自动控制理论简介讲解
自动控制理论知识点总结
自动控制理论知识点总结1.控制系统的基本结构：一个典型的控制系统由被控对象、传感器、执行器、控制器和连接它们的信号线组成。
传感器将被控对象的状态转化为电信号，控制器根据目标和实际状态的差异来产生控制信号，执行器根据控制信号来调整被控对象的状态。
2.控制系统的稳定性：稳定性是控制系统最重要的性能之一、控制系统稳定即表示系统输出能够在有界的范围内保持在稳定值附近，不会出现无限增长或无限衰减的情况。
稳定性的分析基于控制系统的传递函数，通过判断系统的特征根位置来确定系统稳定性。
3.控制系统的性能指标：控制系统除了要求稳定外，还需要满足一定的性能指标。
常见的性能指标包括超调量、调节时间、稳态误差、抗干扰能力等。
这些指标通常与控制系统的设计需求有关，不同应用领域的控制系统对性能指标的要求也有所不同。
4.PID控制器：PID控制器是自动控制中最常见的一种控制器。
PID控制器根据比例、积分和微分三个部分对误差进行调节，从而实现系统状态的稳定控制。
PID控制器结构简单、调节方便，并且在很多领域都有广泛应用。
5.系统辨识：系统辨识是指通过对已有数据进行分析和处理，确定出系统的数学模型。
系统辨识可以基于频域分析、时域分析等方法进行。
通过系统辨识，可以为控制系统的设计、分析和优化提供重要的基础。
6.线性系统与非线性系统：控制系统可以分为线性系统和非线性系统。
线性系统的特点是可以通过叠加原理进行分析，传递函数和状态空间模型可以直接应用于控制系统。
而非线性系统则需要利用非线性控制的方法进行分析和设计。
7.鲁棒控制：鲁棒控制是一种能够保证控制系统在不确定性和干扰的情况下依然能保持稳定性和性能的控制方法。
鲁棒控制通常使用基于频域设计的方法，能够有效地抑制外界不确定性和不良影响。
8.自适应控制：自适应控制是指能够根据系统动态特性和外界环境变化，自动调整控制器参数和结构的控制方法。
自适应控制可以有效地应对系统参数不确定性和变化的情况，有助于提高系统的稳定性和性能。
自动控制理论与应用
自动控制理论与应用自动控制是一门重要的学科，它涉及一系列理论和技术，用于实现机器和系统的自主操作和管理。
本文将介绍自动控制的理论基础以及在实际应用中的各种场景。
一、自动控制的概述自动控制是通过使用传感器、执行器和控制器等设备，对系统进行监测、评估和调整，以实现所需的性能和行为。
自动控制的基本原理包括反馈控制和前馈控制。
反馈控制通过不断测量输出信号和参考信号之间的差异，进行调整和校正。
前馈控制则是基于一个预测模型来预先进行调整，以减少误差。
二、自动控制的应用领域1. 工业自动化：自动控制在工业生产中起着至关重要的作用。
例如，在流水线生产中，自动控制系统可以根据不同的工艺要求，自动调整机器的工作速度和工艺参数，以确保产品的质量和生产效率。
2. 交通系统：交通信号控制是一种常见的自动控制应用。
通过使用传感器检测路况和交通流量，控制器可以自动调整交通信号灯的时序，以实现交通流量的优化、交通事故的减少和道路拥堵的缓解。
3. 能源管理：自动控制在能源系统中有着广泛的应用。
智能电网系统可以根据能源需求和供给情况，实时调整电力的分配和使用，使电网运行更加高效和可靠。
4. 机器人技术：自动控制是机器人技术的核心。
通过控制器对机器人进行编程，可以实现各种复杂的动作和任务，例如工业生产中的装配、焊接、搬运等。
5. 风力发电：风力发电系统中的风机控制是一个复杂的自动控制过程。
通过对风机的电流、电压和叶片角度进行监测和调整，可以实现风力发电的最佳效率和安全运行。
三、自动控制的发展趋势随着科技的不断进步和应用领域的拓展，自动控制也在不断发展和演进。
以下是一些自动控制的发展趋势：1. 智能化：越来越多的自动控制系统开始融入人工智能和机器学习技术，使系统更加智能化和适应性更强。
2. 网络化：随着网络技术的迅速发展，自动控制系统可以通过互联网和云计算平台进行远程监控和管理。
3. 自适应控制：自适应控制是一种根据系统的变化和需求进行实时调整和优化的控制方式。
自动控制理论精选版
通过分析系统的极点和零点分布，判断系统的稳定性，以及系统在不同频率下 的响应特性。
稳定性分析
劳斯稳定判据
通过计算劳斯表格，判断系统的稳定 性，以及系统在不同频率下的响应特 性。
根轨迹法
通过绘制根轨迹图，了解系统极点的 变化规律，从而判断系统的稳定性。
性能指标分析
动态性能指标
包括上升时间、峰值时间、调节时间等，用于评估系统的动态性能。
稳态性能指标
包括稳态误差和无差度等，用于评估系统的稳态性能。
04
自动控制系统设计
设计方法
开环设计法
根据系统的期望性能指标，直接设计出系统的开 环传递函数。
最优设计法
在满足一定约束条件下，使某种性能指标达到最 优。
ABCD
闭环设计法
通过选择一个合适的闭环极点位置，设计出相应 的闭环系统，以满足期望的性能指标。
传递函数包括分子和分母多项式，分别描述系统 的输入和输出之间的关系。
通过分析传递函数，可以了解系统的稳定性、频 率响应等特性。
方框图与信号流图
方框图是一种用方框和箭头表示系统各组成部分及其相互关系的图形表示方法。 信号流图是一种用箭头表示信号流向，用节点表示系统组成部分的图形表示方法。
方框图和信号流图都是描述系统动态行为的工具，可以帮助分析和设计控制系统。
专家控制
一种基于专家知识的控制方 法，通过将专家知识和经验 应用于控制系统，提高系统 的智能化水平和决策能力。
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控制方式
开环控制
控制器将输入信号传递给被控对象，不接收被控 对象的反馈信号。
闭环控制
控制器接收被控对象的反馈信号，并将其与输入 信号进行比较，根据误差信号进行控制。
自动控制原理--第1章 自动控制理论的一般概念
1-3 典型控制系统
恒值系统：
也称镇定系统。输出量以一定的精度等于 给定值，而给定值一般不变化或变化很缓慢， 扰动可随时变化的系统称为恒值系统，在生产 过程中，这类系统非常多。例如：恒温系统， 恒压系统等。
例 锅炉空气预热器密封间隙控制系统
系统通过间隙传感器实时测量出密封间隙值并送入计算 机，与设定值比较后，发出控制指令至电动机提升机构，调 整密封板的位置，达到维持密封间隙值恒定的目的。
u
~220V
开关闭合后，不同 的输入电压u对应于 不同的温度t。
炉温开环控制系统
扰动量
输入量 (电源 )
开关
加热电 阻丝
控制装置
电炉恒 温箱
受控对象
输出量 (温度)
炉温开环控制系统方框图
扰动
给定值
控制器
被控制 对象
典型开环控制的方框图
输出量
系统框图帮助理解系统的构成和性质
开环控制系统特点： 信号从输入到输出无反馈,单向传递. 结构简单. 控制精度不高,无法抑制扰动.
第1章 自动控制理论的一般概念
1-1 自动控制发展史 1-2 自动控制的基本方式 1-3 典型控制系统 1-4 对于自动控制系统的要求
1-1 自动控制发展史
经典控制理论（20世纪40年代及其以前）
主要研究单输入单输出线性定常系统 时域、频域和复域分析和设计问题。
现代控制理论（20世纪60年代）
主要研究多输入、多输出、时变参数、高精度复杂系统 分析和设计问题；最优控制问题。
(c)
五、复合控制
它是把按偏差控制与按扰动控制结合起来，对于主
要扰动采用适当的补偿装置实现按扰动控制，同时再组
成反馈控制系统实现按偏差控制，以消除其余扰动产生
自动控制理论
1、什么是自动控制？自动控制就是应用控制装置自动的、有目的地控制或调解机器设备或生产过程，使之按照人们规定的或者是希望的性能指标运行。
2、参数值（给定值输入）：电动机转速就有一定值，故电位器的变化3、自动控制系统：电动机转速变化的测速发电机电压的发至输入端与电位器电压进行比较，两者的差值（又称偏差信号）控制功率放大器（控制器），控制器的输出控制电动机的转速。
4、扰动：当电源变化、负载变化等将引起转速变化，也称受控对象。
5、人工控制系统：当发现电动机转速高于给定值时，马上调节电位器的动点，使电动机的电枢电压减少，降低转速，使之恢复到给定值。
6、开环控制系统：一个系统，如果在其控制器的输入信号中不包括含受控对象输出端的被控量的反馈信号。
7、开环控制系统：一个系统，如果在其控制器的输入信号中包括含受控对象输出端的被控量的反馈信号。
8、多回路反馈控制系统：一个复杂的控制系统（实际生产过程往往是很复杂的，因而构成的控制系统也往往是很复杂的）也可能有多个反馈信号（除被控量的反馈信号外，还有其他的反馈信号），组成多个闭合回路。
9、恒值控制系统：的任务是保持被控量恒定不变，也即是被控量在控制过程结束在一个新的稳定状态时，被控量等于给定值。
（发电机电压控制，电动机转速控制，电力网的频率（周波））10、随动控制系统（随动系统）：他是被控量的给定值随时间任意变化的控制系统，随动控制系统的任务是在各种情况下使被控量跟踪给定值的变化。
（运动目标的自动跟踪、跟踪卫星的雷达天线控制系统，工业控制中的位置控制系统，工业自动化仪表中的现实记录等）11、控制系统的性能要求：稳定性、快速性、准确性12、建立系统微分方程步骤：1. 确定系统输入量(给定量和扰动量) 与输出量(被控制量, 也称系统响应2. 列写系统各部分3. 消去中间变量,求出系统的微分方程 4. 将微分方程整理成标准形式。
13、顺馈控制：按扰动控制的开环控制系统，是利用可测量的扰动量，产生一种补偿作用，以减小或抵消扰动对输出的影响。
自动控制理论
⾃动控制理论第⼀章⾃动控制系统概述1、组成⾃动控制系统的基本元件或装置有哪些？各环节的作⽤？控制系统是由控制对象和控制装置组成，控制装置包括：(1) 给定环节给出与期望的输出相对应的系统输⼊量。
(2) 测量变送环节⽤来检测被控量的实际值，测量变送环节⼀般也称为反馈环节。
(3) ⽐较环节其作⽤是把测量元件检测到的实际输出值与给定环节给出的输⼊值进⾏⽐较，求出它们之间的偏差。
(4) 放⼤变换环节将⽐较微弱的偏差信号加以放⼤，以⾜够的功率来推动执⾏机构或被控对象。
(5) 执⾏环节直接推动被控对象，使其被控量发⽣变化。
常见的执⾏元件有阀门，伺服电动机等。
2、什么是被控对象、被控量、控制量、给定量、⼲扰量？举例说明。
被控对象指需要给以控制的机器、设备或⽣产过程。
被控量指被控对象中要求保持给定值、要按给定规律变化的物理量，被控量⼜称输出量、输出信号。
控制量也称操纵量，是⼀种由控制器改变的量值或状态，它将影响被控量的值。
给定值是作⽤于⾃动控制系统的输⼊端并作为控制依据的物理量。
给定值⼜称输⼊信号、输⼊指令、参考输⼊。
除给定值之外，凡能引起被控量变化的因素，都是⼲扰，⼲扰⼜称扰动。
⽐如⼀个⽔箱液位控制系统，其控制对象为⽔箱，被控量为⽔箱的⽔位，给定量是⽔箱的期望⽔位。
3、⾃动控制系统的控制⽅式有哪些？⾃动控制系统的控制⽅式有开环控制、闭环控制与复合控制。
4、什么是闭环控制、复合控制？与开环控制有什么不同？若系统的输出量不返送到系统的输⼊端（只有输⼊到输出的前向通道），则称这类系统为开环控制系统。
在控制系统中，控制装置对被控对象所施加的控制作⽤，若能取⾃被控量的反馈信息（有输出到输⼊的反馈通道），即根据实际输出来修正控制作⽤，实现对被控对象进⾏控制的任务，这种控制原理被称为反馈控制原理。
复合控制是闭环控制和开环控制相结合的⼀种⽅式，既有前馈通道，⼜有反馈通道。
5、⾃动控制系统的分类（按元件特性分、按输⼊信号的变化规律、按系统传输信号的性质）？按系统输⼊信号的时间特性进⾏分类，可分为恒值控制系统和随动系统。
第一章 自动控制理论概述
第一章 自动控制基本概念
§1-1 §1-2 §1-3 §1-4 引言 自动控制的基本概念 自动控制系统的组成和分类 自动控制系统的基本要求
控制工程基础
第一章 自动控制基本概念
本章重点
1. 自动控制的含义； 自动控制的含义； 反馈和反馈控制的概念、反馈控制的特点； 2. 反馈和反馈控制的概念、反馈控制的特点； 3. 控制系统的组成和分类和特点。 控制系统的组成和分类和特点。
控制工程基础
第一章 自动控制基本概念
• 自动控制技术在工农业生产、国防、航空航天等 各个领域中起着重要的作用！ • 广泛应用于各种工程学科领域，并扩展到生物、医 学、环境、经济管理和其它许多社会生活领域。 • 独立的学科并与其它学科相互渗透、相互促进。
• 《自动控制理论》是自动控制技术的基础理论，是 一门理论性较强的工程科学。 现代的工程技术人员和科学工作者， 现代的工程技术人员和科学工作者，必须具备 一定的自动控制理论基础知识！ 一定的自动控制理论基础知识！
输入r(t) 输出c(t) 实际 1 2 1 0 t 0 t 控制工程基础 理想的 调节过程
本章难点
1. 深刻理解反馈的概念和思想； 深刻理解反馈的概念和思想； 2. 确定控制系统的被控对象、被控量、给定量 确定控制系统的被控对象、被控量、 等等，绘制方块图， 等等，绘制方块图，分析实际控制系统的基 本原理。 本原理。
控制工程基础
第一章 自动控制基本概念
§1－1 引言 －
以系统论、信息论和控制论为代表的科学方法论； 系统论、信息论和控制论为代表的科学方法论； 为代表的科学方法论 是一门新兴的学科， 是一门新兴的学科，为人类认识世界和改造世界提 供了强有力的武器。 供了强有力的武器。 关于控制论的几种说法 说法一： 控制论”是关于机器的理论。 说法一：“控制论”是关于机器的理论。 说法二： 控制论”是电子计算机和电子学的理论。 说法二：“控制论”是电子计算机和电子学的理论。 说法三： 控制论”是类似于数学的一门学科。 说法三：“控制论”是类似于数学的一门学科。 说法四： 控制论” 说法四：“控制论”是关于动物和机器中控制和通 信的科学。（维纳定义） 。（维纳定义 信的科学。（维纳定义）
《自动控制理论》课件
1.1 自动控制理论的定义1.2 自动控制系统的分类1.3 自动控制理论的应用领域二、数学基础2.1 线性代数基础2.2 微积分基础2.3 常微分方程2.4 拉普拉斯变换三、经典控制理论3.1 概述3.2 传递函数3.3 系统稳定性分析3.4 系统响应分析3.5 系统校正设计四、现代控制理论4.1 状态空间描述4.2 状态空间分析4.3 控制器设计4.4 观测器设计4.5 系统李雅普诺夫稳定性分析五、线性二次调节器5.2 性能指标5.3 调节器设计5.4 数字实现六、非线性控制系统6.1 非线性系统的特点6.2 非线性方程和方程组的求解6.3 非线性系统的分析和设计方法6.4 非线性控制系统的应用实例七、模糊控制系统7.1 模糊控制理论的基本概念7.2 模糊控制规则和推理方法7.3 模糊控制器的设计7.4 模糊控制系统的仿真和应用八、自适应控制系统8.1 自适应控制的基本概念8.2 自适应控制算法8.3 自适应控制系统的性能分析8.4 自适应控制的应用实例九、智能控制系统9.1 智能控制的基本概念9.2 人工神经网络在自动控制中的应用9.3 遗传算法在自动控制中的应用9.4 模糊神经网络在自动控制中的应用十、自动控制技术的应用10.1 工业自动化10.2 交通运输自动化10.3 生物医学工程自动化10.4 家居自动化六、非线性控制系统6.1 非线性系统的特点6.2 非线性方程和方程组的求解求解非线性方程和方程组通常需要使用数值方法，如牛顿法、弦截法和迭代法等。
6.3 非线性系统的分析和设计方法对于非线性系统，常用的分析方法有相平面分析、李雅普诺夫方法和描述函数法等。
设计方法包括反馈线性化和滑模控制等。
6.4 非线性控制系统的应用实例例如，臂的控制、电动汽车的稳定控制等。
七、模糊控制系统7.1 模糊控制理论的基本概念模糊控制是一种基于的控制方法，它通过模糊逻辑对系统的输入和输出进行处理，从而实现控制目的。
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1.1 自动控制理论的形成与发展
自动控制的应用 ：
❖ 开始多用于工农业生产：如压力、张力、温度、流量、 位移、湿度、粘度等自动控制；
❖ 后来进入军事领域：如飞机自动驾驶、火炮自动跟踪、 导弹、卫星、宇宙飞船等自动控制；
❖ 目前已涉及到更多领域：如社会经济（模拟经济管理 过程、经济控制论、大系统、交通管理、图书管理 等） ，生物工程（如生物控制论、波斯顿假肢、人造 器官等）。
1.1 自动控制理论的形成与发展
具有“自动”功能的装置的历史可追溯到公元前 14~11 世 纪 在 中 国 、 埃 及 和 巴 比 伦 出 现 的 自 动 计 时 器——水钟，又称漏刻、漏滴或漏壶等。
1.1 自动控制理论的形成与发展
公 元 4 世 纪 ， 希 腊 柏 拉 图 (Platon) 首 先 使 用 了 “控制论”一词。
1892年俄-李雅普诺夫出版了专著“论运动稳定性的一般 问题”，提出了用李雅普诺夫函数的正定性及其导数的负定 性判别系统稳定性的准则，从而建立了动力学系统的一般稳 定性理论。
1.1 自动控制理论的形成与发展
1.1.1 经典控制理论
1. 稳定性理论的建立
做出杰出贡献的人物主要有：
➢ 英国物理学家牛顿（Isaac Newton，1642-1727） ➢ 法国数学家拉格朗日（Joseph Louis Lagrange，1736-1813） ➢ 法国数学家拉普拉斯（Pierre-Simon Laplace，1749-1827） ➢ 英国物理学家麦克斯韦（James Clerk Maxwell，1831-1879）
1.1 自动控制理论的形成与发展
1.1.1 经典控制理论
1. 稳定性理论的建立
1868年，英-麦克斯韦(J.C.Maxwell)发表了“论调速器” 一文，对它的稳定性进行了分析，指出控制系统的品质可用 微分方程来描述，系统的稳定性可用特征方程根的位置和形 式来研究。当属最早的理论工作。
1877年英-劳斯(E.J.Routh)和德-胡尔维茨(A.Hurwitz)先后 提出了根据代数方程系数判别系统稳定性的准则。
1.1 自动控制理论的形成与发展
1.1.1 经典控制理论
2. 频域法与根轨迹法的建立
1948 年 美 国 维 纳 (N.Wiener) 出 版 了 专 著 《 控 制 论—关于在动物和机器中控制和通信的科学》，系统 地论述了控制理论的一般原理和方法，推广了反馈的 概念，为控制理论学科的发展奠定了基础。该书的出 版标志控制学科的诞生。
1.1 自动控制理论的形成与发展
1.1.1 经典控制理论
2. 频域法与根轨迹法的建立
直到第二次世界大战期间，这种情况才有了改变。 例如：
军舰上的大炮和高射炮组，其伺服机构迫切需要 自动控制系统的全程控制。对于迅速变化的信号，控 制系统的准确跟踪是最重要的。
因此促进了经典控制理论的巨大发展。先后出现 了奈奎斯特、伯德的频率法和依文思的根轨迹法。
1.1 自动控制理论的形成与发展
1.1.1 经典控制理论
1. 稳定性理论的建立
➢ 苏联自动调整理论的奠基人 И.А.维什聂格拉斯基（18311895）
➢ 英国数学家劳斯(E. J. Routh, 1831-1907) ➢ 德国数学家胡尔维茨（A. Hurwitz, 1859-1919） ➢ 俄国数学力学家李亚普诺夫（A. M. Lyapunov，1857-1918）
1954年我国-钱学森在美出版了《工程控制论》 一书，书中所阐述的基本理论和观点，奠定了工程控 制论的基础。
1.1 自动控制理论的形成与发展
1.1.1 经典控制理论
2. 频域法与根轨迹法的建立
做出杰出贡献的人物主要有： ➢ Bell实验室工程师布莱克（H. S. Black） ➢ 美国物理学家奈奎斯特（Harry Nyquist，1889-1976） ➢ 前苏联学者米哈依洛夫 ➢ Bell实验室的数学家伯德（Hendrik Bode, 1905-1982） ➢ 美国数学家维纳（Norbert Wiener, 1894-1964）
自动控制理论简介
主要内容：
1. 自动控制理论的形成与发展 2. 自动控制系统的基本概念 3. 自动控制系统的基本构成 4. 自动控制系统的分类 5. 对自动控制系统的基本要求
1.1 自动控制理论的形成与发展
自动控制——是指在没有人的直接干预下，利 用物理装置对工艺过程或生产设备进行合理的控制， 使被控制的物理量保持恒定，或论的形成与发展
1.1.1 经典控制理论
1. 稳定性理论的建立
对于早期的控制系统，其目的多用于恒值控制， 主要的设计原则是静态准确度和防止不稳定，而暂态 响应的性能是次要的。
这一时期，研究工作的重点是系统的稳定性和稳 态偏差，采用的数学工具是微分方程解析法，它们是 在时间域上进行讨论的，通常称这些方法为控制理论 的时间域方法，简称时域法。
1765年，俄国人普尔佐诺夫(I. Polzunov)发明了 浮子阀门式水位调节器，用于蒸汽锅炉水位的自动 控制。
1788年，瓦特(James Watt, 1736-1819)由蒸气冲 动水壶盖得到启发发明了蒸气机，此后他给蒸气机 添加了一个“节流”控制器即节流阀，它由一个离 心“调节器”操纵，用于调节蒸气流，以便确保引 擎工作时速度大致均匀，这是当时反馈调节器最成 功的应用。
1.1 自动控制理论的形成与发展 控制理论的发展阶段：
经典控制理论 现代控制理论 智能控制理论
1.1 自动控制理论的形成与发展
1.1.1 经典控制理论
经典控制理论是20世纪50年代之前发展起来的， 前后经历了较长时间，成熟于50年代中期。
经典控制理论最初被称为自动调节原理，适用于 较简单系统特定变量的调节。随着后期现代控制理论 的出现，故改称为经典控制理论。
1.1 自动控制理论的形成与发展
1.1.1 经典控制理论
2. 频域法与根轨迹法的建立
1932年美籍瑞典-奈奎斯特(H.Nyquist)提出了根 据频率响应判别反馈系统暂态特性的准则。
1948年美-伊文思(W.R. Evans)根据反馈系统开环 和闭环传递函数之间的关系，提出了一种由开环传递 函数求闭环特征根的简便方法，在工程中得到了广泛 的应用。这种方法称为根轨迹法。