1、自動控制理論Control System Analysis and DesignReferences:References: 總學(xué)時總學(xué)時：90 學(xué)分學(xué)分：4.5 講課講課：72學(xué)時學(xué)時 實驗實驗：18 學(xué)時學(xué)時2 Benjamin C. Kuo. Automatic Control Systems M. Prentice-Hall 1995 Seventh Edition 3Richard C. Dorf. 現(xiàn)代控制系統(tǒng)M. 北京：高等教育出版社，2001第八版4 盧子廣 等. 自動控制理論M. 北京：機械工業(yè)出版社，20091 John J. Dazzo. Linear Control S

2、ystem Analysis and Design M. McGraw-Hill, 1995 答疑預(yù)約地點：電氣樓5樓Email: Course IntroductionCourse IntroductionSomething you shall take care Finish your assignments before lecture To build 35 teams yourselves Preview textbook before lecture Be active during lecture Do use MATLAB to help yourselfCourse Feat

3、ures（1） 是一門專業(yè)基礎(chǔ)/專業(yè)課 自動控制理論是一門技術(shù)學(xué)科，從方法論的角度來研究自動控制系統(tǒng)的模型建立、分析與設(shè)計。 與其他學(xué)科的系統(tǒng)分析與設(shè)計存在共同之處Course Features （2） 自動控制理論已經(jīng)發(fā)展為理論嚴(yán)密、系統(tǒng)完整、邏輯性很強的一門學(xué)科。從20世紀(jì)40年代的經(jīng)典反饋控制理論發(fā)展到：自適應(yīng)控制、優(yōu)化控制、魯棒控制、大系統(tǒng)控制、智能控制等多個分支。 研究的對象已經(jīng)從工程系統(tǒng)發(fā)展到：經(jīng)濟、社會、交通、環(huán)境、醫(yī)學(xué)、生物多個領(lǐng)域。Course Features （3） 主要內(nèi)容主要內(nèi)容：自動控制的一般概念，常見物理系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，線性控制系統(tǒng)的一般分析、設(shè)計（校正、綜合）方

4、法以及線性離散系統(tǒng)分析與設(shè)計初步、非線性系統(tǒng)分析基礎(chǔ)。 主要的學(xué)習(xí)目的和任務(wù)：主要的學(xué)習(xí)目的和任務(wù)：掌握關(guān)于自動控制系統(tǒng)的基本概念、基本理論和基本方法；掌握線性控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型建立、系統(tǒng)分析和綜合方法，線性離散系統(tǒng)的分析方法和非線性控制系統(tǒng)的基本概念和分析的基本方法 。The Position in Curriculum Program自動控制理論自動控制理論電機與拖動電機與拖動模擬電子技術(shù)模擬電子技術(shù)線性代數(shù)線性代數(shù)高等數(shù)學(xué)（含微分方程）高等數(shù)學(xué)（含微分方程）復(fù)變函數(shù)、拉普拉斯變換復(fù)變函數(shù)、拉普拉斯變換電路理論電路理論大學(xué)物理（力學(xué)、熱力學(xué)）大學(xué)物理（力學(xué)、熱力學(xué)）信號與系統(tǒng)信號與系統(tǒng)運動

5、控制運動控制過程控制過程控制檢測技術(shù)檢測技術(shù)計算機控制技術(shù)計算機控制技術(shù)現(xiàn)代控制理論現(xiàn)代控制理論Chapter 1 An Overview and Brief History of Feedback ControlA Perspective on Feedback ControlChapter OverviewAn Example of Feedback System Simple Analysis A Brief History on Feedback ControlAn Overview of BookA Perspective on Feedback ControlManual leve

6、l control eyesarmsPlant/ProcessPlant/Process：tanktankControlled variableControlled variable：water levelwater levelInputInput: desired water level: desired water levelMans function: Mans function: measurementmeasurementcomparingcomparing and and operatingoperatingbraininputAutomatic level control ：in

7、putcontrolleractuatorLevel measuringPlantPlant：tanktankControlled variableControlled variable：water levelwater levelInput: desired water levelInput: desired water levelControl systems function: Control systems function: measurementmeasurement、comparingcomparing and and operatingoperatingControl syst

8、emA Perspective on Feedback ControlOpen-Loop ControlBlock Diagram of Open-Loop ControlControllerProcesscontrolled variable/output/responseinput/referencecontrol signal/manipulated variableAt least two problems with open loop control !disturbance/noiseWhy open loop?Closed-Loop ControlIt also called f

9、eedback control!input erroroutputProcessControllerSensorBlock Diagram of Closed-Loop ControlNormally use negative feedback ! disturbancenoiseFeed-forward ControloutputProcessControllerBlock Diagram of Feed-forward ControldisturbancesystemMore about Block Diagraminput erroroutputProcessControllerSens

10、ordisturbanceThe arrows are the representation of information/signals!subsystem or elementMore about Block DiagramTwo types of block diagramR(s)G2(s)G1(s)G3(s)Y(s)quantitative modelinput outputProcessControllerSensorqualitative modelTransfer functionMore about Block DiagramThe connection of block di

11、agramG1(s)R(s)Y(s)Y(s)=G(s)R(s)Y(s)=G1(s)G2(s)R(s)G2(s)G1(s)R(s)Y(s)More about Block DiagramThe connection of block diagramG1(s)G2(s)+R(s)Y(s)Y(s)=G1(s)+G2(s)R(s)G1(s)G2(s)Y(s)R(s)112( )( )( )1( )( )G sY sR sG s G s1.1 A Simple Feedback SystemthermostatTo draw a block diagram is the first thing in s

12、ystem analysis!1.1 A Simple Feedback System1.1 A Simple Feedback SystemThermostatGas ValveFurnaceHouseDesiredtemp.Roomtemp.Heat lossQinQoutInput filterProcessReferenceoutput.DisturbanceControllerSensorActuatorPlant1.2 A First Analysis of FeedbackNow, the problem we have is how to design controller?1

13、.2 A First Analysis of FeedbackCruise control of an automobileto build some modelsignore the dynamic characteristic of system1 change in throttle angle10 mph change in speed1% change in grade5 mph change in speedDesired speed is 65 mphActual speed65 mphthrottle angleThe Block Diagram of a Cruise Con

14、trolControllerAuto bodyspeedometerEngine1.2 A First Analysis of Feedbackroad grad1.2 A First Analysis of Feedbackoutput speedmphroad grade%The Block Diagram of the Cruise Control Plant10y0.5wcontroldegreesuoutput speed， mphThe Block Diagram of the Auto Body10ycontrol degreesu1.2 A First Analysis of

15、FeedbackOpen-loop Cruise Control10y0.5wu1/10rcontrollerError analysisyol=10(u-0.5w)=r-5weol=r-yol=5w1.2 A First Analysis of Feedbackycl=10(u-0.5w)u=10(r-ycl)10051011015101101clclyrwrew=-=+Closed-loop Cruise Control10y0.5wu10rcontrollerError analysisClassification of Control Systems 按控制方式：閉環(huán)、開環(huán)、前饋、復(fù)合

16、按控制方式：閉環(huán)、開環(huán)、前饋、復(fù)合 按系統(tǒng)性能：線性、非線性、連續(xù)、離散、定常、按系統(tǒng)性能：線性、非線性、連續(xù)、離散、定常、時變、確定、隨機、集中參數(shù)、分布參數(shù)時變、確定、隨機、集中參數(shù)、分布參數(shù) 按參考輸入變化規(guī)律：恒值、隨動、按參考輸入變化規(guī)律：恒值、隨動、 程序控制程序控制 按系統(tǒng)功能：溫度、壓力、液位、流量、位置按系統(tǒng)功能：溫度、壓力、液位、流量、位置 按元件類型：機械、電氣、機電、液壓、生物、按元件類型：機械、電氣、機電、液壓、生物、氣動氣動 按（輸入按（輸入/輸出）變量個數(shù)：單輸入單輸出輸出）變量個數(shù)：單輸入單輸出（SISO)、多輸入多輸出、多輸入多輸出(MIMO)What is

17、the performance indexes of a control system? Stability: the controlled system shall be stable. Fast: the output shall follow the desired input quickly. Accuracy: the difference between the desired input and output shall be as little as possible. 穩(wěn)、快、準(zhǔn)History of Automatic Control古代控制古代控制 公元前公元前300年左右

18、，李冰設(shè)計和建造的都江堰水利工程，年左右，李冰設(shè)計和建造的都江堰水利工程，運用了反饋原理。運用了反饋原理。指南車：東漢，張衡；三國，馬鈞指南車：東漢，張衡；三國，馬鈞水運儀象臺：宋（公元水運儀象臺：宋（公元1088年）蘇頌?zāi)辏┨K頌公元前公元前300300年至公元前年至公元前1 1年，古希臘出現(xiàn)的年，古希臘出現(xiàn)的浮球調(diào)節(jié)裝置。大約公元浮球調(diào)節(jié)裝置。大約公元250250年，年，PhilongPhilong發(fā)明的油燈，其中用浮球調(diào)節(jié)裝置來保持發(fā)明的油燈，其中用浮球調(diào)節(jié)裝置來保持燃油的油面高度。還有古希臘的水鐘。燃油的油面高度。還有古希臘的水鐘。History of Automatic Control

19、（2） 近代歐洲最早發(fā)明的反饋系統(tǒng)是荷蘭人近代歐洲最早發(fā)明的反饋系統(tǒng)是荷蘭人Cornelis Drebbel(1572-1633)發(fā)明的溫度調(diào)節(jié)器發(fā)明的溫度調(diào)節(jié)器Dennis Papin(1647-1712)在在1681年發(fā)明了鍋爐壓力調(diào)節(jié)器。年發(fā)明了鍋爐壓力調(diào)節(jié)器。mercuryAlcoholwaterdamperHistory of Automatic Control（3） J. C. Maxwell(1831-1879)，1868年發(fā)表的文章：年發(fā)表的文章：On Governors,首先全面地論述了反饋系統(tǒng)的穩(wěn)定性，建立了調(diào)速器首先全面地論述了反饋系統(tǒng)的穩(wěn)定性，建立了調(diào)速器的微分方程，在

20、平衡點附近線性化后，獲得了代數(shù)特征方程，并以的微分方程，在平衡點附近線性化后，獲得了代數(shù)特征方程，并以該方程的根作為判斷穩(wěn)定性的依據(jù)，他解決了二階、三階系統(tǒng)的穩(wěn)該方程的根作為判斷穩(wěn)定性的依據(jù)，他解決了二階、三階系統(tǒng)的穩(wěn)定性。隨后，劍橋大學(xué)的定性。隨后，劍橋大學(xué)的E. J. Routh 與瑞典的與瑞典的Hurwitz解決了高階解決了高階系統(tǒng)的穩(wěn)定性判斷。系統(tǒng)的穩(wěn)定性判斷。 1769年，為了解決工業(yè)生產(chǎn)中蒸年，為了解決工業(yè)生產(chǎn)中蒸汽機的速度控制問題，汽機的速度控制問題，J. Watt(瓦瓦特特,1736-1819)發(fā)明了蒸汽機。他在蒸發(fā)明了蒸汽機。他在蒸汽機上安裝了一個飛球，構(gòu)成蒸汽機汽機上安裝了

21、一個飛球，構(gòu)成蒸汽機調(diào)速器。調(diào)速器。近代控制近代控制Fly-Ball Governor A. Lyapunov(1857-1918)，俄國數(shù)學(xué)家，在他的博士論文，俄國數(shù)學(xué)家，在他的博士論文中，中，Lyapunov系統(tǒng)地研究了由微分方程描述的一般運動系統(tǒng)的系統(tǒng)地研究了由微分方程描述的一般運動系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題，建立了著名的穩(wěn)定性問題，建立了著名的Lyapunov方法方法 M. Minorsky, 美國工程師，在年首先提出了美國工程師，在年首先提出了控制方法，成功地將其應(yīng)用于美國海軍軍艦控制方法，成功地將其應(yīng)用于美國海軍軍艦New Mexico的控制的控制問題問題H. S. Black , AT&a

22、mp;T貝爾實驗室的研究員貝爾實驗室的研究員, 于于1927年發(fā)明了負反饋年發(fā)明了負反饋方法與電子放大器方法與電子放大器,其工作為現(xiàn)代電子系統(tǒng)和通信系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)其工作為現(xiàn)代電子系統(tǒng)和通信系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ).History of Automatic Control（4）經(jīng)典控制經(jīng)典控制在第二次世界大戰(zhàn)中，因為飛機自動駕駛儀、火炮位置跟蹤系統(tǒng)、雷達天線跟蹤系統(tǒng)以及其它的軍事方面的應(yīng)用，反饋控制變成一種重要的方法。在20世紀(jì)40年代之前，這些系統(tǒng)的設(shè)計和制造主要依賴于實驗“試湊法”。在美國的MIT、Bell實驗室的一批科學(xué)家工程師，例如N. Wiener、 V. Bush、 H. Nyquist、H.

23、W. Bode、 N.B. Nichols、C. Shannon 、H. Hanzen等為首的科學(xué)家設(shè)計了一系列的自動控制裝置和系統(tǒng)History of Automatic Control（5） 40年代期間，數(shù)學(xué)解析與數(shù)值方法引進到控制系統(tǒng)分析與設(shè)計年代期間，數(shù)學(xué)解析與數(shù)值方法引進到控制系統(tǒng)分析與設(shè)計。這時，控制工程才成為一門真正的工程學(xué)科。這時，控制工程才成為一門真正的工程學(xué)科。 1948年，年，N. Wiener(維納維納)的著作：的著作：Cybernetics or control and Communication in the Animal and the Machine控制論控制

24、論的發(fā)表，開創(chuàng)了的發(fā)表，開創(chuàng)了“控制論控制論”這樣一門新學(xué)科其目的是研究一這樣一門新學(xué)科其目的是研究一個系統(tǒng)的各個不同部分之間的相互作用的定性性質(zhì)以及整個系統(tǒng)個系統(tǒng)的各個不同部分之間的相互作用的定性性質(zhì)以及整個系統(tǒng)的運動狀態(tài)的運動狀態(tài) 1954年，錢學(xué)森出版了第一部系統(tǒng)地關(guān)于工程系統(tǒng)控制的著年，錢學(xué)森出版了第一部系統(tǒng)地關(guān)于工程系統(tǒng)控制的著作：作：Engineering Cybernetics (工程控制論），工程控制論），1980年錢學(xué)森年錢學(xué)森與宋健等人完成了與宋健等人完成了工程控制論工程控制論中文修訂版。中文修訂版。History of Automatic Control（6）Histor

25、y of Automatic Control（7）20世紀(jì)世紀(jì)60年代，年代，R.E. Kalman, 線性系統(tǒng)的可控性、可觀性、濾波線性系統(tǒng)的可控性、可觀性、濾波器理論以及代數(shù)結(jié)構(gòu)等方面的貢獻，成為現(xiàn)代控制理論的主要奠器理論以及代數(shù)結(jié)構(gòu)等方面的貢獻，成為現(xiàn)代控制理論的主要奠基人之一。基人之一。L.S Pontryagin, 創(chuàng)立了創(chuàng)立了Pontryagin極大值原理；極大值原理；R. Bellman，創(chuàng)立了創(chuàng)立了Bellman 動態(tài)規(guī)劃。他們的工作為最優(yōu)控制奠定了基礎(chǔ)。動態(tài)規(guī)劃。他們的工作為最優(yōu)控制奠定了基礎(chǔ)。20世紀(jì)世紀(jì)70年代年代-80年代，年代，K.J. Astrom等為代表的系統(tǒng)辨識

26、、自適等為代表的系統(tǒng)辨識、自適應(yīng)控制理論與方法方面的工作；應(yīng)控制理論與方法方面的工作；G. Zames, 非線性系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析、魯棒控制等；非線性系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析、魯棒控制等；L. Zadeh,早期從事系統(tǒng)與控制理論的研究，早期從事系統(tǒng)與控制理論的研究，60年代初創(chuàng)立了模糊年代初創(chuàng)立了模糊集理論和模糊控制；集理論和模糊控制；現(xiàn)代控制現(xiàn)代控制Summary(1) System Information Feedbackinput erroroutputProcessControllerSensordisturbanceactuatorSummary(2) Control Reference/Input Servo/Regulator Open loop Closed loop Feedback Process/Plant Actuator Sensor Controller Block diagram Classical/Modern Control 1.1(b),(c) 1.4(a)*Assignment for Chapter 0ne1.1Draw a component block diagram for eac