1、1任课老师：马宝萍23哈佛大学图书馆馆训哈佛大学图书馆馆训1.现在睡觉的话，会做梦；而现在学习的话，现在睡觉的话，会做梦；而现在学习的话，会让梦实现。会让梦实现。2.我无所事事的度过了今天，是昨天死去的我无所事事的度过了今天，是昨天死去的人们所期望的明天。人们所期望的明天。3.学习不是人生的全部，但学习都征服不了，学习不是人生的全部，但学习都征服不了，那你还能做什么？那你还能做什么？4.今天不想走，明天就要跑了。今天不想走，明天就要跑了。5.此刻睡觉的口水将变成明天流下的泪水。此刻睡觉的口水将变成明天流下的泪水。4第第1章绪论章绪论主要内容主要内容1.1 1.1 引言引言 1.2 1.2 自动
2、控制的基本知识自动控制的基本知识 1.3 1.3 自动控制系统的分类自动控制系统的分类 1.4 1.4 自动控制系统的基本组成自动控制系统的基本组成 1.5 1.5 对控制系统的要求对控制系统的要求 1.6 1.6 自动控制理论的发展概况自动控制理论的发展概况5图1.（a）开发于18世纪80年代的离心调速器对点燃英国工业革命的瓦特蒸汽发动机（b）的成功实现起了关键作用。（图片由Richard Adamek(2019年版权)和剑桥大学提供。）1788年 离心调速器 瓦特1.1 引言引言6波音波音777飞机飞机磁盘驱动器磁盘驱动器7l 在当今时代，自动控制所起的作用越来越重要在当今时代，自动控制所
3、起的作用越来越重要：空间飞行器的导航和控制系统 制造业中的控制系统 工业过程控制系统 通讯系统的控制 自动控制发展的未来方向 航空航天与运输 信息与网络 机器人技术和智能机械 材料及加工这是一个充满机遇和挑战的领域！8 控制论的提出 维纳著控制论，或关于在动物和机器中控制与通讯的科学，1948年出版 维纳(1894-1964)，美国数学家，控制论创始人 可以说，没有控制论的建立和发展，就没有今天这样高度发达的自动化技术。9 钱学森的工程控制论英文版(Engineering Cybernetics)，1954 年出版。工程控制论则被界定为研究控制论这门科学中能够直接用在控制系统工程设计的那些部分
4、.钱学森指出控制论在系统科学体系结构中的定位，为复杂巨系统的建模、分析、运筹和控制问题提供了理论基础和方法论依据。10 如何学好这门课程？1、认真掌握基本原理；2、多看参考书，多做练习题，分析实例；3、利用Matlab软件进行计算机辅助分析。11经典教材 胡寿松主编，自动控制原理自动控制原理，第四版，科学出版社，2019。绪方胜彦著，卢伯英等译，现代控制工程现代控制工程，第四版，电子工业出版社。Richard C.Dorf等著，谢红卫等译，现代控制现代控制系统系统，第八版，高等教育出版社。12推荐阅读 控制论，维纳著.工程控制论，钱学森著.信息爆炸时代的控制关于控制、动力学和系统未来方向的专家
5、小组报告，2019年6月30日13网络资源 国防科学技术大学生自动控制原理精品课程网站jpkc.nudt.edu/zdkz/view.asp?classid=12&id=7814控制：控制：通俗地说，就是使通俗地说，就是使被控对象被控对象按照预按照预定的方式工作定的方式工作151.2.1 1.2.1 自动控制问题的提出自动控制问题的提出 一个简单的水箱液面，因生产和生活需要，希望液面一个简单的水箱液面，因生产和生活需要，希望液面高度高度h 维持恒定。当水的流入量与流出量平衡时，水箱的维持恒定。当水的流入量与流出量平衡时，水箱的液面高度维持在预定的高度上。液面高度维持在预定的高度上。当水的流出当
6、水的流出量增大或流入量量增大或流入量减小，平衡则被减小，平衡则被破坏，液面的高破坏，液面的高度不能自然地维度不能自然地维持恒定。持恒定。水箱水箱流出流出流入流入h16 所谓所谓控制控制就是强制性地改变某些物理量（如上例中就是强制性地改变某些物理量（如上例中的进水量），而使另外某些特定的物理量（如液面高度的进水量），而使另外某些特定的物理量（如液面高度h）维持在某种特定的标准上。）维持在某种特定的标准上。人工控制示意图：人工控制示意图：这 种 人 为这 种 人 为地强制性地改地强制性地改变进水量，而变进水量，而使液面高度维使液面高度维持恒定的过程，持恒定的过程，即是人工控制即是人工控制过程。过程
7、。水箱水箱流出流出流入流入h171.2.2 1.2.2 自动控制的定义及基本职能元件自动控制的定义及基本职能元件 1.1.自动控制的定义自动控制的定义 自动控制就是在没有人直接参与的情况下，利用自动控制就是在没有人直接参与的情况下，利用控控制器制器使被控对象（或过程）的某些物理量（或状态）自使被控对象（或过程）的某些物理量（或状态）自动地按预先给定的规律去运行。动地按预先给定的规律去运行。水水箱箱流出流出流入流入h控制控制器器浮子浮子 当出水与进水的当出水与进水的平衡被破坏时，水箱平衡被破坏时，水箱水位水位下降下降(或上升或上升)，出现偏差。这偏差由出现偏差。这偏差由浮子检测出来，自动浮子检测
8、出来，自动控制器在偏差的作用控制器在偏差的作用下，控制阀门下，控制阀门开开大大(或或关小关小)，对偏差进行修，对偏差进行修正，从而保持液面高正，从而保持液面高度不变。度不变。18 2.2.自动控制的基本职能元件自动控制的基本职能元件 自动控制的实现自动控制的实现,实际上是由自动控制装置来代替人实际上是由自动控制装置来代替人的基本功能，从而实现自动控制的。画出以上人工控制的基本功能，从而实现自动控制的。画出以上人工控制与自动控制的功能方框图进行对照。与自动控制的功能方框图进行对照。水箱水箱流出流出流入流入h水箱水箱流出流出流入流入h控制器控制器浮子浮子 眼睛眼睛 浮子浮子 大脑大脑 自动控制器自
9、动控制器 肌肉、手肌肉、手 执行元件执行元件19 比较两图可以看出，自动控制实现人工控制的功能，比较两图可以看出，自动控制实现人工控制的功能，存在必不可少的三种代替人的职能的基本元件：存在必不可少的三种代替人的职能的基本元件：气气 动动阀阀 门门希望液位希望液位实际液位实际液位浮浮 子子控制器控制器水水 箱箱肌肉和肌肉和阀门阀门希望液位希望液位实际液位实际液位大大 脑脑水水 箱箱眼眼 睛睛20执执 行行元元 件件参考输入参考输入输出输出测量变测量变送元件送元件控制器控制器对对 象象扰动输入扰动输入 测量元件与变送器（代替眼睛）；测量元件与变送器（代替眼睛）；自动控制器（代替大脑）；自动控制器（
10、代替大脑）；执行元件（代替肌肉、手）。执行元件（代替肌肉、手）。这些基本元件与被控对象相连接，一起构成一个自这些基本元件与被控对象相连接，一起构成一个自动控制系统。下图是典型控制系统方框图动控制系统。下图是典型控制系统方框图。211.2.3 1.2.3 自动控制中的一些术语及方框图自动控制中的一些术语及方框图 1.1.常用术语常用术语 控制（被控）对象控制（被控）对象被控制的被控制的设备设备或或过程过程（如水箱）；（如水箱）；被控量被控量c(y)表征设备或过程运行情况或状态，表征设备或过程运行情况或状态，并需要严格加以并需要严格加以控制的物理量，也可称为系统的输出。（如液位）控制的物理量，也可
11、称为系统的输出。（如液位）给定值（参考输入）给定值（参考输入）r 被控量应保持的期望值；（被控量应保持的期望值；（如液位高度如液位高度）控制量（操作量）控制量（操作量）u 能够引起被控量变化，并且被用作调节手段能够引起被控量变化，并且被用作调节手段的参数；（如阀门开度）的参数；（如阀门开度）扰动扰动d 引起被控量变化的因素，包括内扰、外扰；（引起被控量变化的因素，包括内扰、外扰；（如用水量如用水量）偏差偏差e 是对象受到扰动后，被控量与给定值之间的差值；是对象受到扰动后，被控量与给定值之间的差值；22 使对象的被控量等于给定值，使对象的被控量等于给定值，c(t)=r(t)232.2.系统方框图
12、系统方框图执执 行器行器参考参考输入输入输出输出测量变测量变送元件送元件控制器控制器对对 象象扰动输入扰动输入24控制器设定温度Td(t)室内温度T(t)比较器室内温度测量空调压缩机例例1：空调控制系统：空调控制系统25例例2：汽车方向控制系统：汽车方向控制系统26控制器驾车人汽车实际方向比较器视觉测量偏差方向盘预期方向汽车方向控制系统原理图汽车方向控制系统原理图273.3.反馈与反馈控制的概念反馈与反馈控制的概念 反馈反馈 系统的输出经过测量、变送元件送回系统系统的输出经过测量、变送元件送回系统的输入端，这一过程称为反馈。若反馈信号与给的输入端，这一过程称为反馈。若反馈信号与给定值信号极性相
13、反，则称为定值信号极性相反，则称为负反馈负反馈；若极性相同，；若极性相同，则称为则称为正反馈正反馈。由前向通道、反馈通道形成一个闭合回路，称为由前向通道、反馈通道形成一个闭合回路，称为闭环控制系统。由于具有反馈，也称闭环控制系统。由于具有反馈，也称“反馈控制反馈控制系统系统”。反馈控制是自动控制系统最基本的控制方式，也反馈控制是自动控制系统最基本的控制方式，也是应用最广泛的一种控制系统。是应用最广泛的一种控制系统。28常用的自动控制系统分类方法包括：常用的自动控制系统分类方法包括：按信号的传递路径来分按信号的传递路径来分 按系统输入信号的变化规律不同来分按系统输入信号的变化规律不同来分 按系统
14、传输信号的性质来分按系统传输信号的性质来分 按描述系统的数学模型不同来分按描述系统的数学模型不同来分 其它分类方法其它分类方法291.3.1 按信号的传递路径分类按信号的传递路径分类1 1开环控制系统开环控制系统 定义：定义：指系统的输出端与输入端不存在反馈回指系统的输出端与输入端不存在反馈回路，输出量对系统的控制作用不发生影响的系路，输出量对系统的控制作用不发生影响的系统。如工业上使用的统。如工业上使用的数字程序控制机床数字程序控制机床：图纸图纸位移位移程序程序指令指令放大器放大器执行执行机构机构微型微型计算机计算机切削切削刀具刀具工作工作机床机床30M功率功率放大器放大器电动机电动机负载负
15、载电电位位器器 直流电动机转速控制系统直流电动机转速控制系统电动机电动机转速转速滑臂位置滑臂位置功率功率放大器放大器电位器电位器31电风扇的控制电机电机（执行机构）（执行机构）风扇叶片风扇叶片（控制对象）（控制对象）开关或程开关或程序控制器序控制器控制电压控制电压32l开环控制的特点：开环控制的特点：（1）结构简单，成本低，调整方便；）结构简单，成本低，调整方便；（2）在系统方框图中，作用信号是单方向传递的）在系统方框图中，作用信号是单方向传递的 （3）控制器无法克服扰动，自动修正偏差；）控制器无法克服扰动，自动修正偏差；开环控制适用于：开环控制适用于：输入输入-输出关系已知，且系统不存在干扰
16、（或扰动微输出关系已知，且系统不存在干扰（或扰动微弱）的场合。弱）的场合。332 2闭环控制系统闭环控制系统 定义：定义：系统中存在信号的闭合回路，或者输入系统中存在信号的闭合回路，或者输入端与输出端之间存在反馈的系统，称为端与输出端之间存在反馈的系统，称为闭环控闭环控制系统制系统或或反馈控制系统反馈控制系统。测量元件测量元件图纸图纸位移位移放大放大器器执行执行机构机构微型微型计算计算机机切削切削刀具刀具工作工作机床机床微型计算机控制机床（闭环系统）微型计算机控制机床（闭环系统）34电动机电动机转速转速给定给定位置位置功率功率放大器放大器电位器电位器+-负载负载扰动扰动测速发动机测速发动机uf
17、ureuaM功率功率放大器放大器电动机电动机负载负载电电位位器器F测速发动机测速发动机 直流电动机转速闭环控制直流电动机转速闭环控制35 闭环控制的优点：闭环控制的优点：基于基于偏差偏差的控制，可以抑制任何内、的控制，可以抑制任何内、外扰动对控制量的影响，控制精度较高。外扰动对控制量的影响，控制精度较高。闭环控制的缺点：闭环控制的缺点：（1 1）结构复杂，成本较高；）结构复杂，成本较高；（2 2）只有在偏差出现后才产生控制作用）只有在偏差出现后才产生控制作用363 3复合控制系统复合控制系统 复合控制是闭环控制和开环控制相结合的复合控制是闭环控制和开环控制相结合的一种方式。它是在闭环控制等基础
18、上增加一个一种方式。它是在闭环控制等基础上增加一个干扰信号的补偿控制，以提高控制系统的抗干干扰信号的补偿控制，以提高控制系统的抗干扰能力。扰能力。控制器控制器被控对象被控对象补偿装置补偿装置输入输入输出输出+-+扰动扰动37 增加干扰信号的补偿控制作用，可以在增加干扰信号的补偿控制作用，可以在干扰对被控量产生不利影响的同时及时提供干扰对被控量产生不利影响的同时及时提供控制作用以抵消此不利影响。控制作用以抵消此不利影响。纯闭环控制则要等待该不利影响反映到纯闭环控制则要等待该不利影响反映到被控信号之后才引起控制作用，对干扰的反被控信号之后才引起控制作用，对干扰的反应较慢。两者的结合既能得到高精度控
19、制，应较慢。两者的结合既能得到高精度控制，又能提高抗干扰能力。又能提高抗干扰能力。381.3.2 1.3.2 按给定信号分类按给定信号分类 1、恒值控制系统、恒值控制系统 输入信号是一个恒定的数值。恒值控制系统主输入信号是一个恒定的数值。恒值控制系统主要研究各种干扰对系统输出的影响以及如何克服这要研究各种干扰对系统输出的影响以及如何克服这些干扰，把输入、输出量尽量保持在希望数值上。些干扰，把输入、输出量尽量保持在希望数值上。（例如：（例如：液位控制液位控制，电机转速控制电机转速控制）c(t)=r(t)=const.2、程序控制系统、程序控制系统 输入信号是一个已知的时间函数，系统的控制输入信号
20、是一个已知的时间函数，系统的控制过程按预定的程序进行，要求被控量能迅速准确地过程按预定的程序进行，要求被控量能迅速准确地复现。（例如：复现。（例如：数控机床加工系统数控机床加工系统）恒值控制系统也可看作是程序控制系统的特例。恒值控制系统也可看作是程序控制系统的特例。c(t)=r(t)，r(t)为已知时间函数。为已知时间函数。393、随动控制系统（或称伺服系统）、随动控制系统（或称伺服系统）这类系统的特点是输入信号是一个未知这类系统的特点是输入信号是一个未知函数，要求输出量跟随给定量变化，也称为跟函数，要求输出量跟随给定量变化，也称为跟踪控制。踪控制。(例如：例如：火炮自动跟踪系统火炮自动跟踪系
21、统，显示记录仪显示记录仪，跟踪卫星的雷达天线控制系统等跟踪卫星的雷达天线控制系统等）c(t)=r(t)，r(t)为未知时间函数。为未知时间函数。401.3.3 1.3.3 按描述系统的数学模型分类按描述系统的数学模型分类1、线性系统、线性系统 由线性元件构成的系统叫线性系统。其运动由线性元件构成的系统叫线性系统。其运动方程为线性微分方程。若各项系数为常数，则称方程为线性微分方程。若各项系数为常数，则称为线性定常系统。其运动方程一般形式为为线性定常系统。其运动方程一般形式为:式中：式中：u(t)系统的输入量；系统的输入量；y(t)系统的输出量。系统的输出量。()(1)()(1)1111nnnnn
22、nonnyaya y ay bubub u bu 主要特点：具有主要特点：具有叠加性叠加性和和齐次性齐次性，即当系统的输入，即当系统的输入分别为分别为r1(t)和和r2(t)时，对应的输出分别为时，对应的输出分别为c1(t)和和c2(t)，则当输入为则当输入为r(t)=a1r1(t)+a2r2(t)时，输出量为时，输出量为c(t)=a1c1(t)+a2c2(t),其中为其中为a1、a2为常系数。为常系数。412 2、非线性系统、非线性系统 在构成系统的环节中有一个或一个以上的非线性在构成系统的环节中有一个或一个以上的非线性环节时，则称此系统为环节时，则称此系统为非线性系统非线性系统。典型的非线
23、性特性有饱和特性、死区特性、间隙典型的非线性特性有饱和特性、死区特性、间隙特性、继电特性、磁滞特性等。如图特性、继电特性、磁滞特性等。如图1-161-16所示。所示。非线性特性可分为：非本质非线性和本质非线性非线性特性可分为：非本质非线性和本质非线性两大类。两大类。42图1-16 非线性元件静特性举例 43 严格来说，任何物理系统的特性都是非线性的。但为了研究问题的方便，许多系统在一定的条件下，一定的范围内，可以近似地看成为线性系统来加以分析研究，其误差往往在工业生产允许的范围之内。非线性的理论研究远不如线性系统那么完整和成熟，一般只能近似的定性描述和数值计算。441.3.4 1.3.4 按信
24、号传递的连续性划分按信号传递的连续性划分 1.连续系统连续系统 系统各部分的信号都是时间变量的连续函数时，称为系统各部分的信号都是时间变量的连续函数时，称为连续系统，其运动状态或特性一般能用连续系统，其运动状态或特性一般能用微分方程微分方程来描述。来描述。连续系统中各元件传输的信息在工程上称为连续系统中各元件传输的信息在工程上称为模拟量模拟量，其输入输出一般用其输入输出一般用r(t)和和c(t)表示。表示。采用常规控制仪表的系统就属于这一类型。采用常规控制仪表的系统就属于这一类型。r(t)t 0c(t)t 0452.离散系统离散系统 当系统中应用了当系统中应用了数字计算机数字计算机或或数字控制
25、器数字控制器时，系统的时，系统的某处或几处的信号以脉冲序列或数码的形式传递，这类某处或几处的信号以脉冲序列或数码的形式传递，这类系统称为离散系统。系统称为离散系统。离散系统的运动状态一般用离散系统的运动状态一般用差分方程差分方程描述。描述。实际物理系统中，往往是控制上的需要，人为地将实际物理系统中，往往是控制上的需要，人为地将连续信号离散化，我们称其为连续信号离散化，我们称其为采样采样。c(t)t 0c(t)c*(t)c*(t)t 046输出输出输入输入+A/D计算计算机机D/A放大器放大器执行器执行器被控被控对象对象反馈反馈装置装置图图1-19 计算机控制系统结构图计算机控制系统结构图 数字
26、控制器数字控制器471.3.5 1.3.5 其它分类方法其它分类方法 自动控制系统还有其他的分类方法自动控制系统还有其他的分类方法:(1)按系统的输入按系统的输入/输出信号的数量来分输出信号的数量来分:有单输入有单输入/单单输出系统和多输入输出系统和多输入/多输出系统。多输出系统。(2)按控制系统的功能来分：有温度控制系统、速度按控制系统的功能来分：有温度控制系统、速度控制系统、位置控制系统等。控制系统、位置控制系统等。(3)按系统元件组成来分：有机电系统、液压系统、按系统元件组成来分：有机电系统、液压系统、生物系统。生物系统。(4)按不同的控制理论分支设计的新型控制系统来分，按不同的控制理论
27、分支设计的新型控制系统来分，有最优控制系统，自适应控制系统，预测控制系统，有最优控制系统，自适应控制系统，预测控制系统，模糊控制系统，神经网络控制系统等等。模糊控制系统，神经网络控制系统等等。48 一个典型的反馈控制系统总是由控制对象和各种结构不同的一个典型的反馈控制系统总是由控制对象和各种结构不同的职能元件组成的。除控制对象外，其他各部分可统称为控制装置。职能元件组成的。除控制对象外，其他各部分可统称为控制装置。输输出出输输入入放大放大元件元件+-测量变送测量变送元件元件给定给定元件元件执行执行元件元件串联串联校正校正元件元件+-对对象象反馈校正反馈校正元件元件49其职能是给出与期望的输出相
28、对应的系统输入其职能是给出与期望的输出相对应的系统输入量，是一类产生系统控制指令的装置。量，是一类产生系统控制指令的装置。其职能是检测被控量，如果测出的物理量属于其职能是检测被控量，如果测出的物理量属于非电量，大多情况下要把它转换成电量，以便利用电的手段加非电量，大多情况下要把它转换成电量，以便利用电的手段加以处理。以处理。其职能是把测量元件检测到的实际输出值与给其职能是把测量元件检测到的实际输出值与给定元件给出的输入值进行比较，求出它们之间的偏差。定元件给出的输入值进行比较，求出它们之间的偏差。50 其职能是将过于微弱的偏差信号加以放大，以其职能是将过于微弱的偏差信号加以放大，以足够的功率来
29、推动执行机构或被控对象。足够的功率来推动执行机构或被控对象。其职能是直接推动被控对象，使其被控量发生其职能是直接推动被控对象，使其被控量发生变化。变化。为改善或提高系统的性能，在系统基本结构基为改善或提高系统的性能，在系统基本结构基础上附加参数可灵活调整的元件。工程上称为调节器。常用串础上附加参数可灵活调整的元件。工程上称为调节器。常用串联或反馈的方式连接在系统中。联或反馈的方式连接在系统中。511.5 对控制系统的基本要求对控制系统的基本要求 当自动控制系统受到当自动控制系统受到干扰干扰或者或者给定值变化给定值变化时，被控量就会发生变化，偏离给定值。通时，被控量就会发生变化，偏离给定值。通过
30、系统的自动控制作用，经过一定的过系统的自动控制作用，经过一定的过渡过过渡过程程，被控量又恢复到原来的稳定值或者稳定，被控量又恢复到原来的稳定值或者稳定到一个新的给定值。到一个新的给定值。被控量在变化过程中的过渡过程称为被控量在变化过程中的过渡过程称为动态动态过程过程（即随时间而变的过程），被控量处于（即随时间而变的过程），被控量处于平衡状态称为平衡状态称为静态静态或或稳态稳态。52 常见的被控量变化的动态过程有以下几种。常见的被控量变化的动态过程有以下几种。(a)单调过程单调过程(b)衰减振荡过程衰减振荡过程(c)等幅振荡过程等幅振荡过程(d)渐扩振荡过程渐扩振荡过程53 综上所述，对于一个自
31、动控制的性能要求综上所述，对于一个自动控制的性能要求可以概括为三方面：可以概括为三方面：稳定性，快速性和准确性。(1)稳定性。自动控制系统的最基本的要求稳定性。自动控制系统的最基本的要求是系统必须是稳定的，不稳定的控制系统是不是系统必须是稳定的，不稳定的控制系统是不能工作的。能工作的。通常要求系统绝对稳定且有一定的稳定裕通常要求系统绝对稳定且有一定的稳定裕量。量。1.5.1 1.5.1 对系统的要求对系统的要求54 551.5.2 1.5.2 控制系统的分析和设计控制系统的分析和设计 系统分析与设计是自动控制理论中两大类型问题，是系统分析与设计是自动控制理论中两大类型问题，是两个互逆的研究过程
32、。两个互逆的研究过程。1.系统分析系统分析 建立系统的数学模型；建立系统的数学模型；分析系统的性能，分析系统的性能，包括稳态性能和动态性能；包括稳态性能和动态性能；分析某个参数变化时对上述性能指标的影响，决定分析某个参数变化时对上述性能指标的影响，决定如何合理地选取等。如何合理地选取等。2.2.系统的设计系统的设计 系统设计的目的，是要给出一个能够实现所要求性能系统设计的目的，是要给出一个能够实现所要求性能的的校正装置校正装置或或控制器控制器。561.1.6 6 自动控制理论的发展概况自动控制理论的发展概况 自动控制技术的萌芽：自动控制技术的萌芽：公元前公元前300年年 浮子控制器浮子控制器
33、希腊人希腊人 1788年年 离心调速器离心调速器 瓦特瓦特57经典控制理论经典控制理论20世纪30年代 40年代 60年代 70年代 21世纪20世纪30年代 40年代 60年代 70年代 21世纪现代控制理论现代控制理论大系统理论大系统理论智能控制理论智能控制理论控制理论发展的三个阶段控制理论发展的三个阶段58(一一)经典控制理论阶段经典控制理论阶段59末趋于成熟末趋于成熟 1927年年 布莱克布莱克 负反馈负反馈 1932年年 柰奎斯特（柰奎斯特（Nyquist）频域稳定性判据频域稳定性判据 1940年年 波德波德(H.Bode)Bode图分析法图分析法 1948年年 伊文斯（伊文斯（W.
34、Evans）根轨迹法根轨迹法6061 (二二)现代控制理论阶段现代控制理论阶段 1957年年 贝尔曼贝尔曼(R.Bellman)动态规划动态规划 1960年年 庞特里雅金庞特里雅金(L.S.Pontryagin)极大值原理极大值原理 1960年年 卡尔曼（卡尔曼（R.E.Kalman）卡尔曼滤波器卡尔曼滤波器 状态空间方法属于状态空间方法属于时域时域方法，其核心是最优化方法，其核心是最优化技术。它以技术。它以状态空间表达式状态空间表达式（实质上是一阶微分或差（实质上是一阶微分或差分方程组）作为数学模型，利用分方程组）作为数学模型，利用计算机计算机作为系统建模作为系统建模分析、设计乃至控制的手段
35、，适应于多变量、非线性、分析、设计乃至控制的手段，适应于多变量、非线性、时变系统。时变系统。62 20世纪世纪70年代开始，出现了一些年代开始，出现了一些新的控制方新的控制方法和理论法和理论，例如，例如 （1）现代频域方法，该方法以传递函数矩阵为数）现代频域方法，该方法以传递函数矩阵为数学模型，研究线性、定常、多变量系统；学模型，研究线性、定常、多变量系统；（2）自适应控制理论和方法，该方法以系统辨识）自适应控制理论和方法，该方法以系统辨识和参数估计为基础，处理被控对象不确定和缓时变，和参数估计为基础，处理被控对象不确定和缓时变，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
36、优控制规律；（3）鲁棒控制方法，该方法在保证系统稳定性和）鲁棒控制方法，该方法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；数学模型的不确定性；(三三)大系统控制理论阶段大系统控制理论阶段63 （4）预测控制，该方法为一种计算机控制算法，）预测控制，该方法为一种计算机控制算法，在预测模型的基础上采用滚动优化和反馈校正，可在预测模型的基础上采用滚动优化和反馈校正，可以处理多变量系统。以处理多变量系统。随着控制理论应用范围的扩大，人们开始了对随着控制理论应用范围的扩大，人们开始了对大系统理论的研究。大系统理论的研究。大
37、系统理论大系统理论是过程控制与信息处理相结合的综是过程控制与信息处理相结合的综合自动化理论基础，是动态的系统工程理论，具有合自动化理论基础，是动态的系统工程理论，具有规模庞大、结构复杂、功能综合、目标多样、因素规模庞大、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、众多等特点。它是一个多输入、多输出、多干扰、多变量的系统。多变量的系统。大系统理论目前仍处于发展和开创性阶段大系统理论目前仍处于发展和开创性阶段。64 指导思想：指导思想：是依据人的思维方式和处理问题的技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巧，解决那些目前需要人的智能
38、才能解决的复杂复杂的控制问题。的控制问题。被控对象的复杂性被控对象的复杂性:模型的不确定性模型的不确定性 高度非线性高度非线性 分布式的传感器和执行分布式的传感器和执行 庞大的数据量庞大的数据量 严格的特性指标严格的特性指标 环境的复杂性环境的复杂性：变化的不确定性和难以辨识：变化的不确定性和难以辨识 智能控制的方法包括模糊控制，神经元网络控智能控制的方法包括模糊控制，神经元网络控制，专家控制等方法。制，专家控制等方法。(四四)智能控制阶段智能控制阶段65 本章首先介绍了什么是自动控制，介绍了自动本章首先介绍了什么是自动控制，介绍了自动控制理论中常用的术语：被控对象，参考输入控制理论中常用的术
39、语：被控对象，参考输入信号（给定值信号），扰动、偏差信号、被控信号（给定值信号），扰动、偏差信号、被控量、控制量和自动控制系统等。量、控制量和自动控制系统等。本章介绍了自动控制系统的组成及其方框图。本章介绍了自动控制系统的组成及其方框图。说明什么是开环控制系统和闭环控制系统，并说明什么是开环控制系统和闭环控制系统，并指出实际生产过程的自动控制系统，绝大多数指出实际生产过程的自动控制系统，绝大多数是是闭环控制系统闭环控制系统，也就是，也就是负反馈控制系统负反馈控制系统。本。本章还介绍了自动控制系统的若干分类方法。章还介绍了自动控制系统的若干分类方法。66 本章介绍了对自动控制系统的性能要求，即稳
40、本章介绍了对自动控制系统的性能要求，即稳定性、快速性和准确性。一个自动控制系统的定性、快速性和准确性。一个自动控制系统的最基本要求是稳定性，然后进一步要求快速性最基本要求是稳定性，然后进一步要求快速性和准确性，当后两者存在矛盾时，设计自动控和准确性，当后两者存在矛盾时，设计自动控制系统要兼顾两方面的要求。制系统要兼顾两方面的要求。本章最后一节介绍了自动控制理论发展的四个本章最后一节介绍了自动控制理论发展的四个阶段，即经典控制理论，现代控制理论，大系阶段，即经典控制理论，现代控制理论，大系统理论和智能控制理论阶段。统理论和智能控制理论阶段。67南京师范大学信息化教学网jxw.njnu.edu/webapps/login/视频资料：自动控制发展的历程 哈尔滨工业大学 王广雄教授56/u11/v_MjkwNjQ4Nzc.html
