1、自动控制理论（1）,自动化系 2007年春季学期,2006秋 清华大学自动化系 慕春棣,2,控制理论 所要解决的主要问题,2006秋 清华大学自动化系 慕春棣,自动控制理论,3,控制理论是应用基础理论,具有鲜明的时代性，强调对实践的指导作用总是和社会的重大需求紧密联系在一起的。人们总是把当时最先进的技术用作自动化技术的主要内容， 这就要求理论必须指导实践。应用数学的许多成就都会被自动化学科所应用。 控制理论是系统的理论强调从“系统”（整体）的角度来分析、研究和实现各种目标，而不单单是其中的部件的性能。 控制理论具有多学科交叉融合的特征离不开信息技术、电气技术、数学以及被控对象的相关领域知识,2
2、006秋 清华大学自动化系 慕春棣,自动控制理论,4,学习控制论的重要意义,我国著名的控制论专家、宋健院士在第14届IFAC世界大会报告中指出：控制论的理论、概念和方法在计算机技术的支持下，已经远远超越了40年前主要为工业生产和军事装备的服务范围，广泛应用到政治、军事和社会科学的各领域。过去20年来，经济学家们从控制论中得益而获得新成就是有目共睹的事实。原属于控制论科学中的专业概念和术语，如正负反馈、系统分析、非线性系统、系统工程等已被自然科学、社会科学等各学科所接收和采用，往往能在完全不同的学科中引导出令人意外的新发现。经济学家们从控制科学中受益已是众所周知的。很多大学多把控制理论列为所有工
3、科和部分社会科学学生的必修课。宋健院士还指出：近年来，让控制科学家最为兴奋的是，许多政治家和国家领导人开始理解控制论中的理论、概念和方法的重要性，他们很多人在演讲或论文中广泛使用控制论的语言去阐述社会政治问题。当政治家们遇到某些棘手的政治问题时，他们时常寄希望于系统科学家伸出援助之手，即使后者的研究工作从来未涉及到政治问题。这种形势常使控制论和系统科学家们冷暖皆忘，把酒临风，心旷神怡。宋健教授这些精辟论述说明，控制科学与工程学科已经渗透到多个学科，不但在自然科学和工程科学领域，而且在社会科学领域也有广泛的应用，成为多个学科和领域的发展动力。,2006秋 清华大学自动化系 慕春棣,自动控制理论,
4、5,课程基本情况,学时: 64 信息学院五大平台课之一， 自动化专业必 修课，专业基础课 教材：自动控制原理上下册 吴麒主编 参考书: 现代控制工程 绪方胜彦 科学出版社 第三版 2000 自动控制理论基础 戴忠达,1991 控制理论 (日) 藤井隆雄著 卢伯英译 科学出版社,2003 自动控制系统 第 8 版 美Benjamin C. Kuo,汪小帆, 李翔译 高等教育出版社 自动控制原理 国防工业出版社 李友善 有关Matlab的工具书：精通Matlab 6.5版Matlab 6.x符号运算及其应用等（Matlab的工具书很多，校内很多ftp还有相关的电子书资源可以下载） 自动控制理论例题
5、习题集 王诗宓, 杜继宏, 窦曰轩编著 ,清华大学出版社 2002,2006秋 清华大学自动化系 慕春棣,自动控制理论,6,课程基本情况,实验： 模拟实验（控制理论实验室， 中央主楼520） 作业：每章交12次 教员：王诗宓， 慕春棣 (, 62794195, 中央主楼720） 辅导：方晨 （紫151304A 13810223739）王祺 （紫151334A 87010984） 17-18周期末考试（笔试）， 无期中考试,2006秋 清华大学自动化系 慕春棣,自动控制理论,7,关于学习的几点建议, 培养好的学习方法 应用数学工具分析解决工程问题科学思维方法 抽象 综合数学工具(如MATLAB)
6、的使用重视实践活动，积极参加 SRT，各类竞赛活动 关注学术活动 IFAC中国自动化学会专业委员会 IFAC99 北京CDC, ACC, ECC, CCC 阅读学术期刊 ： IEEE Transactions on Automatic Control, Control Systems Technology 自动化学报， 控制理论与应用，系统仿真学报，计算机工程与应用 ,2006秋 清华大学自动化系 慕春棣,自动控制理论,8,控制理论发展的历史,现状及前景,2006秋 清华大学自动化系 慕春棣,自动控制理论,9,经典控制理论,经典控制理论，以单变量控制，随动/调节为主要内容，以微分方程和传递函数
7、为数学模型，所用的方法主要以频率响应法为主。数学工具： 微分方程， 复变函数,2006秋 清华大学自动化系 慕春棣,自动控制理论,10,现代控制理论、后现代控制理论, 现代控制理论 60年代初形成并迅速发展起来的现代控制理论是在航天、航空、导弹等军事尖端技术的发展，对自动控制系统提出越来越高的要求的推动下发展起来的。要求设计高精度、快速响应、低消耗、低代价的控制系统；被控制对象越来越大型、复杂、综合化，从单个局部自动化发展成综合集成自动化 后现代控制理论 80年代以后，控制理论向广度与深度发展大系统，是指规模大，结构复杂变量众多的信息与控制系统。在系统理论中，采用状态方程和代数方程相结合的数学
8、模型，状态空间，运筹学等相结合的数学方法。智能控制 是具有某些仿人智能的工程控制与信息处理系统，其中最典型的是智能机器人， 智能主体等。21世纪 网络、通讯、人机交互为代表的信息自动化 集成的理论与技术。,2006秋 清华大学自动化系 慕春棣,自动控制理论,11,目前的发展趋势,2006秋 清华大学自动化系 慕春棣,自动控制理论,12,我国控制理论的教学,1949. 上海交大 张钟俊 伺服系统 1950 清华大学 钟士模 自动调节原理 5060年代 随动系统，自动调节原理70年代末80年代 现代控制理论，最优控制 ，自适应控制，系统辨识， 随机控制，大系统理论（运筹学），鲁棒控制 90年代 模
9、糊控制， 智能控制，系统集成 新世纪 网络技术，生物信息技术，嵌入式系统信息自动化要求：厚基础 宽口径 学科交叉 科学思维方法 勇于实践和探索,第一章：控制的基本概念,2006秋 清华大学自动化系 慕春棣,自动控制理论,14,一、反馈控制原理,1、负反馈的概念,典型系统框图,2006秋 清华大学自动化系 慕春棣,自动控制理论,15,一、反馈控制原理,2、闭环系统 主要问题 1） 稳定 2） 性能 3、开环系统,2006秋 清华大学自动化系 慕春棣,自动控制理论,16,二、控制系统的基本组成,控制系统组成示意图,2006秋 清华大学自动化系 慕春棣,自动控制理论,17,三、控制系统的分类,从系统
10、实现目标上分：伺服系统 ，恒值系统 从输入输出变量的个数分：SISO ，MIMO 从信号性质分：连续，离散， 混合 从数学描述分：线性，非线性 从控制方式上分：按偏差控制，复合控制，先进控制策略,2006秋 清华大学自动化系 慕春棣,自动控制理论,18,四、控制系统的基本要求,稳定 静态指标 动态指标,品质、性能,第二章：控制系统的数学模型,2006秋 清华大学自动化系 慕春棣,自动控制理论,20,一、控制系统的微分方程描述,1、RLC电路,2006秋 清华大学自动化系 慕春棣,自动控制理论,21,一、控制系统的微分方程描述,1、RLC电路根据电路基本原理有:,2006秋 清华大学自动化系 慕
11、春棣,自动控制理论,22,一、控制系统的微分方程描述,2、质量弹簧阻尼系统,2006秋 清华大学自动化系 慕春棣,自动控制理论,23,一、控制系统的微分方程描述,3、电动机方程,2006秋 清华大学自动化系 慕春棣,自动控制理论,24,一、控制系统的微分方程描述,（）（）得： （）（）（）得：,2006秋 清华大学自动化系 慕春棣,自动控制理论,25,一、控制系统的微分方程描述,整理并定义两个时间常数机电时间常数电磁时间常数电机方程,2006秋 清华大学自动化系 慕春棣,自动控制理论,26,一、控制系统的微分方程描述,2006秋 清华大学自动化系 慕春棣,自动控制理论,27,一、控制系统的微分
12、方程描述,随动系统的例子：（图见教科书自动控制原理上册P20图2.11）,2006秋 清华大学自动化系 慕春棣,自动控制理论,28,一、控制系统的微分方程描述,2006秋 清华大学自动化系 慕春棣,自动控制理论,29,一、控制系统的微分方程描述,整理得：,开环比例系数,解释 跟踪 无差,以上建模叫机理建模,解释 的物理意义， 的量纲,2006秋 清华大学自动化系 慕春棣,自动控制理论,30,二、传递函数,2006秋 清华大学自动化系 慕春棣,自动控制理论,31,二、传递函数,常见函数的Laplace变换,2006秋 清华大学自动化系 慕春棣,自动控制理论,32,二、传递函数,Laplace变换
13、基本定理初值定理终值定理微分定理延迟定理,2006秋 清华大学自动化系 慕春棣,自动控制理论,33,二、传递函数,2006秋 清华大学自动化系 慕春棣,自动控制理论,34,二、传递函数,2006秋 清华大学自动化系 慕春棣,自动控制理论,35,二、传递函数,2006秋 清华大学自动化系 慕春棣,自动控制理论,36,二、传递函数,2006秋 清华大学自动化系 慕春棣,自动控制理论,37,三、框图及其变换,1、框图的几种连接方式,并联,串联,传递函数相乘,传递函数相加,2006秋 清华大学自动化系 慕春棣,自动控制理论,38,三、框图及其变换,1、框图的几种连接方式,反馈,G(s)：主通道的传递函
14、数H(s)：反馈通道的传递函数G(s)H(s)：开环传递函数,同理可得正反馈下：,2006秋 清华大学自动化系 慕春棣,自动控制理论,39,三、框图及其变换,1、框图的几种连接方式,前面随动系统的例子,自己推导出,（1）传递函数 （2）微分方程,2006秋 清华大学自动化系 慕春棣,自动控制理论,40,三、框图及其变换,2、框图变换,2006秋 清华大学自动化系 慕春棣,自动控制理论,41,三、框图及其变换,2、框图变换,2006秋 清华大学自动化系 慕春棣,自动控制理论,42,三、框图及其变换,2、框图变换,2006秋 清华大学自动化系 慕春棣,自动控制理论,43,三、框图及其变换,2、框图
15、变换,2006秋 清华大学自动化系 慕春棣,自动控制理论,44,三、框图及其变换,2、框图变换,2006秋 清华大学自动化系 慕春棣,自动控制理论,45,三、框图及其变换,补充题：,2006秋 清华大学自动化系 慕春棣,自动控制理论,46,四、信号流图,2006秋 清华大学自动化系 慕春棣,自动控制理论,47,四、信号流图,前面补充题1用信号流图表示如下：,2006秋 清华大学自动化系 慕春棣,自动控制理论,48,四、信号流图,2006秋 清华大学自动化系 慕春棣,自动控制理论,49,四、信号流图,2006秋 清华大学自动化系 慕春棣,自动控制理论,50,四、信号流图,补充题2,2006秋 清
16、华大学自动化系 慕春棣,自动控制理论,51,四、信号流图,2006秋 清华大学自动化系 慕春棣,自动控制理论,52,四、信号流图,顺馈的例子,2006秋 清华大学自动化系 慕春棣,自动控制理论,53,课后作业,2.1 a. b. c. (提示：用复数阻抗法)2.4, 2.5a2.46, 2.47补充二题 两种方法解：框图变换法和信号流图法,2006秋 清华大学自动化系 慕春棣,自动控制理论,54,五、控制系统的基本单元,比例,2.惰性（惯性）,T 时间常数,阶跃响应特征指数曲线,2006秋 清华大学自动化系 慕春棣,自动控制理论,55,五、控制系统的基本单元,3.二阶振荡环节,特征方程的根,2
17、006秋 清华大学自动化系 慕春棣,自动控制理论,56,五、控制系统的基本单元,5.延迟环节,6.微分环节,这些环节不能单独存在，只能与其它环节配合使用,4.积分,一阶微分，二阶微分，纯微分,2006秋 清华大学自动化系 慕春棣,自动控制理论,57,六、线性化问题,以放大器为例：在一定范围内输出与输入是线性关系y=kx， 但是当放大器饱和时，y与x就不是线性关系了。 微偏线性化在工作点附近的小邻域内，将y与x之间的关系展成台劳级数,设,2006秋 清华大学自动化系 慕春棣,自动控制理论,58,六、线性化问题,即,这说明y的增量与x的增量之间的关系变成了线性关系,2006秋 清华大学自动化系 慕春棣,自动控制理论,59,六、线性化问题,举例：,2006秋 清华大学自动化系 慕春棣,自动控制理论,60,六、线性化问题,于是：,电流按指数规律下降!,下 课,2006年秋季,
