第一章 控制系统的一般概念

1. 第一章 控制系统的一般概念 §1 绪论 一.控制系统的发展史 自动控制成为一门科学是从1945年发展起来的。 • 开始多用于工业：压力、温度、流量、位移、湿度、粘度自动控制 • 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 • 目前渗透到更多领域：大系统、交通管理、图书管理等 • 生物学系统：生物控制论、波斯顿假肢、人造器官 • 经济系统：模拟经济管理过程、经济控制论

3. 信号与系统 复变函数、拉普拉斯变换 模拟电子技术 电路理论 线性代数 电机与拖动 自动控制理论 大学物理（力学、热力学） 微积分（含微分方程） 课程的性质和特点 1.自动控制是一门技术学科，从方法论的角度来研究系统的建立、分析与设计。 2.《自动控制原理》是本学科的技术基础课，自动控制理论的基础课程 ，该课程与其它课程的关系。

4. 四个发展阶段 （一）胚胎萌芽期（1945年以前） 十八世纪以后，蒸汽机的使用提出了调速稳定等问题 1765年俄国人波尔祖诺夫发明了锅炉水位调节器 1784年英国人瓦特发明了调速器，蒸汽机离心式调速器 1877年产生了古氏判据和劳斯稳定判据 十九世纪前半叶，动力使用了发电机、电动机促进了水利、水电站的遥控和程控的发展以及电压、电流的自动调节技术的发展

5. 十九世纪末，二十世纪初，使用内燃机促进了飞机、十九世纪末，二十世纪初，使用内燃机促进了飞机、 汽车、船舶、机器制造业和石油工业的发展，产生了 伺服控制和过程控制。 飞机、雷达、火炮上的伺服机构，总结了自动 调节技术及反馈放大器技术，搭起了经典控制理论的 架子，但还没有形成学科。 二十世纪初第二次世界大战，军事工业发展很快。

6. （二）经典控制理论时期（1940-1960） 1945年美国人Bode“网络分析与放大器的设计”,奠定了控制理论的基础。50年代趋于成熟。 主要内容 对单输入单输出系统进行分析，采用频率法、根轨迹法、相平面法、描述函数法；讨论系统稳定性的代数和几何判据以及校正网络等。

7. （三）现代控制理论时期（50年代末-60年代初）（三）现代控制理论时期（50年代末-60年代初） 空间技术的发展提出了许多复杂控制问题，用于导弹、人造卫星和宇宙飞船上。 Kalman“控制系统的一般理论”奠定了现代控制理论的基础。解决多输入、多输出、时变参数、高精度复杂系统的控制问题。 （四）大系统和智能控制时期（70年代） 各学科相互渗透，要分析的系统越来越 大，越来越复杂。例人工智能、模拟人的人脑功 能、机器人等。

8. 经典控制理论 a.特点 • 研究对象：单输入、单输出线性定常系统。 • 解决方法：频率法、根轨迹法、传递函数。 • 非线性系统：相平面法和描述函数法。 • 数学工具：常微分方程、差分方程、拉氏变换、Z变换。 b.局限性 • 不能应用于时变系统、多变量系统。 • 不能揭示系统更为深刻的内部特性。

9. 现代控制理论 随着计算机技术、航空航天技术的迅速发展而发展起来的。 a.特点 • 研究对象：多输入、多输出系统，线性、非线性、定常或时变、连续或离散系统。 • 解决方法：状态空间法（时域方法）。 • 数学工具：线性代数、微分方程组、矩阵理论。

10. b.主要标志 • 1965年，R.Bellman提出了寻求最优控制的动态规划方法。 • 1958年，R.E.Kalman采用状态空间法分析系统，提出能控性、能观测性、Kalman滤波理论 • 1961年，庞特里亚金极大值原理。

11. 二.自动控制要解决的基本问题 自动控制是使一个或一些被控制的物理量按照另一 个物理量即控制量的变化而变化或保持恒定，一般 地说如何使控制量按照给定量的变化规律变化，就 是一个控制系统要解决的基本问题。

13. 三.自动控制技术的作用 1.自动控制技术的应用不仅使生产过程实现了自动化，极大地提高了劳动生产率，而且减轻了人的劳动强度。 2.自动控制使工作具有高度的准确性，大大地提高了武器的命中率和战斗力，例如火炮自动跟踪系统必须采用计算机控制才能打下高速高空飞行的飞机。 3.某些人们不能直接参与工作的场合就更离不开自动控制技术了，例如原子能的生产、火炮或导弹的制导等等。

14. 输入 信号 输出量 控制装置 被控对象 (炉温) (开关) (炉子) §2 开环控制和闭环控制 一.开环控制 控制装置与被控对象之间只有顺向作用而没有反向联系的控制。

15. 开环控制实例图 进料 开关 炉温控制 液位控制 K 电源 阀 闭环控制 开环控制 出料 E

16. 二.闭环控制实例图 人眼 大脑 手臂,手 输入 信号 输出 信号 人眼 用自动装置代替人工操作

17. 反馈与负反馈的概念 • 反馈：输出量送回至输入端并与输入信号比较的过程。 • 负反馈：反馈的信号是与输入信号相减而使偏差越来越小。

18. 三.开环控制与闭环反馈控制的比较 开环的优点和缺点 优点 ：结构简单，成本低廉，工作稳定，当输入信号和扰动能预先知道时，控制效果较好。 缺点：不能自动修正被控制量的偏离，系统的元件参数变化以及外来的未知扰动对控制精度影响较大。

19. 闭环的优点和缺点 优点：具有自动修正被控制量出现偏离的能力，可以修正元件参数变化以及外界扰动引起的误差，控制精度高。 缺点：被控量可能出现振荡，甚至发散。

20. §3 控制系统的类型 一.随动系统与恒动系统 二.线性系统与非线性系统 三.连续系统与离散系统 四.单输入输出系统与多输入输出系统 五.确定性系统与不确定性系统 六.集中参数系统与分布参数系统

21. 一.基本元件组成: 1.测量元件:测量控制量及被控质量。 2.比较元件:实现测量控制量及被控质量的负反馈产生偏差信号。 3.放大元件:偏差信号比较微弱,放大幅值和功率。 4.执行元件:使系统偏差经放大形成的控制作用驱动被控 制对象以产生按控制信号的变化规律而变化的被控制信号。 5.校正元件:系统中能消除或减弱振荡而提高控制性能的元件。 执行器 被控对象 控制器 测量元件 §4 控制系统的组成与对控制系统的基本要求

22. 二. 相关术语 • 参考输入：系统给定的输入信号 。 • 偏差：参考输入与返回的输出信号之差。 • 控制量：指控制器施加给被控制对象的控制信号。 • 扰动：指外界或系统内部影响系统输出的干扰信号 。 • 输入：指输入到控制系统中的信号。

23. 三.控制系统的基本要求 超调量 调整时间 上升时间 峰值时间 N : 振荡次数

24. C(t) Y(t) 2 C() 1(t) t 0 t 0 单位阶跃信号图与单位阶跃响应图 单位阶跃信号 单位阶跃响应