自动控制的一般概念和基本要求

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自动控制理论概述

随动控制系统系统给定值（参考输入）随时间任意变化的控制系统称为随动控制
系统，这种系统的任务是在各种情况下保证系统的输出以一定的精度跟随参考输入的变化而变化，所以这种系统又称为跟踪系统。程序控制系统
若系统给定值（参考输入）随时间变化并具有一定的规律，并且是实现给定的时间函数，这种控制系统称为程序控制系统。也可以说。程序控制系统是随动控制系统的一种特殊情况。
由系统上述工作过程可知，系统通过反馈电位器不断地对输出量进行检测并返回输入端与输入量进行比较，得出偏差信号，再利用所得的偏差信号控制系统运动，以便随时消除偏差。从而实现了工作台位置按指令电位器给定位置变化的运动目的。
第一章自动控制的基本概念
1.5 自动控制系统举例
自动调速系统
图1－8所示为自动调速系统原理图。由图可以明确：控制系统的任务是保持工作机械恒转速运行。
在研究自动控制系统的工作原理时，为更清楚地表示系统的结构和组成，说明各元件间信号传递的因果关系，分析系统时常采用方框图表示。
图1-1 自动控制系统方框图
第一章自动控制的基本概念
1.4 自动控制系统的分类
开环控制系统和闭环控制系统
开环控制如果控制装置
与被控对象之间只有顺向作用而没有反向联系的控制过程，称这种控制方式为开环控制，相应的系统为开环控制系统。图1-2为一个开环控制系统。
发散
第一章自动控制的基本概念
1.6 自动控制系统的基本要求
一个高质量的自动控制系统在其整控制过程中，被控量和给定量之间的偏差应该越小越好。
工程上，常常从稳定性、快速性、准确性三个方面来评价自动控制系统的总体控制性能。
稳定性指控制系统动态过程的振荡倾向和重新恢复平衡工作状态的能力，是评价系统能否正常工作的重要性能指标。

南京理工大学+自动控制原理+讲义

第一章自动控制的一般概念
13
举例7：雷达技术
——搜索目标
2020/4/27
第一章自动控制的一般概念
14
自动控制理论的发展
自动调节原理（19世纪以前）
反馈理论
经典控制理论(19世纪初)
时域法、复域法 (根轨迹法)、频域法
现代控制理论(20世纪60年代)
线性系统、自适应控制、最优控制、鲁棒控制、最佳估计、容错控制、系统辨识、集散控制、大系统复杂系统
LC
d
2uo (t ) dt 2
RC
duo (t ) dt
uo
(t)
ui
(t)
2020/4/27
2－1控制系统的时域数学模型
ut 测速电机
u0 电
功
压 ue 放 uv
大
uc 率 ua 放
大
R
n
SM
负载
2020/4/27
i
ub
电压放大
uR
ut +
TG
-
第一章自动控制的一般概念
19
自动控制系统的组成
2020/4/27
第一章自动控制的一般概念
20
自动控制系统的分类
按控制方式分
开环控制闭环控制复合控制
按元件类型分
机械系统电气系统机电系统液压系统气动系统生物系统
2020/4/27
第一章自动控制的一般概念
1
课程性质
学科基础课！
控
现
计
制
代
运
过
算
系
控
动
程
机
统
制
控
控
控
仿

第一章自动控制系统的基本概念(修改) (2)

上篇自动控制原理第一章自动控制系统概述本章要点本章简要介绍有关自动控制的基本概念、开环控制和闭环控制的特点、自动控制系统的基本组成和分类以及对自动控制系统的基本要求。

第一节自动控制的基本概念自动控制是指在没有人的直接干预下，利用物理装置对生产设备和工艺过程进行合理的控制，使被控制的物理量保持恒定，或者按照一定的规律变化。

自动控制系统则是为实现某一控制目标所需要的所有物理部件的有机组合体。

在自动控制系统中，被控制的设备或过程称为被控对象或对象；被控制的物理量称为被控量或输出量；决定被控量的物理量称为控制量或给定量；妨碍控制量对被控量进行正常控制的所有因素称为扰动量。

扰动量按其来源可分为内部扰动和外部扰动。

给定量和扰动量都是自动控制系统的输入量。

通常情况下，系统有两种外作用信号：一是有效输入信号（以下简称输入信号），二是有害干扰信号（以下简称干扰信号）。

输入信号决定系统被控量的变化规律或代表期望值，并作用于系统的输入端。

干扰信号是系统所不希望而又不可避免的外作用信号，它不但可以作用于系统的任何部位，而且可能不止一个。

由于它会影响输入信号对系统被控量的有效控制，严重时必须加以抑制或补偿。

第二节开环控制和闭环控制自动控制有两种基本的控制方式：开环控制和闭环控制。

与这两种控制方式对应的系统分别称之为开环控制系统和闭环控制系统。

一、开环控制系统开环控制系统是指系统的输出端和输入端不存在反馈关系，系统的输出量对控制作用不发生影响的系统。

这种系统既不需要对输出量进行测量，也不需要将输出量反馈到输入端与输入量进行比较，控制装置与被控对象之间只有顺向作用，没有反向联系。

电加热系统的控制目标是，通过改变自耦变压器滑动端的位置，来改变电阻炉的温度，并使其恒定不变。

因为被控制的设备是电阻炉，被控量是电阻炉的温度，所以该系统可称为温度控制系统，如图1-1所示。

开环控制系统的优点是系统结构和控制过程简单，稳定性好，调试方便，成本低。

胡寿松自动控制原理第五版

5
1-1 自动控制的基本原理与方式
2.自动控制科学 2.自动控制科学
自动控制科学是研究自动控制共同规律的技术科学。自动控制科学是研究自动控制共同规律的技术科学。控制理论的发展过程一般可分为三个阶段：控制理论的发展过程一般可分为三个阶段：第一阶段。时间为本世纪40 60年代称为“ 40～年代，（1）第一阶段。时间为本世纪40～60年代，称为“经典控制理论”时期。典控制理论”时期。经典控制理论主要是解决单输入单输出问题，主要采用传递函数、频率特性、输出问题，主要采用传递函数、频率特性、根轨迹为基础的频域分析方法。础的频域分析方法。此阶段所研究的系统大多是线性定常系统，对非线性系统，常系统，对非线性系统，分析时采用的相平面法一般也不超过两个变量，不超过两个变量，经典控制理论能够较好地解决生产过程中的单输入单输出问题。程中的单输入单输出问题。这一时期的主要代表人物有伯德（ 1905～）和伊文思（W.R.Evans）。～）和伊文思）。伯伯德（H.W.Bode 1905～）和伊文思（W.R.Evans）。伯德于1945年提出了简便而实用的伯德图法。1948年 1945年提出了简便而实用的伯德图法德于1945年提出了简便而实用的伯德图法。1948年，伊文思提出了直观而又形象的根轨迹法。文思提出了直观而又形象的根轨迹法。 6
18
1-1 自动控制的基本原理与方式
常用的名词术语输入信号：也叫参考输入，给定量或给定值，输入信号：也叫参考输入，给定量或给定值，它是控制着输出量变化规律的指令信号。量变化规律的指令信号。输出信号：是指被控对象中要求按一定规律变化的物理量，输出信号：是指被控对象中要求按一定规律变化的物理量，又称被控量，它与输入量之间保持一定的函数关系。称被控量，它与输入量之间保持一定的函数关系。反馈信号：由系统(或元件)输出端取出并反向送回系统(或元件) 反馈信号：由系统(或元件)输出端取出并反向送回系统(或元件) 输入端的信号称为反馈信号。反馈有主反馈和局部反馈之分。输入端的信号称为反馈信号。反馈有主反馈和局部反馈之分。主反馈之分偏差信号：它是指参考输入与主反馈信号之差。偏差信号：它是指参考输入与主反馈信号之差。误差信号：指系统输出量的实际值与期望值之差，简称误差。误差信号：指系统输出量的实际值与期望值之差，简称误差。扰动信号：简称扰动或干扰、它与控制作用相反，扰动信号：简称扰动或干扰、它与控制作用相反，是一种不希望的、影响系统输出的不利因素。扰动信号既可来自系统内部，望的、影响系统输出的不利因素。扰动信号既可来自系统内部，又可来自系统外部，前者称内部扰动后者称外部扰动内部扰动，外部扰动。又可来自系统外部，前者称内部扰动，后者称外部扰动。

自动控制原理(1)

四、控制理论发展的历史、现状和前景控制理论发展的历史、
1 经典控制理论
以单变量控制，随动/ 以单变量控制，随动/调节为主要内容，节为主要内容，以微分方程和传递函数为数学模型，模型，以频率响应法为主要方法。数学工具：主要方法。数学工具：微分方程，微分方程，复变函数
3 后现代控制理论
2.闭环控制系统 2.闭环控制系统
在控制器与被控对象之间，不仅存在着正向作用，而且存在着反向作用，即系统输出量对控制而且存在着反向作用，作用有直接影响；将检测出来的输出量送回到系统的输入端，将检测出来的输出量送回到系统的输入端，并与输入信号比较的过程称为反馈；若反馈信号与输入信号相减，则称为负反馈，反之，若相加，入信号相减，则称为负反馈，反之，若相加，则称为正反馈；称为正反馈；反馈控制就是指负反馈控制。反馈控制就是指负反馈控制。闭环系统必须考虑稳定性问题。闭环系统必须考虑稳定性问题。
2.系统 2.系统
系统是指按照某些规律结合在一起的物体（元部件）系统是指按照某些规律结合在一起的物体（元部件）的组合，它们相互作用、相互依存，并能完成一定的任务。
3.自动控制系统 3.自动控制系统
自动控制系统是指能够实现自动控制的系统就可称自动控制系统是指能够实现自动控制的系统就可称为自动控制系统，一般由控制装置和被控对象组成。
大器）。
执行元件：直接改变被控变量的元件称为执行执行元件：直接改变被控变量的元件称为执行元件（电机、减速、元件（电机、减速、调压器）。
测量元件：能够将一种物理量检测出来并转化测量元件：能够将一种物理量检测出来并转化成另一种容易处理和使用的物理量的装置称为传感器或测量元件（传感器或测量元件（热电偶）。参考输入元件：将指令输入信号变成参考输入参考输入元件：将指令输入信号变成参考输入信号的元件可称为参考输入元件（信号的元件可称为参考输入元件（电位器）。

自动控制原理_详细解析

H 流出 Q2
水位自动控制系统
•给定值：控制器刻度盘指针标定的预定水位高度； •测量装置：
气动阀门流入 Q1
控制器
浮子水箱 H 流出 Q2
浮子；
•比较装置：控制器刻度盘； •干扰：水的流出量和流入量的变化都将破坏水位保持恒定；
水位自动控制系统
由此可见：自动控制即没有人直接参与的控制，其基本任务是：在无人直接参与的情况下，只利用控制装置操纵被控对象，使被控制量等于给定值。自动控制系统：指能够完成自动控制任务的设备，一般由控制装置和被控对象组成。
第一章自动控制的一般概念
1-1 自动控制的任务 1-２自动控制的基本方式 1-３对控制系统的性能要求
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1-1 自动控制的任务

通常，在自动控制技术中，把工作的机器设备称为被控对象，把表征这些机器设备工作状态的物理参量称为被控量，而对这些物理参量的要求值称为给定值或希望值（或参考输入）。则控制的任务可概括为：使被控对象的被控量等于给定值。
(2 3)
• 例2. 设有一弹簧质量阻尼动力系统如图所示，当外力F(t)作用于系统时，系统将产生运动，试写出外力F(t)与质量块的位移 y(t)之间的动态方程。其中弹簧的弹性系数为k，阻尼器的阻尼系数为f，质量块的质量为m。
F(t)
M
k y(t)
f
解：分析质量块m受力，有外力F, 弹簧恢复力 Ky（t）阻尼力 fdy (t ) / dt 惯性力 md 2 y / dt 2 由于m受力平衡，所以
2-5 系统的脉冲响应函数 2-6 典型反馈系统传递函数
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北京航空航天大学
基本要求 1.了解建立系统动态微分方程的一般方法。 2. 熟悉拉氏变换的基本法则及典型函数的拉氏变换形式。

自动控制原理知识点

第一章自动控制的一般概念1.1 自动控制的基本原理与方式1、自动控制、系统、自动控制系统◎自动控制：是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（称控制装置或控制器），使机器、设备或生产过程（统称被控对象）的某个工作状态或参数（即被控量）自动地按照预定的规律（给定值）运行。

◎系统：是指按照某些规律结合在一起的物体（元部件）的组合，它们相互作用、相互依存，并能完成一定的任务。

◎自动控制系统：能够实现自动控制的系统就可称为自动控制系统，一般由控制装置和被控对象组成。

除被控对象外的其余部分统称为控制装置，它必须具备以下三种职能部件。

•测量元件：用以测量被控量或干扰量。

•比较元件：将被控量与给定值进行比较。

•执行元件：根据比较后的偏差，产生执行作用，去操纵被控对象。

参与控制的信号来自三条通道，即给定值、干扰量、被控量。

2、自动控制原理及其要解决的基本问题◎自动控制原理：是研究自动控制共同规律的技术科学。

而不是对某一过程或对象的具体控制实现（正如微积分是一种数学工具一样）。

◎解决的基本问题：•建模：建立系统数学模型（实际问题抽象，数学描述）•分析：分析控制系统的性能（稳定性、动/稳态性能）•综合：控制系统的综合与校正——控制器设计（方案选择、设计）3、自动控制原理研究的主要内容4、室温控制系统5、控制系统的基本组成◎被控对象：在自动化领域，被控制的装置、物理系统或过程称为被控对象（室内空气）。

◎控制装置：对控制对象产生控制作用的装置，也称为控制器、控制元件、调节器等（放大器）。

◎执行元件：直接改变被控变量的元件称为执行元件（空调器）。

◎测量元件：能够将一种物理量检测出来并转化成另一种容易处理和使用的物理量的装置称为传感器或测量元件（热敏电阻）。

◎比较元件：将测量元件和给定元件给出的被控量实际值与参据量进行比较并得到偏差的元件。

◎放大元件：放大偏差信号的元件。

◎校正元件（补偿元件）：结构参数便于调整的元件，用于改善系统性能。

自动控制一般概念与基本要求

徐寿
黄鹄号自复原动图控制的一般
华蘅芳
➢ 1866年，英国J.M. Gray设计出第一艘明轮驱动的全自动蒸汽轮船“东方”号
自动控制的一般
3.2 劳斯-赫尔维茨稳定判据—第三章 ➢ 1877年，英国E.J. Routh提出根据
多项式的系数决定多项式在右半平面的根的数目，从而将当时各种有关稳定性的孤立的结论和非系统的结果统一起来，开始建立有关动态稳定性的系统理论。
自动控制的一般概念和基本要求
自动控制的一般
第一章自动控制的一般概念
1-1 自动控制的基本原理与方式 1-2 自动控制系统示例 1-3 自动控制系统的分类 1-4 对自动控制系统的基本要求 1-5 自动控制系统的分析与设计工具
2
自动控制的一般
1-1 自动控制的基本原理与方式
一.自动控制科学的发展
➢ 1770年，他利用离心式飞锤调速器构建了蒸汽机的转速自动控制系统，此系统在锅炉压力和负荷变化的条件下，通过离心式调速器自动调节进气阀门的开度，使蒸汽机转速维持在一定的詹姆斯·瓦特范围内。
7
自动控制的一般
转速自动控制原理
缺点：调速系统会出现振荡问题，当振荡过大时会造成系统的不稳定。(稳态性能及动态性能差，存在稳态误差——第三章)
自动控制的一般
劳斯
14
➢ 1895年，瑞士A. Hurwitz在不了解Routh工作的情况下，独立给出了根据多项式的系数决定多项式的根是否都具有负实部的另一种方法。
这两种判据实质是一样的，都是根据特征方程的系数来判断高阶系统的稳定性。
赫尔维茨
15
自动控制的一般
3.3 李雅普诺夫稳定判据—第九章 ➢ 1892年，俄国A.M.Lyapunov在其

自动控制原理复习理论资料

⾃动控制原理复习理论资料第⼀章⾃动控制的⼀般概念本章作为绪论，已较全⾯地展⽰了控制理论课程的全貌，叙述了今后在课程的学习中要进⾏研究的各个环节内容和要点，为了今后的深⼊学习和理解，要特别注意本章给出的⼀些专业术语及定义。

1、基本要求（1）明确什么叫⾃动控制，正确理解被控对象、被控量、控制装置和⾃控系统等概念。

（2）正确理解三种控制⽅式，特别是闭环控制。

（3）初步掌握由系统⼯作原理图画⽅框图的⽅法，并能正确判别系统的控制⽅式。

（4）明确系统常⽤的分类⽅式，掌握各类别的含义和信息特征，特别是按数学模型分类的⽅式。

（5）明确对⾃控系统的基本要求，正确理解三⼤性能指标的含义。

2．内容提要及⼩结⼏个重要概念⾃动控制在没有⼈直接参与的情况下，利⽤控制器使被控对象的被控量⾃动地按预先给定的规律去运⾏。

⾃动控制系统指被控对象和控制装置的总体。

这⾥控制装置是⼀个⼴义的名词，主要是指以控制器为核⼼的⼀系列附加装置的总和。

共同构成控制系统，对被控对象的状态实⾏⾃动控制，有时⼜泛称为控制器或调节器。

⾃动控制系统校正元件执⾏元件放⼤元件⽐较元件测量元件给定元件控制装置（控制器）被控对象负反馈原理把被控量反送到系统的输⼊端与给定量进⾏⽐较，利⽤偏差引起控制器产⽣控制量，以减⼩或消除偏差。

三种基本控制⽅式实现⾃动控制的基本途径有⼆：开环和闭环。

实现⾃动控制的主要原则有三：主反馈原则——按被控量偏差实⾏控制。

补偿原则——按给定或扰动实⾏硬调或补偿控制。

复合控制原则——闭环为主开环为辅的组合控制。

（3）系统分类的重点重点掌握线性与⾮线性系统的分类，特别对线性系统的定义、性质、判别⽅法要准确理解。

线性系统??→?描述→→状态空间法时域法状态⽅程变系数微分⽅程时变状态⽅程频率法根轨迹法时域法状态⽅程频率特性传递函数常系数微分⽅程定常分析法分析法⾮线性系统（4）正确绘制系统⽅框图绘制系统⽅框图⼀般遵循以下步骤：①搞清系统的⼯作原理，正确判别系统的控制⽅式。

机械工程控制基础第1章

反馈控制系统
• 反馈控制系统是基于反馈原理建立的自动控制系统。所谓反馈原理，就是根据系统输出变化的信息来进行控制，即通过比较系统行为（输出）与期望行为之间的偏差，并消除偏差以获得预期的系统性能。在反馈控制系统中，既存在由输入到输出的信号前向通路，也包含从输出端到输入端的信号反馈通路，两者组成一个闭合的回路。因此，反馈控制系统又称为闭环控制系统。
1.4 系统的几种分类及对控制系统的基本要求
补充：系统方框图的绘制
几个定义
控制：通过对一定对象实施一定的操作，以使其按照预定的规律运动或变化的过程。
温度计
加热电阻丝
调压器
~220V
人工控制的恒温箱
对象定义
对象是一个设备，它是由一些机器零件有机地组合在一起的，其作用是完成一个特定的动作．我们称任何被控物体 ( 如加热炉，化学反应器或宇宙飞船 ) 为对象。
动态模型在一定的条件下可以转换成静态模型。
静态模型和动态模型分析示例——机器隔振系统
F(t) F(t) x(t)
机器隔振垫
m N(t)
m k c
x(t)
y(t)
y(t)
F(t)：外力，即激励 N(t)：隔振垫对机器的支反力 y(t)：地基的位移，亦可作激励 x(t)：机器的位移，即响应
若以机器m为隔离体，以F(t) 为激励(不考虑y(t))，以位移x(t)为响应，应用牛顿第二定律列出该系统的动力学方程为：
外界作用:输入f(t) (t ) cy (t ) ky(t ) f (t ) my
(1.1.1)
y(0) y0 (0) y 0 y
外界作用:输入x(t)
初始状态
(t ) cy (t ) ky(t ) cx (t ) kx(t ) my

自动控制原理：第1章自动控制的基本概念 (2)

储液量的变化率，为单位时间内液体的流入量与流
出量之差。
若贮槽的横截面A 不变，则有M=Ah。假设在输
, , 入量Qi阶跃变化之前的平衡状态下，液位为h，流人
量和流出量均为QS ，则阶跃变化后这些变量分别为
h h0 h
Q Q Q
i
s
i
Q Q Q
0
s
0
自动控制原理
14
将这些变量代入式（2-1）中，就可得到
此处的加号对应于负反馈；减号对应于正反馈。增：闭环传递函数=前向传递函数 / 1+ 回路内所有传递函数之积
自动控制原理
29
2.4.3 结构图的等效变换(续)
(2)综合点与引出点的移动 1)综合点的前后移动 a. 综合点前移的等效变换
b. 综合点后移的等效变换
2)相邻综合点之间的移动
自动控制原理
令M L 0
自动控制原理
32
2.4.3 结构图的等效变换(续)
例2 简化结构图，并求系统传递函数C(s)/R(s) 。
C(s)
G1G2G3G4
R(s) 1 G2G3H 2 G3G4H3 G1G2G3G4H1
自动控制原理
33
2.4.3 结构图的等效变换(续)
例3 化简两级RC网络结构图，并求出传递函数Uc(s)/Ur(s)。
i(t)dt
消去中间变量i(t)，得
RC
duc (t) dt
uc
(t)
ur
(t)
对上式进行拉氏变换 RCsUc (s) RCuc (0) Uc (s) Ur (s)
求出Uc(s)的表达式
Uc (s)
1 RCs
U 1
r

1控制系统概论

2010-12-24
21
1.2.5 其它分类方法
(1)按系统的输入/输出信号数量分:单入/单出系统（SISO）和多入/多出系统（MIMO） (2)按控制系统的功能分：温度控制系统、速度控制系统、位置控制系统等。 (3)按系统元件组成来分：机电系统、液压系统、生物系统。 (4)按不同的控制理论分支设计的新型控制系统分：最优控制系统，自适应控制系统，预测控制系统，模糊控制系统，神经网络控制系统等等。
(1)稳定性。自动控制系统的最基本的要求是系统必须是稳定的，不稳定的控制系统是不能工作的。 (2)快速性。在系统稳定的前提下，希望控制过程（过渡过程）进行得越快越好，但如果要求过渡过程时间很短，可能使动态误差（偏差）过大。合理的设计应该兼顾这两方面的要求。 (3)准确性。即要求动态误差和稳态误差都越小越好。当与快速性有矛盾时，应兼顾这两方面的要求。
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32
在20世纪50年代，控制工程的发展的重点是复平面和根轨迹的发展。进而在20世纪80年代，数字计算机在控制系统中的使用变得普遍起来，这些新控制部件的使用使得控制精确、快速。状态空间方法属于时域方法，其核心是最优化技术。它以状态空间描述（实质上是一阶微分或差分方程组）作为数学模型，利用计算机作为系统建模分析、设计乃至控制的手段，适应于多变量、非线性、时变系统。
2010-12-24
33
(三) 大系统控制理论阶段 20世纪70年代开始，出现了一些新的控制方法和理论。（1）现代频域方法，该方法以传递函数矩阵为数学模型，研究线性定常多变量系统；（2）自适应控制理论和方法，该方法以系统辨识和参数估计为基础，处理被控对象不确定和缓时变，在实时辨识基础上在线确定最优控制规律；（3）鲁棒控制方法，该方法在保证系统稳定性和其它性能基础上，设计不变的鲁棒控制器，以处理数学模型的不确定性；

自动控制原理第一章

钱学森
§1.1 自动控制的基本原理与方式
经典控制理论—标志阶段经典控制理论标志阶段(3/3) 标志阶段
• 从20世纪40年代到50年代末,经典控制理论的发展与应用使整个世界的科学水平出现了巨大的飞跃,几乎在工业、农业、交通运输及国防建设的各个领域都广泛采用了自动化控制技术。
– 第二次世界大战期间,反馈控制方法被广泛用于设计研制飞机自动驾驶仪、火炮定位系统、雷达天线控制系统以及其他军用系统。 – 这些系统的复杂性和对快速跟踪、精确控制的高性能追求,迫切要求拓展已有的控制技术,促使了许多新的见解和方法的产生。 – 同时,还促进了对非线性系统、采样系统以及随机控制系统的研究。 – 可以说工业革命和战争促使了经典控制理论的发展。
§1.1 自动控制的基本原理与方式
经典控制理论
经典控制理论即古典控制理论。它的发展大致经历了以下几个过程： –萌芽阶段萌芽阶段 – 起步阶段 –发展阶段发展阶段 – 标志阶段
§1.1 自动控制的基本原理与方式
经典控制理论--萌芽阶段经典控制理论萌芽阶段
• 早在古代,劳动人民就凭借生产实践中积累的丰富经验和对反馈概念的直观认识,发明了许多闪烁自动控制自动控制智慧火自动控制花的杰作。 • 如果要追朔自动控制技术的发展历史,早在两千年前中国就有了自动控制技术的萌芽萌芽。萌芽
– 例如,两千年前我国发明的指南车,就是一种开环开环自动指南车开环调节系统。
指南车
§1.1 自动控制的基本原理与方式
经典控制理论—起步阶段(1/4) 经典控制理论起步阶段(1/4) 起步阶段
• 随着科学技术与工业生产的发展,到十七、十八世十八世纪,自动控制技术逐渐应用到现代工业中。 – 1681年法国物理学家、发明家巴本巴本(D. Papin)发明了用做安全调节装置的锅炉压力调节器; – 1765年俄国人普尔佐诺夫(I. Polzunov)发明了蒸汽锅炉水位调节器等；

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水壶。受水壶中水逐渐增加，
浮舟托起木箭上升。将木箭
的顶端与铜表尺刻度对照，
得到时间。
55
国外：出现反馈控制装置
➢ 希腊人凯特斯比斯(Kitesibbios)在公元前300年在油灯中使用浮子调节器以保持油面高度稳定。
➢ 现代欧洲最先发明反馈控制的是荷兰的德勒贝尔，使用了温度反馈控制。
➢ 邓尼斯·帕平最先发明了蒸汽阀的压力控制器。 ➢ 1765年，普尔佐诺夫发明了浮子阀门式水位
天才般的博士论文《运动稳定性的一般问题》中提出了李亚普诺夫方法，即李亚普诺夫第一法(间接法) 和李亚普诺夫第二法(直接法)。其中李雅普诺夫第二法不仅可用于线性系统而且可用于非线性时变系统的分析与设计。
李雅普诺夫
16 16
3.4 PID控制理论—第六章
➢ 1922年，美国N. Minorsky基于船舶驾驶的伺服结构提出位置控制系统的分析，并对PID三作用控制给出控制规律的公式。
33
(一) 经典控制理论
1. 最早：中国：产生“控制”的思想，而非理论
指南车
候风地动仪
漏水转浑天仪
4
铜壶滴漏
整件滴漏由四个铜壶组成，
分别是日壶、月壶、星壶、
受水壶。保持星壶的水位恒
定是滴漏计时准确的关键。源自星壶上部有一个小洞，如果月壶滴下的水多了，便从这
里流出，使星壶的水量保持
恒定，以便均匀地滴水给受
调节器，用于蒸汽锅炉水位的自动控制。
66
2. 闭环自动控制系统的出现与应用
➢ 欧洲工业革命的标志：James Watt于 1765年在萨维利发明的蒸汽机的基础上改进的现代意义上的蒸汽机。
➢ 1770年，他利用离心式飞锤调速器构建了蒸汽机的转速自动控制系统，此系统在锅炉压力和负荷变化的条件下，通过离心式调速器自动调节进气阀门的开度，使蒸汽机转速维持在一定的詹姆斯·瓦特范围内。
稳定性
麦克斯韦
99
➢ 1872年，俄国维什聂格拉斯基对蒸汽机的稳定性问题进行研究，在论文《论调整器的一般原理》中将线性微分方程简化成由调整对象和调整器组成的系统，同时结合直接作用于蒸汽机的调速器的特性，指出如何选择参数才能保证系统稳定。 ➢ 1878年，他还对非线性继电器型调整器进行了研究。
➢ 1942年，美国Tatlor仪器公司的 J.G. Ziegler和N.B. Nichols给出 PID控制器的最优参数整定法。
尼柯尔斯
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这一时期讨论的问题主要是系统的稳定性和
稳态偏差，所用的数学工具是微分方程解析法。
这些是在时间域上进行讨论的，通常称这些方法
为控制理论的时域分析法。
由于电子元器件的非线性特性不便用代数判
奈氏判据是频率响应法的基础，为具有高质量的动态品质和静态准确度的军用控制系统提供了所需的分析工具。
乃奎斯特
20 20
➢ 1938年，贝尔实验室的美国应用数学家H.W. Bode进一步研究通信系统频域的方法，提出频域响应的半对数坐标图描述法(Bode图)，使频率特性的绘制更适于工程设计。
据来分析其稳定性；而有些系统不仅对稳定性和
稳态精度有要求，且对过渡过程的快速性和平稳
性亦做出一定的要求，特别是第二次世界大战期
间，需要控制系统具有准确的跟踪与补偿能力，
促使反馈控制系统的研制与理论研究有了很大的
发展。
18 18
3.5 负反馈理论的发展与应用 ➢ 1927年，贝尔实验室的美国电气
工程师H.S. Black首先提出基于误差补偿的前馈放大器，在此基础上最终提出负反馈放大器并对其进行数学分析。
负反馈可以通过降低增益来改善器件的线性性能。但如果放大器没有正确地设计为负反馈，那么放大器会产生振荡现象，从而使工作变得不稳定。
—如何判断系统是否稳定？
布莱克
19 19
3.6 奈氏判据——第五章
➢ 1932年，贝尔实验室的美国物理学家H. Nyquist在傅氏变换的基础上提出以频率特性为基础的稳定性判据。此判据不仅可以判断系统的稳定性，而且可以用来分析系统的稳定裕量。
徐寿
黄鹄号复原图
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华蘅芳
➢ 1866年，英国J.M. Gray设计出第一艘明轮驱动的全自动蒸汽轮船“东方”号
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3.2 劳斯-赫尔维茨稳定判据—第三章 ➢ 1877年，英国E.J. Routh提出根据
多项式的系数决定多项式在右半平面的根的数目，从而将当时各种有关稳定性的孤立的结论和非系统的结果统一起来，开始建立有关动态稳定性的系统理论。
维什聂格拉斯基在苏联被视为自动调整理论的奠基人。
10 10
➢ 1807年，美国机械师R. Fulton设计出世界上第一艘蒸汽机带动车轮拨水的“克莱蒙特”号蒸汽轮船，故其被称为“轮船之父”。
克莱蒙特号下水
罗伯特·富尔顿
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➢ 1865年，在安庆内军械所由徐寿、华蘅芳设计建造了我国第一艘明轮推进的蒸汽机轮船“黄鹄”号。
劳斯
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➢ 1895年，瑞士A. Hurwitz在不了解Routh工作的情况下，独立给出了根据多项式的系数决定多项式的根是否都具有负实部的另一种方法。
这两种判据实质是一样的，都是根据特征方程的系数来判断高阶系统的稳定性。
赫尔维茨
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3.3 李雅普诺夫稳定判据—第九章 ➢ 1892年，俄国A.M.Lyapunov在其
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转速自动控制原理
缺点：调速系统会出现振荡问题，当振荡过大时会造成系统的不稳定。(稳态性能及动态性能差，存在稳态误差——第三章)
如何解决？
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3. 经典控制理论的发展阶段
3.1 稳定性代数判据—第三章 ➢ 1868年，英国J.C. Maxwell以离
心式调速器为背景，在论文《论调节器》中指出速度反馈控制系统中出现的不稳定问题，可通过线性常微分方程从理论上给出四阶以下的稳定条件-取决于特征方程的根是否具有负实部
自动控制的一般概念和基本要求
第一章自动控制的一般概念
1-1 自动控制的基本原理与方式 1-2 自动控制系统示例 1-3 自动控制系统的分类 1-4 对自动控制系统的基本要求 1-5 自动控制系统的分析与设计工具
22
1-1 自动控制的基本原理与方式
一.自动控制科学的发展
(一) 经典控制理论 (二) 现代控制理论 (三) 智能控制理论