胡寿松自动控制原理第五版优质PPT.ppt

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组成。

51-11-1自动控制的基本原理与方式自动控制的基本原理与方式2.2.自动控制科学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：

（11）第一阶段。

时间为本世纪）第一阶段。

时间为本世纪40406060年代，称为年代，称为“经经典控制理论典控制理论”时期。

经典控制理论主要是解决单输入单时期。

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、根轨迹为基输出问题，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。

此阶段所研究的系统大多是线性定础的频域分析方法。

此阶段所研究的系统大多是线性定常系统，对非线性系统，分析时采用的相平面法一般也常系统，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，经典控制理论能够较好地解决生产过不超过两个变量，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。

这一时期的主要代表人物有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（伯德（H.W.BodeH.W.Bode19051905）和伊文思（）和伊文思（W.R.EvansW.R.Evans）。

伯）。

伯德于德于19451945年提出了简便而实用的伯德图法。

年提出了简便而实用的伯德图法。

19481948年，伊年，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（22）第二阶段。

时间为本世纪）第二阶段。

时间为本世纪60607070年代，称为年代，称为“现代现代控制理论控制理论”时期。

这个时期，由于计算机的飞速发展，时期。

这个时期，由于计算机的飞速发展，推推动了空间技术的发展。

经典控制理论中的高阶常微分方动了空间技术的发展。

经典控制理论中的高阶常微分方程可转化为一阶微分方程组，用以描述系统的动态过程可转化为一阶微分方程组，用以描述系统的动态过程，即所谓状态空间法。

这种方法可以解决多输入多输程，即所谓状态空间法。

这种方法可以解决多输入多输出问题，系统既可以是线性的、定常的，也可以是非线出问题，系统既可以是线性的、定常的，也可以是非线性的、时变的。

这一时期的主要代表人物有庞特里亚性的、时变的。

这一时期的主要代表人物有庞特里亚金、贝尔曼（金、贝尔曼（BellmanBellman），及卡尔曼（），及卡尔曼（R.E.KalmanR.E.Kalman，19301930）等人。

庞特里亚金于）等人。

庞特里亚金于19611961年发表了极大值原年发表了极大值原理；

贝尔曼在理；

贝尔曼在19571957年提出了动态规划原则；

年提出了动态规划原则；

19591959年，卡年，卡尔曼和布西发表了关于线性滤波器和估计器的论文，即尔曼和布西发表了关于线性滤波器和估计器的论文，即所谓著名的卡尔曼滤波所谓著名的卡尔曼滤波1-11-1自动控制的基本原理与方式自动控制的基本原理与方式7（33）第三阶段。

时间为本世纪）第三阶段。

时间为本世纪7070年代末至今。

年代末至今。

7070年代年代末，控制理论向着末，控制理论向着“大系统理论大系统理论”和和“智能控制智能控制”方向发方向发展。

展。

前者是控制理论在广度上的开拓，后者是控制理论在深度前者是控制理论在广度上的开拓，后者是控制理论在深度上的挖掘。

上的挖掘。

“大系统理论大系统理论”是用控制和信息的观点，研究是用控制和信息的观点，研究各各种大系统的结构方案、总体设计中的分解方法和协调等问种大系统的结构方案、总体设计中的分解方法和协调等问题的技术基础理论。

而题的技术基础理论。

而“智能控制智能控制”是研究与模拟人类智是研究与模拟人类智能能活动及其控制与信息传递过程的规律，研究具有某些仿人活动及其控制与信息传递过程的规律，研究具有某些仿人智能的工程控制与信息处理系统。

智能的工程控制与信息处理系统。

1-11-1自动控制的基本原理与方式自动控制的基本原理与方式8项目项目经典控制理论经典控制理论现代控制理论现代控制理论研究对象研究对象线性定常系统线性定常系统（单输入、单输出）（单输入、单输出）线性、非线性、定常、线性、非线性、定常、时变系统时变系统（多输入、多输出）（多输入、多输出）描述方法描述方法传递函数传递函数（输入、输出描述）（输入、输出描述）向量空间向量空间（状态空间描述）（状态空间描述）研究办法研究办法根轨迹法和频率法根轨迹法和频率法状态空间法状态空间法研究目标研究目标系统分析及给定输入、系统分析及给定输入、输出情况下的系统综输出情况下的系统综合。

合。

揭示系统的内在规律，实揭示系统的内在规律，实现在一定意义下的最优控现在一定意义下的最优控制与设计。

制与设计。

经典控制理论与现代控制理论区别经典控制理论与现代控制理论区别1-11-1自动控制的基本原理与方式自动控制的基本原理与方式91-11-1自动控制的基本原理与方式自动控制的基本原理与方式3.3.反馈控制原理反馈控制原理为实现各种复杂的控制任务，首先要将控制对象和控为实现各种复杂的控制任务，首先要将控制对象和控制装置按一定的方式连接起来，组成一个总体，即自动制装置按一定的方式连接起来，组成一个总体，即自动控制系统。

控制系统。

控制系统从信号传送的特点或系统的结构形式看，可控制系统从信号传送的特点或系统的结构形式看，可分为分为开环控制系统和闭环控制系统开环控制系统和闭环控制系统（按反馈控制的原理（按反馈控制的原理构造的系统）构造的系统）101-11-1自动控制的基本原理与方式自动控制的基本原理与方式11开环控制系统开环控制系统例：

烤面包机例：

烤面包机输入输入定时器设定的时间定时器设定的时间输出输出面包的颜色面包的颜色控制对象控制对象烤箱的加热系统烤箱的加热系统控制器与被控对象之间只有正向的控制作用。

控制器与被控对象之间只有正向的控制作用。

输出量对控制量没有影响。

输入输出间没有反馈回路。

111-11-1自动控制的基本原理与方式自动控制的基本原理与方式用方块代表用方块代表系统中具有系统中具有相应职能的相应职能的元部件；

用元部件；

用箭头表示元箭头表示元部件之间信部件之间信号的传递方号的传递方向向121-11-1自动控制的基本原理与方式自动控制的基本原理与方式开环控制系统的特点开环控制系统的特点：

1.1.结构简单、造价低。

结构简单、造价低。

2.2.系统的控制精度取决于给定信号的标定精度及控制器系统的控制精度取决于给定信号的标定精度及控制器及被控对象参数的稳定性。

及被控对象参数的稳定性。

3.3.开环系统没有抗干扰的能力。

因此精度较低。

开环系统没有抗干扰的能力。

应用场合：

1.1.控制量的变化规律可以预知。

控制量的变化规律可以预知。

2.2.可能出现的干扰可以抑制。

可能出现的干扰可以抑制。

3.3.被控量很难测量。

被控量很难测量。

应用较为广泛，如家电、加热炉、车床等等。

1322闭环控制系统（反馈控制系统）闭环控制系统（反馈控制系统）1-11-1自动控制的基本原理与方式自动控制的基本原理与方式将输出量引入到输入端，使输出量对控制作用产生直接的将输出量引入到输入端，使输出量对控制作用产生直接的影响。

形成影响。

形成闭环控制系统闭环控制系统14前向通道前向通道：

系统输入量到输出量之间的通道。

：

反馈通道反馈通道：

从输出量到反馈信号之间的通道。

比较环节比较环节：

输出量为各输入量的代数和。

输入量输入量：

uurr输出量输出量：

nn反馈量反馈量：

uuff控制量控制量：

uuaa偏差量偏差量（uuee）给定量给定量（uurr）反馈量反馈量（uuff）1-11-1自动控制的基本原理与方式自动控制的基本原理与方式15闭环控制系统的特点：

闭环控制系统的特点：

1.1.系统对外部或内部干扰系统对外部或内部干扰（如内部件参数变动如内部件参数变动）的影响不甚的影响不甚敏感。

敏感。

2.2.出于采用反馈装置，导致设备增多，线路复杂。

出于采用反馈装置，导致设备增多，线路复杂。

3.3.闭环系统存在稳定性问题。

由于反馈通道的存在，对于闭环系统存在稳定性问题。

由于反馈通道的存在，对于那些惯性较大的系统，若参数配合不当，控制性能可能那些惯性较大的系统，若参数配合不当，控制性能可能变得很差甚至出现发散或等幅振荡等不稳定的情况。

变得很差甚至出现发散或等幅振荡等不稳定的情况。

注意注意：

对于主反馈必须采用负反馈。

若采用正反馈将使：

若采用正反馈将使偏差越来越大。

偏差越来越大。

闭环控制系统闭环控制系统：

通过反馈回路使系统构成闭环并按偏差的性通过反馈回路使系统构成闭环并按偏差的性质产生控制作用，以求减小或消除偏差质产生控制作用，以求减小或消除偏差（从而减小或消除误差从而减小或消除误差）的控制系统。

的控制系统。

1-11-1自动控制的基本原理与方式自动控制的基本原理与方式164.4.反馈控制系统的基本组成反馈控制系统的基本组成1-11-1自动控制的基本原理与方式自动控制的基本原理与方式介绍各种元件、外作用的两种类型介绍各种元件、外作用的两种类型17测量元件测量元件用以测量被控的物理量，量并将其转换成与用以测量被控的物理量，量并将其转换成与输入量同一物理量后，再反馈到输入端以作比较。

如果输入量同一物理量后，再反馈到输入端以作比较。

如果这个物理量是非电量，一般转换为电量。

这个物理量是非电量，一般转换为电量。

给定元件给定元件其职能是给出与期望的被控量相对应的系统其职能是给出与期望的被控量相对应的系统输入量。

输入量。

比较元件比较元件其职能是把测量元件检测的被控量实际值与其职能是把测量元件检测的被控量实际值与给定元件给出的输入量进行比较，求出它们的偏差。

给定元件给出的输入量进行比较，求出它们的偏差。

放大元件放大元件其职能是将比较元件给出的偏差信号进行