環控制與閉環控制控制目的：提高爐溫受控對象（物理實體）：爐子受控量（輸出物理量）：爐溫控制裝置：開關K和電熱絲，對受控量起控制作用。圖1.4加熱爐的開環控制例2：開環控制系統

18精選ppt導論----開環控制與閉環控制控制目的：提高爐溫圖1.4加導論----開環控制與閉環控制圖1.5閉環(反饋)控制結構框圖信號雙向傳遞計算比較執行被控對象測量干擾預期輸出響應r(t)+輸入變量-誤差e(t)控制量u(t)實際輸出y(t)輸出變量被測變量測量值

反饋是控制的精髓19精選ppt導論----開環控制與閉環控制圖1.5閉環(反饋)控制結構導論----開環控制與閉環控制計算比較執行被控對象測量測量干擾給定值被控量圖1.6自動控制系統的典型結構框圖20精選ppt導論----開環控制與閉環控制計算比較執行被控對象測量測量干導論----開環控制與閉環控制

反饋是控制的精髓。運用反饋的例子也是比比皆是。例3：調節容器內液面位置的人工閉環控制系統圖1.7液位控制示意圖21精選ppt導論----開環控制與閉環控制反饋是控制的精分析決策腦執行工作對象手觀察觀察干擾或激勵眼預期目標實際結果眼液體的流入和流出液位圖1.8液位控制人工職能圖22精選ppt分析決策腦執行工作對象手觀察觀察干擾或激勵眼預期目標實際結果導論----開環控制與閉環控制例4：汽車方向控制系統

圖1.9汽車方向控制系統23精選ppt導論----開環控制與閉環控制例4：汽車方向控制系統圖1.圖1.10汽車方向控制人工職能圖駕車人汽車預期行駛路線實際行駛路線比較器視覺測量+-偏差方向盤24精選ppt圖1.10汽車方向控制人工職能圖駕車人汽車預期行駛路線實際導論----開環控制與閉環控制圖1.11

開環向閉環控制轉換的例子25精選ppt導論----開環控制與閉環控制圖1.11開環向閉環控制轉換導論----開環控制與閉環控制

反饋是現代控制的精髓，還例如：火炮隨動系統領導實施管理央行調整利息“沒有調查就沒有發言權”，等等都體現了反饋的理念！

26精選ppt導論----開環控制與閉環控制反饋是現代控制的精髓，還正反饋的例子例5：已知鈾235原子核在一個中子的撞擊下，可發生核裂變反應，放出大量的能量，同時釋放大約2.5個中子，放出的中子有可能再與鈾235原子核發生核反應，這就是所謂核裂變的鏈式反應。導論----開環控制與閉環控制U235初始中子數中子數2.5n++中子數n能量有效中子率圖1.12正反饋的實例27精選ppt正反饋的例子例5：已知鈾235原子核在一個中子的撞擊導論----開環控制與閉環控制開環和閉環控制系統的特點開環系統：結構簡單，穩定性好，容易設計和調整以及成本較低的優點，對那些負載恒定，擾動小，控制精度要求不高的實際系統，是有效的控制方式。閉環系統：由于增加了檢測裝置和反饋環節，結構較復雜，成本有所增加；但它提高了系統的控制精度和抗干擾能力；同時，負反饋會對系統穩定性產生不利影響。28精選ppt導論----開環控制與閉環控制開環和閉環控制系統的導論----反饋控制系統的分類按參考輸入形式分為：

恒值系統：指參考輸入量保持常值的系統。其任務是消除或減少擾動信號對系統輸出的影響，使被控量（即系統的輸出量）保持在給定或希望的數值上。

隨動系統：指參考輸入量隨時間任意變化的系統。其任務是要求輸出量以一定的精度和速度跟蹤參考輸入量，跟蹤的速度和精度是隨動系統的兩項主要性能指標。29精選ppt導論----反饋控制系統的分類按參考按照系統的元件特性分為:線性系統：構成系統的所有元件都是線性元件的系統。其動態性能可用線性微分方程描述，系統滿足齊次性和疊加原理。非線性系統：構成系統的元件中含有非線性元件的系統,只能用非線性微分方程描述，不滿足疊加原理。可以進行線性化處理的系統或元件特性又稱為非本質非線性特性。反之，稱之為本質非線性，它只能用非線性理論分析研究。導論----反饋控制系統的分類30精選ppt按照系統的元件特性分為:導論----反饋控制系統的分類30精按照系統內信號的形式分為連續系統:

系統內各處的信號都是以連續的模擬量傳遞的系統。離散系統:

系統內某處或數處信號是以脈沖序列或數碼形式傳遞的系統。其脈沖序列可由脈沖信號發生器或振蕩器產生，也可用采樣開關將連續信號變成脈沖序列，這類控制系統又稱為采樣控制系統或脈沖控制系統。而用數字計算機或數字控制器控制的系統又稱為數字控制系統或計算機控制系統。導論----反饋控制系統的分類31精選ppt按照系統內信號的形式分為導論----反饋控制系統的分類31精導論----控制系統性能的基本要求穩定性系統在受到擾動作用后,自動返回原來的平衡狀態的能力。如果系統受到擾動作用（系統內或系統外）后，能自動返回到原來的平衡狀態，則該系統是穩定的。穩定系統的數學特征是其輸出量具有非發散性；反之，系統是不穩定系統。穩定性是保證系統能正常工作的必要條件，衡量指標有穩定裕度等。32精選ppt導論----控制系統性能的基本要求穩定性32精選ppt圖1.13穩定性示意圖33精選ppt圖1.13穩定性示意圖33精選ppt快速性：要求自動控制系統的過渡過程盡量短暫，輸出盡快平穩地跟蹤上輸入的變化。通常在時域中給出瞬態響應指標來衡量快速性。常用單位階躍信號作用下，系統輸出的超調量，上升時間，峰值時間，過渡過程時間（或調整時間）和振蕩次數N等指標表示。導論-----控制系統性能的基本要求34精選ppt快速性：要求自動控制系統的過渡過程盡量短暫，輸出盡快平穩地跟

準確性：當過渡過程結束后，要求輸出量最終應準確地達到希望值，否則將產生穩態誤差。準確性指標有穩態誤差和穩態誤差系數，指穩定系統在完成過渡過程后的穩態輸出偏離希望值的程度。

導論----控制系統性能的基本要求

35精選ppt導論----控制系統性能的基本要求35精選ppt圖1.14

穩定系統的典型單位階躍響應曲線36精選ppt圖1.14穩定系統的典型單位階躍響應曲線36精選ppt課程及教學安排簡介----目標

知道控制的概念，易！實施恰當的控制，難！復雜對象的控制，非不欲也，乃無能也！因此，本課程采用有限目標、解剖麻雀的策略。

收縮對象→經典控制！課程目標：以簡單的線性時不變系統為對象，學習控制系統的分析、設計與實現，切身體會實施控制的全過程，牢固建立反饋控制的理念，培養實施控制的能力。37精選ppt課程及教學安排簡介----目標知道控制的概念，易課程及教學安排----目標經典控制理論的基本特點

（1）主要用于線性定常系統的研究，即用于常系數線性微分方程描述的系統的分析與綜合；（2）只用于單輸入，單輸出的反饋控制系統；（3）主要討論系統輸入與輸出之間的關系，而忽視系統的內部狀態，是一種對系統的外部描述方法。

應該指出的是，反饋控制是一種最基本最重要的控制方式。從某種意義上講，經典控制理論是伴隨著反饋控制技術的產生和發展而逐漸完善和成熟起來的。38精選ppt課程及教學安排----目標經典控制理論的基本特點38精選pp實施控制的全過程：設計差異，反復改進．描述對象分析對象設計控制修改設計圖1.15實施控制的全過程系統測評課程及教學安排----目標39精選ppt實施控制的全過程：描述對象分析對象設計控制修改設計若性能滿足規范要求，則設計工作結束

建立控制目標步驟1確定控制變量

步驟2給定各變量的控制要求（設計目標）

步驟3確定系統結構選擇執行機構

步驟4建立對象執行機構傳感器模型步驟5

建立控制模型選擇待調參數步驟6

優化系統設計分析系統性能

步驟7若性能不能滿足要求，則重新確定系統結構和執行機構圖1.16控制系統設計過程課程及教學安排----目標40精選ppt若性能滿足規范要求，則設計工作結束建立控制目標步驟1確定控課程及教學安排----講授時間安排第一章自動控制導論（2）第二章控制系統的數學模型（8）第三章控制系統的時域穩定性（4）第四章時間響應分析（9）第五章根軌跡法（4）第六章頻率響應分析（5）第七章控制系統的頻率域穩定性（4）第八章反饋控制系統設計（10）實驗Matlab輔導、測驗等（4）41精選ppt課程及教學安排----講授時間安排第一章自動控制導論（2課程及教學安排----學習建議

廣泛閱讀參考書，深刻理解理論體系

１、吳麒主編“自動控制原理”，清華大學出版社。２、胡壽松主編“自動控制原理”，國防工業出版社。３、Ｋ.Ogata.“ModernControlEngineering”,科學出版社影印版。或緒方勝彥著，盧伯英譯，“現代控制工程”，科學出版社。４、樓順天等，“基于Matlab的系統分析與設計－－控制系統”，西安電子科技大學出版社．

42精選ppt課程及教學安排----學習建議廣泛閱讀參考書，深刻課程及教學安排----學習建議利用網絡資源

１、軍網機電工程與自動化學院主頁推薦站點：“自動控制原理”網上教學。２、學研論壇－自動控制。３、各個大學重點課程建設教學資料。43精選ppt課程及教學安排----學習建議利用網絡資源43精選ppt課程及教學安排—學習建議完成大量練習，積極討論問題；學完每章要善于總結知識點，演繹歸納并重；重視實驗體驗（Mtalab實現）。44精選ppt課程及教學安排—學習建議44精選ppt課程及教學安排----考核方式作業（20%）+閉卷考試（80%）45精選ppt課程及教學安排----考核方式作業（20%）45精選ppt課程及教學安排----后續課程展望復雜對象的控制，非不欲也，乃無能也！僅在工程控制領域，今后還有：數字控制－－手段更新自適應控制－－時變對象非線性控制－－非線性對象智能控制－－環境適應等等46精選ppt課程及教學安排----后續課程展望復雜對象的控制，非不欲課程及教學安排----后續課程展望信號與系統自動控制原理數字信號處理檢測與傳感器技術現代控制理論基礎計算機（數字）控制技術自適應控制非線性控制作用：橋梁，專業基礎課智能控制47精選ppt課程及教學安排----后續課程展望信號與系統自動控制原理數字自動控制簡史漫談與啟示1788年前后，瓦特發明了蒸汽機的離心調速器。科學技術發明的基礎，是前人知識（風力磨坊）的積累與運用。

圖1.17離心調速器48精選ppt自動控制簡史漫談與啟示1788年前后，瓦圖1.17離心

進汽閥門，連桿機構設定轉速Vd實際轉速比較器Metalsphere轉速測量蒸汽室+-蒸汽機飛球調節閥自動控制簡史漫談與啟示圖1.18離心調速器框圖49精選ppt進汽閥門，連桿機構設定轉速Vd實際轉速比較器轉速測量蒸汽室自動控制簡史漫談與啟示早期的載波電話失真嚴重，解決放大器的非線性累積和無序振蕩，成為電話遠程傳輸的關鍵。1927年8月，貝爾實驗室的布萊克在輪渡上的靈光一現，催生了最實用的負反饋控制裝置。負反饋信號發大器獲得了極好的線性度，自激振蕩問題的解決，極大地促進了電話的廣泛應用。

靈感來自于長期的思考。50精選ppt自動控制簡史漫談與啟示早期的載波電話失自動控制簡史漫談與啟示

早期的防空火炮控制，一般需要3個人來實施伺服控制，（一個方位角，一個高低角，還有一個引信），與現在不可同日而語。1940年，同樣來自貝爾實驗室的年輕的工程師帕金森用反饋控制方法，解決了這個問題。

51精選ppt自動控制簡史漫談與啟示51精選ppt自動控制簡史漫談與啟示

當時，他是一個低職位的工程師，讓他承擔的任務是繞電位計，就在1940年春天的一個晚上，他做了一個夢。他夢到既然用電位計可以控制電壓記錄筆，那么，它也應該可以控制火炮的發射。他的這個夢，同樣促進了自動控制技術的發展。

教育的目的應該使每個人都充滿夢想！圖1.19火炮隨動控制52精選ppt自動控制簡史漫談與啟示當時，他是一個低職位的工自動控制簡史漫談與啟示瓦特離心調速器在調速過程中存在不穩定現象（“設備變得發狂！”），當時并沒有理論指導，所有的努力都集中在改進調速器本身（重量、彈簧、摩擦）。麥克斯維爾把調節器跟調節對象合在一起，看作一個系統，用微分方程來進行研究，指出微分方程的特征根在左半面或右半面，決定著系統穩定與否。

僅有實踐是不夠的！

53精選ppt自動控制簡史漫談與啟示瓦特離心調速器在調速過程中自動控制簡史漫談與啟示1877年，麥克斯維爾的學生勞斯提出了勞斯代數穩定性判據，并獲得了亞當獎。1895年，胡爾維茨也提出了本質上與勞斯判據一致的代數穩定性判據，并在穩定性理論的指導下，為瑞士達沃斯電廠的一個蒸汽機設計了一個調速系統。胡爾維茨被認為是真正運用控制理論，來指導設計控制系統的第一人。

只有有了理論的指導，才能從自然王國走向必然王國。

54精選ppt自動控制簡史漫談與啟示1877年，麥克斯維爾的學自動控制簡史漫談與啟示到了二十世紀40年代，尼可爾斯深入研究了PID（Proportion,Integral,Differential）調節問題。他在MIT僅有的一臺模擬機（又叫微分分析儀）上做了大量的仿真實驗，最后列出來了PID的整定表。控制工程中，有一項工作歷經60多年，至今還在使用的，這就是尼可爾斯編排的這個PID整定表。

55精選ppt自動控制簡史漫談與啟示到了二十世紀40年代，尼可

這一時期的主要代表人物還有伯德（H.W.Bode1905～）：1945年提出了簡便而實用的伯德圖法。伊文思（W.R.Evans）：1948年提出了直觀而又形象的根軌跡法。自動控制簡史漫談與啟示56精選ppt自動控制簡史漫談與啟示56