第一章自动控制概论.ppt

1、,自动控制原理,河南农业大学 理学院电子信息科学系主讲：滕红丽,课时：64学时 56学时理论学习，8学时实验学分：4.0教材：自动控制原理简明教程(第2版） 主编：胡寿松 出版社：科学出版社授课时间：1-14周,课程安排,第一章 控制系统导论,1.1 自动控制的基本原理1.2 自动控制系统示例 1.3 自动控制系统的分类1.4 自动控制系统的基本要求1.5 自动控制系统的分析与设计工具,理解和掌握负反馈控制原理 了解控制系统的组成和分类 能确定控制系统的被控对象、被控量和给定量，掌握根据工作原理图绘制系统方框图的方法 掌握对控制系统的基本要求,自动控制：,1. 自动控制技术及应用,在无人直接参

2、与的情况下，利用外加的控制装置，使机械、设备或生产过程（被控对象）的某一个物理量（被控量）按预定的规律（给定量）运行。,自动控制系统： 将被控对象和控制装置按照一定的方式连接起来，组成一个有机总体，这就是自动控制系统。,1.1 自动控制的基本原理,动画1,动画2,在无人直接参与的情况下，利用外加的控制装置，使机械、设备或生产过程（被控对象）的某一个物理量（被控量）按预定的规律（给定量）运行。,谈到自动控制，同学们能想起那些控制应用的实例呢？,日本Honda公司推出经过改进的机器人“ASIM”。这种能用双腿直立的机器人相当聪明，人手指到哪里，它就走到哪里，遇到人的时候会主动向人打招呼，并能和主人

3、流利地对话。,世界最先进的梦幻机器人组合来自日本SONY公司的7位双足娱乐型机器人“QRIO”。这7位机器人身高60厘米，体重7公斤。虽然身材不那么高大，但却举世闻名。其中四位歌舞表演堪称一绝。下面是其中四个“舞者”来北京演出时的场面：,伺服机器人，是一种以机械位置或角度作为控制对象的机器人。,2003年9月16日，Sony公司在日本东京推出最新型的爱宝机器狗。生产厂商称，这款型号为ERS7的爱宝机器狗体现了智能宠物发展的先进水平。,水下机器人，它的工作方式是：由水面母船上的工作人员，通过连接潜水器的脐带提供动力，操纵或控制潜水器，通过水下电视、声呐等专用设备进行观察，还能通过机械手，进行水下

4、作业。,自动控制技术还体现在交通运输中，大量的飞机地铁等交通工具中都大量采用。,2003年6月10日，勇气号发射成功；同月25日，机遇号发射成功。2004年美国东部标准时间1月3日和24日火星车分别登上火星。上面采用了大量先进的智能控制技术。,2. 自动控制理论发展简史,经典控制理论 ( 19世纪初 ) 时域法 复域法 (根轨迹法) 频域法 现代控制理论 ( 20世纪60年代 ) 线性系统 自适应控制 最优控制 鲁棒控制 最佳估计 容错控制 系统辨识 集散控制 大系统复杂系统 智能控制理论 ( 20世纪70年代 ) 专家系统 模糊控制 神经网络 遗传算法,2.自动控制理论的发展史,起源,相对论

5、、量子力学以及控制论被认为是20世纪的三项伟大科学成就。1948年美国科学家维纳发表专著提出了控制论（Cybernetics）。1954年，钱学森在美国出版工程控制论（Engineering cybernetics），把控制论发展为一门技术科学工程控制论，成为推动控制论科学思想的代表人物之一。,发展三阶段,30年代， 波德和奈奎斯特， 频率特性法，经典控制理论， 研究单因素控制系统， 反馈控制，自动调节器60年代，贝尔曼和卡尔曼，状态空间法为代表，现代控制理论，研究多因素控制系统，重点是最有控制，核心是电子计算机大系统理论，研究对象众多因素的大系统，重点是递解控制，核心智能化机器控制理论的研究

6、对象是“控制系统”， 以数学方法为工具，以工程技术为支持（背景），控制理论是一门专业性，工程性的技术科学。,自动控制的起源于病人,在二十世纪三十年代，美国的哈佛医学院，有位教授若荪布鲁斯(Rosen blueth)每月召集一个谈话会。地点：在万德柏厅(Vanderbilt Hall)，先聚餐，随后是聚谈。出席人：以医生为最多，可是并不限于医生。饭后，由其中的一个人，或邀请一个人，讲一段心得。思想可以是半生不熟，体裁可以是未经裁剪，也许有时是过分自信， 也许有时是过分夸张，当然最谈不到的是谨严。 有些参加的人，不能忍受，来一回就不再来了。不过大多数的人，以为这个会很有价值。因为参加的人并不是仅仅

7、是医生或医学家，还有物理学家、生物学家。麻省理工学院距离很近，那里的教授也来了好多人。其中一个人是温纳(Nobert Wiener)。,自动控制的起源（续）,这个由各个方面专门学问中走来的科学家们，是没有共同语言可谈的。但为什么越谈越有兴趣呢？ 他们究竟谈些什么大家全能欣赏的题目呢？又有什么题目可以引出个人有价值的言论，可以提起团体的兴趣呢？ 他们所根据的是每个人专门的学问。而所谈的，是使大家能领悟的，是根据个人的观点所了解的科学方法。,生物学家的术语，数学家不会理解，但生物学家所用的方法，数学家可能领悟；物理学家的语言，医生不会明了， 可是物理学家所用的方法，医生却有了然的可能。这个谈话会是

8、三十六行，但话题却集中在科学方法上， 所以可以说是科学方法谈话会。,自动控制的起源（续）,自从莱布尼兹(Leibniz)而后，世界上再没有统摄整个科学领域的通才。到了十九世纪，几位大的科学家，也只是称雄一面。十九世纪没有出莱布尼兹，而只有出高斯(Gauss)，法拉第(Faraday)，达尔文(Darwin)这类大人物，我们把他们名为数学家、 物理学家、生物学家等。可是到了二十世纪，配称数学家的也不见了，对于一位专门的大家，在称呼时必加以限制，如拓扑学的数学家；或光学的物理学家等。,自动控制的起源（续）,Leibniz(1646-1716)最主要的貢獻則是把微分與積分的技巧整理得很清楚，包括微分

9、的四則定理亦即函數的四則運算與微分運算的交換法則；也包括了積分的分部積分技巧它是經由微積分基本定理導得的。微積分經過一段時期的醞釀，終於在 Newton 與 Leibniz 兩人的手中，成為有系統的學門，所以簡單的說法就認定他們兩人是微積分的發明者。,自动控制的起源（续）,这种过度的分工，是不得不然的，是越演越烈的。由一行分成三十六行，由三十六行分成三百六十行，由三百六十行，分成三千六百行，二十世纪的科学家，不下三万六千行了。 这种局面的形成，产生了两个副作用，第一、是行与行间形成了许多无人管的地带；第二、甲行所研究出的程序、方法、 或设备，可能对乙行有极大的效用，但乙行常无从利用起，依然是从

10、头开始。哈佛医学院的谈话会，正是在这种气候下产生的。 而就由这个会中产生了自动控制的基本观念。,医生作了报告：有一种病人，坐在椅子上，与健康的人毫无差别。但你如果给他一支香烟， 他伸手接烟时，总对不准香烟的位置，不是左摇就是右偏，他的手变成摇来摇去的运动，而始终接不到香烟。 这位病人的肌肉是强壮的，身体是健康的。但是却不能有系统的组织他的动作。,第一道源泉反馈的观念,谈论的启发,这个现象很像一个舵手把舵时，把船身形成了左右摆动一样。人所以不能接一支香烟，是因为人的动作是受制于一种信号， 而这个信号的大小却为正在进行中的反应所左右。换句话说，一个原因产生一个相应的结果， 而这个结果又成为一个新的

11、原因刺激到原来的系统上。把随时所产生的效果变成了原因的一部分。 如果把原因结果的相互关系图解出来，如左图,比如福特(Ford)当年以独特的眼光，给工人加薪，那时，他曾辩论说，给工人加薪似乎是成本高，但工人又买汽车坐， 汽车销路就大了，汽车的销路一大，成本就减低了。他这套理论很像反馈的观念的利用,谈论的启发,美国数学家诺伯特.维纳(Norbert Wiener, 1894-1964), 1948年,把这门学问铸了一个备用的字Cybernetics.确这个字是源于希腊，意思是舵手。安培曾把这个字当作政府管理学。马克士威尔有一篇文章专说控速器，这个字Governor是源于拉丁。不论是希腊字，还是拉丁

12、字。有人用在操纵的意义上，有人用在舵向的意义上，有人用在管理的意义上，有人用在限制的意义上。于是这个意义贯穿了物理、数学、生物、 经济以及政治等。我们把这门学问模糊的译出意义来，是控制论。,自动控制的起源（续）,控制论发源是否起清华园,国内学界存在一种观点，即控制论思想的酝酿始于清华园，其论据是，控制论的创始人维纳在其自传中说过 “宁愿选择1935年中国之行作为创立控制论的起点”.,出版发行,美国数学家诺伯特.维纳(Norbert Wiener, 1984-1964), 1948年, 出版控制论此书的副标题是“动物和机器中的控制和通信”。,控制论的创立是多学科和多位学者共同推进的结果，与二战的

13、背景，美国当时的技术条件、各门相关的科学理论的成熟与交融密切相关.,扭转一个学科的命运,但维纳的控制论发表后，在哲学界曾引起轩然大波。此书的副标题是“动物和机器中的控制和通信”。人也是动物，把人和机器并列，甚至等同起来，有亵渎人类尊严之嫌，所以惹怒了不少哲学家。前苏联的哲学界首先发起攻击，称控制论是一种反动的伪科学，是现代机械论的一种新形式。还有更严重的批评说，控制论是为帝国主义服务的战争工具等。这位科学家在前苏联和东欧被视为反动的伪科学家和帝国主义的帮凶。,钱学森-扭转一个学科的命运,1954年，钱学森在美国出版工程控制论（Engineering cybernetics），把控制论发展为一门

14、技术科学工程控制论，成为推动控制论科学思想的代表人物之一。工程控制论第一版是英文版，于1954年在美国出版。当时钱学森在加州理工学院担任教授，也是喷气推进实验室（JPL，如书中扉页所写，当时称为“Jet Propulsion Center”）的负责人。那段时期钱学森在美国受到迫害，被迫离开了国防尖端技术的研究，受困达5年之久。在困境中，他转向了工程控制论的研究，并出版了此书。中文版是在1958 年出版的.,工程控制论出版,1954 年工程控制论出版，并迅速地被译成德、俄、中文版。书中系统地揭示了控制论对自动化、航空、航天、电子、通信等科学技术的意义和深远影响，写的全是技术科学，并未触及到人类这

15、种动物的尊严。包括前苏联在内的世界各国科学界立即接受了这一新学科，从而吸引了大批数学家、工程技术学家从事控制论的研究，推动了五六十年代该学科发展的高潮。在这种形势下，原持批判态度的哲学家们只好放下武器，悄悄修改了各辞书中的词条，肯定控制论是一门“研究信息和控制一般规律的新兴科学”。,影响许多人改变专业,戴汝为院士便是其中之一。戴院士是在1951 年考入清华大学的数学系，经过1952年的院系调整，于1955年在北大的数学力学系毕业，毕业之后被分配到了力学所。所里给每个大学生安排一个导师，由于戴院士要整理工程控制论的笔记，所以就跟着钱老。正因为当时做的一系列与工程控制论相关的工作，戴院士后来就进了

16、自动化所，直到现在。许多人认识戴院士，也是因为工程控制论中文译本的出版。 西北工业大学校长戴冠中教授和总装部科学技术委员会主任、前国防科技大学校长郭桂蓉中将，也都是受了工程控制论的影响，改变了他们最初的专业。,控制论与自动控制理论,控制论是20世纪中期的科学进步、技术进步和社会进步的结果，它是在哲学，数学，生物科学，技术科学，社会科学基础上产生控制论是一般的控制理论，控制论的原理和方法被运用于工程技术领域形成的工程控制论，通常被理解为自动控制理论。控制理论通常指自动控制理论，控制理论既可以指控制论以前的伺服机构理论，也可以指控制论以后的工程控制论。,中国人对控制论的贡献却无可争议，并还在继续。

17、李郁荣由于受抗日战争爆发的影响，家产和图书资料尽失，1941年在维纳帮助下准备赴美，又遭太平洋战争爆发，只好滞留于上海数年，1946年得以重返麻省理工学院，继续与维纳合作，后来一直同其加拿大妻子留居美国。因为深刻理解维纳的思想实质，他很快设计出一种效果良好的最优滤波器，并与人合作大大改进检测和分析周期信号的装置 自相关器 维纳等用于研究大脑生理结构时使用的主要工具。不仅如此，他还参与完善了经典控制论的频域方法 主要以频率为变量，以传递函数为数学工具。李郁荣在麻省理工学院开设的关于滤波器及其类似装置的新设计方法一门课程，被维纳认为是控制论的基础之一。维纳由衷地称赞道:“他培养了一整代年轻的电气工

18、程师，他们沿着统计路线进行研究，并把我的观点用作为处理种种通讯问题的一种习惯方法。正是由于李郁荣的重新加盟，使得维纳精神上“大为振奋”，继续深人研究包含伺服机构的控制论的整体问题。,控制论与中国人,在维纳思考整理一系列工作，写作出版控制论的前后几年，中国正进行着社会革命的巨变，海外人士没能及时将这一理论思潮传播至中国。因此，在20世纪50年代中期以前，即从1948年至1953年期间，国内学界还来不及对这一理论有所了解和反应，以至对这一理论的最初介绍来自苏联。尽管这是一个遗憾，然而还有庆幸的地方:就在维纳和李郁荣供职的麻省理工学院校园，还有另一位极为优秀的华人天才科学家也正在勤奋地工作，他在以后

19、的几年内的一项研究将大大推进维纳的事业，这就是后来成为工程控制论创立人的钱学森。,控制论与中国人,控制论在中国的传播,新中国成立后，百废待兴，科技领域也处于恢复和重新规划的阶段。当时所有新建立的社会主义国家的领导都公认苏联“老大哥”已有30多年社会主义革命和建设的经验“学习苏联”成为这些国家工作的指导方针。中国也不例外，毛泽东在1949年就提出要向苏联“一边倒”。,控制论在中国的传播,1949年中国科学院组建成立，至1955年中国科学院学部成立，确立了中国科学院作为国家最高学术机构和科学研究中心的地位。1950年科学通报创刊，这份期刊注重国际学术动态，特别是对苏联和东欧的学术成果的介绍。,19

20、56年国家规划要在科学院新建立四个研究所，有计算机所、电子所、半导体所、自动化所。钱老参加了整体规划的综合组。由于当时的国际形势，成立自动化所在很大程度上还是军事方面的意义。后来一做规划，又请了一些苏联的专家，结果是把“自动化”的定位在了“工业自动化”上。,控制论在中国的传播,控制论在中国的传播,到现在,自动化有关的研究机构越来越细分，如机械工业自动化所、冶金自动化所等。自动化学会挂靠在自动化所，所作的工作是研究自动化还有什么发展余地，像是模式识别。,20 世 纪 50年代初，苏联对控制论一开始持反对立场，主要原因是:其一，控制论在哲学理念上被认为是资本主义的，对辩证唯物论是一种反叛和威胁。其

21、二，在冷战的国际形势下，两大阵营都不愿轻易接受对方的任何思想体系，尤其在李森科式的“政治挂帅”的苏联学术体制内，笼罩着对西方科学的敌视态度。其三，当时苏联科学界在自动控制技术、预测等领域有着极强的研究实力，理论上也有世界性的成果，如巴甫洛夫(Pavlov,1849-1936)的条件反射理论、柯尔莫戈洛夫(Kolmogorov,1903-1987)的统计预测理论，以及李亚普诺夫(Liapunov,1911-1973 )的微分方程稳定性研究等，这些也都是控制论涉足的领域。,控制论在中国的传播,苏联三位重量级科学家索保列夫(Sergei Sobolev,1 908-1989) 、哲托夫(Anatol

22、iiIv anovichK itov) 、李亚普诺夫联合发表的文章，其中就控制论的科学意义、电子计算机与神经系统、控制论的实用意义三部分，对控制论进行了深刻的阐述。文章指出:“我们的一些哲学家犯了一个严重的错误:他们没有分析清楚问题的本质，就去否定这一新的科学方向的意义”。这两篇对控制论予以正面肯定和介绍的文章在苏联引起了巨大反响，成为苏联学界转变对控制论看法的标志性文献。,控制论在中国的传播,控制论概念传人我国，它首先来源于苏联，由于国内很快确定了其汉译名，为日后该学科在我国的发展奠定了基础。自此，国内开始关注控制论的译介工作，在科学哲学、方法论层面上也逐步展开了学习和研究。可以说，1955

23、年是控制论思想在我国生根的一年，而同年工程控制论的著者钱学森先生归国，注定对国内控制论研究与理论发展起到关键作用。,控制论在中国的传播,第二道源泉模拟的观念,战时的麻省理工学院，是一个研究中心。不但英国来了好多科学家，就是美国好多名大学的科学家也征召到这里。 麻省的剑桥成了一个大熔炉，关心的事务很多，但最重要的还是这些科学家的大集会。这时英国的受击一天比一天加厉， 高射炮火的研究一天比一天重要，而反馈观念，就在工程上、科学上的各部门在传播。 由雷达侦察飞机，到高射炮自动开火，是一个有反馈观念自动控制过程。可是这个系统所涉及的部门， 却不是单纯的一件东西，有机械、电机、流控、气控各种形式的信号的

24、流动。如何研究这些信号，不是一个性质上的问题， 而是一个数量上的问题。于是模拟的观念加强起来。,什么是模拟的观念呢?,我们在讲力学时，总讲牛顿第二定律：所加于物体的力与物体所产生的加速度成比例。这个比例常数是该物的质量。 换句话说，如果加速度小，就表示质量大，如果加速大，就表示质量小。我们又把质量的这种特殊牲质叫做惯性。在讲电学时，我们又遇到一个定律叫做法拉第定律，所加于线圈的电压与线圈所产生的电流之变率成比例， 我们把这个比例常数叫电感。电感有时候我们称为线圈的惰性。 在学电学时，总是觉得这是一个很难理解的现象。于是我们就想，线圈对电压的阻挠，正相当于质量对力的阻挠一样。,模拟的例子,一个R

25、LC线圈如右图： 如列出它的微分方程式来，应是,现在有一机械系统，我们如果列出它的微分方程式来应是,模拟系统,一个是电系统，一个是机械系统，所用的定律全不相干，可是列出的式子却极相像。我们如想知道这个机械系统运动的情况， 可以由线路上面电流运动的情况而领悟出来。 我们把这个电的线路叫做这个机械系统的仿真，而这机械系统叫做该线路的模拟。一个电机工程师可以对机械全不在行， 但当他知道了质量相当于电感，摩擦相当于电阻，弹性相当于电容时，他立刻由线路上电流所应有的行为， 领悟到这个机械系统应有的速度的情况。,第三道源泉数字计算器,一九四三年，费城的宾夕法尼亚大学有一个二十四岁的助教，叫做艾克特(Eck

26、ert)， 另外还有一个顾问叫做毛士莱(Manchly)，他们领导着十二位科学家，作了200,000工时，完成了世界第一架数字电子计算器。 这个计算器的能力相当于5,000人的计算能力。桌用计算器要作二十个钟头的题目，这个计算器作十秒就完成了。,第一台电子计算机,多大呢？三十呎宽五十呎长屋子才能放下这个计算器。多重呢？三十吨。用多少电呢？相当于一个大广播电台。它的名字叫做ENIAC(Electronic Numerical Integrator and Computer)。,自动控制中的新部件,在自动控制学中，加入一个新的生力军，数字计算器也成为一个组件了。,由自控机构到自控观点,按照史实说，

27、自动控制应该由瓦特时代的蒸汽机上的控速器说起，应该由马克士威尔的对控速器的分析算起。 我们可以说这是把自动控制当成一个机件来看待的时代。 到了二次大战期间，由控制炮位，到控制飞机，到控制航舰等，可以说把自动控制当成一套机构来看待的时代。,自控系统例子,如转动把手R成一新的角度，Q接触点即向上移，于是P与Q间发生电位差，差值是e，作用在放大器A上， 由A产生的电压，影响发电机G，于是电动机受影响而转动，电动机的负荷，即炮身，即跟着转动。炮自转动时P点也上行， 终于PQ电位又复相等，电位差e等于零，一切都不再动了。,自控系统例子,这是一套机构，而是自动的连带作用。,国内自动控制理论的代表人物,钱学

28、森,钱学森（1911.12.11-2009.10.31）。 应用力学、航天技术和系统工程科学家。生于上海市，原籍浙江省杭州市。1934年毕业于上海交通大学。1936年在美国麻省理工学院获硕士学位。1938年获加州理工大学博士学位。1955年回国。曾任中国力学学会、中国自动化学会、中国系统工程学会、中国宇航学会理事长、名誉理事长等职。现任国防科学技术工业委员会研究员。,钱学森院士,早年在应用力学和火箭、导弹技术的许多领域都做过开创性的工作。独立研究以及和冯.卡门合作研究提出的许多理论，为应用力学、航空工程和火箭导弹技术的发展奠定了基础。回国后长期担任火箭、导弹和卫星研制的技术领导职务，为创建和发

29、展我国的导弹、航天事业作出了杰出贡献。在工程控制论、系统工程和系统科学、思维科学和人体科学以及马克思主义哲学等许多理论领域都进行过创造性研究，作出了重大贡献。1956年获中国科学院自然科学奖一等奖，1985年获国家科技进步奖特等奖，1991年被国务院、中央军委授予“国家杰出贡献科学家”荣誉称号和一级英模奖章。中国科学院院士。1994年当选为中国工程院院士。,宋 健,所属领域：运动控制 ,个人简介：（1931.12-） 两院院士，博士，控制理论、航空航天技术、应用数学、人口控制专家，现任中国工程院院长。主要科技成果及获奖情况：主持我国第一代地空导弹控制系统的设计和制造，反导弹系统的研制，参与潜地

30、导弹研制，第一代地球同步卫星定点控制总指挥，建立最优控制场论、分布参数系统、点测控相耦合的系统理论。首创人口控制论，发现和证实人口生育双向极限定律。曾获国家科学大会奖、国家自然科学成就奖、国家科技进步一、二等奖、国际数学模型协会艾尔伯特o爱因斯坦奖、达芬奇奖、何梁何利科技成就奖。,戴汝为院士,戴汝为( 1932.12- ) 云南省昆明市人。1955 年毕业于北京大学。毕业后在中国科学院工作，现任中国科学院自动化研究所研究员。1991 年当选为中国科学院院士。19801982 年在美国普渡大学电机系作访问学者。长期从事自动控制、模式识别、人工智能、智能控制及思维科学的研究。到目前为止，已发表智能

31、系统的综合集成等学术专著5 部，学术论文1 8 0 余篇。曾任国家“8 6 3 计划”智能计算机主题专家组副组长、国际句法模式识别委员会委员、欧洲Signal Processing杂志海外编委，现任中国自动化学会理事长、中科院技术科学学部副主任、国务院学位委员会控制科学与工程专业委员会召集人之一、中科院自动化所学术委员会主任、清华大学智能系统与智能技术国家开放实验学术委员会主任、模式识别与人工智能杂志主编等职。并受聘为清华大学计算机系、北京师范大学信息学院的兼职教授，以及中国科技大学、上海交通大学、北京航天航空大学、南京航空航天大学等三十余所大学的名誉教授。,控制理论是人类在征服自然，改造自然

32、的斗争中逐渐形成的一门科学。自动控制原理的基本思想早在19世纪就已存在20世纪20年代正式形成一个比较成熟的一门学科。 Black、Nyquist、Bode等人在贝尔实验室做了一系列工作，奠定了经典控制理论的基础。二战期间，为了解决武器控制问题，各国科学家和工程技术人员进行了大量的理论与实验研究，使古典反馈控制系统在精度、动态特性和设计方法上都取得了重大进展，也使第一代经典控制理论趋于成熟。,经典控制理论,经典控制理论研究的对象:线性定常系统，主要解决单输入单输出问题。 研究方法：采用传递函数、频率特性、根轨迹为基础的频域分析法。 控制思想：保证被控系统稳定，并为了达到要求的控制精度，因而采用

33、反馈控制方式。这种经典控制理论不仅推动了当时社会的自动化技术的发展和普及，而且在当今社会的许多工程与技术领域仍然得到了广泛应用。,现代控制理论,产生于20世纪60年代前后。在这一时期，计算机技术的迅猛发展为现代控制理论的形成与发展奠定了坚实的基础。 同时，这个时期人类发展航天技术的需要，以及被控对象和生产过程变的越来越复杂，不少系统是多输入多输出系统，而且对象有强烈的非线性，这些使得古典控制理论已经不能适用，因而发展了以状态空间（状态方程）为分析手段的时域分析法，主要解决的是多输入多输出的多因素控制问题。,这一阶段着重发展了最优控制、多变量控制、估计理论、滤波理论、自适应控制等。从而使控制理论

34、推广到一个更深入、更广泛的境界。 第二阶段的代表人物有前苏联的庞特里亚金极大值原理；贝尔曼（Bellman）及卡尔曼（R.E.Kalman）滤波器理论；瑞典的奥斯特隆姆（K.J.Astrom）和法国的朗道（L.D.Landau）教授自适应控制等。,经典控制理论和现代控制理论通常被统一称为传统控制理论。传统控制理论的共同特点是：其分析方法是建立在对象的数学模型基础上的，也就是说被控对象的动态特性可以用数学公式严格地刻画出来（即用微积分理论、线性代数或矢量分析法）。所以可以把传统控制理论方法概括地称为“基于数学模型的方法”。,智能控制理论,在实际生产过程控制中，往往会碰到被控系统模型不确定性，或者

35、环境本身不确定性。对这两类不确定性系统，现代控制理论通常采用鲁棒控制、自适应控制和随机最优控制来解决。 但对于强烈不确定性和非线性系统来说，现代控制理论也无能为力。因此面对现代控制理论系统的不确定性、复杂性和高性能要求的挑战，促使人们探索控制理论的新途径，于是智能控制也就应运而生了。,同时，人们在实践中发现，对于那些难以用传统控制理论来实现的有效控制的复杂过程，有经验的工程技术人员却能凭借经验对它们进行有效控制。 例如：停车问题“要把一辆汽车停在拥挤的停车场的两辆汽车中间” 传统控制：约束条件（如方向、位置、车速、边界条件等），几乎无精度解，从而使问题变的非常复杂，即使用一台大型计算机用传统控

36、制理论方法也很难完成控制任务。 智能控制：如对于一位有经验的司机来说，凭借经验和技巧，运用直觉推理等智能行为，加上学习能力，却可以轻而易举地实现控制目标。,20世纪60年代，随着计算机科学的飞速发展，出现了控制理论、信息论、仿生学、神经生物学、系统科学及数学等学科的相互渗透，诞生了一门研究人脑的职能机理，研究如何利用各种方法来模拟人的思维过程和某些智能行为的科学人工智能（Artificial Intelligence，AI），与此同时将人工智能引入控制领域便产生了智能控制技术。 智能控制技术的出现改变了人们传统的控制思想，是自动控制领域内一次重要的变革。,因此，控制理论发展至今，基本上可以分为

37、以下三个阶段：,自动控制的发展,开环控制,确定性反馈控制,最优控制,随机控制,自适应控制,自学习控制,智能控制,进展方向,控制复杂性,高等数学,积分变换,自动控制原理,其它专业课程,1、 是一门专业基础课,2、理论实践相结合,理论性非常强,但又和实际应用紧密结合,3、内容广泛,自动控制原理课程特点,本课程的学习方法,要抓主要矛盾，忽略一些次要因素，抓住问题的本质。要抓住重点，即应牢固掌握基本概念、基本原理和各种数学分析模型的主要特性。,学习自动控制原理的重要性,2、本课程能为解决实际控制问题提供理论和方法,1、自动控制技术是应用非常广泛的技术,电机控制、自动化生产线、火炮雷达控制、家用电器、机

38、械、冶金、石油、化工、电力电子、航空、航海、航天、核反应堆等。,控制对象,测量元件,控制单元,3. 反馈控制原理举例：家用空调控制器控制系统,功能：房间温度控制在人体比较舒适的范围 （对象、物理量、控制设备）系统组成：,温度设定,比较单元,控制单元,执行机构,控制对象,测量元件,控制器,控制对象,反馈,比较,控制指令,家用空调系统框图的简化,4. 反馈控制系统的基本组成,被控对象 控制系统 测量元件 比较元件 控制装置 放大元件 执行机构 校正装置 给定元件,基本控制方式,1) 开环控制 2) 闭环控制 3) 复合控制,5. 自动控制系统基本控制方式,1) 开环控制系统,按给定开环控制,按干扰

39、补偿开环控制,方框图中各符号的意义,元部件 方框（块）图 信号（物理量）及传递方向 中的符号 比较点 引出点 表示负反馈,开环控制系统的特点,控制装置与受控对象之间只有正向作用，没有反向联系； 控制精度取决于元器件的精度和系统调整精度；没有抑制内、外干扰的能力；系统结构简单、成本低。,2.闭环控制系统,负反馈原理_将系统的输出信号引回输入端，与输入信号比较，利用所得的偏差信号进行控制，达到减小偏差、消除偏差的目的。 _ 构成闭环控制系统的核心 闭环(反馈)控制系统的特点： (1) 系统内部存在反馈，信号流动构成闭回路 (2) 偏差起调节作用,例 1 炉温控制系统,炉温控制系统方框图,炉温控制系

40、统方框图,电动机转速闭环控制系统,例 函数记录仪,函数记录仪方框图,闭环控制系统的特点,既有正向作用，又有反馈作用控制精度与元件精度、控制方法、调整精度 有关，控制精度较高；有抑制干扰的能力；结构复杂，成本相对较高。,复合控制系统,对系统提出较高要求时使用开环控制和闭环控制的组合有两种形式 (1)按输入作用补偿 (2)按扰动作用补偿,电动机转速复合控制系统,按干扰作用补偿,复合控制系统典型方框图,控制系统的组成,1.2自动控制系统示例（自学）重点：根据控制系统的原理，画出各个控制系统的方框图，找出被控对象、控制装置，被控量、给定量等。,分类,运动控制系统过程控制系统,线性/非线性系统连续/离散

41、性系统定常/时变性系统单输入单输出/多输入多输出系统集中参数/分布参数系统,按被控对象分,按使用的数学方法分,按输入信号特征分,按系统功用分,恒值系统 随动系统程序控制系统,按控制方式分,按给定值操纵的开环控制按干扰补偿的开环控制按偏差调节的闭环控制复合控制：闭环反馈为主，开环补偿为辅,温度控制系统压力控制系统位置控制系统,1.3 自动控制系统的分类,1. 按输入信号特征分类,1、恒值控制系统 特征：输入信号为常数 典型系统：液位、温度、压力、流量控制 2、随动控制系统 特征：输入信号未知，随时间任意变化的函数 典型系统：鱼雷飞行、炮瞄雷达、火炮自动瞄准、 导弹制导。 3、程序控制系统 特征：

42、输入信号为预知的随时间变化函数 典型系统：热处理炉控制系统、程序控制机床、灌装生产线、自动生产流水线。,2. 按使用的数学方法分类,连续系统/离散系统 连续系统 系统传递的信号为时间的连续函数，用微分方程描述。 离散系统 信号传递中至少有一处信号是脉冲序列或数字编码。用差分方程描述。,线性系统/非线性系统,线性系统 用线性微分方程或差分方程描述，满足叠加原理。叠加原理包括叠加性和齐次性。非线性系统 用非线性微分方程或差分方程描述。特点是，方程中含有变量及其导数的高次幂或乘积项，不满足叠加原理。例如,定常系统/时变系统 定常系统： 描述系统的数学方程中的系数为常数； 定常系统结构和参数不随时间变

43、化。 时变系统: 描述系统的数学方程中的系数随时间变化。,单输入单输出系统 输入输出信号变量各仅有一个多输入多输出系统 输入输出信号变量多于一个,集中参数/分布参数集中参数系统能用常微分方程描述的系统分布参数系统至少有一个环节需要用偏微分方程描述的系统,单输入单输出/多输入多输出系统,1.4 自动控制系统的基本要求,1、基本要求的提法1） 稳：稳定性（基本要求） 要求系统稳定 2）准：准确性（稳态要求） 系统响应达到稳态时， 输出跟踪输入精度要高 3）快：快速性 （动态要求） 系统阶跃响应的过渡过程要平稳，快速,稳定性 系统受到干扰后偏离原来的工作状态，扰动消失后， 能自动回到原工作状态，这样

44、的系统是稳定的。反之，当干扰消除后，系统的输出趋于无穷或进入振荡状态，则称系统是不稳定的。稳定性是保证系统能正常工作的前提。,动态性能,动态性能 指系统过渡过程的快速性和振荡。由于控制系统的惯性，系统的输出跟随输入的变化总有一定的延迟。这个时间越短，快速性越好。有些系统的阻尼比较小，所以系统从一个稳态进入另一个稳态时，要经过若干次衰减振荡，而且在振荡过程中会出现超调现象。一般控制系统对超调量是有限制的。,稳态性能 稳态性能指系统的控制精度。系统由一个稳态过渡到另一个稳态时，希望系统的输出尽可能地接近给定值。 但由于干扰或输入信号的不同，有些系统就会产生误差。系统的稳态性能用稳态误差来衡量。,可

45、选作典型外作用的函数应具备以下条件：1.这种函数在现场或实验室中容易得到；2.控制系统在这种函数作用下的性能应代表在实际工作条件下的性能；3.这种函数的数学表达式简单，便于理论计算。,2. 典型外作用,1）阶跃函数,R=1时称为单位阶跃函数, 其数学表达式为,2）斜坡函数,R=1时称为单位斜坡函数, 其数学表达式为,A=1时称为单位脉冲函数,其数学表达式为,3）脉冲函数,4）正弦函数,1.5 自动控制系统的分析与设计工具,1、 概述2、控制系统工具箱主要功能：系统建模系统分析系统设计3、MATLAB辅助分析与设计,自动控制原理研究的内容,系统设计,1. 自动控制的一般概念 基本控制方式 控制系统的基本组成 控制系统的分类 对控制系统的要求 课程研究的内容 2. 要求掌握的知识点 负反馈控制系统的特点及原理 由系统工作原理图绘制方框图,本章 小 结,本章作业,17 自选两题8,教学过程方框图,本章内容到此请同学们课下好好复习！,