第一章緒論作者：浙江大學鄒伯敏教授自動控制理論普通高等教育“九五”部級重點教材2/4/20231第一章緒論第一節

自動控制理論發展簡介第二節自動控制系統的一般概念第三節開環控制和閉環控制第四節自動控制系統的分類第五節對控制系統性能的要求和本課程的任務本章主要內容2/4/20232第一章緒論自動控制理論第一節自動控制理論發展簡介自動控制理論是自動控制技術的基礎理論，是一門理論性較強的工程科學。根據自動控制技術的發展進程，自動控制理論可分為經典控制理論和現代控制理論兩大部分。經典控制理論的形成和基本內容（1）工業化促使自動控制裝置產生最早工業應用的自動裝置：1769年Watt發明的飛球式蒸汽機調速器。一種憑借直覺的實證性發明。2/4/20233第一章緒論（2）最早的穩定性研究

J.C.Maxwell（麥克斯韋爾），1868年發表《論調節器》，研究調節器的微分方程，線性化處理，系統穩定性取決于微分方程的特征根是否都具有一對負的實部，針對二階和三階系統討論了使特征根具有負實部時，特征多項式系列應滿足的條件。

文獻：J.C.Maxwell.OnGovernors.Proc.oftheRoyalSocietyofLondon.16,1868.（3）系統穩定判據由Hurwitz（霍爾維茨，1895年）和E.J.Routh（勞斯，1884年）提出的勞斯-霍爾維茨穩定判據

A.M.Lyapunov（李雅普諾夫，1892年）提出了李雅普諾夫第一法與第二法2/4/20234第一章緒論H.Nyquist（奈魁斯特，1932年）提出奈氏判據，Bode(波德，1927年）提出了對數頻率特性的方法。W.R.Evans（伊萬斯，1948年)提出根軌跡法。此方法和規則指的是當系統參數變化時特征方程式根變化的幾何軌跡。目前仍然是系統設計和穩定性分析的一種重要方法。（4）40-50年代形成SISO（SingleInputSingleOutput）系統

二戰期間，軍事科學的需要大大促進了反饋控制理論的發展。美國麻省理工學院雷達實驗室的科學家們將反饋放大器理論、PID（比例-積分-微分）控制以及N.Wiener（維納）的隨機過程理論等結合在一起，形成了一整套被稱為隨動控制系統的設計方法。1948年N.Wiener發表著名的《控制論》2/4/20235第一章緒論（5）50年代末期所討論的內容主要有：系統數學模型的建立、時域分析法、頻率特性法、根軌跡法、系統綜合與校正、非線性系統和采樣控制系統分析法等，也被稱為經典控制理論。現代控制理論空間技術競賽催生了現代控制理論

50年代末，美國的Bellman（貝爾曼）、Kalman（卡爾曼）和俄羅斯的龐德里亞金等考慮用常微分方程作為控制系統的數學模型。由于數字計算機的發展使得十年前尚無法進行的計算問題成為可能，這時李雅普諾夫的工作被引入到控制理論中來，而由Wiener（維納）等人在第二次世界大戰期間關于最優控制的研究也被用來研究系統狀態軌跡的優化問題。2/4/20236第一章緒論這種方法在標準形式或狀態形式的常微分方程的基礎上直接引進并大量使用了計算機。這種方法通常稱為“現代控制理論”，以區別于60年代以前的“經典控制理論”軟著陸---------極大值原理（1956）最小燃料控制-----動態規劃（1957）姿態控制--------狀態空間理論(1960）2/4/20237第一章緒論現代控制理論的重要標志狀態空間法被引入到控制理論中來。

Kalman提出了能控性與能觀測性。表征系統結構特征的重要概念。“內部研究”代替了傳統的“外部研究”。并使分析與綜合過程建立在嚴格的理論基礎之上。

主要分支學科：線性系統理論、最優控制理論、系統辨識與自適應控制、大系統理論和特大系統理論等。一些分支學科還滲透到相鄰學科中去，如濾波技術、自學習理論與人工智能、建模理論與系統工程等。2/4/20238第一章緒論在科學和工程技術的發展過程中，自動控制技術起著重要的作用。除了在宇宙飛船、導彈發射和飛機駕駛等系統中，自動控制技術具有特別重要的作用之外，它在現代機器制造和工業生產過程中也是不可缺少的重要組成部分。隨著自動控制理論和技術的不斷發展，自動控制技術的廣泛應用使生產設備或過程實現了自動化，極大地提高了勞動生產率和產品質量、降低了生產成本、改善了勞動條件，而且在人類向大自然挑戰、探索新能源、改善人民生活等方面都起著極其重要的作用。控制理論在國民經濟中的作用2/4/20239第一章緒論1）自動控制技術應用于軍事、航天領域火炮、雷達、跟蹤系統；人造衛星；宇宙飛船。2）自動控制技術應用于工業生產過程軋鋼過程；工業窯爐；石油化工；水泥建材；玻璃、造紙等。3）自動控制技術應用于現代農業生產自動灌溉；農產品質量檢測；病情檢測等。2/4/202310第一章緒論4）自動控制技術應用于其它領域由于計算機等技術的誕生和飛速發展，使得控制技術水平不斷提高，已擴大到經濟與社會生活的各個領域，如通信、交通、醫學、環境保護、經濟管理等領域，控制技術已成為現代社會不可缺少的重要組成部分。近年來，我國在自動化儀表、工業調節器、數字控制技術、航天工程、核動力工程等方面的研究和應用取得了長足進展。生物：人口控制，藥物動力學金融：貨幣控制家庭：電飯煲，洗衣機2/4/202311第一章緒論第二節自動控制的一般概念

自動控制就是要人不直接參與的條件下，利用控制器使被控制的對象（如機器、設備或生產過程）的某些物理量（或工作狀態）能自動地按規定的規律變化（或運行）。如：

電網的電壓與頻率自動地保持不變。人造衛星按制定的軌道運行，并始終保持正確的姿態金屬切割機床的速度在電壓變化或負載變化時能自動保持不變2/4/202312第一章緒論控制系統：把實現自動控制所需要各個部件按一定的規律組合起來，取控制被控對象，這個組合體叫“控制系統”被控制的物理量通常有：

溫度、壓力、流量、電壓、轉速、位移等2/4/202313第一章緒論一、液位控制系統

人工控制測量實際液面的高度h0-------用眼實際液面高度ｈ0與希望液面高度h1相比較

-------用腦按比較的結果，即液面高度偏差的正負去決定控制動作

-------用手圖1-1水池液面控制系統水池液面控制如圖1-1所示。自動控制理論2/4/202314第一章緒論

自動控制人工控制中有三種職能作用：測量、比較和執行，而在自動控制系統中也必須有這三種，如圖1-3所示。液位控制系統由以下五部分組成。圖1-2液面人工控制系統的方框圖液面人工控制系統的方框圖如圖1-2所示。自動控制理論2/4/202315第一章緒論圖1-3液面自動控制系統

被控對象-----水池測量元件-----浮子比較機構-----浮子的希望位置與實際位置之差放大機構-----提高系統的控制精度執行元件-----驅動被控對象，以改變被控制的量自動控制理論2/4/202316第一章緒論圖1-5液面自動控制系統的方框圖

為了控制系統的表示簡單明了，控制工程中一般用方框圖表示系統的各個組件，組件的基本組成單元如圖1-4所示，其中圖a）為引出點，圖b）為比較點，圖c）部件的框圖。圖1-4控制系統框圖的基本組成單元故液位自動控制系統也可用圖1-5來表示。自動控制理論2/4/202317第一章緒論

直流隨動如圖1-6所示。二、隨動控制系統圖1-6直流隨動系統的原理圖自動控制理論2/4/202318第一章緒論圖1-7直流隨動系統的方框圖

圖1-6直流隨動系統是用一對電位器作為位置的檢測元件，它們分別把系統的輸入與輸出的位置信號轉換成與之成比例的電信號，并進行比較。其控制系統的方框圖如圖1-7所示。自動控制理論2/4/202319第一章緒論自動控制理論第三節開環控制與閉環控制圖1-8自動控制框圖的一般形式圖1-9自動控制系統的框圖2/4/202320第一章緒論圖中

r(t)-----系統的參考輸入(簡稱輸入量或給定量)

c(t)-----系統的被控制量(又簡稱輸出量)

b(t)-----系統的主反饋量

e(t)-----系統的誤差e(t)＝r(t)－b(t)

d(t)-----系統的干擾,它是一種對系統輸出產生不利的信號給定環節-----產生參與輸入信號的元件如:電位器、旋轉變壓器等

控的控制信號支控制被控的對象制器-----其輸入是系統的誤差信號,

經變換或相關的運算后,產生期望被控對象-----系統控制的對象,其輸入量是控制器的輸出,輸出量就是被控量反饋環節-----將被控制量轉換為主反饋信號的裝置,這個裝置一般為檢測元件

自動控制理論2/4/202321第一章緒論開環控制自動控制理論如果系統的輸出量沒有與參考輸入相比較,即系統的輸出與輸入間不存在反饋的通道,這種控制方式叫開環控制開環控制的優缺點

結構簡單，所用元器件少系統沒有抗擾動功能，因而大限制了系統的應用范圍控制器被控對象控制量給定值r(t)u(t)y(t)圖1-10開環控制系統2/4/202322第一章緒論

k

udn~ug例：直流電動機調速系統（機械力矩ML恒定)圖1-11直流電機調速系統（開環）2/4/202323第一章緒論若把系統的被控制量反饋到它的輸入端，并與參考輸入相比較，這種控制方式叫閉環控制。相應的系統稱為閉環控制系統閉環控制閉環控制的優點

自動地消弱或清除來自系統內部或外部擾動對被控制量的影響

穩態精度高、動態性能好、穩定裕度大等。控制器被控對象控制量輸出量給定值r(t)u(t)y(t)測量元件偏差e(t)＋－圖1-12閉環控制系統2/4/202324第一章緒論自動控制理論圖1-13閉環直流調速系統2/4/202325第一章緒論該系統自動調節的過程自動控制理論2/4/202326第一章緒論三、自動控制系統舉例1、恒溫箱控制系統圖1-14恒溫箱控制系統原理圖2/4/202327第一章緒論圖1-15恒溫箱控制系統方框圖2/4/202328第一章緒論圖1-16火力發電廠綜合控制系統2/4/202329第一章緒論三種常用的分類方法自動控制理論第四節自動控制系統的分類

線性控制系統和非線性控制系統若組成控制的元件都具有線性特性，則稱這種系統為線性控制系統若在控制系統中有一個以上的元件具有非線性則稱這種系統為非線性控制系統特點：不具有比例性，也不適用疊加原理系統的輸出響應穩定性與其初始狀態有關特點：系統用微分方程、傳遞函數或狀態方程來描述具有比例性并適用疊加原理

恒值控制系統和隨動控制系統按系統內部傳輸信號的性質分恒值控制和隨動控制系統2/4/202330第一章緒論自動控制理論連續控制系統和離散控制