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第 1 章 自动控制理论及MATLAB简介 主要内容 自动控制的历史 自动控制理论的基本概念 控制系统的Matlab计算及仿真 自动控制的历史 前期控制(1400BC~1900) 经典控制(1935~1950) 现代控制(1950~Now) 自动控制的历史 公元前330年古希腊，水钟运用浮球控制器 公元前250年，在油泵中保持液位恒定 1600年左右，荷兰人发明了温度控制器 1681年，压力控制器 自动控制的历史 18世纪，瓦特的离心调速器 自动控制的历史 18世纪，James Watt 为控制蒸汽机速度设计的离心调节器，是自动控制领域的第一项重大成果。 1922年，Minorsky研制出船舶操纵自动控制器，并证明了从系统的微分方程确定系统的稳定性的方法。 1932年，Nyquist提出了一种根据系统的开环频率响应(对稳态正弦输入)，确定闭环系统稳定性的方法。 1934年，Hezen提出了用于位置控制系统的伺服机构的概念，讨论了可以精确跟踪变化的输入信号的机电伺服机构。 19世纪40年代，频率响应法为闭环控制系统提供了一种可行方法，Evans提出并完善了根轨迹法。 19世纪50年代末，控制系统设计问题的重点从设计许多可行系统中的一种系统，转到设计在某种意义上的最佳系统。 19世纪60年代，数字计算机的出现为复杂系统的基于时域分析的现代控制理论提供了可能。 从1960年到1980，确定性系统、随机系统的最佳控制，及复杂系统的自适应和学习控制，都得到充分的研究。 从1980年到现在，现代控制理论进展集中于鲁棒控制、H∞控制及其相关课题。 控制理论发展 1.经典控制理论 40～50年代形成 适用于SISO（单输入－单输出）系统 基于：二战军工技术 目标：反馈控制系统的稳定 基本方法：传递函数，频率法，PID调节器 (频域) 2.现代控制理论 60～70年代形成 适用于MIMO （多输入－多输出）系统 基于： 冷战时期空间技术，计算机技术 目标：最优控制 基本方法：状态空间表达式 瓦特(1736-1819) 我国历史和现状 我国起步晚，在现代科学史上没有占据一席之地，1954年钱学森创立并引入工程控制论，80年代普遍开展教学和研究，但基础工业落后，以原料到生产，各方面落后，从自动化的材料、元件、系统和技术各方面都与发达国家有较大差距。 自动控制的基本概念 什么是自动控制 自动控制理论的内容 自动控制的基本方式 自动控制系统示例 自动控制系统的分类 对自动控制系统的基本要求 自动控制与自动控制系统 控制的本意：为了达到某种目的对事物进行支配、管束、管制、管理、监督、镇压。 自动控制：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（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运行。 自动控制系统：是由控制装置和被控对象所组成，它们以某种相互依赖的的方式组合成为一个有机整体，并对被控对象进行自动控制。 人工控制与自动控制 自动控制学科的特点: 应用广泛 日益重要 发展迅速 自动控制的基本方式 开环控制 闭环控制 复合控制 ——输入补偿 ——扰动补偿 开环控制 定义：输出量与输入量之间没有反向联系，只靠输入量对输出量单向控制的系统叫开环控制系统。 直流电机转速控制系统 开环控制系统的特点： 1.结构简单经济 2.调试方便 3.抗干扰能力差，控制精度不高。 定义：输出量与输入量之间有反向联系，靠输入量与主反馈信号之间的偏差对输出量进行控制的系统叫闭环控制系统。 反馈：是把系统输出量全部或一部分回送到输入端，以增强或减弱输入信号的效应。 引入闭环控制后的直流电机转速控制系统。 闭环控制的方框图 同开环系统相比，该系统由于干扰引起的转速误差要小得多。 闭环控制系统的特点： 1.系统具有纠正偏差的能力。 2.抗扰性好，控制精度高。 3.包含元件多，结构复杂，价格高。 4.参数应选择适当。 兼有开环控制和闭环控制两者的优点，精度很高 自动控制系统示例 自动控制系统的分类 1.根据结构划分 a.负反馈系统（闭环系统） b.前馈控制系统（开环系统） c.复合控制系统 2.根据系统功能划分 温度控制系统 压力控制系统 位置控制系统…… 3.按给定值的形式划分 a.定值控制系统（输入量是恒定的常值，任务：在各种扰动作用下都能使输出量保持在恒定希望值附近，如恒温、水位、恒压控制系统） b.随动系统（也叫伺服系统，跟踪系统） 这种控制系统的输入量是事先不知道的任意时间函数。任务：使输出量迅速而准确地跟随输入量的变化而变化。比如：飞机和舰船的操舵系统，雷达自动跟踪系统。