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1、第一章 自动控制系统概述1第1页，本讲稿共36页1-1 引言引言自动控制自动控制自动控制自动控制 指指指指在在在在没没没没有有有有人人人人参参参参与与与与的的的的情情情情况况况况下下下下，通通过过控控制制器器或或控控制制装装置置来来控控制制机机器器或或者者设设备备等等物物理理装装置置，使使得得机机器器设设备备的的受受控控物物理理量量按按照照希希望望的规律变化，达到控制的目的的规律变化，达到控制的目的。自动控制技术广泛应用在各个领域自动控制技术广泛应用在各个领域自动控制技术广泛应用在各个领域自动控制技术广泛应用在各个领域 不不仅仅广广泛泛应应用用于于工工业业控控制制中中，在在军军事事、农农业业、
2、航航空空、航航海海、核能利用等领域也发挥着重要作用核能利用等领域也发挥着重要作用。回章首回章首2第2页，本讲稿共36页 “自自自自动动动动控控控控制制制制原原原原理理理理”是是是是自自自自动动动动控控控控制制制制学学学学科科科科的的的的基基基基础础础础理理理理论论论论，是一门理论性较强的工程科学。是一门理论性较强的工程科学。是一门理论性较强的工程科学。是一门理论性较强的工程科学。本本本本课课课课程程程程的的的的主主主主要要要要任任任任务务务务是是研研究究与与讨讨论论控控制制系系统统的的一一般般规规律律，从从而而设设计计出出合合理理的的自自动动控控制制系系统统，满满足足工工农农业业生生产产和和各
3、各种种工工程程上上的需要的需要。回章首回章首回节首回节首3第3页，本讲稿共36页 自动控制理论的发展与应用自动控制理论的发展与应用自动控制理论的发展与应用自动控制理论的发展与应用v可以可以改善劳动条件改善劳动条件改善劳动条件改善劳动条件，把人类从繁重的劳动中解放出来；，把人类从繁重的劳动中解放出来；v由由于于自自动动控控制制系系统统能能以以某某种种最最佳佳方方式式运运行行，可可以以提提提提高高高高劳劳劳劳动动动动生生生生产率，提高产品质量，节约能源，降低成本产率，提高产品质量，节约能源，降低成本产率，提高产品质量，节约能源，降低成本产率，提高产品质量，节约能源，降低成本。自自动动控控制制理理论
4、论的的应应用用是是实实现现工工业业、农农业业、国国防防等等方方面面科科学学技技术术现现代化的有利工具。代化的有利工具。回章首回章首回节首回节首4第4页，本讲稿共36页1-2 开环控制与闭环控制开环控制与闭环控制 系统系统系统系统 指指由由内内部部互互相相联联系系的的部部件件按按照照一一定定规规律律组组成成，能能够够完完成成一一定功能的有机整体。定功能的有机整体。控制系统的两种最基本的形式：控制系统的两种最基本的形式：控制系统的两种最基本的形式：控制系统的两种最基本的形式：开环控制和闭环控制开环控制和闭环控制开环控制和闭环控制开环控制和闭环控制，如图，如图1-1(a)、(b)所示。所示。回章首回
5、章首5第5页，本讲稿共36页输入量输入量控制器控制器控制量控制量受控对象受控对象输出量输出量（a）开环控制系统开环控制系统图图1-1 开环控制系统与闭环控制系统开环控制系统与闭环控制系统回章首回章首回节首回节首控制量控制量输入量输入量控制器控制器受控对象受控对象输出量输出量反馈元件反馈元件-+（b）闭环控制系统闭环控制系统6第6页，本讲稿共36页 开环控制开环控制开环控制开环控制 开环控制是最简单的一种控制方式。开环控制是最简单的一种控制方式。特特特特点点点点：控控控控制制制制量量量量与与与与输输输输出出出出量量量量之之之之间间间间仅仅仅仅有有有有前前前前向向向向通通通通路路路路，而而而而没没
6、没没有有有有反反反反馈馈馈馈通通通通路路路路。也就是说，输出量不能对控制量产生影响。也就是说，输出量不能对控制量产生影响。也就是说，输出量不能对控制量产生影响。也就是说，输出量不能对控制量产生影响。开开环环控控制制系系统统结结结结构构构构简简简简单单单单、维维维维护护护护容容容容易易易易、成成成成本本本本低低低低、不不不不存存存存在在在在稳稳稳稳定定定定性问题性问题性问题性问题，应用于许多控制设备中。，应用于许多控制设备中。回章首回章首回节首回节首7第7页，本讲稿共36页缺点：缺点：缺点：缺点：q 控控制制精精度度取取决决于于组组成成系系统统的的元元件件的的精精度度，因因此此对对元元器器件件的
7、的要求比较高要求比较高。q 由由于于输输出出量量不不能能反反馈馈回回来来影影响响控控制制量量，所所以以输输出出量量受受扰扰动动信信号的影响比较大，系统抗干扰能力差号的影响比较大，系统抗干扰能力差。根根据据上上述述特特点点，开开开开环环环环控控控控制制制制方方方方式式式式仅仅仅仅适适适适用用用用于于于于输输输输入入入入量量量量已已已已知知知知，控制精度要求不高，扰动作用不大的情况。控制精度要求不高，扰动作用不大的情况。控制精度要求不高，扰动作用不大的情况。控制精度要求不高，扰动作用不大的情况。开环控制系统开环控制系统一般是根据经验设计一般是根据经验设计一般是根据经验设计一般是根据经验设计的。的。
8、回章首回章首回节首回节首8第8页，本讲稿共36页 闭环控制闭环控制闭环控制闭环控制 不仅有一条从输入端到输出端的前向通路，还有一条从输出不仅有一条从输入端到输出端的前向通路，还有一条从输出端到输入端的反馈通路。端到输入端的反馈通路。输输出出量量通通过过一一个个测测量量变变送送元元件件反反馈馈到到输输入入端端，与与输输入入信信号号比比较较后后得得到到偏偏差差信信号号来来作作为为控控制制器器的的输输入入，反反反反馈馈馈馈的的的的作作作作用用用用是是是是减减减减小小小小偏差偏差偏差偏差，以达到满意的控制效果。，以达到满意的控制效果。闭环控制又称为反馈控制。闭环控制又称为反馈控制。闭环控制又称为反馈控
9、制。闭环控制又称为反馈控制。回章首回章首回节首回节首9第9页，本讲稿共36页 反馈：反馈：反馈：反馈：系统的输出量通过测量变送元件返回到系统的输入系统的输出量通过测量变送元件返回到系统的输入端，并和系统的输入量作比较的过程就称为反馈。端，并和系统的输入量作比较的过程就称为反馈。负反馈：负反馈：负反馈：负反馈：如果输入量和反馈量相减则称为负反馈。如果输入量和反馈量相减则称为负反馈。正反馈：正反馈：正反馈：正反馈：如果输入量和反馈量相加则称为正反馈。如果输入量和反馈量相加则称为正反馈。控制系统中控制系统中一般采用负反馈方式。一般采用负反馈方式。一般采用负反馈方式。一般采用负反馈方式。偏差信号：偏差
10、信号：偏差信号：偏差信号：输入量与反馈量之差称为偏差信号。输入量与反馈量之差称为偏差信号。回章首回章首回节首回节首10第10页，本讲稿共36页 闭环控制系统在控制上的特点闭环控制系统在控制上的特点闭环控制系统在控制上的特点闭环控制系统在控制上的特点 由由于于输输出出信信号号的的反反馈馈量量与与给给定定信信号号作作比比较较产产生生偏偏差差信信号号，利利用用偏偏差差信信号号实实现现对对输输出出量量的的控控制制或或者者调调节节，所所以以系系统统的的输输出出量量能能够够自自动动地地跟跟踪踪给给定定量量，减减小小跟跟踪踪误误差差，提提高高控控制制精精度度，抑制扰动信号的影响。抑制扰动信号的影响。其其其其
11、他他他他的的的的优优优优点点点点：引引进进反反馈馈通通路路后后，使使得得系系统统对对前前向向通通路路中中元元件件参参数数的的变变化化不不灵灵敏敏，从从而而系系统统对对于于前前向向通通路路中中元元件件的的精精度度要要求求不不高高；反馈作用还可以使得整个系统对于某些非线性影响不灵敏等等。反馈作用还可以使得整个系统对于某些非线性影响不灵敏等等。回章首回章首回节首回节首11第11页，本讲稿共36页图图1-2 直流电动机转速开环控制直流电动机转速开环控制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V+举例说明开环控制与闭环控制举例说明开环控制与闭环控制举例说明开环控制与闭环控制举例说明开环控制与
12、闭环控制 图图1-2是直流电动机转速开环控制示意图。是直流电动机转速开环控制示意图。电电动动机机的的转转速速可可由由调调节节电电位位器器来来给给定定。但但当当电电动动机机受受到到负负载载变变化影响时，电动机的转速是要发生变化的。化影响时，电动机的转速是要发生变化的。开环控制系统不能做到自动调节，控制的精度是比较低的。开环控制系统不能做到自动调节，控制的精度是比较低的。开环控制系统不能做到自动调节，控制的精度是比较低的。开环控制系统不能做到自动调节，控制的精度是比较低的。回章首回章首回节首回节首12第12页，本讲稿共36页 图图1-3中中，增增增增加加加加了了了了一一一一个个个个由由由由测测测测
13、速速速速发发发发动动动动机机机机构构构构成成成成的的的的反反反反馈馈馈馈回回回回路路路路，检检测测输输出出转速的变化并进行反馈。转速的变化并进行反馈。闭环控制可以实现电动机转速的自动调节。闭环控制可以实现电动机转速的自动调节。闭环控制可以实现电动机转速的自动调节。闭环控制可以实现电动机转速的自动调节。图图1-3是直流电动机转速闭环控制示意图。是直流电动机转速闭环控制示意图。图图1-3 直流电动机转速闭环控制直流电动机转速闭环控制V+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测速发电机测速发电机回章首回章首回节首回节首13第13页，本讲稿共36页系统自动调节电动机转速的过程如下：系统自
14、动调节电动机转速的过程如下：系统自动调节电动机转速的过程如下：系统自动调节电动机转速的过程如下：当系统受到负载扰动作用时，如果当系统受到负载扰动作用时，如果负载增大负载增大，则电动机，则电动机的转速降低，测速发电机的端电压减小，功率放大器的输入电压的转速降低，测速发电机的端电压减小，功率放大器的输入电压增加，电动机的电枢电压上升，使得电动机的转速增加。增加，电动机的电枢电压上升，使得电动机的转速增加。如果如果负载减小负载减小，则电动机转速调节的过程与上述过程相反。，则电动机转速调节的过程与上述过程相反。这样，消除或者抑制了负载扰动对于电动机转速的影响，提高这样，消除或者抑制了负载扰动对于电动机
15、转速的影响，提高这样，消除或者抑制了负载扰动对于电动机转速的影响，提高这样，消除或者抑制了负载扰动对于电动机转速的影响，提高了系统的控制精度。了系统的控制精度。了系统的控制精度。了系统的控制精度。回章首回章首回节首回节首14第14页，本讲稿共36页综上所述综上所述综上所述综上所述 闭环控制系统的自动控制或者自动调节作用是基于输出信号的负反闭环控制系统的自动控制或者自动调节作用是基于输出信号的负反闭环控制系统的自动控制或者自动调节作用是基于输出信号的负反闭环控制系统的自动控制或者自动调节作用是基于输出信号的负反馈作用而产生的。馈作用而产生的。馈作用而产生的。馈作用而产生的。经典控制理论经典控制理
16、论经典控制理论经典控制理论 主要研究对象主要研究对象是是负反馈的闭环控制系统负反馈的闭环控制系统负反馈的闭环控制系统负反馈的闭环控制系统。研究目的研究目的研究目的研究目的是得到它的一般规律，从而可以设计出符合设计要求是得到它的一般规律，从而可以设计出符合设计要求的，满足实际需要的，性能指标优良控制系统。的，满足实际需要的，性能指标优良控制系统。回章首回章首回节首回节首15第15页，本讲稿共36页1-3 自动控制与自动控制系统自动控制与自动控制系统1-3-1 1-3-1 自动控制系统的组成及定义自动控制系统的组成及定义自动控制系统的组成及定义自动控制系统的组成及定义 自动控制系统的基本结构如图自
17、动控制系统的基本结构如图1-4所示。所示。控制器控制器Gc受控对象受控对象Go反馈环节反馈环节H+-输入量输入量r ucn扰动量扰动量输出量输出量反馈量反馈量b偏差偏差控制量控制量图图1-4 自动控制系统的基本结构自动控制系统的基本结构回章首回章首16第16页，本讲稿共36页受控对象受控对象 是是指指被被控控制制的的装装置置或或者者设设备备(如如电电动动机机、车车床床等等)，有有时时也也指指受控的物理量。受控的物理量。受控过程受控过程 受受控控物物理理量量的的变变化化过过程程称称为为受受控控过过程程。例例如如化化学学反反应应过过程、水泥窑炉的生产过程等。程、水泥窑炉的生产过程等。一般用符号一般
18、用符号GGo o表示。表示。参考输入参考输入(设定值设定值)系统的给定输入信号，或者称为希望值，一般用符号系统的给定输入信号，或者称为希望值，一般用符号r r 表示。表示。回章首回章首回节首回节首1.1.控制系统的一些常用术语控制系统的一些常用术语控制系统的一些常用术语控制系统的一些常用术语17第17页，本讲稿共36页控制量控制量 施加给受控对象的信号，使受控对象按照一定的规律运行，施加给受控对象的信号，使受控对象按照一定的规律运行，一般用符号一般用符号u u表示。表示。输出量输出量 控制系统的输出，即受控的物理量，一般用符号控制系统的输出，即受控的物理量，一般用符号c c表示。表示。偏差信号
19、偏差信号 系系统统的的参参考考输输入入信信号号与与反反馈馈信信号号之之差差称称为为偏偏差差，是是控控制制系系统中的一个重要参数，一般用符号统中的一个重要参数，一般用符号 表示。表示。回章首回章首回节首回节首18第18页，本讲稿共36页扰动信号扰动信号 外界或者系统内部影响系统输出的干扰信号。外界或者系统内部影响系统输出的干扰信号。外部的扰动称为外部的扰动称为外扰外扰，它是系统的一个输入量。，它是系统的一个输入量。内部的扰动称为内部的扰动称为内扰内扰，也可等价为系统的一个输入量。，也可等价为系统的一个输入量。一般用符号一般用符号n n表示。表示。前向通路前向通路 从输入端到输出端的单方向通路。从
20、输入端到输出端的单方向通路。反馈通路反馈通路 从输出端到输入端的反方向通路。从输出端到输入端的反方向通路。回章首回章首回节首回节首19第19页，本讲稿共36页2.2.控制系统的组成控制系统的组成控制系统的组成控制系统的组成 一个典型的控制系统由以下几部分组成：一个典型的控制系统由以下几部分组成：q 受控对象受控对象受控对象受控对象(或者受控过程，其定义如前所述或者受控过程，其定义如前所述)q 定值元件定值元件定值元件定值元件 在在在在常常常常规规规规仪仪仪仪表表表表控控控控制制制制中中中中，用用它它来来产产产产生生生生参参参参考考考考输输输输入入入入或或或或者者者者设设设设定定定定值值值值。设
21、设定定值值既既可可以以由由手手动动操操作作设设定定，也也可可以以由由自自动动装装置置给给定定。参参考考输输入入的的值根据实际情况而定，其类型与变送器的类型相一致。值根据实际情况而定，其类型与变送器的类型相一致。在在在在当当当当前前前前的的的的计计计计算算算算机机机机控控控控制制制制中中中中，参参考考输输入入或或者者设设定定值值一一般般可可以以由由计计算机给出，因此没有专用的定值元件。算机给出，因此没有专用的定值元件。回章首回章首回节首回节首20第20页，本讲稿共36页q 控制器控制器控制器控制器 接接接接收收收收偏偏偏偏差差差差信信信信号号号号或或或或者者者者输输输输入入入入信信信信号号号号，
22、通通通通过过过过一一一一定定定定的的的的控控控控制制制制规规规规律律律律给给给给出出出出控控控控制量，送到执行元件。制量，送到执行元件。制量，送到执行元件。制量，送到执行元件。如如常常规规控控制制仪仪表表(电电动动仪仪表表，气气动动仪仪表表)、可可编编程程逻逻辑辑控控制制器器(PLC)、工业控制计算机等都属于控制器。工业控制计算机等都属于控制器。q 执行元件执行元件执行元件执行元件 控控控控制制制制器器器器与与与与受受受受控控控控对对对对象象象象之之之之间间间间实实实实现现现现功功功功率率率率级级级级别别别别转转转转换换换换或或或或者者者者物物物物理理理理量量量量纲纲纲纲转换的装置称为执行元件
23、，又常称为执行机构或者执行器。转换的装置称为执行元件，又常称为执行机构或者执行器。转换的装置称为执行元件，又常称为执行机构或者执行器。转换的装置称为执行元件，又常称为执行机构或者执行器。常常见见的的执执行行元元件件有有步步进进电电动动机机、电电磁磁阀阀、气气动动阀阀、各各种种驱驱动动装置等。装置等。回章首回章首回节首回节首21第21页，本讲稿共36页q 测量变送元件测量变送元件测量变送元件测量变送元件 又又又又称称称称传传传传感感感感器器器器，用用用用于于于于检检检检测测测测受受受受控控控控对对对对象象象象的的的的输输输输出出出出量量量量，如如温温度度、压压力力、流流量量、位位置置转转速速等等
24、非非电电量量，并并并并变变变变换换换换成成成成标标标标准准准准信信信信号号号号(一一一一般般般般是是是是电电电电信信信信号号号号)后后后后作为反馈量送到控制器。作为反馈量送到控制器。作为反馈量送到控制器。作为反馈量送到控制器。例例如如各各种种压压力力传传感感器器、流流量量传传感感器器、差差压压变变送送器器、测测速速发发电电机等。机等。q 比较元件比较元件比较元件比较元件 用以产生偏差信号来形成控制。用以产生偏差信号来形成控制。用以产生偏差信号来形成控制。用以产生偏差信号来形成控制。有有的的系系统统以以标标准准装装置置的的方方式式配配以以专专用用的的比比较较器器，大大大大部部部部分分分分是是是是
25、以以以以隐藏的方式合并在其它控制装置中隐藏的方式合并在其它控制装置中隐藏的方式合并在其它控制装置中隐藏的方式合并在其它控制装置中，如计算机控制系统等。，如计算机控制系统等。回章首回章首回节首回节首22第22页，本讲稿共36页1-3-2 1-3-2 自动控制系统的分类自动控制系统的分类自动控制系统的分类自动控制系统的分类 前前面面已已经经介介绍绍过过开开开开环环环环控控控控制制制制系系系系统统统统与与与与闭闭闭闭环环环环控控控控制制制制系系系系统统统统，这这这这是是是是按按按按照照照照控控控控制制制制原原原原理理理理来来来来分分分分类类类类的的的的。下下面面再再介介绍绍自自动动控控制制系系统统的
26、的另另外外几几种种主主要要分分类类方法。方法。1 1恒值控制系统与随动控制系统恒值控制系统与随动控制系统恒值控制系统与随动控制系统恒值控制系统与随动控制系统 根据给定的参考输入信号的不同来分类。根据给定的参考输入信号的不同来分类。根据给定的参考输入信号的不同来分类。根据给定的参考输入信号的不同来分类。恒恒恒恒值值值值控控控控制制制制系系系系统统统统：系系统统的的参参考考输输入入为为恒恒值值或或者者波波动动范范围围很很小小，系系统统的输出量也要求保持恒定，这类控制系统称为恒值控制系统。的输出量也要求保持恒定，这类控制系统称为恒值控制系统。例如恒温控制系统和转速控制系统等。例如恒温控制系统和转速控
27、制系统等。回章首回章首回节首回节首23第23页，本讲稿共36页 随随随随动动动动控控控控制制制制系系系系统统统统又又又又称称称称伺伺伺伺服服服服控控控控制制制制系系系系统统统统：其其参参考考输输入入值值不不断断地地变变化化，而而且变化规律未知。且变化规律未知。控控制制的的目目目目的的的的是是是是使使使使得得得得系系系系统统统统的的的的输输输输出出出出量量量量能能能能够够够够准准准准确确确确地地地地跟跟跟跟踪踪踪踪输输输输入入入入量量量量的的的的变变变变化。化。化。化。随随动动控控制制系系统统常常用用于于军军事事上上对对于于机机动动目目标标的的跟跟踪踪，例例如如雷雷达跟踪系统、坦克炮塔自稳系统等
28、。达跟踪系统、坦克炮塔自稳系统等。回章首回章首回节首回节首24第24页，本讲稿共36页2.2.线性系统与非线性系统线性系统与非线性系统线性系统与非线性系统线性系统与非线性系统 根据系统数学性质的不同来分类。根据系统数学性质的不同来分类。根据系统数学性质的不同来分类。根据系统数学性质的不同来分类。线性系统的主要特征是满足叠加原理线性系统的主要特征是满足叠加原理线性系统的主要特征是满足叠加原理线性系统的主要特征是满足叠加原理，即：，即：当系统在输入信号当系统在输入信号u1(t)的作用下产生系统的输出的作用下产生系统的输出y1(t)，当系统在输入信号当系统在输入信号u2(t)的作用下产生系统的输出的
29、作用下产生系统的输出y2(t)，系系数数a，b可可以以是是常常数数，也也可可以以是是时时变变参参数数。这这这这样样样样的的的的系系系系统统统统称称称称为为为为线线线线性系统，否则称为非线性系统。性系统，否则称为非线性系统。性系统，否则称为非线性系统。性系统，否则称为非线性系统。本书所研究和讨论的本书所研究和讨论的主要是线性定常系统主要是线性定常系统主要是线性定常系统主要是线性定常系统。如果系统的输入信号为如果系统的输入信号为系统的输出满足系统的输出满足回章首回章首回节首回节首25第25页，本讲稿共36页3.3.连续时间系统与离散时间系统连续时间系统与离散时间系统连续时间系统与离散时间系统连续时
30、间系统与离散时间系统 根据时间信号的不同方式来对系统进行分类的。根据时间信号的不同方式来对系统进行分类的。根据时间信号的不同方式来对系统进行分类的。根据时间信号的不同方式来对系统进行分类的。连连连连续续续续时时时时间间间间系系系系统统统统：当当系系统统的的输输入入信信号号与与输输出出信信号号均均是是以以连连续续时间函数时间函数u(t)与与y(t)来表示，则称为连续时间系统。来表示，则称为连续时间系统。离离离离散散散散时时时时间间间间系系系系统统统统：当当系系统统的的输输入入信信号号与与输输出出信信号号均均以以离离散散时时间间量量u(kT)与与y(kT)来表示，则称为离散时间系统。来表示，则称为
31、离散时间系统。回章首回章首回节首回节首tu(t)0tu(kT)0T 2T nT 图图 1-5 连续时间信号与离散时间信号连续时间信号与离散时间信号两类时间信号如图两类时间信号如图1-5所示。所示。26第26页，本讲稿共36页给定值给定值A/D 数字数字计算机计算机D/A执行器执行器受控对象受控对象传感器传感器输出输出数字控制器数字控制器+-图图 1-6 计算机控制系统计算机控制系统 在在数数字字化化与与计计算算机机控控制制的的当当今今时时代代，是是将将连连续续时时间间系系统统等等价价为为离离散散时时间间系系统统来来分分析析与与研研究究的的，这这样样可可方方便便地地利利用用计计算算机机作为控制器
32、来实现系统控制。计算机控制系统如图作为控制器来实现系统控制。计算机控制系统如图1-6所示。所示。回章首回章首回节首回节首27第27页，本讲稿共36页 4 4单输入单输入单输入单输入-单输出系统与多输入单输出系统与多输入单输出系统与多输入单输出系统与多输入-多输出系统多输出系统多输出系统多输出系统 回章首回章首回节首回节首图图 1-7 单输入单输入-单输出系统与多输入单输出系统与多输入-多输出系统多输出系统系统系统uy(a)SISO系统(b)MIMO系统 系系统统u1u2umy2yry1单输入单输入-单输出系统与多输入单输出系统与多输入-多输出系统如图多输出系统如图1-7所示。所示。28第28页
33、，本讲稿共36页 从端口关系上来分类，故不考虑端口内部的通路与结构。从端口关系上来分类，故不考虑端口内部的通路与结构。从端口关系上来分类，故不考虑端口内部的通路与结构。从端口关系上来分类，故不考虑端口内部的通路与结构。单单单单输输输输入入入入-单单单单输输输输出出出出系系系系统统统统(SISO)SISO)：只只有有一一个个输输入入量量和和一一个个输输出出量量。单输入单输入-单输出系统是单输出系统是经典控制理论的主要研究对象经典控制理论的主要研究对象经典控制理论的主要研究对象经典控制理论的主要研究对象。多多多多输输输输入入入入-多多多多输输输输出出出出系系系系统统统统(MIMO)MIMO)：多多
34、个个输输入入量量和和多多个个输输出出量量，其其主主要要特特点点是是输输出出与与输输入入之之间间呈呈现现多多路路耦耦合合。与与单单输输入入-单单输输出出系统相比，系统的结构要复杂得多，系统相比，系统的结构要复杂得多，本书基本不予讨论本书基本不予讨论本书基本不予讨论本书基本不予讨论。除除了了以以上上提提到到的的分分类类方方法法外外，自自动动控控制制系系统统还还有有其其他他的的分分类类方方法法，如如如如集集集集中中中中参参参参数数数数系系系系统统统统与与与与分分分分布布布布参参参参数数数数系系系系统统统统、确确确确定定定定性性性性系系系系统统统统与与与与随随随随机机机机控控控控制制制制系统等。系统等
35、。系统等。系统等。回章首回章首回节首回节首29第29页，本讲稿共36页1-3-3 1-3-3 自动控制系统的设计自动控制系统的设计自动控制系统的设计自动控制系统的设计 自动控制系统的设计方法根据实际情况的不同而不同。自动控制系统的设计方法根据实际情况的不同而不同。首首首首先先先先要要符符合合自自动动控控制制系系统统的的基基本本要要求求，其其其其次次次次要要遵遵循循自自动动控控制系统设计的基本原则。制系统设计的基本原则。1.1.对自动控制系统的基本要求对自动控制系统的基本要求对自动控制系统的基本要求对自动控制系统的基本要求 对对于于一一个个控控制制系系统统首首首首要要要要的的的的要要要要求求求求
36、是是是是系系系系统统统统的的的的绝绝绝绝对对对对稳稳稳稳定定定定性性性性。在在系系统统稳稳定定的的前前提提之之下下，要要要要求求求求系系系系统统统统的的的的动动动动态态态态性性性性能能能能和和和和稳稳稳稳态态态态性性性性能能能能要要要要好好好好。系系统统的的动动态态性能和稳态性能是由相应的性能指标来描述的。性能和稳态性能是由相应的性能指标来描述的。在此，对于系统的性能要求可以在此，对于系统的性能要求可以简要概括简要概括简要概括简要概括为为:响应动作要快响应动作要快响应动作要快响应动作要快 动态过程平稳动态过程平稳动态过程平稳动态过程平稳 跟踪值要准确跟踪值要准确跟踪值要准确跟踪值要准确上述三条
37、自动控制系统的基本要求如图上述三条自动控制系统的基本要求如图1-8所示。所示。回章首回章首回节首回节首30第30页，本讲稿共36页c(t)给定值给定值 响响应应缓缓慢慢 响应快速响应快速 tc(t)变化剧烈变化剧烈 响响应应平平稳稳 tc(t)跟踪误差跟踪误差 t图图1-8 控制系统的基本要求控制系统的基本要求(a)响应快速性响应快速性(b)动态平稳性动态平稳性(c)跟踪准确性跟踪准确性回章首回章首回节首回节首31第31页，本讲稿共36页 图图图图(a)a)显示了给定恒值信号时，系统达到稳态值的快速性。显示了给定恒值信号时，系统达到稳态值的快速性。图图图图(b)b)说说明明了了给给定定恒恒值值
38、信信号号时时，系系统统的的响响应应能能够够很很快快稳稳定定在在稳稳态值附近与在稳态值附近上下波动的两种比较情况。态值附近与在稳态值附近上下波动的两种比较情况。图图图图(c)c)说说明明了了跟跟踪踪等等速速率率变变化化信信号号时时，系系统统的的响响应应能能否否准准确确地地跟跟踪踪输输入入信信号号。能能够够准准确确地地跟跟踪踪的的系系统统，就就没没有有跟跟踪踪误误差差或或者者跟跟踪踪误差很小，否则，跟踪误差就大。误差很小，否则，跟踪误差就大。回章首回章首回节首回节首32第32页，本讲稿共36页2.2.自动控制系统的设计原则自动控制系统的设计原则自动控制系统的设计原则自动控制系统的设计原则 自自动动
39、控控制制系系统统设设设设计计计计的的的的目目目目的的的的是是要要保保证证系系统统的的输输出出在在给给定定性性能能要要求求的基础上跟踪输入信号的基础上跟踪输入信号,并且要有一定的抗干扰能力。并且要有一定的抗干扰能力。自动控制系统的设计大体上自动控制系统的设计大体上可以归结为以下几个步骤：可以归结为以下几个步骤：可以归结为以下几个步骤：可以归结为以下几个步骤：(1)(1)系统分析系统分析系统分析系统分析 (2)(2)系统设计系统设计系统设计系统设计 (3)(3)实验仿真实验仿真实验仿真实验仿真 (4)(4)控制实现控制实现控制实现控制实现 回章首回章首回节首回节首 在在本本书书中中，重重重重点点点
40、点从从从从理理理理论论论论上上上上探探讨讨、研研究究自自动动控控制制系系统统的的分分析析问问题题和系统的设计问题和系统的设计问题(自动控制系统的校正自动控制系统的校正)。33第33页，本讲稿共36页1-4 自动控制理论的发展自动控制理论的发展1-4-1 1-4-1 经典控制理论发展阶段经典控制理论发展阶段经典控制理论发展阶段经典控制理论发展阶段 自动控制理论的发展到目前为止经历了以下几个阶段。自动控制理论的发展到目前为止经历了以下几个阶段。回章首回章首 到到了了第第二二次次世世界界大大战战时时期期，由由于于工工业业技技术术发发展展的的需需要要和和战战争争的的需需要要，在在其其他他相相关关学学科
41、科的的发发展展促促进进之之下下，经经典典控控制制理理论论逐逐渐渐发发展展成成熟而形成为独立学科。熟而形成为独立学科。在在经经典典控控制制理理论论的的研研究究中中，所所所所使使使使用用用用的的的的数数数数学学学学工工工工具具具具主主主主要要要要是是是是线线线线性性性性微微微微分分分分方程和基于拉普拉斯变换的传递函数。方程和基于拉普拉斯变换的传递函数。方程和基于拉普拉斯变换的传递函数。方程和基于拉普拉斯变换的传递函数。研究对象基本是单输入研究对象基本是单输入研究对象基本是单输入研究对象基本是单输入-单输出系统，以线性定常系统为主。单输出系统，以线性定常系统为主。单输出系统，以线性定常系统为主。单输
42、出系统，以线性定常系统为主。34第34页，本讲稿共36页1-4-2 1-4-2 现代控制理论发展阶段现代控制理论发展阶段现代控制理论发展阶段现代控制理论发展阶段 从从50年年代代开开始始，为为了了适适应应空空间间技技术术与与军军事事技技术术发发展展的的需需要要，在在经经典典控控制制理理论论充充分分发发展展的的基基础础上上，现现代代控控制制理理论论得得到到了了长长足足的的发发展展。许多经典控制理论不能解决的问题，在此期间都得到了满意的答案。许多经典控制理论不能解决的问题，在此期间都得到了满意的答案。现代控制理论研究使用的数学工具主要是状态空间法。现代控制理论研究使用的数学工具主要是状态空间法。现
43、代控制理论研究使用的数学工具主要是状态空间法。现代控制理论研究使用的数学工具主要是状态空间法。研研研研究究究究对对对对象象象象更更更更为为为为广广广广泛泛泛泛。如如线线性性系系统统与与非非线线性性系系统统、定定常常系系统统与与时时变变系系统统、多多输输入入-多多输输出出系系统统、强强变变量量耦耦合合系系统统等。等。回章首回章首回节首回节首35第35页，本讲稿共36页1-4-3 1-4-3 智能控制理论研究阶段智能控制理论研究阶段智能控制理论研究阶段智能控制理论研究阶段 智能控制理论的研究是建立在现代控制理论的发展和其他相智能控制理论的研究是建立在现代控制理论的发展和其他相关学科的发展基础之上的
44、。关学科的发展基础之上的。智能，全称人工智能，智能，全称人工智能，智能，全称人工智能，智能，全称人工智能，是基于人脑的思维、推理决策功能是基于人脑的思维、推理决策功能是基于人脑的思维、推理决策功能是基于人脑的思维、推理决策功能而言的而言的而言的而言的，早已超出了传统的工程技术的范畴，是当前控制理论学，早已超出了传统的工程技术的范畴，是当前控制理论学科研究的前沿领域。科研究的前沿领域。智能控制理论的研究以人工智能的研究为方向，引导人们去智能控制理论的研究以人工智能的研究为方向，引导人们去智能控制理论的研究以人工智能的研究为方向，引导人们去智能控制理论的研究以人工智能的研究为方向，引导人们去探讨自然界更为深刻的运动机理。探讨自然界更为深刻的运动机理。探讨自然界更为深刻的运动机理。探讨自然界更为深刻的运动机理。当前主要的研究方向有自适应控制理论研究、模糊控制理论当前主要的研究方向有自适应控制理论研究、模糊控制理论研究、人工神经元网络研究以及混沌理论研究等，并且有许多研研究、人工神经元网络研究以及混沌理论研究等，并且有许多研究成果产生。究成果产生。回章首回章首回节首回节首36第36页，本讲稿共36页