《自动控制原理》李素玲 教材配套PPT第一章第一节

第一章 绪论
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
MIMO: Multi-Input and Multi-Output
复杂系统，其主要研究方法为状态空间法。
目前，自动控制理论还在继续发展，正向着以控 制论、信息论、仿生学为基础的智能控制理论深入。
第一章 绪论
自动控制理论（续）
工程控制论是控制论中的一个重要分支， 主要研究工程领域的自动控制。
• 什么是自动控制?
就是指在没有人直接参与的情况下，利 用控制装置使整个生产过程或设备自动地 按预定规律运行，或使其某个参数按要求 变化。
第一章 绪论
自动控制技术的应用
当前，自动控制技术已在工农业生产、交 通运输、国防建设和航空航天事业等领域获 得广泛应用。
第一章 绪论
重 点 与 难 点 重 点
1、自动控制的基本原理与基本方式 2、根据系统原理图画方框图的方法
难
点
根据系统原理图画方框图的方法
第一章 绪论
1. 1
引 言
1.1.1 自动控制理论及应用
自动控制理论是研究自动控制共同规律的一门 科学，目前已形成工程控制论、生物控制论、经济 控制论和社会控制论等多个分支。 控制论的创始人是美 国数学家维纳，他的全名是
• 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
第一章 绪论
自动控制理论及应用（续）
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。
随着生产和科学技术的发展，自动控 制技术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。
SISO: Single Input and Single Output
•
第一章 绪论
现代控制理论的形成
20世纪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，20 世纪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 状态空间方法的应用。从20世纪60年代至今50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。
诺伯特· 维纳（Norbert
Wiener，1894-1964） 。
第一章 绪论
维纳简介
维纳1894年11月26日生于密苏里州的哥伦比 亚，1964年3月18日卒于斯德哥尔摩。维纳在其50 年的科学生涯中，先后涉足哲学、数学、物理学和 工程学，最后转向生物学，在各个领域中都取得了 丰硕成果，称得上是恩格斯颂扬过的、20世纪多才 多艺和学识渊博的科学巨人。他一生发表论文240 多篇，著作14本。他的主要著作有《控制论》 (1948)、《维纳选集》(1964)和《维纳数学论文集》 (1980)。维纳还有两本自传《昔日神童》和《我是 一个数学家》。
第一章 绪论
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 受到扰动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
第一章 绪论
经典控制理论的形成
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（美国物理学家，
1889~1976）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 了分析控制系统的一种图解方法即频率法，致使研
第一章 绪论
1.1.2 自动控制理论的发展概况
按其发展的不同阶段，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
用时域法分析他们的性能。第二次世界大战前后， 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
第一章 绪论
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
比如：人造地球卫星的发射成功与安全返回。
第一章 绪论
自动控制技术的应用（续）
导弹的准确 击中目标
雷达系统的准 确跟踪目标
第一章 绪论
自动控制技术的应用（续）
数控车床按 照预定程序 自动地切削 工件
第一章 绪论
自动控制技术的应用—交通系统
• 安全、快捷、舒适、准点
第一章 绪论
自动控制技术的应用—家用电器
第一章 绪论
百度文库1. 1 引言
1. 2 自动控制系统概述 1. 3 自动控制系统的分类 1. 4 对控制系统的要求及任务
第一章 绪论
主要内容
1.自动控制的基本原理 2.概念：自动控制、受控对象、控制器、被控量等 3.自动控制系统的基本控制方式和组成 4.自动控制系统的分类 5.根据系统原理图画方框图的方法 6.对控制系统的基本要求
第一章 绪论
自动控制理论（续）
1945年维纳把反馈的概念推广到生物等一切
控制系统，1948年出版了名著《控制论》，为控
制论奠定了基础。
1954年“中国导弹之父”钱学
森（1911.12.11～2009.10.31）全面
地总结和提高了经典控制理论，在 美国出版了用英语撰写的、在世界 上很有影响的《工程控制论》一书。
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
第一章 绪论
经典控制理论的形成
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，瑞士数学家）分别独立地提
出了关于判断控制系统稳定性的代数判据。
第一章 绪论
自动控制理论的发展概况（续）
经典控制理论以传递函数为数学工具，研究单输
入、单输出自动控制系统的分析与设计问题，主要
研究方法有时域分析法、根轨迹法和频率特性法。 而现代控制理论则以矩阵理论等近代数学方法作为 工具，不仅研究系统的输入、输出特性，而且还研 究系统的内部特性。它适于研究多输入、多输出的
这些都是经典控制理论的重要组成部分。20
世纪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。
第一章 绪论
经典控制理论的形成
• 20世纪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