自动控制原理超详细课件-PPT.ppt

1、先修课程：高数、模电、数电、信号与系统、先修课程：高数、模电、数电、信号与系统、Matlab等等后续对接课程：后续对接课程： PLC原理及应用、毕业设计等原理及应用、毕业设计等常用数学工具：微分方程求解、常用数学工具：微分方程求解、Laplace变换及其反变换、线性代数等变换及其反变换、线性代数等课程目的、特色及其应用：课程目的、特色及其应用：l 帮助大家建立起研发过程中如何分析系统、设计系统及调试系统的思维帮助大家建立起研发过程中如何分析系统、设计系统及调试系统的思维l 提供给大家的是一种理念，一种分析问题、解决问题的思路提供给大家的是一种理念，一种分析问题、解决问题的思路l 通常具备建立数

2、学模型并进行求解的必要流程，对数学有一定的要求通常具备建立数学模型并进行求解的必要流程，对数学有一定的要求l 是一门综合性的课程，存在多种知识的交叉和应用，与其他多门课程的关联度较是一门综合性的课程，存在多种知识的交叉和应用，与其他多门课程的关联度较大大3主要内容主要内容 概述概述 自动控制系统的数学模型自动控制系统的数学模型 线性系统的时域分析法线性系统的时域分析法 根轨迹分析法根轨迹分析法 频率特性法频率特性法 控制系统的校正与设计控制系统的校正与设计 采样控制系统（线性离散系统）分析采样控制系统（线性离散系统）分析41.1 自动控制的基本概念自动控制的基本概念：明确什么叫自动控制，正确理

3、明确什么叫自动控制，正确理解被控对象、控制装置和自控系统等概念。解被控对象、控制装置和自控系统等概念。1.2 控制系统的分类：控制系统的分类：明确系统常用的分类方式，掌握各明确系统常用的分类方式，掌握各类别的含义和信息特征。类别的含义和信息特征。 1.3 自动控制理论的发展：自动控制理论的发展：了解自动控制理论发展的四个了解自动控制理论发展的四个主要阶段。主要阶段。1.4 对控制系统的基本要求：对控制系统的基本要求：明确对自控系统的基本要求，明确对自控系统的基本要求，正确理解三大性能指标的含义。正确理解三大性能指标的含义。5手动控制手动控制人在控制过程中起三个作用： （1）观测：用眼睛去观测温

4、度计和阀门开度的指示值； （2）比较与决策：人脑把观测得到的数据与要求的数据相比较，并进行判断，根据给定的控制规律给出控制量； （3）执行：根据控制量用手具体调节，如调节阀门开度。控制：控制：操纵、节制，使不超出范围或随意活动。水温手动控制系统水温自动控制系统水温自动控制系统系统中增加了：系统中增加了：控制器控制器电机电机加入给定信号加入给定信号工作原理：工作原理：检测实际温度检测实际温度产生控制信号产生控制信号 通过电机调通过电机调节阀门的开度节阀门的开度 从而调节从而调节蒸汽流入，控蒸汽流入，控制水的温度制水的温度. 实现没有人直实现没有人直接参入的自动接参入的自动水温控制水温控制.7 在

5、现代科学技术的众多领域中，自动控制技术起着越来越重要的作用。在现代科学技术的众多领域中，自动控制技术起着越来越重要的作用。如数控车床按预定程序自动切削，人造卫星准确进入预定轨道并回收如数控车床按预定程序自动切削，人造卫星准确进入预定轨道并回收等。等。 除了在工业上广泛应用外，近几十年来，随着计算机技术的发展和应除了在工业上广泛应用外，近几十年来，随着计算机技术的发展和应用，在宇航、机器人控制、导弹制导及核动力等高新技术领域中，自用，在宇航、机器人控制、导弹制导及核动力等高新技术领域中，自动控制技术更具特别重要的作用。不仅如此，自动控制技术的动控制技术更具特别重要的作用。不仅如此，自动控制技术的

6、应用范应用范围现在已扩展到生物、医学、环境、经济管理和其它许多社会生活领围现在已扩展到生物、医学、环境、经济管理和其它许多社会生活领域中域中，特别在化学工业中的应用有传热设备控制，反应器控制，流体，特别在化学工业中的应用有传热设备控制，反应器控制，流体输送设备控制，精馏塔控制等。自动控制已成为现代社会生活中不可输送设备控制，精馏塔控制等。自动控制已成为现代社会生活中不可缺少的一部分。缺少的一部分。8v 自动控制自动控制：就是在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装就是在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（控制装置），使机器、设备或生产过程（被控对象）的某个工作置（控制装置），使机

7、器、设备或生产过程（被控对象）的某个工作状态或参数（被控量）自动地按照预定的规律运行。状态或参数（被控量）自动地按照预定的规律运行。v 自动控制系统自动控制系统：是指能够对被控对象的工作状态进行自动控制的系统。是指能够对被控对象的工作状态进行自动控制的系统。它是它是控制对象以及参与实现其被控制量自动控制的装置或元部件的组控制对象以及参与实现其被控制量自动控制的装置或元部件的组合，合，一般由一般由控制装置控制装置和和被控对象被控对象组成。组成。一般包括三种机构：测量机构、一般包括三种机构：测量机构、比较机构、执行机构。比较机构、执行机构。自动控制系统的功能和组成是多种多样的，其结构有简单也有复杂

8、。它自动控制系统的功能和组成是多种多样的，其结构有简单也有复杂。它可以只控制一个物理量，也可以控制多个物理量甚至一个企业机构的可以只控制一个物理量，也可以控制多个物理量甚至一个企业机构的全部生产和管理过程；它可以是一个具体的工程系统，也可以是比较全部生产和管理过程；它可以是一个具体的工程系统，也可以是比较抽象的抽象的社会系统、生态系统或经济系统社会系统、生态系统或经济系统。9v 控制系统分析控制系统分析：已知系统的结构参数，分析系统的稳定性，求取系：已知系统的结构参数，分析系统的稳定性，求取系统的动态、静态性能指标，并据此评价系统的过程称为控制系统分统的动态、静态性能指标，并据此评价系统的过程

9、称为控制系统分析。析。v 控制系统设计（或综合）：控制系统设计（或综合）：根据被控对象和给定系统的性能指标，根据被控对象和给定系统的性能指标，合理地确定控制装置的结构参数，称为控制系统设计。合理地确定控制装置的结构参数，称为控制系统设计。v 被控量被控量 ：指被控对象中要求保持给定值、按给定规律变化的物理量。指被控对象中要求保持给定值、按给定规律变化的物理量。被控量又称输出量、输出信号被控量又称输出量、输出信号 。v 给定值给定值：系统输出量应达到的数值（例如与要求的炉温对应的电：系统输出量应达到的数值（例如与要求的炉温对应的电压）。压）。v 扰动扰动：是一种对自动控制系统输出量起反作用的信号

10、，如电源电压：是一种对自动控制系统输出量起反作用的信号，如电源电压的波动、环境温度的变化、噪声等。的波动、环境温度的变化、噪声等。10v方框图的概念：为了方便分析系统性能，用方框方框图的概念：为了方便分析系统性能，用方框 图表示系统结构图表示系统结构方框方框 控制装置和被控对象分别用方框表示控制装置和被控对象分别用方框表示信号线信号线 方框的输入和输出以及它们之间的联接用带方框的输入和输出以及它们之间的联接用带箭头的信号线表示箭头的信号线表示输入信号输入信号 进入方框的信号进入方框的信号输出信号输出信号 离开方框的信号离开方框的信号信号线信号线方框方框信号线信号线输入信号输入信号输出信号输出信

11、号11 开环控制是指系统的开环控制是指系统的被控制量（输出量）只受被控制量（输出量）只受控于控制作用，而控于控制作用，而对控制对控制作用不能反施任何影响作用不能反施任何影响的的控制方式。采用开环控制控制方式。采用开环控制的系统称为开环控制系统。的系统称为开环控制系统。优点：结构简单，成本低优点：结构简单，成本低廉，易于实现廉，易于实现缺点：对扰动没有抑制能缺点：对扰动没有抑制能力，控制精度低力，控制精度低v 控制方式控制方式 开环控制开环控制12开环控制系统方框图开环控制系统方框图控制装置控制装置被控对象被控对象输入量输入量输出量输出量（被控制量）（被控制量）输入量：加在电阻丝两端的电输入量：

12、加在电阻丝两端的电压压被控制对象：炉子被控制对象：炉子被控制量（输出量）：炉温被控制量（输出量）：炉温控制装置：开关控制装置：开关K K和电热丝，对和电热丝，对被控制量起控制作用。被控制量起控制作用。13 闭环控制闭环控制闭环控制是指系统的被控制量（输出量）闭环控制是指系统的被控制量（输出量）与控制作用之间存在着与控制作用之间存在着负反馈负反馈的控制的控制方式。方式。采用闭环控制的系统称为闭环采用闭环控制的系统称为闭环控制系统或反馈控制系统。闭环控制控制系统或反馈控制系统。闭环控制是一切生物控制自身运动的基本规律。是一切生物控制自身运动的基本规律。人本身就是一个具有高度复杂控制能人本身就是一个

13、具有高度复杂控制能力的闭环系统。力的闭环系统。优点：具有自动补偿由于系统内部和外优点：具有自动补偿由于系统内部和外部干扰所引起的系统误差（偏差）的部干扰所引起的系统误差（偏差）的能力，因而有效地提高了系统的精度。能力，因而有效地提高了系统的精度。缺点：系统参数应适当选择，否则可能缺点：系统参数应适当选择，否则可能不能正常工作。不能正常工作。14温度计温度计继电器继电器电阻丝电阻丝炉温炉温 输入量输入量（炉温希望值）（炉温希望值） 输出量输出量（炉温实际值）（炉温实际值）扰动扰动15人取书的控制过程人取书的控制过程眼睛眼睛脑脑手手 输入量输入量（书的位置）（书的位置） 输出量输出量（手的位置）（

14、手的位置）16闭环控制系统方框图闭环控制系统方框图17反馈的概念反馈的概念反馈反馈：把输出量送回到系统的输入端并与输入信号比较的把输出量送回到系统的输入端并与输入信号比较的过程过程。若反馈信号是与输入信号相减而使偏差值越来越。若反馈信号是与输入信号相减而使偏差值越来越小，则称为负反馈；反之，则称为正反馈。显然，负反小，则称为负反馈；反之，则称为正反馈。显然，负反馈控制是一个利用偏差进行控制并最后消除偏差的过程，馈控制是一个利用偏差进行控制并最后消除偏差的过程，又称偏差控制。同时，由于有反馈的存在，整个控制过又称偏差控制。同时，由于有反馈的存在，整个控制过程是闭合的，故也称为闭环控制。程是闭合的

15、，故也称为闭环控制。18反馈控制系统方框图反馈控制系统方框图反馈控制系统的组成、名词术语和定义反馈控制系统的组成、名词术语和定义19比较以上两种控制方式比较以上两种控制方式 由于开环控制的特点是控制装置只按照给定的输入信号对由于开环控制的特点是控制装置只按照给定的输入信号对被控制量进行被控制量进行单向控制单向控制，而不对控制量进行测量并反向影，而不对控制量进行测量并反向影响控制作用。这样，当炉温偏离希望值时，开关响控制作用。这样，当炉温偏离希望值时，开关K K的接通或的接通或断开时间不会相应改变。因此，开环控制不具有修正由于断开时间不会相应改变。因此，开环控制不具有修正由于扰动（使被控制量偏离

16、希望值的因素）而出现的被控制量扰动（使被控制量偏离希望值的因素）而出现的被控制量与希望值之间偏差的能力，即抗干扰能力差。与希望值之间偏差的能力，即抗干扰能力差。 在闭环控制中，被控量一般是由测量装置检测并反馈到输在闭环控制中，被控量一般是由测量装置检测并反馈到输入端，然后由比较装置将它与输入信号综合得到偏差（误入端，然后由比较装置将它与输入信号综合得到偏差（误差），有时，测量与综合作用是由一个装置完成的，如水差），有时，测量与综合作用是由一个装置完成的，如水银温度计。由于采用了接触式水银温度计，可以不断对炉银温度计。由于采用了接触式水银温度计，可以不断对炉温进行测量和比较，根据炉温的实际偏差进

17、行控制，提高温进行测量和比较，根据炉温的实际偏差进行控制，提高了控制精度和抗干扰能力。了控制精度和抗干扰能力。20是开环和闭环控制相结合的一种控制方式。它是在闭环是开环和闭环控制相结合的一种控制方式。它是在闭环控制回路的基础上，附加一个输入信号或扰动信号的顺控制回路的基础上，附加一个输入信号或扰动信号的顺馈通路，用来提高系统的控制精度。顺馈通路通常由对馈通路，用来提高系统的控制精度。顺馈通路通常由对输入信号的补偿器或对扰动信号的补偿器组成。输入信号的补偿器或对扰动信号的补偿器组成。优点：具有很高的控制精度，可以抑制几乎所有的可优点：具有很高的控制精度，可以抑制几乎所有的可量测扰动量测扰动缺点缺

18、点: :补偿器的参数要有较高的稳定性补偿器的参数要有较高的稳定性 复合控制复合控制(a) 按输入前馈补偿的复合控制按输入前馈补偿的复合控制给定值给定值被控制量被控制量_受控对象受控对象检测元件检测元件控制器控制器前馈控制前馈控制(b) 按扰动前馈补偿的复合控制按扰动前馈补偿的复合控制检测元件检测元件_前馈控制前馈控制扰动扰动被控制量被控制量给定值给定值受控对象受控对象控制器控制器_23 恒值系统和随动系统（按参考输入形式分类）恒值系统和随动系统（按参考输入形式分类） 恒值系统恒值系统是指参考输入量保持常值的系统。其任是指参考输入量保持常值的系统。其任务是消除或减少扰动信号对系统输出的影响，使被

19、务是消除或减少扰动信号对系统输出的影响，使被控制量（即系统的输出量）保持在给定或希望的数控制量（即系统的输出量）保持在给定或希望的数值上。值上。 随动系统随动系统是指参考输入量随时间任意变化的系是指参考输入量随时间任意变化的系统。其任务是要求输出量以一定的精度和速度跟踪统。其任务是要求输出量以一定的精度和速度跟踪参考输入量，跟踪的速度和精度是随动系统的两项参考输入量，跟踪的速度和精度是随动系统的两项主要性能指标。主要性能指标。集中参数系统集中参数系统变量仅仅是时间的函数。变量仅仅是时间的函数。这类系统建立的动态数学模型通常是微分方程。这类系统建立的动态数学模型通常是微分方程。分布参数系统分布参

20、数系统变量不仅是时间函数，而且还是空间的函数变量不仅是时间函数，而且还是空间的函数。这类系统建立的动态数学。这类系统建立的动态数学模型通常是偏微分方程。如很大的蒸馏罐，温度随空间位置不同是模型通常是偏微分方程。如很大的蒸馏罐，温度随空间位置不同是有梯度变化的。在实际系统中，大多数系统都是分布式参数系统，有梯度变化的。在实际系统中，大多数系统都是分布式参数系统，但由于偏微分方程求解比较困难，因此在一定误差允许范围内，对但由于偏微分方程求解比较困难，因此在一定误差允许范围内，对系统作一个近似，近似为集中参数系统，这样就可以用微分方程进系统作一个近似，近似为集中参数系统，这样就可以用微分方程进行分析

21、。行分析。25线性系统和非线性系统（按照组成系统的元线性系统和非线性系统（按照组成系统的元件特性分类）件特性分类） 线性系统线性系统是指构成系统的所有元件都是线性元件的是指构成系统的所有元件都是线性元件的系统。其动态性能可用线性微分方程描述，系统满足叠系统。其动态性能可用线性微分方程描述，系统满足叠加原理。加原理。非线性系统非线性系统是指构成系统的元件中含有非线性元件是指构成系统的元件中含有非线性元件的系统。其只能用非线性微分方程描述，不满足叠加原的系统。其只能用非线性微分方程描述，不满足叠加原理。同时把可以进行线性化处理的系统或元件特性称为理。同时把可以进行线性化处理的系统或元件特性称为非本

22、质非线性特性。反之，称之为本质非线性，它只能非本质非线性特性。反之，称之为本质非线性，它只能用非线性理论分析研究。用非线性理论分析研究。26（1 1）线性定常系统（本课程的研究重点）线性定常系统（本课程的研究重点）如果描述一个线性系统的微分方程的系数为常数，那么如果描述一个线性系统的微分方程的系数为常数，那么称系统为线性定常系统。称系统为线性定常系统。如如 （2 2）线性时变系统）线性时变系统如果描述一个线性系统的微分方程的系数为时间的如果描述一个线性系统的微分方程的系数为时间的函数，那么称系统为线性时变系统。函数，那么称系统为线性时变系统。如如 )(22233tudtdydtyddtyd)(

23、22233tudtdydtydtdtyd27连续系统和离散系统（按照系统内信号的连续系统和离散系统（按照系统内信号的传递形式分类）传递形式分类） 连续系统连续系统是指系统内各处的信号都是以连续的模是指系统内各处的信号都是以连续的模拟量传递的系统。拟量传递的系统。如果系统内某处或数处信号是以脉冲序列或数码如果系统内某处或数处信号是以脉冲序列或数码形式传递的系统则称为形式传递的系统则称为离散系统离散系统。其脉冲序列可由脉。其脉冲序列可由脉冲信号发生器或振荡器产生，也可用采样开关将连续冲信号发生器或振荡器产生，也可用采样开关将连续信号变成脉冲序列，这类控制系统又称为采样控制系信号变成脉冲序列，这类控

24、制系统又称为采样控制系统或脉冲控制系统。而用数字计算机或数字控制器控统或脉冲控制系统。而用数字计算机或数字控制器控制的系统又称为数字控制系统或计算机控制系统。制的系统又称为数字控制系统或计算机控制系统。28 自动控制理论是研究自动控制共同规律的技术科学。既自动控制理论是研究自动控制共同规律的技术科学。既是一门是一门古老的、已臻成熟的学科古老的、已臻成熟的学科，又是一门正在发展的、具，又是一门正在发展的、具有 强 大 生 命 力 的有 强 大 生 命 力 的 新 兴 学 科新 兴 学 科 。 从。 从 1 8 6 81 8 6 8 年 马 克 斯 威 尔年 马 克 斯 威 尔（J.C.Maxwe

25、llJ.C.Maxwell）提出低阶系统稳定性判据至今一百多年里，）提出低阶系统稳定性判据至今一百多年里，自动控制理论的发展可分为四个主要阶段：自动控制理论的发展可分为四个主要阶段：第一阶段：第一阶段：经典控制理论（或古典控制理论）的产生、发展经典控制理论（或古典控制理论）的产生、发展和成熟；和成熟；第二阶段：第二阶段：现代控制理论的兴起和发展；现代控制理论的兴起和发展；第三阶段：第三阶段：大系统控制兴起和发展阶段；大系统控制兴起和发展阶段；第四阶段：第四阶段：智能控制发展阶段。智能控制发展阶段。29经典控制理论经典控制理论 控制理论的发展初期，是控制理论的发展初期，是以反馈理论为基础以反馈理

26、论为基础的自动调节原理，的自动调节原理，主要用于工业控制。第二次世界大战期间，为了设计和制造飞机及主要用于工业控制。第二次世界大战期间，为了设计和制造飞机及船用自动驾驶仪、火炮定位系统、雷达跟踪系统等基于反馈原理的船用自动驾驶仪、火炮定位系统、雷达跟踪系统等基于反馈原理的军用装备，进一步促进和完善了自动控制理论的发展。军用装备，进一步促进和完善了自动控制理论的发展。1868年，马克斯威尔（年，马克斯威尔（J.C.Maxwell）提出了低阶系统的稳定性代）提出了低阶系统的稳定性代数判据数判据 。1875年和年和18961896年，数学家劳斯（年，数学家劳斯（Routh）和赫尔威茨（）和赫尔威茨（

27、Hurwitz）分）分别独立地提出了高阶系统的稳定性判据，即别独立地提出了高阶系统的稳定性判据，即Routh和和Hurwitz判据。判据。二战期间（二战期间（1938-19451938-1945年）奈奎斯特（年）奈奎斯特（H.NyquistH.Nyquist）提出了频率响应）提出了频率响应理论理论 19481948年，伊万斯（年，伊万斯（W.R.EvansW.R.Evans）提出了根轨迹法。）提出了根轨迹法。至此，控制至此，控制理论发展的第一阶段基本完成，形成了以理论发展的第一阶段基本完成，形成了以频率法频率法和和根轨迹法根轨迹法为主要为主要方法的经典控制理论方法的经典控制理论。30经典控制理

28、论的基本特征经典控制理论的基本特征（1 1）主要用于线性定常系统的研究，即用于常系数线）主要用于线性定常系统的研究，即用于常系数线性性微分方程微分方程 描述的系统的分析与综合；描述的系统的分析与综合；（2 2）只用于单输入，单输出的反馈控制系统；）只用于单输入，单输出的反馈控制系统；（3 3）只讨论系统输入与输出之间的关系，而忽视系统的内部状态，）只讨论系统输入与输出之间的关系，而忽视系统的内部状态， 是一种对系统的外部描述方法。是一种对系统的外部描述方法。 基本方法：根轨迹法，频率法，基本方法：根轨迹法，频率法，PIDPID调节器调节器 （频域）（频域）反馈控制是一种最基本最重要的控制方式，

29、引入反馈信号后，系统反馈控制是一种最基本最重要的控制方式，引入反馈信号后，系统对来自内部和外部干扰的响应变得十分迟钝，从而提高了系统对来自内部和外部干扰的响应变得十分迟钝，从而提高了系统的抗干扰能力和控制精度。与此同时，反馈作用又带来了系统的抗干扰能力和控制精度。与此同时，反馈作用又带来了系统稳定性问题，正是这个曾一度困扰人们的稳定性问题，正是这个曾一度困扰人们的系统稳定性系统稳定性问题激发问题激发了人们对反馈控制系统进行深入研究的热情，推动了自动控制了人们对反馈控制系统进行深入研究的热情，推动了自动控制理论的发展与完善。因此从某种意义上讲，古典控制理论是伴理论的发展与完善。因此从某种意义上讲

30、，古典控制理论是伴随着反馈控制技术的产生和发展而逐渐完善和成熟起来的。随着反馈控制技术的产生和发展而逐渐完善和成熟起来的。31现代控制理论现代控制理论 经典控制理论只经典控制理论只适用于单输入、单输出的线性定常系统适用于单输入、单输出的线性定常系统，只注重系统，只注重系统的外部描述而忽视系统的内部状态。在实际应用中有很大局限性。的外部描述而忽视系统的内部状态。在实际应用中有很大局限性。 随着航天事业和计算机的发展，随着航天事业和计算机的发展，2020世纪世纪6060年代初，在经典控制理论年代初，在经典控制理论的基础上，以的基础上，以线性代数理论线性代数理论和和状态空间分析法状态空间分析法为基础

31、的现代控制理论为基础的现代控制理论迅速发展起来。迅速发展起来。19541954年贝尔曼（年贝尔曼（R.Belman)R.Belman)提出动态规划理论提出动态规划理论19561956年庞特里雅金（年庞特里雅金（L.S.PontryaginL.S.Pontryagin）提出极大值原理）提出极大值原理19601960年卡尔曼（年卡尔曼（R.K.Kalman)R.K.Kalman)提出多变量最优控制和最优滤波理论提出多变量最优控制和最优滤波理论 在数学工具、理论基础和研究方法上不仅能提供系统的外部信息在数学工具、理论基础和研究方法上不仅能提供系统的外部信息（输出量和输入量），而且还能提供（输出量和输

32、入量），而且还能提供系统内部状态变量系统内部状态变量的信息。的信息。它无它无论对线性系统或非线性系统，定常系统或时变系统，单变量系统或多论对线性系统或非线性系统，定常系统或时变系统，单变量系统或多变量系统变量系统，都是一种有效的分析方法。，都是一种有效的分析方法。基本方法：状态方程基本方法：状态方程 （时域）（时域）大系统理论大系统理论 20 20世纪世纪7070年代开始，现代控制理论继续向深度和广度发年代开始，现代控制理论继续向深度和广度发展，出现了一些新的控制方法和理论。如展，出现了一些新的控制方法和理论。如（1 1）现代频域方）现代频域方法法 以传递函数矩阵为数学模型，研究线性定常多变量

33、系统；以传递函数矩阵为数学模型，研究线性定常多变量系统；（2 2）自适应控制理论和方法）自适应控制理论和方法 以系统辨识和参数估计为基础，以系统辨识和参数估计为基础，在实时辨识基础上在线确定最优控制规律；在实时辨识基础上在线确定最优控制规律；（3 3）鲁棒控制）鲁棒控制方法方法 在保证系统稳定性和其它性能基础上，设计不变的鲁在保证系统稳定性和其它性能基础上，设计不变的鲁棒控制器，以处理数学模型的不确定性。棒控制器，以处理数学模型的不确定性。 33 随着控制理论应用范围的扩大，从个别小系统的控制，发随着控制理论应用范围的扩大，从个别小系统的控制，发展到若干个相互关联的子系统组成的大系统进行整体控

34、制，展到若干个相互关联的子系统组成的大系统进行整体控制，从传统的工程控制领域推广到包括经济管理、生物工程、从传统的工程控制领域推广到包括经济管理、生物工程、能源、运输、环境等大型系统以及社会科学领域。能源、运输、环境等大型系统以及社会科学领域。 大系统理论是过程控制与信息处理相结合的系统工程大系统理论是过程控制与信息处理相结合的系统工程理论，具有规模庞大、结构复杂、功能综合、目标多样、理论，具有规模庞大、结构复杂、功能综合、目标多样、因素众多等特点。它是一个多输入、多输出、多干扰、多因素众多等特点。它是一个多输入、多输出、多干扰、多变量的系统。变量的系统。大系统理论目前仍处于发展和开创性阶段。

35、大系统理论目前仍处于发展和开创性阶段。 智能控制智能控制 是近年来新发展起来的一种控制技术，是人工智能在是近年来新发展起来的一种控制技术，是人工智能在控制上的应用。智能控制的概念和原理主要是针对被控对控制上的应用。智能控制的概念和原理主要是针对被控对象、环境、控制目标或任务的复杂性提出来的，它的象、环境、控制目标或任务的复杂性提出来的，它的指导指导思想是依据人的思维方式和处理问题的技巧，解决那些目思想是依据人的思维方式和处理问题的技巧，解决那些目前需要人的智能才能解决的复杂的控制问题。前需要人的智能才能解决的复杂的控制问题。被控对象的被控对象的复杂性体现为复杂性体现为: :模型的不确定性，高度

36、非线性，分布式的传模型的不确定性，高度非线性，分布式的传感器和执行器，动态突变，多时间标度，复杂的信息模式，感器和执行器，动态突变，多时间标度，复杂的信息模式，庞大的数据量，以及严格的特性指标等。庞大的数据量，以及严格的特性指标等。智能控制是驱动智能控制是驱动智能机器自主地实现其目标的过程智能机器自主地实现其目标的过程35 智能控制是从智能控制是从“仿人仿人”的概念出发的。其方法包括迭的概念出发的。其方法包括迭代学习控制、模糊控制、神经网络控制和专家控制等方法。代学习控制、模糊控制、神经网络控制和专家控制等方法。 36对控制系统性能的要求概括为三方面：对控制系统性能的要求概括为三方面：稳，准，

37、快稳，准，快稳定性稳定性 控制系统运行的必要条件，不稳定的系统是不能工作的控制系统运行的必要条件，不稳定的系统是不能工作的动态性能动态性能 系统动态响应的快速性，系统的过渡过程越短越好系统动态响应的快速性，系统的过渡过程越短越好稳态性能稳态性能 过渡过程结束，到达稳态后系统的控制精度的度量过渡过程结束，到达稳态后系统的控制精度的度量y(t)y(t)t t0 0y(t)y(t)t t0 0y(t)y(t)t t0 0y(t)y(t)t t0 0(a)(a)(b)(b)(c)(c)(d)(d)37 稳定性稳定性 系统在受到扰动作用后自动返回原来的平衡状态的能力系统在受到扰动作用后自动返回原来的平衡

38、状态的能力。如果系。如果系统受到扰动作用（系统内或系统外）后，能自动返回到原来的平衡状统受到扰动作用（系统内或系统外）后，能自动返回到原来的平衡状态，则该系统是稳定的。稳定系统的数学特征是其输出量具有非发散态，则该系统是稳定的。稳定系统的数学特征是其输出量具有非发散性；反之，系统是不稳定系统。性；反之，系统是不稳定系统。38 动态性能动态性能 当系统受到外部扰动的影响或者参考输入发生变化时，当系统受到外部扰动的影响或者参考输入发生变化时，被控量会随之发生变化，经过一段时间，被控量恢复到原被控量会随之发生变化，经过一段时间，被控量恢复到原来的平衡状态或到达一个新的给定状态，称这一过程为过来的平衡

39、状态或到达一个新的给定状态，称这一过程为过渡过程渡过程 在时域中，常用在时域中，常用单位阶跃信号单位阶跃信号作用下，作用下，系统输出的超系统输出的超调量调量 p p , ,上升时间上升时间T Tr r ，峰值时间峰值时间T Tp p , ,过渡过程时间（或调过渡过程时间（或调整时间）整时间）T Ts s和和振荡次数振荡次数N N等特征量表示。等特征量表示。39 稳态误差稳态误差 指稳定系统在完成过渡过程后的稳态输出偏离希望指稳定系统在完成过渡过程后的稳态输出偏离希望值的程度。值的程度。开环控制系统的稳态误差通常与系统的增益开环控制系统的稳态误差通常与系统的增益或放大倍数有关，而反馈控制系统（闭

40、环系统）的控制或放大倍数有关，而反馈控制系统（闭环系统）的控制精度主要取决于它的反馈深度。精度主要取决于它的反馈深度。稳态误差越小，系统的稳态误差越小，系统的精度越高精度越高，它由系统的稳态响应反映出来。，它由系统的稳态响应反映出来。401、系统分析、系统分析l 建立数学模型建立数学模型l 分析系统的稳定性，计算系统的性能指标分析系统的稳定性，计算系统的性能指标l 分析参数变化对系统性能的影响分析参数变化对系统性能的影响l 常用的分析方法有时域分析法、频域分析法和根轨迹法等常用的分析方法有时域分析法、频域分析法和根轨迹法等412、系统设计、系统设计42小小 结结明确什么叫自动控制，正确理解被控

41、对象、控制装置和自明确什么叫自动控制，正确理解被控对象、控制装置和自 控系统等概念。控系统等概念。明确系统常用的分类方式，掌握各类别的含义和信息特征明确系统常用的分类方式，掌握各类别的含义和信息特征 明确对自控系统的基本要求，正确理解三大性能指标的含义。明确对自控系统的基本要求，正确理解三大性能指标的含义。了解自动控制理论发展的四个主要阶段。了解自动控制理论发展的四个主要阶段。2.1 2.1 基本概念基本概念：数学模型及常见的系统。数学模型及常见的系统。2.2 2.2 时域模型时域模型 - - 微分方程：微分方程：微分方程的建立及线性化。微分方程的建立及线性化。2.3 2.3 复域模型复域模型

42、 传递函数：传递函数：借助拉氏变换，给出系统传递函借助拉氏变换，给出系统传递函 数。经典控制理论中引用最广泛的一种模型。数。经典控制理论中引用最广泛的一种模型。2.4 2.4 控制系统动态结构图：控制系统动态结构图：掌握动态结构图的建立及化简。掌握动态结构图的建立及化简。44预备知识预备知识 复变函数：复变函数：LaplaceLaplace变换（拉氏变换）变换（拉氏变换）, Z, Z变换变换 常微分方程解法：常微分方程解法：LaplaceLaplace变换和反变换变换和反变换 电路理论电路理论 基本的电子学和力学知识基本的电子学和力学知识 定义：定义：数学模型是描述系统内部物理量（或变量）之间

43、关系的数学表达数学模型是描述系统内部物理量（或变量）之间关系的数学表达式。式。 建立数学模型的目的建立数学模型的目的 是分析和设计控制系统的首要工作（或基础工作）。是分析和设计控制系统的首要工作（或基础工作）。 自控系统的组成可以是电气的、机械的、液压或气动的等等，然而描述自控系统的组成可以是电气的、机械的、液压或气动的等等，然而描述这些系统发展的数学模型却可以是相同的。通过数学模型来研究自控系统，这些系统发展的数学模型却可以是相同的。通过数学模型来研究自控系统，可以摆脱各种不同类型系统的外部特征，研究其内在的共性运动规律。可以摆脱各种不同类型系统的外部特征，研究其内在的共性运动规律。 建立方

44、法建立方法 解析法（机理模型）：解析法（机理模型）：依据系统及元件各变量之间所遵循的物理、化学依据系统及元件各变量之间所遵循的物理、化学定律，列出各变量之间的数学关系式定律，列出各变量之间的数学关系式 实验法（实验建模实验法（实验建模 ）：）：对系统施加典型测试信号（脉冲、阶跃或正弦对系统施加典型测试信号（脉冲、阶跃或正弦信号），记录系统的时间响应曲线或频率响应曲线，从而获得系统的传递信号），记录系统的时间响应曲线或频率响应曲线，从而获得系统的传递函数或频率特性函数或频率特性2.2.1. 2.2.1. 建立系统或元件微分方程的步骤建立系统或元件微分方程的步骤确定输入输出量列写相应微分方程微分方

45、程消去中间变量整理标准形式I.I.确定元件输入量和输出量确定元件输入量和输出量II.II. 根据物理或化学定律，列出元件的原始方根据物理或化学定律，列出元件的原始方程程III.III.在可能条件下，对各元件的原始方程进行在可能条件下，对各元件的原始方程进行适当简化，略去一些次要因素或进行线性适当简化，略去一些次要因素或进行线性化处理化处理IV.IV. 消去中间变量，得到描述元件输入和输出消去中间变量，得到描述元件输入和输出关系的微分方程关系的微分方程V.V.对微分方程进行标准化处理：与输出量相对微分方程进行标准化处理：与输出量相关的各项置于等号左侧，而与输入量相关关的各项置于等号左侧，而与输入

46、量相关的置于等号右边；等号左右各项均按降幂的置于等号右边；等号左右各项均按降幂排列；将各项系数归化为具有一定物理意排列；将各项系数归化为具有一定物理意义的形式义的形式图2-1 建立系统或元件微分方程的 步骤47例例2.1 机械位移系统机械位移系统如图表示一个弹簧质量阻尼器系统。f (t)为一作用在运动部件上 的外加作用力，系统产生的位移为y(t)，运动部件质量用M表示，B为阻尼器的阻尼系数， K为弹簧的弹性系数。要求写出系统在外力f (t)作用下的运动方程式。图2-2 弹簧质量阻尼器系统 选择f (t)为系统的输入，y(t)为系统的输出。 列出原始方程式。根据牛顿第二定律，有： 2221dd)

47、()()(tyMtftftf式中 f 1(t)阻尼器阻力； f 2(t)弹簧力。ttyBtfd)(d)(1在忽略弹簧质量的情况下 )()(2tKytf2.2.2. 微分方程微分方程48f f1 1(t)(t)和和f f2 2(t)(t)为中间变量，消去中间变量，整理得为中间变量，消去中间变量，整理得 )()(d)(dd)(d22tftKyttyBttyM方程两边同时除以方程两边同时除以 K K)(1)(d)(dd)(d22tfKtyttyKBttyKM令令KBTBKMTM2则有则有)(1)(d)(dd)(d222tfKtyttyTttyTBM图2-2 弹簧质量阻尼器系统例例2.22.2 RLC

48、RLC电路电路设回路电流为设回路电流为 , ,由基尔霍夫定律写由基尔霍夫定律写出回路方程为：出回路方程为：( )1( )( )( )1( )( )rcdi tLi tRi tu tdtcu ti t dtc22( )( )( )( )cccrd u tdu tLCRCu tu tdtdt i t i tLRC rut cuti i)()()()(,2222121tutudttduTdttudTTRCTRLTrccc则令确定元件的输入、输出确定元件的输入、输出 InputInput： u ur r(t)(t) Output: u Output: uc c(t)(t)消去中间变量消去中间变量 ，得

49、到描述网，得到描述网络输入输出关系的微分方程为络输入输出关系的微分方程为图2-3 RLC电路系统之间的微分方程式。之间的微分方程式。与流入量与流入量液位高度液位高度，流出量为，流出量为流入量为流入量为如如ioiQHCHQQ该过程为水箱的截面积。建立 为液位高度 ，其中图所示一液位流体系统例例2.3HQ :Output , :Inputi设流体是不可压缩的，应满足物质守恒设流体是不可压缩的，应满足物质守恒定律，可得：定律，可得：oiQQCdtdH1由流量公式得由流量公式得HkpgQo2为为常常数数。对对于于每每一一种种特特定定液液体体，为为流流体体系系数数，为为液液体体密密度度；加加速速度度；为

50、为重重力力显显然然为为节节流流阀阀前前后后的的压压力力，kgp 成正比；H这个压力差与液位 差， 其中则则有有，消消去去中中间间变变量量 oQiQHkdtdHC图2-4 液位流体系统51 具有相同结构微分方程的系统称为相似系统具有相同结构微分方程的系统称为相似系统 例如：例如：R-L-C电路与弹簧电路与弹簧-质量质量-阻尼器系统，虽然这两个系阻尼器系统，虽然这两个系统就系统本质而言完全不同，但其具有相同结构的微分方统就系统本质而言完全不同，但其具有相同结构的微分方程。程。)(1)(d)(dd)(d222tfKtyttyTttyTBM)()()()(,2222121tutudttduTdttud