自动控制系统基本知识 (1)..
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自动控制系统 基本知识
引 言
自动控制学科由自动控制技术和自动控 制理论两部分组成。 什么是自动控制? 无须人的直接参与，通过控制装置，使 机器、设备、生产过程等按照预定的规律运 行，完成要求的任务，就叫自动控制。 近几十年来，自动控制技术正在迅猛的 发展，并在工农业生产、交通运输、国防建
设和航空航天事业等领域中获得广泛应用。
空调
安防
抄表
…
工业机器人：
其他机器人：
排爆
步行
灵巧手
吹笛
拉提琴
足球比赛
自动控制的应用领域
军事工业 航空航天 制造业 机器人 流程工业 钢铁、石化、 造纸、制药等
电子工业 家用电器 交通系统，楼宇系统，经济系统，社会系统 …
随着生产和科学技术的发展，自动控制技术可 以说已渗透到各种学科领域，成为促进当代生产发 展和科学技术进步的重要因素。 事实上，任何技 术设备、工作机械或 生产过程都必须按要 求运行。例如：要使 火炮能自动跟踪并命 中飞行目标，炮身就 必须按照指挥仪的命 令而作方位角和俯仰 角的变动；
的基础理论，是研究自动控制共同规律的技术科学。
按其发展的不同阶段，可把自动控制理论分为经典
控制理论和现代控制理论两大部分。
经典控制理论也就是自动控制原理，是20世纪
40年代到50年代形成的一门独立学科。早期的控制
系统较为简单，只要列出微分方程并求解之，就可 以用时域法分析他们的性能。第二次世界大战前后，
比如：人造地球卫星的 发射成功与安全返回。
导弹的准确击中目标， 雷达系统的准确跟踪目标；
交通系统：
安全、快捷、舒适、准点
钢 铁 生 产
制造系统：
数控机床
加工生产线
自动包装机器人
自动码垛机器人
家用电器：
电扇：控制转速
洗衣机：控制水位、强弱、时间等
电冰箱、空调、电饭煲：控制温度
智能建筑：
通信 电梯 供水 通风
了分析控制系统的一种图解方法即频率法，致使研
究控制系统的方法由初期的时域分析转到频域分析。 随后，1948年伊文斯（W.R.Evans）又创立了另 一种图解法即有名的根轨迹法。追溯到1877年，劳 斯（E.Routh）和1895年赫尔维茨（A.Hurwitz）
分别独立地提出了关于判断控制系统稳定性的代数
70年代~现在 多种新型控制理论 智能控制（intelligent control）
控制系统具有拟人智能（学习、记忆、判断、推 理等）
大系统控制、复杂系统控制等
被控系统具有高维数、强关联、多约束、多目标、 不确定性、分散性、非线性、大时滞、难建模等 特征，如电力系统、城市交通系统、网络系统、 制造系统、经济系统等
要把数吨重人造卫星送入数百公里高空的轨道， 使其所携带的各种仪器能长期使用、准确地工作， 就必须保持卫星的正确姿态，使它的太阳能电池一 直朝向太阳，无线电发射天线一直指向地球；
要使数控机床能加工出高
精度的工件，就必须保证 其工作台或刀架的进给量 准确地按照程序指令的设 定值变化； 要想使轮船安全顺利 的航行，就必须按照 领航员的命令改变尾 舵的方向；
自动控制技术的应用，推动了控制理论的发展；而 自动控制理论的发展，又指导了控制技术的应用， 使其进一步完善。随着科学技术的发展，自动控制
技术及理论已经广泛的应用于机械、冶金、石油、
化工、电子、电力、航空、航海、航天、核反应等 各个学科领域。近年来，控制科学的应用范围还扩 展到生物、医学、环境、经济管理和其他许多社会 生活领域，并为各学科之间的相互渗透起了促进作
由于生产和军事的需要，各国均在大力研制新型武
器，于是出现了较复杂的控制系统，这些控制系统
通常是用高阶微分方程来描述的。由于高阶微分方
程求解的困难，各种控制系统的理论研究和分析方
法就应运而生。1932年奈奎斯特（H.Nyquist）在
研究负反馈放大器时创立了有名的稳定性判据，并 提出了稳定裕量的概念。 在此基础上，1945年伯德（H.W.Bode）提出
MIMO: Multi-Input and Multi-Output
70年代~现在 多种新型控制理论
多变量频域控制理论 ① 经典SISO→MIMO； ② 基于互质分解的全新的频域优化理论 鲁棒控制（robust control） 鲁棒性（robustness）：系统存在模型误差或 受到扰Leabharlann Baidu时仍能保持良好性能的能力 鲁棒控制：使系统具有良好鲁棒性的控制
SISO: Single Input and Single Output
50年代开始，由于空间技术的发展，各种高速、 高性能的飞行器相继出现，要求高精度地处理多变
量、非线性、时变和自适应等控制问题，60年代初
又形成了现代控制理论。现代控制理论的基础是： 1956年庞特里亚金提出了极大值原理，1957年贝 尔曼（R.Bellman）提出了动态规划，1960年卡尔 曼（R.E.Kalman）提出了最优滤波理论以及状态
判据。这些都是经典控制理论的重要组成部分。50
年代中期，经典控制理论又添加了非线性系统理论
和离散控制理论，从而形成了完整的理论体系。
40~50年代 经典控制理论 （频域法或复频域法） 核心：传递函数，稳定性、稳定裕度等 特点：图形方法，直观简便，设置参数少， （以简单控制结构获取相对满意的性能） 适用范围：单输入单输出（SISO）系统 数学基础：复变函数，积分变换
要使炼钢炉提供优质的产品，就必须严格控制炉 温……等等。
所有这一切都是以高水平的自动控制技术为前提的。
自动控制理论的发展概况
随着自动控制技术的广泛应用和迅猛发展，出 现了许多新问题，这些问题要求从理论上加以解决。 自动控制理论正是在解决这些实际技术问题的过程
中逐步形成和发展起来的，它是研究自动控制技术
空间方法的应用。从60年代至今40多年来，现代控
制理论又有巨大的发展，并形成了若干学科分支， 如线性控制理论、最优控制理论、动态系统辨识、 自适应控制、大系统理论等。
60 ~70年代 现代控制理论（状态空间法） 核心：状态变量的能控、能观性， 系统性能的最优化 特点：时域法，统一处理SISO、MIMO系统， 有完整的理论体系 数学基础：线性代数，矩阵理论 缺点：对系统的数学模型精度要求高， 实际性能达不到设计的最优， 所需状态反馈难以直接实现
引 言
自动控制学科由自动控制技术和自动控 制理论两部分组成。 什么是自动控制? 无须人的直接参与，通过控制装置，使 机器、设备、生产过程等按照预定的规律运 行，完成要求的任务，就叫自动控制。 近几十年来，自动控制技术正在迅猛的 发展，并在工农业生产、交通运输、国防建
设和航空航天事业等领域中获得广泛应用。
空调
安防
抄表
…
工业机器人：
其他机器人：
排爆
步行
灵巧手
吹笛
拉提琴
足球比赛
自动控制的应用领域
军事工业 航空航天 制造业 机器人 流程工业 钢铁、石化、 造纸、制药等
电子工业 家用电器 交通系统，楼宇系统，经济系统，社会系统 …
随着生产和科学技术的发展，自动控制技术可 以说已渗透到各种学科领域，成为促进当代生产发 展和科学技术进步的重要因素。 事实上，任何技 术设备、工作机械或 生产过程都必须按要 求运行。例如：要使 火炮能自动跟踪并命 中飞行目标，炮身就 必须按照指挥仪的命 令而作方位角和俯仰 角的变动；
的基础理论，是研究自动控制共同规律的技术科学。
按其发展的不同阶段，可把自动控制理论分为经典
控制理论和现代控制理论两大部分。
经典控制理论也就是自动控制原理，是20世纪
40年代到50年代形成的一门独立学科。早期的控制
系统较为简单，只要列出微分方程并求解之，就可 以用时域法分析他们的性能。第二次世界大战前后，
比如：人造地球卫星的 发射成功与安全返回。
导弹的准确击中目标， 雷达系统的准确跟踪目标；
交通系统：
安全、快捷、舒适、准点
钢 铁 生 产
制造系统：
数控机床
加工生产线
自动包装机器人
自动码垛机器人
家用电器：
电扇：控制转速
洗衣机：控制水位、强弱、时间等
电冰箱、空调、电饭煲：控制温度
智能建筑：
通信 电梯 供水 通风
了分析控制系统的一种图解方法即频率法，致使研
究控制系统的方法由初期的时域分析转到频域分析。 随后，1948年伊文斯（W.R.Evans）又创立了另 一种图解法即有名的根轨迹法。追溯到1877年，劳 斯（E.Routh）和1895年赫尔维茨（A.Hurwitz）
分别独立地提出了关于判断控制系统稳定性的代数
70年代~现在 多种新型控制理论 智能控制（intelligent control）
控制系统具有拟人智能（学习、记忆、判断、推 理等）
大系统控制、复杂系统控制等
被控系统具有高维数、强关联、多约束、多目标、 不确定性、分散性、非线性、大时滞、难建模等 特征，如电力系统、城市交通系统、网络系统、 制造系统、经济系统等
要把数吨重人造卫星送入数百公里高空的轨道， 使其所携带的各种仪器能长期使用、准确地工作， 就必须保持卫星的正确姿态，使它的太阳能电池一 直朝向太阳，无线电发射天线一直指向地球；
要使数控机床能加工出高
精度的工件，就必须保证 其工作台或刀架的进给量 准确地按照程序指令的设 定值变化； 要想使轮船安全顺利 的航行，就必须按照 领航员的命令改变尾 舵的方向；
自动控制技术的应用，推动了控制理论的发展；而 自动控制理论的发展，又指导了控制技术的应用， 使其进一步完善。随着科学技术的发展，自动控制
技术及理论已经广泛的应用于机械、冶金、石油、
化工、电子、电力、航空、航海、航天、核反应等 各个学科领域。近年来，控制科学的应用范围还扩 展到生物、医学、环境、经济管理和其他许多社会 生活领域，并为各学科之间的相互渗透起了促进作
由于生产和军事的需要，各国均在大力研制新型武
器，于是出现了较复杂的控制系统，这些控制系统
通常是用高阶微分方程来描述的。由于高阶微分方
程求解的困难，各种控制系统的理论研究和分析方
法就应运而生。1932年奈奎斯特（H.Nyquist）在
研究负反馈放大器时创立了有名的稳定性判据，并 提出了稳定裕量的概念。 在此基础上，1945年伯德（H.W.Bode）提出
MIMO: Multi-Input and Multi-Output
70年代~现在 多种新型控制理论
多变量频域控制理论 ① 经典SISO→MIMO； ② 基于互质分解的全新的频域优化理论 鲁棒控制（robust control） 鲁棒性（robustness）：系统存在模型误差或 受到扰Leabharlann Baidu时仍能保持良好性能的能力 鲁棒控制：使系统具有良好鲁棒性的控制
SISO: Single Input and Single Output
50年代开始，由于空间技术的发展，各种高速、 高性能的飞行器相继出现，要求高精度地处理多变
量、非线性、时变和自适应等控制问题，60年代初
又形成了现代控制理论。现代控制理论的基础是： 1956年庞特里亚金提出了极大值原理，1957年贝 尔曼（R.Bellman）提出了动态规划，1960年卡尔 曼（R.E.Kalman）提出了最优滤波理论以及状态
判据。这些都是经典控制理论的重要组成部分。50
年代中期，经典控制理论又添加了非线性系统理论
和离散控制理论，从而形成了完整的理论体系。
40~50年代 经典控制理论 （频域法或复频域法） 核心：传递函数，稳定性、稳定裕度等 特点：图形方法，直观简便，设置参数少， （以简单控制结构获取相对满意的性能） 适用范围：单输入单输出（SISO）系统 数学基础：复变函数，积分变换
要使炼钢炉提供优质的产品，就必须严格控制炉 温……等等。
所有这一切都是以高水平的自动控制技术为前提的。
自动控制理论的发展概况
随着自动控制技术的广泛应用和迅猛发展，出 现了许多新问题，这些问题要求从理论上加以解决。 自动控制理论正是在解决这些实际技术问题的过程
中逐步形成和发展起来的，它是研究自动控制技术
空间方法的应用。从60年代至今40多年来，现代控
制理论又有巨大的发展，并形成了若干学科分支， 如线性控制理论、最优控制理论、动态系统辨识、 自适应控制、大系统理论等。
60 ~70年代 现代控制理论（状态空间法） 核心：状态变量的能控、能观性， 系统性能的最优化 特点：时域法，统一处理SISO、MIMO系统， 有完整的理论体系 数学基础：线性代数，矩阵理论 缺点：对系统的数学模型精度要求高， 实际性能达不到设计的最优， 所需状态反馈难以直接实现