自動(dòng)控制理論2025/4/141許建中，電氣學(xué)院新能源電網(wǎng)研究所，xujianzhong@，J5D603。2014/4–至今，華北電力大學(xué)，電氣與電子工程學(xué)院，講師。。2010/9–2014/3，華北電力大學(xué)，電氣與電子工程學(xué)院，工學(xué)博士2012/8–2013/8，曼尼托巴大學(xué)（UniversityofManitoba），電氣與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，導(dǎo)師加拿大工程院院士、IEEEFellowAniGole教授，國(guó)家留學(xué)基金委公派聯(lián)合培養(yǎng)博士研究生2009/9–2010/7，華北電力大學(xué)，電氣與電子工程學(xué)院，攻讀碩士學(xué)位，2010年9月轉(zhuǎn)為博士研究生2005/9–2009/7，華北電力大學(xué)，工學(xué)學(xué)士2025/4/1422025/4/143自動(dòng)控制理論B，48學(xué)時(shí)，3學(xué)分，24次課。第1-12周：周一第1,2節(jié);周四第1,2節(jié)；教5A403;共170人:必修課、專業(yè)基礎(chǔ)教育、電氣1309,電氣1310,電氣1311,電氣1312,電網(wǎng)1303課程成績(jī)：平時(shí)成績(jī)：30%，包括出勤率，課后作業(yè)和課堂測(cè)驗(yàn)?？荚嚦煽?jī)：70%。2025/4/144推薦教材：選課同學(xué)所屬班級(jí)學(xué)習(xí)委員1-課間留聯(lián)系方式2-打印一張本班比較全面的課表下次課給我3-課件將在上課前發(fā)給各班學(xué)習(xí)委員，收齊本班同學(xué)作業(yè)后上課前交給我。2025/4/145第一章緒論2025/4/146自動(dòng)控制理論的發(fā)展對(duì)人類社會(huì)生產(chǎn)的發(fā)展起到巨大推動(dòng)作用，從而被世界公認(rèn)為是第一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)的是1788年瓦特發(fā)明的離心式調(diào)速器。瓦特（1736-1819）英國(guó)著名的發(fā)明家

1788年瓦特發(fā)明的離心式調(diào)速器有時(shí)為了提高調(diào)速精度，蒸汽機(jī)的速度反而出現(xiàn)大幅度振蕩，由于當(dāng)時(shí)還沒(méi)有自動(dòng)控制理論，所以不能從理論上解釋這一現(xiàn)象。

2025/4/147第一章緒論自動(dòng)控制理論的發(fā)展1868年，英國(guó)科學(xué)家麥克斯韋以離心式調(diào)速器為背景研究了反饋系統(tǒng)的穩(wěn)定性問(wèn)題，發(fā)表了《論調(diào)速器》論文，被公認(rèn)為自動(dòng)控制理論的開(kāi)端。麥克斯韋導(dǎo)出了調(diào)速器的微分方程，并在平衡點(diǎn)附近進(jìn)行線性化處理，指出穩(wěn)定性取決于特征方程的根是否具有負(fù)實(shí)部。

麥克斯韋（1831-1879）英國(guó)著名物理學(xué)家

2025/4/148自動(dòng)控制理論的發(fā)展1877年英國(guó)數(shù)學(xué)家勞斯建立了直接根據(jù)代數(shù)方程的系數(shù)判別系統(tǒng)穩(wěn)定性的準(zhǔn)則。1892年李雅普諾夫在博士論文《運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性的一般問(wèn)題》中開(kāi)創(chuàng)性地提出求解非線性常微分方程的李雅普諾夫函數(shù)法，亦稱直接法。李雅普諾夫（1857-1918）俄國(guó)著名數(shù)學(xué)家、力學(xué)家

2025/4/149自動(dòng)控制理論的發(fā)展1928年美國(guó)人布萊克發(fā)明了負(fù)反饋放大器，反饋放大器的振蕩問(wèn)題給其實(shí)用化帶來(lái)了嚴(yán)重的問(wèn)題。奈奎斯特（1889~1976）美國(guó)物理學(xué)家1932年，奈奎斯特運(yùn)用復(fù)變函數(shù)理論的方法建立了根據(jù)頻率響應(yīng)判斷反饋系統(tǒng)穩(wěn)定性的準(zhǔn)則。2025/4/1410自動(dòng)控制理論的發(fā)展1948年美國(guó)電信工程師伊文斯提出了控制系統(tǒng)非常實(shí)用的設(shè)計(jì)方法－－根軌跡法，用參數(shù)變化時(shí)特征方程根的變化軌跡來(lái)研究，開(kāi)創(chuàng)了新的思維與方法。1940年美國(guó)人伯德引入半對(duì)數(shù)坐標(biāo)系，使頻率特性的繪制工作更加適用于工程實(shí)際。1942年哈里斯引入了傳遞函數(shù)的概念，用方框圖、環(huán)節(jié)、輸入和輸出等信息傳輸?shù)母拍顏?lái)描述系統(tǒng)的性能和關(guān)系。2025/4/1411自動(dòng)控制理論的發(fā)展隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的誕生和發(fā)展，脈沖控制理論迅速發(fā)展。奈奎斯特首先證明了把正弦信號(hào)從采樣值復(fù)現(xiàn)，每周期至少采樣兩次，香農(nóng)于1949年完全解決了這個(gè)問(wèn)題。奧爾登伯格和薩托里厄斯于1944年，崔普金于1948年分別提出了脈沖系統(tǒng)的穩(wěn)定判據(jù)。2025/4/1412自動(dòng)控制理論的發(fā)展1954年錢學(xué)森在美國(guó)出版了專著《工程控制論》。1954年天津大學(xué)劉豹教授編著了我國(guó)第一本用中文撰寫的控制理論專著《自動(dòng)控制原理》。1948年維納提出了著名的《控制論》。維納(1894-1964)美國(guó)數(shù)學(xué)家2025/4/1413自動(dòng)控制理論的發(fā)展經(jīng)典控制理論以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)研究單輸入-單輸出一類定?？刂葡到y(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)問(wèn)題。這些理論由于其發(fā)展較早，現(xiàn)已臻成熟。現(xiàn)代控制理論以狀態(tài)空間法為基礎(chǔ)，研究多輸入-多輸出、時(shí)變、非線性一類控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)問(wèn)題。系統(tǒng)具有高精度和高效能的特點(diǎn)。2025/4/1414自動(dòng)控制的一般概念人工控制自動(dòng)控制所謂自動(dòng)控制是指在沒(méi)有人直接參與的情況下，利用控制器使被控對(duì)象的某些物理量能自動(dòng)地按照預(yù)定的規(guī)律變化。2025/4/1415自動(dòng)控制的一般概念手動(dòng)控制系統(tǒng)方框圖人腦手水箱系統(tǒng)眼h自動(dòng)控制系統(tǒng)方框圖控制器執(zhí)行器水箱系統(tǒng)傳感器h為了清楚地表示控制系統(tǒng)的組成及各部分之間的關(guān)系，畫出的控制系統(tǒng)元件作用圖稱為系統(tǒng)方框圖。2025/4/1416自動(dòng)控制的一般概念所謂反饋是指將被控對(duì)象輸出端的信息通過(guò)中間環(huán)節(jié)送回到控制器的輸入端。負(fù)反饋：輸入信號(hào)－反饋信號(hào)正反饋：輸入信號(hào)＋反饋信號(hào)2025/4/1417自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)如果系統(tǒng)的輸出端和輸入端之間不存在反饋回路，輸出量對(duì)系統(tǒng)的控制作用沒(méi)有影響，這樣的系統(tǒng)稱為開(kāi)環(huán)系統(tǒng)。如果系統(tǒng)的輸出端和輸入端之間存在反饋回路，輸出量對(duì)系統(tǒng)的控制作用有直接影響，這樣的系統(tǒng)稱為閉環(huán)系統(tǒng)。2025/4/1418自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)2025/4/1419自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)2025/4/1420自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)帶補(bǔ)償?shù)拈_(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)2025/4/1421自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)閉環(huán)控制系統(tǒng)2025/4/1422自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)（概念和優(yōu)缺點(diǎn)）開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)帶補(bǔ)償環(huán)節(jié)的開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)帶補(bǔ)償環(huán)節(jié)的閉環(huán)（反饋）控制系統(tǒng)2025/4/1423自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類線性控制系統(tǒng)系統(tǒng)由線性元件構(gòu)成，描述運(yùn)動(dòng)規(guī)律的數(shù)學(xué)模型為線性微分方程。滿足齊次性，疊加性。非線性控制系統(tǒng)在構(gòu)成系統(tǒng)的環(huán)節(jié)中有一個(gè)或一個(gè)以上的非線性環(huán)節(jié)。不滿足齊次性，疊加性。2025/4/1424自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類恒值控制系統(tǒng)隨動(dòng)控制系統(tǒng)2025/4/1425對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求控制系統(tǒng)的性能穩(wěn)定性快速性準(zhǔn)確性2025/4/1426對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求穩(wěn)定性是保證控制系統(tǒng)正常工作的先決條件；線性控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性由系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)與參數(shù)所決定的，與外部條件無(wú)關(guān)。快速性是系統(tǒng)在穩(wěn)定的條件下，衡量系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程的形式和快慢，通常稱為“系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能”。

過(guò)渡過(guò)程時(shí)間、超調(diào)量準(zhǔn)確性是在系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程結(jié)束后，衡量系統(tǒng)輸出（被控量）達(dá)到的穩(wěn)態(tài)值與系統(tǒng)輸出期望值之間的接近程度。穩(wěn)態(tài)誤差2025/4/1427課堂習(xí)