《自动控制原理》国家精品课程 浙江工业大学自动化研究所
经典控制理论的孕育
• 1875年，英国劳斯提出代数稳定判据。 • 1895年，德国赫尔维兹提出代数稳定判据。 • 1892年，俄国李雅普诺夫提出稳定性定义 和两个稳定判据。 • 1932年，美国奈奎斯特提出奈氏稳定判据。 • 二战中自动火炮、雷达、飞机以及通讯系 统的控制研究直接推动了经典控制的发展。
开环控制和闭环控制方式各有优缺点,在实际 工程中应根据工程要求及具体情况来决定。如果 事先预知输入量的变化规律,又不存在外部和内部 参数的变化,则采用开环控制较好。如果对系统外 部干扰无法预测,系统内部参数又经常变化,为保证 控制精度,采用闭环控制则更为合适。如果对系统 的性能要求比较高,为了解决闭环控制精度与稳定 性之间的矛盾,可以采用开环控制与闭环控制相结 合的复合控制系统。
空间技术促使现代控制理论的产生
现代控制理论促进了空间技术的发展
• 二次世界大战结束后，各国大力发展空 间技术，经典控制理论不能满足需要， 需要研究新的控制理论。 • 现代控制理论在空间技术取得巨大成功， 促进了空间技术的发展。
现代控制理论在工业过程控制方面遭遇 滑铁卢，促使了智能控制技术的诞生
• 现代控制理论在空间技术取得巨大成功， 但由于工业过程控制中普遍存在的不确定 性和干扰，难以取得预期的效果。模拟人 的控制技术——智能控制，虽然不能实现 精确的控制，但对各种复杂系统能够做到 比较满意的控制。
信号与系统 电路理论 电机与拖动 复变函数、拉普拉斯变换 模拟电子技术
自动控制理论
线性代数
大学物理（力学、热力学）
微积分（含微分方程）
课程学习要面临
• • • • 数学基础宽而深 控制原理抽象 计算复杂且繁琐 绘图困难
计算机数学语言 MATLAB 数值解/解析解（数学运算）
ax bx c d
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经典控制理论的形成
● 1948年，维纳出版《控制论》，形成完整的经 典控制理论，标志控制学科的诞生。 维纳成为控制论的创始人！ ●维纳《控制论》是关于怎样把机械元件和电气元 件组合成稳定的并且具有特定性能的系统的科学。 这门新科学的一个非常突出的特点就是完全不考 虑能量、热量和效率等因素，可是，在其他各门 自然科学中，这些因素是十分重要的。 ● 控制论所讨论的主要问题是一个系统的各个不同 部分之间的相互作用的定性性质，以及整个系统 的总体运 动状态。
中国古代自动化方面的辉煌成就：
• 公元725年，一行、梁令瓒发明有自动报时机构的 水运浑象，其中使用了一个天衡装置，是一个按被 调量偏差调节的自动调节器； • 公元1086-1092年，苏颂和韩公廉建造具有“天衡” 自动调节和自动报时机构的水运仪象台； • 公元l135年，宋代王普记述“莲华漏”上使用浮 子—阀门式机构自动调节漏壶的水位； • 公元1637年，明代的《天工开物》一书中记载有 程序控制思想的提花织机结构图。
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控制理论的内容
二十世纪三项科学革命：控制论、量 子论、相对论 控制论：
经典控制理论 现代控制理论（智能控制理论）
导 读
自动化技术几乎渗透到国民经济的各个领域及社会生活的 各个方面，是当代发展最迅速、应用最广泛、最引人注目 的高科技，是推动新的技术革命和新的产业革命的关键技 术，在某种程度上说，自动化是现代化的同义词。自动控 制原理研究分析、设计自动控制系统的基本方法。
本章主要讲什么内容?
从介绍自动控制的发展历史入手，引出自动控制理论分析、 设计自动控制系统的基本思想，然后介绍自动控制的基本 概念，以及对自动控制系统的基本要求，使读者对自动控 制理论的总的目标有个大致的了解。
飞机导航系统
制导导弹 现代的高新技术 让导弹长上了“眼睛” 和“大脑”，利用负反 馈控制原理去紧紧盯住 目标
2.反馈控制 —— 闭环控制（核心）
闭环控制的定义是有被控制量反馈的控制,其 原理框如图所示。从系统中信号流向看,系统的输 出信号沿反馈通道又回到系统的输入端,构成闭合 通道,故称闭环控制系统,或反馈控制系统。
前/正向通道
反/负向通道
这种控制方式,无论是由于干扰造成,还是由于 结构参数的变化引起被控量出现偏差,系统就利用 偏差去纠正偏差,故这种控制方式为按偏差调节。 闭环控制系统的突出优点是利用偏差来纠正 偏差,使系统达到较高的控制精度。但与开环控制 系统比较,闭环系统的结构比较复杂,构造比较困难。 需要指出的是,由于闭环控制存在反馈信号,利用偏 差进行控制,如果设计得不好Байду номын сангаас将会使系统无法正常 和稳定地工作。另外,控制系统的精度与系统的稳 定性之间也常常存在矛盾。
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经典控制理论(古典控制理论)
以传递函数为基础，研究单输入---单输 出定常控制系统的分析与设计问题：
线性控制系统分析：时域分析、稳定性与 稳态误差分析、根轨迹分析、频域分析。
非线性控制系统分析：相平面分析、描述 函数分析。 （连续控制系统、离散控制系统）
现代控制理论
以状态空间法为基础，研究多输入--多 输出时变、非线性、高精度、高效能控制 系统的分析与设计问题： （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（专家系统、模糊控制、神经 网络、遗传算法）
大脑 （控制器） 手脚 （执行器） 眼睛 （传感器） 控制器 执行装置 测量装置 控制 对象 对象
1.1 自动控制的概念
• 自动控制：是指没有人直接参与的情况下，利 用控制装置（称控制器），使整个生产过程或 工作机械（称被控对象）的某个工作状态或参 数（即被控量）自动地按照预定的规律运行。 • 自动控制系统：能够实现自动控制任务的系统， 由控制器与控制对象组成。
(4)校正装置:为改善系统动态和静态特性而附加 的装置。如果校正装置串联在系统的前向通道中, 称为串联校正装置;如果校正装置接成反馈形式, 称为并联校正装置,又称局部反馈校正。
(5)反馈环节:它用来测量被控量的实际值,并经 过信号处理,转换为与被控制量有一定函数关系, 且与输入信号同一物理量的信号。反馈环节一般 也称为测量变送环节。 (6)给定环节:产生输入控制信号的装置。
自动控制原理
Principles of Automatic Control
电气工程及其自动化
引
控制理论：
言
自动化学科的重要理论基础
研究自动控制共同规律的技术科学
自动控制技术应用
自动控制系统
课程的性质和特点
• 自动控制是一门技术学科，从方法论的角度来 研究系统的建立、分析与设计。 • 《自动控制原理》是本学科的专业基础课，是 自动控制理论的基础课程，该课程与其它课程 的关系如下。
扰动量 输入量 输出量
控制器
控制对象
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• 控制对象：要求实现自动控制的机器、 设备或生产过程。 • 控制器：对控制对象起控制作用的控制 装置总体。 • 输入量：作用于控制系统输入端，并可 使系统具有预定功能或预定输出的物理 量。 • 输出量：位于控制系统输出端，并要求 实现自动控制的物理量。 • 扰动量：破坏系统输入量和输出量之间 预定规律的信号。
（3）.复合控制
补偿器
输入量
扰动 输出量
控制器
控制对象
扰动
补偿器
输入量 输出量
控制器
控制对象
1.3 自动控制系统的组成及术语
典型反馈控制系统的原理如图所示
(1)被控对象:它是控制系统所控制和操纵的对象, 它接受控制量并输出被控制量。
(2)控制器:接收变换和放大后的偏差信号,转换为 对被控对象进行操作的控制信号。 (3)放大变换环节:将偏差信号变换为适合控制器 执行的信号。它根据控制的形式、幅值及功率来 放大变换。
炉温控制系统方框图
+ RP1
R1
R0
ug R0 -ut
+
+ uc
RP2 +
直流电机调 速系统
udo
M
TG
扰动
给定 装置
ug
ue (-) ut
放大器
触发器 控制装置 转速反 馈装置
方框图
晶阐管可 控整流器
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电动机 受控对象
n
关键点：
• • • • • 工作原理 输入输出 被控对象 中间环节 信号传递
控制系统中常用的名词术语
(1)输入信号:泛指对系统的输出量有直接影响的外 界输入信号,既包括控制信号又包括扰动信号。其 中控制信号又称控制量、参考输入、或给定值。 (2)输出信号:是指反馈控制系统中被控制的物理量, 它与输入信号之间有一定的函数关系。 (3)反馈信号:将系统(或环节)的输出信号经变换、 处理送到系统(或环节)的输入端的信号,称为反馈 信号。若此信号是从系统输出端取出送入系统输入 端,这种反馈信号称主反馈信号。而其它称为局部 反馈信号。
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飞球调节器 世界上公认的第一个自动控制系统
• 1788年瓦特发明飞球 调节器，进一步推
调节器轴
动蒸汽机的应用， 促进了工业的发展。
• 推动了社会进步是飞 球调节器公认为第一 个自动控制系统的最 主要原因！
关 汽阀联结器 套环 开 汽轮机轴
图1.1 飞球调节器原理图
没有理论指导使控制技术停滞了一个世纪！ • 飞球调节器有时使蒸汽机速度出现大幅度 振荡。其它自动控制系统也有类似现象。 • 由于当时还没有自控理论，所以不能从理 论上解释这一现象。为了解决这个问题， 盲目探索了大约一个世纪之久。
扰动
测量装置
输出量 按扰动补偿的开环 控制原理方框图
控制器
控制对象
信号由给定值至被控量单向传递。这种控制
较简单,但有较大的缺陷,即对象或控制装置受到干
扰,或工作中特性参数发生变化,会直接影响被控量, 而无法自动补偿。因此,系统的控制精度难以保证。 从另一种意义理解,意味着对受控对象和其它控制 元件的技术要求较高。如数控线切割机进给系统、 包装机等多为开环控制。