第一章控系统制的一般概念邹伯敏.

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1、2022-5-30自动控制的一般概念2n1.1 引言引言n1.2 开环控制和闭环控制开环控制和闭环控制n1.3 控制系统分类控制系统分类n1.4 控制系统的组成与对控制系统的控制系统的组成与对控制系统的 基本要求基本要求自动控制的一般概念2022-5-30自动控制的一般概念4自动控制成为一门科学是从自动控制成为一门科学是从1945年发展起来的。年发展起来的。n开始多用于工业：压力、温度、流量、位移、湿度、开始多用于工业：压力、温度、流量、位移、湿度、粘度自动控制粘度自动控制n后来进入军事领域：飞机自动驾驶、火炮自动跟踪、后来进入军事领域：飞机自动驾驶、火炮自动跟踪、导弹、卫星、宇宙飞船自动控制

2、导弹、卫星、宇宙飞船自动控制n目前渗透到更多领域：大系统、交通管理、图书管目前渗透到更多领域：大系统、交通管理、图书管理等理等n生物学系统：生物控制论、波斯顿假肢、人造器官生物学系统：生物控制论、波斯顿假肢、人造器官n经济系统：模拟经济管理过程、经济控制论经济系统：模拟经济管理过程、经济控制论四个阶段四个阶段:2022-5-305十八世纪以后，蒸汽机的使用提出了调速稳定等问题十八世纪以后，蒸汽机的使用提出了调速稳定等问题 1765 1765年，俄国人波尔祖诺夫发明了锅炉水位调节器年，俄国人波尔祖诺夫发明了锅炉水位调节器 17841784年，英国人瓦特发明了蒸汽机离心式调速器，是自动控制领域的年

3、，英国人瓦特发明了蒸汽机离心式调速器，是自动控制领域的第一项重大成果。第一项重大成果。 第一阶段第一阶段. .胚胎萌芽期（胚胎萌芽期（19451945年以前）年以前）十九世纪前半叶，发电机和电动机的使用十九世纪前半叶，发电机和电动机的使用，促进了水利、促进了水利、水电站的遥控和程控以及电压、电流的自动调节技术的发水电站的遥控和程控以及电压、电流的自动调节技术的发展展18681868年，年， 英）英） J. C. J. C. 麦克斯韦（麦克斯韦（“轮调速器轮调速器”论文）提出了用微分方论文）提出了用微分方程描述运动系统的方法。程描述运动系统的方法。18561856年，（英）年，（英）E E。J

4、J。RouthRouth提出了劳斯稳定判据提出了劳斯稳定判据18921892年，（俄）李雅普诺夫发表了年，（俄）李雅普诺夫发表了论运动稳定性的一般问题论运动稳定性的一般问题论文论文18951895年，（德）霍尔维茨提出判别稳定性准则年，（德）霍尔维茨提出判别稳定性准则自动控制的一般概念2022-5-306瓦特的蒸汽机离心式调速器瓦特的蒸汽机离心式调速器自动控制的一般概念2022-5-30719221922年，年，MinorskyMinorsky（迈纳斯基）研制出船舶操纵自动控制器，（迈纳斯基）研制出船舶操纵自动控制器，并证明了从系统的微分方程确定系统的稳定性的方法并证明了从系统的微分方程确定系

5、统的稳定性的方法19321932年，年，NyquistNyquist提出了一种根据系统的开环频率响应提出了一种根据系统的开环频率响应( (对稳对稳态正弦输入态正弦输入) )，确定闭环系统稳定性的方法，确定闭环系统稳定性的方法19341934年，年，HezenHezen提出了用于位置控制系统的伺服机构的概念，提出了用于位置控制系统的伺服机构的概念，讨论了可以精确跟踪变化的输入信号的机电伺服机构。讨论了可以精确跟踪变化的输入信号的机电伺服机构。自动控制的一般概念2022-5-308 至此，已形成完整的自动控制理论体系，至此，已形成完整的自动控制理论体系，这就是以传递函数为基础的反馈控制理论，也这就

6、是以传递函数为基础的反馈控制理论，也即经典控制理论，它主要研究单输入单输、线即经典控制理论，它主要研究单输入单输、线性定常系统的分析和设计问题。性定常系统的分析和设计问题。 第二阶段第二阶段. .经典控制理论时期经典控制理论时期（1940-19601940-1960）19451945年，（美）年，（美）BodeBode发表了发表了 “网络分析与放大器的设计网络分析与放大器的设计”，奠定了控制理论的基础。奠定了控制理论的基础。19481948年，（美）年，（美）EvansEvans提出并完善了根轨迹法。提出并完善了根轨迹法。19481948年，（美）年，（美）N.WienerN.Wiener发表

7、了发表了控制论控制论（关于在动物（关于在动物和机器中控制和通讯的科学），标志着自动控制科学的生和机器中控制和通讯的科学），标志着自动控制科学的生产。产。自动控制的一般概念2022-5-309随着现代应用数学新成果的推出和计算机技术的应随着现代应用数学新成果的推出和计算机技术的应用，为适应空间宇航技术和导弹等技术的发展，自动控用，为适应空间宇航技术和导弹等技术的发展，自动控制理论跨入了一个新阶段制理论跨入了一个新阶段现代控制理论。现代控制理论。 以上这些新概念和新方法标志着现代控制理论以上这些新概念和新方法标志着现代控制理论的诞生。的诞生。现代控制理论主要研究具有高性能、高精现代控制理论主要研究

8、具有高性能、高精度的多变量变参数系统的最优控制问题，主要采用度的多变量变参数系统的最优控制问题，主要采用的方法是以状态为基础的状态空间法。的方法是以状态为基础的状态空间法。 19571957年，美国数学家年，美国数学家R. BellmanR. Bellman提出提出动态规划动态规划，两者为，两者为解决最优控制问题提供了理论工具。解决最优控制问题提供了理论工具。 19561956年，前苏联数学家庞特里亚金，年，前苏联数学家庞特里亚金，“最优过程数学理论最优过程数学理论”，也即最大值原理。，也即最大值原理。 19601960年，年， R. E. KallmanR. E. Kallman提出能控性和

9、能观性两个概念，揭提出能控性和能观性两个概念，揭示了系统的内在属性，并提出了状态空间分析法。示了系统的内在属性，并提出了状态空间分析法。自动控制的一般概念2022-5-3010现代控制理论的迅速发展，形成了多个重要分支：现代控制理论的迅速发展，形成了多个重要分支：(1) (1) 系统辩识、建模与仿真系统辩识、建模与仿真(2) (2) 自适应控制和自校正控制器自适应控制和自校正控制器 (3) (3) 遥测、遥控和遥感遥测、遥控和遥感 (4) (4) 综合自动化综合自动化 (5) (5) 大系统理论的诞生大系统理论的诞生 (6) (6) 模式识别和人工智能模式识别和人工智能 (7) (7) 智能控

10、制的诞生智能控制的诞生 自动控制的一般概念自动控制的一般概念2022-5-3011自动控制研究的内容：自动控制研究的内容：研究对象研究对象 数学工具数学工具 分析方法分析方法局限性局限性经典经典控制控制理论理论单单I/OI/O线性定常线性定常系统系统微分方程，微分方程，传递函数传递函数时域法时域法根轨迹法根轨迹法频域法频域法对复杂多变量对复杂多变量系统、时变和系统、时变和非线性系统无非线性系统无能为力能为力现代现代控制控制理论理论多输入多输入- -多多输出变系输出变系数，非线数，非线性等系统性等系统线性代数、线性代数、矩阵理论矩阵理论状态状态空间法空间法比较繁琐比较繁琐（但由于计（但由于计算机

11、技术的算机技术的 迅速发展，迅速发展，已克服已克服) )自动控制的一般概念2022-5-30122022-5-3013n经典控制理论经典控制理论 以以传递函数传递函数为基为基础研究单输入础研究单输入- -单输单输出一类线性定常控制出一类线性定常控制系统的分析与设计问系统的分析与设计问题。这些理论由于其题。这些理论由于其发展较早，现已成熟。发展较早，现已成熟。 n现代控制理论现代控制理论 以以状态空间法状态空间法为为基础，研究多输入基础，研究多输入- -多输出、时变、非多输出、时变、非线性一类控制系统线性一类控制系统的分析与设计问题。的分析与设计问题。系统具有高精度和系统具有高精度和高效能的特点