中科大自動控制理論845考研必看

1、自動控制原理教材：現(xiàn)代控制系統(tǒng) 謝紅衛(wèi) 對于我們每個人來說，最重要和最有成效的學習方法是，重新發(fā)現(xiàn)和創(chuàng)新前人已有的答案和方法。 教學的最佳境界則是，向?qū)W生提供方法、技能、案例和機會， 由學生自己去尋求答案。 這樣，他們就可以自豪地說，他們所學到的知識都是自己所發(fā)現(xiàn)的。 第一講：控制系統(tǒng)導論（2-3 學時）、控制系統(tǒng)導論 、課程及教學安排 、控制歷史回顧與啟示 導論導論-控制系統(tǒng)概要控制系統(tǒng)概要 控制系統(tǒng)是能夠提供預期響應(yīng)的系統(tǒng)。通俗地說，控制就是使被控對象按照我們預定的方式工作。 人類的支配欲無限，因此，被控對象有多種多樣，如， 工程技術(shù)對象，簡單如家電，復雜如工業(yè)自動化、精確制導、航天等 社

2、會系統(tǒng)和經(jīng)濟系統(tǒng) 生態(tài)系統(tǒng)和生物系統(tǒng)被控對象輸入輸出圖1. 被控對象 控制：控制：通俗地說，通俗地說，控制控制就是就是使使被被控對象控對象按照我們預定的方式工作按照我們預定的方式工作被控對象:有什么共同的特點？導論導論-控制系統(tǒng)概要控制系統(tǒng)概要被控對象:數(shù)學上怎么來描述？被控對象 ,x ts tx tv tx ta t位置 速度 加速度 ,22dttxdtxdttdxtxtx 微分描述變化：導論導論-控制系統(tǒng)概要控制系統(tǒng)概要被控對象的基本描述：微分方程被控被控對象對象, , , , ,0fy y yr r r 輸出y(t)輸入r(t)導論導論-控制系統(tǒng)概要控制系統(tǒng)概要求解微分方程，是整個控制理

3、論的數(shù)學基礎(chǔ)（1）（2）（3） vtx atx 03 txtx 勻速運動勻速運動勻加速運動勻加速運動一般運動一般運動導論導論-控制系統(tǒng)概要控制系統(tǒng)概要導論導論-控制系統(tǒng)概要控制系統(tǒng)概要 變化的被控對象多種多樣，這導致了控制理論應(yīng)用的廣泛性，甚至出現(xiàn)了具有哲學意義的控制論。 例如： 錢老提倡的新三論（控制論、系統(tǒng)論、信息論） 管理中體現(xiàn)的控制論原理，等等 結(jié)論：學習本課程益處多多!導論導論-控制系統(tǒng)概要控制系統(tǒng)概要 但是！ 只有恰當?shù)貙嵤┝丝刂?，才能得到預期的響應(yīng)。這是控制系統(tǒng)的核心和難點，也是本課程的主要內(nèi)容。導論導論-控制系統(tǒng)基本概念控制系統(tǒng)基本概念n被控對象（部件或系統(tǒng)）：具有因果關(guān)系的物

4、理過程（或工程對象），是指要求實現(xiàn)自動控制的機器、設(shè)備或生產(chǎn)過程，如宇宙飛船，火炮操瞄裝置、飛機駕駛系統(tǒng)以及工業(yè)生產(chǎn)的某種過程等。n自動控制：沒有人直接參與的情況下，利用控制裝置使被控對象的某一物理量（被控量）自動地按照預定的規(guī)律運行。導論導論-控制系統(tǒng)基本概念控制系統(tǒng)基本概念n控制裝置：常被歸納成執(zhí)行機構(gòu)、觀測器等。n反饋：把輸出量送回到輸入端并與輸入信號比較的過程。分為負反饋和正反饋 。 n控制系統(tǒng)：為了達到預期的目標（響應(yīng)）而設(shè)計出來的系統(tǒng)，它由相互關(guān)聯(lián)的部件組合而成，主要由控制裝置和被控對象組成。導論導論-開環(huán)控制與閉環(huán)控制開環(huán)控制與閉環(huán)控制 控制方式（結(jié)構(gòu)）粗略地可以分為兩種： 開環(huán)

5、控制和閉環(huán)控制 執(zhí)行被控對象預期輸出實際輸出圖1.開環(huán)控制系統(tǒng)（無反饋）信號的單向傳遞圖1.3 電風扇的控制電機（執(zhí)行機構(gòu)）風扇葉片（控制對象）開關(guān)或程序控制器例例1 1：開環(huán)控制系統(tǒng)控制電壓導論導論-開環(huán)控制與閉環(huán)控制開環(huán)控制與閉環(huán)控制導論導論-開環(huán)控制與閉環(huán)控制開環(huán)控制與閉環(huán)控制控制目的：提高爐溫受控對象（物理實體）：爐子受控量（輸出物理量）：爐溫控制裝置：開關(guān)K和電熱絲，對 受控量起控制作用。例2：開環(huán)控制系統(tǒng) 導論導論-開環(huán)控制與閉環(huán)控制開環(huán)控制與閉環(huán)控制圖1.5 閉環(huán)(反饋)控制結(jié)構(gòu)框圖信號雙向傳遞計算比較執(zhí)行被控對象測量干擾預期輸出響應(yīng)r(t)+輸入變量-誤差e(t)控制量u(t)

6、實際輸出y(t)輸出變量被測變量測量值 反饋是控制的精髓反饋是控制的精髓導論導論-開環(huán)控制與閉環(huán)控制開環(huán)控制與閉環(huán)控制計算比較執(zhí)行被控對象測量測量干擾給定值被控量圖1.6 自動控制系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)框圖導論導論-開環(huán)控制與閉環(huán)控制開環(huán)控制與閉環(huán)控制 反饋是控制的精髓。運用反饋的例子也是比比皆是。 例3：調(diào)節(jié)容器內(nèi)液面位置的人工閉環(huán)控制系統(tǒng)圖1.7 液位控制示意圖分析決策腦執(zhí)行工作對象手觀察觀察干擾或激勵眼預期目標實際結(jié)果眼液體的流入和流出液位圖1.8 液位控制人工職能圖導論導論-開環(huán)控制與閉環(huán)控制開環(huán)控制與閉環(huán)控制例4：汽車方向控制系統(tǒng) 圖1.9 汽車方向控制系統(tǒng)圖1.10 汽車方向控制人工職能圖

7、駕車人汽車預期行駛路線實際行駛路線比較器視覺測量+-偏差方向盤導論導論-開環(huán)控制與閉環(huán)控制開環(huán)控制與閉環(huán)控制1.11 導論導論-開環(huán)控制與閉環(huán)控制開環(huán)控制與閉環(huán)控制反饋是現(xiàn)代控制的精髓，還例如：火炮隨動系統(tǒng)領(lǐng)導實施管理央行調(diào)整利息 “沒有調(diào)查就沒有發(fā)言權(quán)” ，等等 都體現(xiàn)了反饋的理念！正反饋的例子正反饋的例子 例5：已知鈾235原子核在一個中子的撞擊下，可發(fā)生核裂變反應(yīng)，放出大量的能量，同時釋放大約2.5個中子，放出的中子有可能再與鈾235原子核發(fā)生核反應(yīng)，這就是所謂核裂變的鏈式反應(yīng)。23512 5Unn 核裂變廢料+能量+ .導論導論-開環(huán)控制與閉環(huán)控制開環(huán)控制與閉環(huán)控制U235初始中子數(shù)中

8、子數(shù)2.5n+中子數(shù)n能量有效中子率圖1.12 正反饋的實例導論導論-開環(huán)控制與閉環(huán)控制開環(huán)控制與閉環(huán)控制 開環(huán)和閉環(huán)控制系統(tǒng)的特點開環(huán)和閉環(huán)控制系統(tǒng)的特點v開環(huán)系統(tǒng)：開環(huán)系統(tǒng)：結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定性好，容易設(shè)計和調(diào)整以及成本較低的優(yōu)點，對那些負載恒定，擾動小，控制精度要求不高的實際系統(tǒng)，是有效的控制方式。v閉環(huán)系統(tǒng)：閉環(huán)系統(tǒng)：由于增加了檢測裝置和反饋環(huán)節(jié)，結(jié)構(gòu)較復雜，成本有所增加；但它提高了系統(tǒng)的控制精度和抗干擾能力；同時，負反饋會對系統(tǒng)穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。導論導論-反饋控制系統(tǒng)的分類反饋控制系統(tǒng)的分類 按參考輸入形式分為：按參考輸入形式分為： 恒值系統(tǒng)：恒值系統(tǒng)：指參考輸入量保持常值的系統(tǒng)。其任

9、務(wù)是消除或減少擾動信號對系統(tǒng)輸出的影響，使被控量（即系統(tǒng)的輸出量）保持在給定或希望的數(shù)值上。 隨動系統(tǒng)：隨動系統(tǒng)：指參考輸入量隨時間任意變化的系統(tǒng)。其任務(wù)是要求輸出量以一定的精度和速度跟蹤參考輸入量，跟蹤的速度和精度是隨動系統(tǒng)的兩項主要性能指標。按照系統(tǒng)的元件特性分為按照系統(tǒng)的元件特性分為:線性系統(tǒng)：線性系統(tǒng)：構(gòu)成系統(tǒng)的所有元件都是線性元件的系統(tǒng)。其動態(tài)性能可用線性微分方程描述，系統(tǒng)滿足齊次性和疊加原理。非線性系統(tǒng)：非線性系統(tǒng)：構(gòu)成系統(tǒng)的元件中含有非線性元件的系統(tǒng), 只能用非線性微分方程描述，不滿足疊加原理?？梢赃M行線性化處理的系統(tǒng)或元件特性又稱為非本質(zhì)非線性特性。反之，稱之為本質(zhì)非線性，它只

10、能用非線性理論分析研究。導論導論-反饋控制系統(tǒng)的分類反饋控制系統(tǒng)的分類按照系統(tǒng)內(nèi)信號的形式分為按照系統(tǒng)內(nèi)信號的形式分為連續(xù)系統(tǒng)連續(xù)系統(tǒng): 系統(tǒng)內(nèi)各處的信號都是以連續(xù)的模擬量傳遞的系統(tǒng)。離散系統(tǒng)離散系統(tǒng): 系統(tǒng)內(nèi)某處或數(shù)處信號是以脈沖序列或數(shù)碼形式傳遞的系統(tǒng)。其脈沖序列可由脈沖信號發(fā)生器或振蕩器產(chǎn)生，也可用采樣開關(guān)將連續(xù)信號變成脈沖序列，這類控制系統(tǒng)又稱為采樣控制系統(tǒng)或脈沖控制系統(tǒng)。而用數(shù)字計算機或數(shù)字控制器控制的系統(tǒng)又稱為數(shù)字控制系統(tǒng)或計算機控制系統(tǒng)。導論導論-反饋控制系統(tǒng)的分類反饋控制系統(tǒng)的分類導論導論-控制系統(tǒng)性能的基本要求控制系統(tǒng)性能的基本要求穩(wěn)定性系統(tǒng)在受到擾動作用后,自動返回原來的平

11、衡狀態(tài)的能力。如果系統(tǒng)受到擾動作用（系統(tǒng)內(nèi)或系統(tǒng)外）后，能自動返回到原來的平衡狀態(tài)，則該系統(tǒng)是穩(wěn)定的。穩(wěn)定系統(tǒng)的數(shù)學特征是其輸出量具有非發(fā)散性；反之，系統(tǒng)是不穩(wěn)定系統(tǒng)。穩(wěn)定性是保證系統(tǒng)能正常工作的必要條件，衡量指標有穩(wěn)定裕度等。圖1.13 穩(wěn)定性示意圖快速性：要求自動控制系統(tǒng)的過渡過程盡量短暫，輸出盡快平穩(wěn)地跟蹤上輸入的變化。通常在時域中給出瞬態(tài)響應(yīng)指標來衡量快速性。常用單位階躍信號作用下，系統(tǒng)輸出的超調(diào)量 ，上升時間 ，峰值時間 ，過渡過程時間（或調(diào)整時間） 和振蕩次數(shù)N等指標表示。rTsTpT 準確性：當過渡過程結(jié)束后，要求輸出量最終應(yīng)準確地達到希望值，否則將產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)誤差。準確性指標有穩(wěn)態(tài)

12、誤差和穩(wěn)態(tài)誤差系數(shù)，指穩(wěn)定系統(tǒng)在完成過渡過程后的穩(wěn)態(tài)輸出偏離希望值的程度。圖1.14 穩(wěn)定系統(tǒng)的典型單位階躍響應(yīng)曲線課程及教學安排簡介課程及教學安排簡介-目標目標 知道控制的概念，易！知道控制的概念，易！ 實施恰當?shù)目刂疲y！實施恰當?shù)目刂?，難！ 復雜對象的控制，非不欲也，乃無能也！ 因此，本課程采用有限目標、解剖麻雀的策略。 收縮對象經(jīng)典控制！ 課程目標： 以簡單的線性時不變系統(tǒng)為對象，學習控制系統(tǒng)的分析、設(shè)計與實現(xiàn)，切身體會實施控制的全過程，牢固建立反饋控制的理念，培養(yǎng)實施控制的能力。課程及教學安排課程及教學安排-目標目標經(jīng)典控制理論的基本特點 （1）主要用于線性定常系統(tǒng)的研究，即用于常系

13、數(shù)線性微分方程描述的系統(tǒng)的分析與綜合； （2）只用于單輸入，單輸出的反饋控制系統(tǒng)； （3）主要討論系統(tǒng)輸入與輸出之間的關(guān)系，而忽視系統(tǒng)的內(nèi)部狀態(tài)，是一種對系統(tǒng)的外部描述方法。 應(yīng)該指出的是，反饋控制是一種最基本最重要的控制方式。從某種意義上講，經(jīng)典控制理論是伴隨著反饋控制技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展而逐漸完善和成熟起來的。 實施控制的全過程：設(shè)計差異，反復改進描述對象分析對象設(shè)計控制修改設(shè)計圖1.15實施控制的全過程系統(tǒng)測評課程及教學安排課程及教學安排-目標目標若性能滿足規(guī)范要求，則設(shè)計工作結(jié)束 建立控制目標步驟1確定控制變量 步驟2給定各變量的控制要求（設(shè)計目標） 步驟3確定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)選擇執(zhí)行機構(gòu) 步驟4

14、建立對象執(zhí)行機構(gòu)傳感器模型步驟5 建立控制模型選擇待調(diào)參數(shù)步驟6 優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計分析系統(tǒng)性能 步驟7若性能不能滿足要求，則重新確定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和執(zhí)行機構(gòu)圖1.16 控制系統(tǒng)設(shè)計過程課程及教學安排課程及教學安排-目標目標課程及教學安排課程及教學安排-講授時間安排講授時間安排第一章 自動控制導論（2）第二章 控制系統(tǒng)的數(shù)學模型（8）第三章 控制系統(tǒng)的時域穩(wěn)定性（4）第四章 時間響應(yīng)分析（9）第五章 根軌跡法（4）第六章 頻率響應(yīng)分析（5）第七章 控制系統(tǒng)的頻率域穩(wěn)定性 （4）第八章 反饋控制系統(tǒng)設(shè)計（10）實驗 Matlab輔導、測驗等（4）課程及教學安排課程及教學安排-學習建議學習建議 廣泛閱讀參考書

15、，深刻理解理論體系、吳麒主編 “自動控制原理”，清華大學出版社。 、胡壽松主編 “自動控制原理”，國防工業(yè)出版社。 、.Ogata. “Modern Control Engineering”, 科學出版社影印版。 或緒方勝彥著，盧伯英譯，“現(xiàn)代控制工程”，科學出版社。 、樓順天等，“基于Matlab的系統(tǒng)分析與設(shè)計控制系統(tǒng)”，西安電子科技大學出版社 課程及教學安排課程及教學安排-學習建議學習建議利用網(wǎng)絡(luò)資源、軍網(wǎng)機電工程與自動化學院主頁推薦站點：“自動控制原理”網(wǎng)上教學。、學研論壇自動控制。、各個大學重點課程建設(shè)教學資料。課程及教學安排課程及教學安排學習建議學習建議 完成大量練習，積極討論問題

16、； 學完每章要善于總結(jié)知識點，演繹歸納并重； 重視實驗體驗（Mtalab實現(xiàn)）。課程及教學安排課程及教學安排-考核方式考核方式作業(yè)（20%） +閉卷考試（80%）課程及教學安排課程及教學安排-后續(xù)課程展望后續(xù)課程展望復雜對象的控制，非不欲也，乃無能也！僅在工程控制領(lǐng)域，今后還有：數(shù)字控制手段更新自適應(yīng)控制時變對象非線性控制非線性對象智能控制環(huán)境適應(yīng)等等課程及教學安排課程及教學安排-后續(xù)課程展望后續(xù)課程展望信號與系統(tǒng)自動控制原理數(shù)字信號處理檢測與傳感器技術(shù)現(xiàn)代控制理論基礎(chǔ)計算機（數(shù)字）控制技術(shù)自適應(yīng)控制非線性控制作用：橋梁，專業(yè)基礎(chǔ)課智能控制自動控制簡史漫談與啟示自動控制簡史漫談與啟示1788

17、年前后，瓦特發(fā)明了蒸汽機的離心調(diào)速器?？茖W技術(shù)發(fā)明的基礎(chǔ)，是前人知識（風力磨坊）的積累與運用。 圖1.17 離心調(diào)速器 進汽閥門，連桿機構(gòu)設(shè)定轉(zhuǎn)速Vd實際轉(zhuǎn)速比較器Metalsphere轉(zhuǎn)速測量蒸汽室+-蒸汽機飛球調(diào)節(jié)閥自動控制簡史漫談與啟示自動控制簡史漫談與啟示圖1.18 離心調(diào)速器框圖自動控制簡史漫談與啟示自動控制簡史漫談與啟示 早期的載波電話失真嚴重，解決放大器的非線性累積和無序振蕩，成為電話遠程傳輸?shù)年P(guān)鍵。1927年8月，貝爾實驗室的布萊克在輪渡上的靈光一現(xiàn)，催生了最實用的負反饋控制裝置。 負反饋信號發(fā)大器獲得了極好的線性度，自激振蕩問題的解決，極大地促進了電話的廣泛應(yīng)用。 靈感來自于

18、長期的思考。 自動控制簡史漫談與啟示自動控制簡史漫談與啟示 早期的防空火炮控制，一般需要 3 個人來實施伺服控制， （一個方位角，一個高低角，還有一個引信），與現(xiàn)在不可同日而語。 1940年，同樣來自貝爾實驗室的年輕的工程師帕金森用反饋控制方法，解決了這個問題。 自動控制簡史漫談與啟示自動控制簡史漫談與啟示 當時，他是一個低職位的工程師，讓他承擔的任務(wù)是繞電位計，就在1940年春天的一個晚上，他做了一個夢。他夢到既然用電位計可以控制電壓記錄筆，那么，它也應(yīng)該可以控制火炮的發(fā)射。他的這個夢，同樣促進了自動控制技術(shù)的發(fā)展。 教育的目的應(yīng)該使每個人都充滿夢想！圖1.19 火炮隨動控制自動控制簡史漫談

19、與啟示自動控制簡史漫談與啟示 瓦特離心調(diào)速器在調(diào)速過程中存在不穩(wěn)定現(xiàn)象（“設(shè)備變得發(fā)狂！”），當時并沒有理論指導，所有的努力都集中在改進調(diào)速器本身（重量、彈簧、摩擦）。 麥克斯維爾把調(diào)節(jié)器跟調(diào)節(jié)對象合在一起，看作一個系統(tǒng)，用微分方程來進行研究，指出微分方程的特征根在左半面或右半面，決定著系統(tǒng)穩(wěn)定與否。 僅有實踐是不夠的！ 自動控制簡史漫談與啟示自動控制簡史漫談與啟示 1877年，麥克斯維爾的學生勞斯提出了勞斯代數(shù)穩(wěn)定性判據(jù)，并獲得了亞當獎。 1895年，胡爾維茨也提出了本質(zhì)上與勞斯判據(jù)一致的代數(shù)穩(wěn)定性判據(jù)，并在穩(wěn)定性理論的指導下，為瑞士達沃斯電廠的一個蒸汽機設(shè)計了一個調(diào)速系統(tǒng)。胡爾維茨被認為是

20、真正運用控制理論，來指導設(shè)計控制系統(tǒng)的第一人。 只有有了理論的指導，才能從必然王國走向自由王國。 自動控制簡史漫談與啟示自動控制簡史漫談與啟示 到了二十世紀40年代，尼可爾斯深入研究了PID（Proportion, Integral, Differential）調(diào)節(jié)問題。 他在MIT僅有的一臺模擬機（又叫微分分析儀）上做了大量的仿真實驗，最后列出來了PID的整定表?？刂乒こ讨?，有一項工作歷經(jīng)60多年，至今還在使用的，這就是尼可爾斯編排的這個PID整定表。 這一時期的主要代表人物還有 伯德（H.W.Bode 1905）： 1945年提出了簡便而實用的伯德圖法。 伊文思（W.R.Evans）： 1948年提出了直觀而又形象的根軌跡法。自動控制簡史漫談與啟示自動控制簡史漫談與啟示自動控制簡史漫談與啟示自動控制簡史漫談與啟示 經(jīng)驗的積累和