控制工程基礎(chǔ)緒論

控制工程根底

第一講緒論清華大學(xué)機械工程系朱志明教授12/31/20231控制工程根底：第一講緒論主要內(nèi)容引言控制系統(tǒng)的任務(wù)原理和組成自動控制系統(tǒng)的根本類型對自動控制系統(tǒng)的根本要求自動控制實際的開展簡史小結(jié)教學(xué)大綱12/31/20232控制工程根底：第一講緒論引言-日常生活中的自動控制問題電冰箱恒溫控制：冰箱內(nèi)儲物量的添加和減少、冰箱門開啟和封鎖的次數(shù)不同、外界環(huán)境溫度的變化等，都會影響冰箱內(nèi)的溫度，假設(shè)希望維持冰箱內(nèi)溫度恒定不變，那么需求有某種控制安裝〔系統(tǒng)〕對冰箱內(nèi)的溫度進展檢測和控制。溫度檢測→功率控制－恒值控制?？照{(diào)的溫度控制：溫度檢測→功率控制－恒值控制。溫度控制的兩種根本方法：開關(guān)控制：恒功率、間歇控制〔缺陷：噪音、耗能〕變頻控制：變功率、延續(xù)控制〔優(yōu)點：降噪、節(jié)能〕洗衣機的時間控制：定時控制－程序控制12/31/20233控制工程根底：第一講緒論引言－工業(yè)消費中的自動控制問題加熱爐的溫度自動控制－恒值控制?；はM中反響塔的溫度和壓力可以自動維持恒定不變。程序控制機床可以按預(yù)先排定的工藝程序自動地進展切削，加工出預(yù)期的幾何外形。在鋼鐵工業(yè)中，初軋機的軋輥來回轉(zhuǎn)動，將鋼錠碾軋至規(guī)定尺寸。為了保證軋制質(zhì)量，要務(wù)虛現(xiàn)低速咬鋼、帶鋼升速、高速軋制等，這就要求拖動軋機的電動機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向按照一定的規(guī)律變化；然而，由于鋼錠尺寸的不同，加熱溫度不同，以及由于鋼錠進入軋輥時對軋輥的沖擊等，都會導(dǎo)致電機的負荷和轉(zhuǎn)速發(fā)生宏大動搖，從而需求有控制安裝對電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向進展控制。12/31/20234控制工程根底：第一講緒論引言－國防工業(yè)中的自動控制問題火炮自動瞄準系統(tǒng)－跟蹤雷達和指揮儀所組成的防空系統(tǒng)能使火炮自動地瞄準目的－隨動控制。宇宙飛船在茫茫太空中要按預(yù)定的軌道飛行，并堅持一定的姿態(tài)，但太空中有千變?nèi)f化的要素對它產(chǎn)生影響，需求有高性能的控制安裝對它進展控制。人造地球衛(wèi)星可以發(fā)射到預(yù)定軌道并能準確回收。無人駕駛飛機能按預(yù)定航行線路自動飛行。導(dǎo)彈的目的尋覓和制導(dǎo)。12/31/20235控制工程根底：第一講緒論引言－為什么要研討自動控制實際不同的消費機械、消費過程雖然要實現(xiàn)的義務(wù)各不一樣，但都有一個共同點，即要求其中的某些物理量〔如溫度、速度、位置等〕按照特定的規(guī)律變化?！脖豢刂屏?、輸出量〕現(xiàn)實世界中存在各種妨礙上述要務(wù)虛現(xiàn)的要素〔擾動〕；凡是由外部作用引起的擾動稱為外擾〔如外界溫度、負載動搖、風(fēng)向和風(fēng)力的變化〕；由于內(nèi)部元器件特性變化引起的擾動稱為內(nèi)擾。為處理上述矛盾，就要采用控制安裝，對消費機械或消費過程的這些物理量進展控制。被控制的消費機械或消費過程稱為被控對象。研討自動控制系統(tǒng)〔安裝〕的根本實際稱為自動控制實際。12/31/20236控制工程根底：第一講緒論引言－自動控制技術(shù)的運用自動控制是指在沒有人直接參與的情況下，利用控制系統(tǒng)〔安裝〕，使消費機械或消費過程〔被控制對象〕的某些物理量自動地按照預(yù)定的〔恒定或變動的〕規(guī)律運轉(zhuǎn)。在人類降服自然、改造自然的過程中，自動控制技術(shù)起著極其重要的作用。自動控制技術(shù)在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防、交通運輸、企業(yè)管理、科學(xué)研討等各個領(lǐng)域的運用愈來愈廣泛。自動控制技術(shù)的廣泛運用，極大地提高了勞動消費率，提高了產(chǎn)質(zhì)量量，改善了人們的生活程度和勞動條件。隨著消費和科學(xué)技術(shù)的開展，特別是計算機技術(shù)的迅速開展和運用，自動控制技術(shù)更顯示了越來越重要的作用和寬廣的運用前景。12/31/20237控制工程根底：第一講緒論主要內(nèi)容引言控制系統(tǒng)的任務(wù)原理和組成自動控制系統(tǒng)的根本類型對自動控制系統(tǒng)的根本要求自動控制實際的開展簡史小結(jié)教學(xué)大綱12/31/20238控制工程根底：第一講緒論控制系統(tǒng)的任務(wù)原理和組成人工控制系統(tǒng)和自動控制系統(tǒng) 人工控制系統(tǒng)自動控制系統(tǒng)開環(huán)控制和閉環(huán)控制 開環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)反響控制系統(tǒng)的根本組成 根本組成名詞術(shù)語閉環(huán)控制系統(tǒng)與開環(huán)控制系統(tǒng)比較12/31/20239控制工程根底：第一講緒論人工控制系統(tǒng)恒溫爐爐溫人工控制系統(tǒng)－原理圖～220V溫度計眼手腦加熱電阻絲恒溫爐調(diào)壓器12/31/202310控制工程根底：第一講緒論〔輸入〕(輸出)期望爐溫＋手調(diào)壓器恒溫爐溫度計眼－反饋擾動實踐爐溫偏向腦人工控制系統(tǒng)恒溫爐爐溫人工控制系統(tǒng)－職能方塊圖12/31/202311控制工程根底：第一講緒論自動控制系統(tǒng)12/31/202312控制工程根底：第一講緒論控制系統(tǒng)的任務(wù)原理和組成人工控制系統(tǒng)和自動控制系統(tǒng) 人工控制系統(tǒng)自動控制系統(tǒng)開環(huán)控制和閉環(huán)控制 開環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)反響控制系統(tǒng)的根本組成 根本組成名詞術(shù)語閉環(huán)控制系統(tǒng)與開環(huán)控制系統(tǒng)比較12/31/202313控制工程根底：第一講緒論開環(huán)控制系統(tǒng)系統(tǒng)的控制器與被控對象之間只需順〔前〕向作用，沒有反〔逆〕向作用，系統(tǒng)的輸出量對控制造用沒有影響。直流電機速度開環(huán)控制系統(tǒng)在開環(huán)控制系統(tǒng)中，只需從輸入端到輸出端的信號作用途徑，而沒有從輸出端到輸入端的作用途徑。12/31/202314控制工程根底：第一講緒論開環(huán)控制系統(tǒng)方塊圖構(gòu)造比較簡單，調(diào)整比較方便。當(dāng)因擾動作用〔如電源輸入變化、晶閘管整流安裝特性的變化或負載轉(zhuǎn)矩變化等〕引起電機轉(zhuǎn)速偏離原來校準的數(shù)值時，系統(tǒng)沒有對偏向修正的才干。開環(huán)控制系統(tǒng)的精度取決于系統(tǒng)校準的精度和系統(tǒng)中元器件特性的穩(wěn)定程度，從而對其所采用的元器件的精度和穩(wěn)定性提出了較高的要求。開環(huán)控制系統(tǒng)的特點12/31/202315控制工程根底：第一講緒論閉環(huán)控制系統(tǒng)舉例直流電機速度閉環(huán)控制系統(tǒng)導(dǎo)彈發(fā)射和制導(dǎo)系統(tǒng)12/31/202316控制工程根底：第一講緒論閉環(huán)控制系統(tǒng)方塊圖在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，不僅有從輸入端到輸出端的作用途徑〔前向通道〕，還有從輸出端到輸入端的信號作用途徑〔反響通道〕。由于引入了反響，系統(tǒng)的方塊圖構(gòu)成了閉環(huán)，構(gòu)成了閉環(huán)控制系統(tǒng)。12/31/202317控制工程根底：第一講緒論閉環(huán)控制系統(tǒng)的特點閉環(huán)控制系統(tǒng)的優(yōu)點：采用反響控制提高了系統(tǒng)的精度。負反響：使偏向減小或消除的反響作用。反響控制是自動控制的根本原理，負反響控制系統(tǒng)的原理是根據(jù)所檢測的偏向進展控制，從而抑制或消除偏向，即檢測偏向，抑制或消除偏向。由擾動引起的偏向，只需擾動作用點被反響途徑包圍，都能被反響作用抑制或消除。因此，系統(tǒng)對這部分元器件內(nèi)部參數(shù)的變化不敏感，可以用精度不高而本錢低的元器件組成。對作用點不被反響途徑包圍的擾動所引起的偏向，反響作用無能為力，如給定元件、反響元件的精度。當(dāng)閉環(huán)控制系統(tǒng)構(gòu)造或參數(shù)配合不當(dāng)時，能夠引起過調(diào)，呵斥系統(tǒng)振蕩，甚至不能正常任務(wù)。對閉環(huán)系統(tǒng)來說，穩(wěn)定性是一個重要問題。12/31/202318控制工程根底：第一講緒論控制系統(tǒng)的任務(wù)原理和組成人工控制系統(tǒng)和自動控制系統(tǒng) 人工控制系統(tǒng)自動控制系統(tǒng)開環(huán)控制和閉環(huán)控制 開環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)反響控制系統(tǒng)的根本組成 根本組成名詞術(shù)語閉環(huán)控制系統(tǒng)與開環(huán)控制系統(tǒng)比較12/31/202319控制工程根底：第一講緒論反響控制系統(tǒng)的根本組成給定環(huán)節(jié)：根據(jù)系統(tǒng)輸出量的期望值，產(chǎn)生系統(tǒng)的給定輸入信號的環(huán)節(jié)。反響環(huán)節(jié)：對系統(tǒng)輸出量的實踐值進展丈量，將它轉(zhuǎn)換成反響信號，并使反響信號成為與給定信號同類型、同數(shù)量級的物理量。比較器：將給定信號與反響信號進展比較，產(chǎn)生偏向信號的環(huán)節(jié)。控制器：根據(jù)偏向信號，按一定的控制規(guī)律，產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號的環(huán)節(jié)。執(zhí)行環(huán)節(jié)：將控制信號進展功率放大，直接推進被控對象，使被控制量發(fā)生變化的環(huán)節(jié)。被控對象：控制系統(tǒng)所要控制的設(shè)備或消費過程，它的輸出量為被控制量。12/31/202320控制工程根底：第一講緒論名詞術(shù)語〔1〕輸入信號r(t)：又稱輸入量、控制量、給定量。它是控制輸出量變化規(guī)律的信號。往往把輸入到控制系統(tǒng)中的信號〔包括擾動信號〕廣義地叫做輸入量。輸出信號c(t)：又稱輸出量、被控制量、被調(diào)整量。它的變化規(guī)律是要加以控制的，應(yīng)堅持與輸入信號之間有一定的函數(shù)關(guān)系。反響信號b(t)：或稱反響量。從系統(tǒng)〔或元件〕輸出端取出信號，經(jīng)過變換后加到系統(tǒng)〔或元件〕輸入端。擾動信號f(t)：又稱擾動和干擾。除控制信號以外，對系統(tǒng)輸出量產(chǎn)生影響的要素都叫擾動。假設(shè)擾動產(chǎn)生在系統(tǒng)內(nèi)部，那么稱為內(nèi)擾；產(chǎn)生在系統(tǒng)外部，那么稱為外擾，外擾動也是系統(tǒng)的一種輸入量。12/31/202321控制工程根底：第一講緒論名詞術(shù)語〔2〕正反響：反響信號與輸入信號符號一樣，能加強輸入信號的作用。負反響：反響信號與輸入信號符號相反，抵消輸入信號作用。主反響：直接取自系統(tǒng)最終輸出端的反響。主反響一定是負反響，否那么偏向越來越大，直至系統(tǒng)失去控制。部分反響：除主反響外，有的系統(tǒng)還有部分反響，主要是為系統(tǒng)進展校正、補償或線性化而參與的。偏向信號ε(t)：或稱偏向。控制信號與主反響信號之差。誤差信號e(t)：或稱誤差。系統(tǒng)輸出量的實踐值與希望值之差。留意誤差與偏向不是同一概念，只需在全反響系統(tǒng)中，誤差才等于偏向。12/31/202322控制工程根底：第一講緒論控制系統(tǒng)的任務(wù)原理和組成人工控制系統(tǒng)和自動控制系統(tǒng) 人工控制系統(tǒng)自動控制系統(tǒng)開環(huán)控制和閉環(huán)控制 開環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)反響控制系統(tǒng)的根本組成 根本組成名詞術(shù)語閉環(huán)控制系統(tǒng)與開環(huán)控制系統(tǒng)比較12/31/202323控制工程根底：第一講緒論開環(huán)和閉環(huán)控制系統(tǒng)比較閉環(huán)控制系統(tǒng)的優(yōu)點是采用了反響，因此對外擾動和系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)的變化引起的偏向可以自動地糾正。這樣就可以采用精度不太高而本錢比較低的元件組成一個準確的控制系統(tǒng)。開環(huán)控制系統(tǒng)那么相反，由于沒有反響，故沒有糾正偏向的才干，外擾動和系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)的變化將引起系統(tǒng)的精度降低。從穩(wěn)定性的角度看，開環(huán)系統(tǒng)容易處理。而閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性一直是一個關(guān)鍵問題。假設(shè)參數(shù)選擇不當(dāng)，就會呵斥系統(tǒng)振蕩，甚至使得系統(tǒng)不穩(wěn)定，完全失去控制。開環(huán)系統(tǒng)容易建造，構(gòu)造簡單，本錢低，任務(wù)穩(wěn)定。普通來說，當(dāng)系統(tǒng)控制量的變化規(guī)律能預(yù)先知道，并且不存在外部擾動〔或有方法抑制〕時，采用開環(huán)控制較好。特別是被控制量很難進展丈量時更是如此。假設(shè)系統(tǒng)的控制量和干擾量均無法事先預(yù)知時，或系統(tǒng)中元件參數(shù)不穩(wěn)定時，采用閉環(huán)控制的優(yōu)點就顯得特別突出。假設(shè)要務(wù)虛現(xiàn)復(fù)雜而準確度較高的控制義務(wù)，那么可將開環(huán)控制與閉環(huán)控制結(jié)合起來一同作用，組成一個比較經(jīng)濟而又性能較好的復(fù)合控制系統(tǒng)。12/31/202324控制工程根底：第一講緒論主要內(nèi)容引言控制系統(tǒng)的任務(wù)原理和組成自動控制系統(tǒng)的根本類型對自動控制系統(tǒng)的根本要求自動控制實際的開展簡史小結(jié)教學(xué)大綱12/31/202325控制工程根底：第一講緒論自動控制系統(tǒng)的根本類型按給定變化規(guī)律分類恒值控制系統(tǒng)〔恒值調(diào)理系統(tǒng)〕隨動系統(tǒng)程序控制系統(tǒng)線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)延續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)12/31/202326控制工程根底：第一講緒論恒值控制系統(tǒng)〔恒值調(diào)理系統(tǒng)〕在這種系統(tǒng)中，系統(tǒng)的給定輸入量是恒值，在擾動存在的情況下，要求輸出量堅持恒定。其分析設(shè)計的重點是要求系統(tǒng)具有良好的抗干擾性能。直流電動機速度閉環(huán)控制系統(tǒng)電爐溫度控制系統(tǒng)12/31/202327控制工程根底：第一講緒論隨動系統(tǒng)在反響控制系統(tǒng)中，假設(shè)給定輸入信號是預(yù)先未知的隨時間變化的函數(shù)，這種系統(tǒng)稱為隨動系統(tǒng)。實例：國防工業(yè)的火炮跟蹤系統(tǒng)、雷達導(dǎo)引系統(tǒng)、機械加工設(shè)備的伺服機構(gòu)、天文望遠鏡的跟蹤系統(tǒng)。在導(dǎo)彈發(fā)射和制導(dǎo)系統(tǒng)中，給定信號是目的機的方位和速度，這些信號是隨時間變化的未知函數(shù)。位置控制系統(tǒng)：控制目的是使輸出軸的轉(zhuǎn)角迅速準確地跟隨輸入軸的轉(zhuǎn)角變化。對隨動系統(tǒng)來說，輸入信號是隨機的，要求輸出能迅速而準確地復(fù)現(xiàn)輸入信號的變化，其分析和設(shè)計的重點是研討系統(tǒng)的跟隨性能。位置控制系統(tǒng)12/31/202328控制工程根底：第一講緒論程序控制系統(tǒng)程序控制系統(tǒng)：控制系統(tǒng)的輸入信號是知的時間函數(shù)。程序控制系統(tǒng)和隨動系統(tǒng)類似，只是輸入信號的變化規(guī)律是預(yù)先確定的。程序控制系統(tǒng)可以是開環(huán)系統(tǒng)，也可以是閉環(huán)系統(tǒng)。運用實例：仿形銑床、數(shù)控機床、機械手控制系統(tǒng)。數(shù)控機床控制系統(tǒng)12/31/202329控制工程根底：第一講緒論線性系統(tǒng)及其重要特性線性系統(tǒng)：組成系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)的輸入輸出特性都是線性的；系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型可以用線性微分方程描畫；在線性微分方程中，只含輸入量或輸出量各階導(dǎo)數(shù)的一次項。線性定常系統(tǒng)：線性系統(tǒng)元件的參數(shù)是集中的且不隨時間變化。線性時變系統(tǒng)：系統(tǒng)元件的參數(shù)是隨時間變化的，即系統(tǒng)微分方程的系數(shù)是時間的函數(shù)。例如：宇宙飛船隨著燃料的耗費其質(zhì)量不斷變化；帶鋼卷筒由于卷徑變化其轉(zhuǎn)動慣量不是恒定的。線性系統(tǒng)的兩個重要特性：比例性和疊加性。比例性：當(dāng)系統(tǒng)的輸入量增大K倍時，系統(tǒng)的輸出量也相應(yīng)增大K倍。疊加性：當(dāng)多個輸入量作用于系統(tǒng)時，系統(tǒng)總呼應(yīng)等于各個輸入量分別作用于系統(tǒng)的呼應(yīng)之和。12/31/202330控制工程根底：第一講緒論非線性系統(tǒng)非線性系統(tǒng)：系統(tǒng)中有一個以上的元件的特性是非線性的系統(tǒng)。非線性系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型要用非線性微分方程描畫。非線性微分方程：某些項的系數(shù)與變量有關(guān)，即方程中含有變量及其導(dǎo)數(shù)的高次項或乘積項。12/31/202331控制工程根底：第一講緒論延續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)延續(xù)系統(tǒng)：系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)的輸入信號和輸出信號都是時間的延續(xù)函數(shù)。離散系統(tǒng)：系統(tǒng)中有一處或數(shù)處的信號是以脈沖序列或數(shù)字編碼方式出現(xiàn)的。離散系統(tǒng)包括采樣控制系統(tǒng)和數(shù)字控制系統(tǒng)。采樣控制系統(tǒng)：系統(tǒng)中的延續(xù)信號被采樣成脈沖序列。數(shù)字控制系統(tǒng)：系統(tǒng)中的延續(xù)信號被采樣后量化成數(shù)字信號。12/31/202332控制工程根底：第一講緒論主要內(nèi)容引言控制系統(tǒng)的任務(wù)原理和組成自動控制系統(tǒng)的根本類型對自動控制系統(tǒng)的根本要求自動控制實際的開展簡史小結(jié)教學(xué)大綱12/31/202333控制工程根底：第一講緒論對自動控制系統(tǒng)的根本要求對自動控制系統(tǒng)的根本要求穩(wěn)定性穩(wěn)態(tài)精度動態(tài)質(zhì)量魯棒性〔穩(wěn)健性〕自動控制實際主要研討的問題分析綜合12/31/202334控制工程根底：第一講緒論穩(wěn)定性與穩(wěn)態(tài)精度穩(wěn)定性是指系統(tǒng)處于平衡形狀下，遭到擾動作用偏離平衡形狀后，系統(tǒng)恢復(fù)原有平衡形狀的才干。穩(wěn)定是系統(tǒng)正常任務(wù)的前提。為了使系統(tǒng)在環(huán)境或參數(shù)變化時還能堅持穩(wěn)定，在設(shè)計時還要留有一定的穩(wěn)定裕量。穩(wěn)態(tài)是指穩(wěn)定的系統(tǒng)在過渡過程〔暫態(tài)〕終了后所處的形狀。穩(wěn)態(tài)精度常以穩(wěn)態(tài)誤差來衡量。穩(wěn)態(tài)誤差是指穩(wěn)態(tài)時系統(tǒng)期望輸出量和實踐輸出量之差。系統(tǒng)設(shè)計時希望穩(wěn)態(tài)誤差要小。在恒值調(diào)速系統(tǒng)中，希望因負載擾動引起的穩(wěn)態(tài)誤差的變動要盡量??；在隨動系統(tǒng)中，希望輸出信號與輸入信號盡量一致。12/31/202335控制工程根底：第一講緒論動態(tài)質(zhì)量與魯棒性動態(tài)質(zhì)量通常用動態(tài)呼應(yīng)目的來衡量。動態(tài)呼應(yīng)目的是系統(tǒng)在單位階躍輸入及零初始條件下的一些目的，如調(diào)理時間、超調(diào)量、振蕩次數(shù)等，它們反映系統(tǒng)過渡過程性能的優(yōu)劣。調(diào)理時間反映系統(tǒng)動態(tài)過程的快速性；超調(diào)量和振蕩次數(shù)反映系統(tǒng)過渡過程的平穩(wěn)性。調(diào)理時間即過渡過程時間。超調(diào)量即動態(tài)呼應(yīng)最大值超出穩(wěn)態(tài)值的部分相對于穩(wěn)態(tài)值的百分數(shù)。振蕩次數(shù)即過渡過程中系統(tǒng)振蕩的次數(shù)。魯棒性是指系統(tǒng)特性抵御各種攝動要素影響的才干。如對抗系統(tǒng)構(gòu)造不確定性、參數(shù)不確定性以及外界干擾的才干。引起系統(tǒng)構(gòu)造變異或參數(shù)攝動的緣由是多方面的，如由于對象的建模誤差、制造公差、元器件老化、零部件磨損和系統(tǒng)運轉(zhuǎn)環(huán)境的變化等。系統(tǒng)性能受參數(shù)攝動影響的屬性稱為系統(tǒng)的靈敏度。假設(shè)一個控制系統(tǒng)的靈敏度低，抗干擾性好，那么稱該系統(tǒng)的魯棒性好。12/31/202336控制工程根底：第一講緒論

綜合性能目的在多變量控制系統(tǒng)中，為實現(xiàn)最優(yōu)控制，往往采用綜合性的性能目的。根據(jù)不同系統(tǒng)的義務(wù)，選取的性能目的方式也不同。例如：在宇航技術(shù)中，不僅要求快速而準確地將運載火箭送入新軌道，并且燃料耗費要最少，在性能目的中就應(yīng)包含對輸出誤差和對控制能量的要求。自動控制實際主要研討的問題分析：在系統(tǒng)的構(gòu)造和參數(shù)曾經(jīng)確定的條件下，對系統(tǒng)的性能進展分析，并提出改善性能的途徑。綜合：根據(jù)系統(tǒng)要實現(xiàn)的義務(wù)，給出穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能目的，要求組成一個系統(tǒng)，并確定適當(dāng)?shù)膮?shù)，使系統(tǒng)滿足給定的性能目的。12/31/202337控制工程根底：第一講緒論主要內(nèi)容引言控制系統(tǒng)的任務(wù)原理和組成自動控制系統(tǒng)的根本類型對自動控制系統(tǒng)的根本要求自動控制實際的開展簡史小結(jié)教學(xué)大綱12/31/202338控制工程根底：第一講緒論自動控制實際的開展簡史〔1〕人類對反響這一根本原理早有認識，并利用它發(fā)明了許多安裝，如孵卵器、水利及風(fēng)力磨坊的速度調(diào)理器等。1788年，JamesWatt發(fā)明的蒸汽機離心調(diào)速器是最早的自動控制系統(tǒng)。12/31/202339控制工程根底：第一講緒論自動控制實際的開展簡史〔2〕隨后，G.B.Airy發(fā)現(xiàn)并首先討論了控制系統(tǒng)的不穩(wěn)定問題。1868年，麥克斯韋爾〔JamesClerkMaxwell〕發(fā)表了<論調(diào)理器>一文，系統(tǒng)研討了反響控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題。1877年勞斯〔E.J.Routh〕及1895年胡爾維茨〔A.Hurwitz)分別獨立地提出了穩(wěn)定性判據(jù)。1877～1880年，俄國科學(xué)家發(fā)明了火炮隨動系統(tǒng)和飛行器駕駛系統(tǒng)。1892年，李雅普諾夫〔A.M.Lyapunov〕發(fā)表了<論運動穩(wěn)定性的普通問題>，全面論述了穩(wěn)定性問題，并為形狀變量法控制實際打下了根底。1934年，海森〔H.L.Hazen)發(fā)表了<侍服機構(gòu)實際>的重要論文，第一次提出了自動控制系統(tǒng)的準確實際。主要研討和處理系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精度問題。12/31/202340控制工程根底：第一講緒論自動控制實際的開展簡史〔3〕隨著武器的進化，要求控制系統(tǒng)能準確跟蹤變化的目的，從而對自動控制系統(tǒng)的瞬態(tài)性能提出了要求。而設(shè)計具有高動態(tài)質(zhì)量和穩(wěn)態(tài)精度的控制系統(tǒng)所需的實際已在通訊工程領(lǐng)域中得到開展。為處理遠間隔通訊的失真問題，1927年布萊克〔H.S.Black〕發(fā)明了負反響放大器，并發(fā)現(xiàn)了反響系統(tǒng)的重要特性。1932年，乃奎斯特〔H.Nyquist〕提出了乃奎斯特穩(wěn)定判據(jù)，為頻率法奠定了根底。伯德〔H.W.Bode〕完善了分析控制系統(tǒng)的圖解法即頻率法。1947年，美國麻省理工學(xué)院輻射實驗室的詹姆斯〔James〕、尼柯爾斯〔Nichols〕和菲利普斯〔Philips〕將反響放大器實際、過程的PID控制和隨機過程實際結(jié)合起來，構(gòu)成一套侍服機構(gòu)設(shè)計方法。12/31/202341控制工程根底：第一講緒論自動控制實際的開展簡史〔4〕1948年，伊萬斯〔W.R.Evans〕又提出了根軌跡法。至此，控制實際的第一開展階段根本完成。以頻率法和根軌跡法為中心的控制實際稱為經(jīng)典控制實際。它特別適用于單輸入單輸出〔SISO〕系統(tǒng)〔僅有一個輸入量和一個輸出量的系統(tǒng)〕，至今仍被廣泛而勝利地運用于控制領(lǐng)域中。20世紀60年代，由于宇航、軍工及過程控制方面的開展，出現(xiàn)了許多的多輸入多輸出〔MIMO〕系統(tǒng)，它們具有變量多、變量相互間有耦合的特點，還具有非線性、時變特性，并且往往要求系統(tǒng)能在一定的控制約束條件下到達性能目的最優(yōu)。對多輸入多輸出系統(tǒng)，經(jīng)典控制實際顯得無能為力。然而現(xiàn)代數(shù)學(xué)和計算技術(shù)的開展為控制實際的進一步開展預(yù)備了數(shù)學(xué)根底和計算工具，從而促進了現(xiàn)代控制實際的構(gòu)成和開展。12/31/202342控制工程根底：第一講緒論自動控制實際的開展簡史〔5〕現(xiàn)代控制實際的根本內(nèi)容有：美國貝爾曼〔Bellman〕等人提出的形狀空間法；前蘇聯(lián)龐特里亞金〔Pontryagin〕的極大值原理；貝爾曼的動態(tài)規(guī)劃法；卡爾曼〔Kallman〕的最正確濾波器實際及能控能觀性實際。現(xiàn)代控制實際以形狀空間模型為根底、以形狀空間法為主要方法來分析和設(shè)計系統(tǒng)，其目的是尋覓最優(yōu)控制規(guī)律，使系統(tǒng)的性能目的到達最優(yōu)化。20世紀70年代以來，控制實際又向大系統(tǒng)實際和智能控制實際開展〔亦稱第三代控制實際〕。現(xiàn)代控制實際不能替代經(jīng)典控制實際。當(dāng)分析和設(shè)計簡單系統(tǒng)時，常用經(jīng)典控制實際；當(dāng)分析和設(shè)計多輸入多輸出系統(tǒng)和復(fù)雜系統(tǒng)時，常用現(xiàn)代控制實際。12/31/202343控制工程根底：第一講緒論主要內(nèi)容引言控制系統(tǒng)的任務(wù)原理和組成自動控制系統(tǒng)的根本類型對自動控制系統(tǒng)的根本要求自動控制實際的開展簡史小結(jié)教學(xué)大綱12/31/202344控制工程根底：第一講緒論小結(jié)引見了自動控制的根本概念，重點是反響控制原理。負反響控制的原理是檢測偏向，抑制或消除偏向。經(jīng)過分析閉環(huán)控制系統(tǒng)的任務(wù)原理和方