1第一章自动控制的基本概念.ppt

第1章 自动控制的基本概念 1.1 自动控制理论概述 1.2 简要历史 1.3 自动控制系统的组成 1.4 自动控制系统的分类 1.5 自动控制系统举例 1.6 对自动控制系统的基本要求 1.7 本课程的学习任务和学习方法 1.1自动控制理论概述 自动控制理论是研究各种自动控制过程共同规律的技术科学。它的发展初期，是以反馈理论为基础的自动调节理论，随着科学技术的进步，现已发展成为一门独立的学科——控制论，包括工程控制论、生物控制论、经济控制论利社会控制伦。工程控制论是控制论中最成熟的分支，主要研究工程领域自动控制系统中的信息分析、变换、传送的一般理论与设计应用。自动控制理论是工程控制论的一个分支，它只研究自动控制系统分析和设计的一般理论。根据自动控制技术发展的不同阶段，自动控制理论相应地分为“经典控制理论”和“现代控制理论”两大部分。 经典控制理论是指20世纪50年代末期所形成的理论体系．它主要是研究单输入—单输出线性定常系统的分析和设计问题．其理论基础是描述系统输入－输出关系的传递函数，主要采用复频域分析方法。 1.1自动控制理论概述 现代控制理论是在20世纪60年代初期．为适应宇航技术发展的需要而出现的新的控制理论，适用于研究具有高性能、高精度的多输入—多输出、线性或非线性、定常或时变系统的分析和设计问题，如最优控制、县优滤波、自适应控制等。描述系统的方法是基于系统状态这一内部特征量的状态空间法，本质上是一种时域方法。 信息技术特别是大规模信息网络技术的发展对控制理论提出了新的需求，现代应用数学、大系统理论、人工智能理论和计算机技术的进步则为控制理论的发展提供了强有力的支持。因此，现代控制理论正向大系统控制理论和智能控制理论等方向深入发展。 1.1自动控制理论概述 经典控制理论和现代控制理论构成了全部的控制理论。控制理论的发展促进了自动控制技术和相关学科的发展。生产、管理、流通、军事等各个领域自动化的要求，推动现代自动控制技术在机械、冶金、石油、化工、电力、航空、航海、核反应堆、通信、交通运输、生物学及工业管理等领域得到了越来越普遍的应用。自动控制理论与技术的发展前景十分广阔。 1.2 简要历史 控制理论发展初期，众多杰出的学者作出了重大贡献。]788年英国科学家詹姆斯·瓦特(James Watt)为控制蒸汽机速度而设计的离心调节器，可以誉为自动控制领域的第一项重大成果。为了克服当时调节器的振荡现象，导致了麦克斯韦（James Clerk Maxwell）1868年对微分方程系统稳定性的分析，后来又出现了劳思(E.J.Routh)和霍尔维茨(A.Hurwitz)分别于1874年和1895年对稳定性的研究成果。1892年，李雅普诺夫对调节理论做出了重要贡献，提出了几个重要的稳定性判据。1922年，迈纳斯基(Minorsky)研制出船舶操纵自动控制器，证明了从描述系统的微分方程确定系统稳定性的方法。1932年奈奎斯持(Nyquist)提出了一种可以根据稳态正弦输入的开环响应确定闭环系统稳定性的简便方法。1934年，海森(H．L。Hazen)提出了用于位置控制系统的伺服机构的概念。 1.2 简要历史 为了设计满足性能指标要求的线性闭环控制系统，20世纪40年代发展了系统的频域分析方法，它是在奈奎斯特、伯德(Bode，1945)等早期的关于通信学科的频域研究工作的基础之上建立起来的。1942年哈里斯(Harris)提出的传递函数的概念，首次将频域分析方法应用到了控制领域，构成了控制系统领域法理论研呢的基础。20世纪40年代末到50年代初，伊万思(w．R .Evans)提出并完善了线性反馈系统的根轨迹分析技术，成为那个时代的另一个里程碑。 频域分析法和根轨迹法是经典控制理论的核心。采用这两种方法可以设计出稳定的并满足一定性能指标要求的系统。但是，通过这两种方法设计出的系统还不是最优系统。因此，从20世纪50年代开始，控制系统设计问题的研究重点转移到最优系统的设计上。 1.2 简要历史 原苏联学者庞特里亚金(Pontryagin)于1956年提出的极大值原理、贝尔曼(Bellman)于1957年提出的动态规划和卡尔曼(Kalman)于1960年提出的状态空间分析技术，开创了控制理论研究的新篇章，他们的理论当时被统称为“现代控制理论”。从那个时期以后，控制理论研究中出现了线性二次型最优调节器(Kalman,1959)，最优状态观测器(Kalman，1960)以及线性二次型高斯(Linear Quadric and Gaussian,LQG)问题的研究。 从1960~1980年这段时间，人们对确定系统和随机系统的最优控制、复杂系统的自适应控制和学习控制进行了充分的研究。大约从1960年起，电子计算机开始应用于控制系统的研究与设计。