《控制理论基础》 上海交通大学自动化系 田作华 Zhtian@sjtu.edu.cn
1 《控制理论基础》 上海交通大学自动化系 田作华 Zhtian@sjtu.edu.cn
第一章绪论 1自动控制及其发展 概述 自动控制 就是指在脱离人的直接干预,利用控制装置(简称控 制器)使被控对象(或生产过程等)的某一物理量(如温 度、压力、PH值等)准确地按照预期的规律运行。 2.自动控制系统 是指实现上述控制目的,由相互制约的各部分按一定规律 组成的具有特定功能的整体
2 第一章 绪论 1－1 自动控制及其发展 一.概述 1. 自动控制 就是指在脱离人的直接干预，利用控制装置（简称控 制器）使被控对象（或生产过程等）的某一物理量（如温 度、压力、PH值等）准确地按照预期的规律运行。 2. 自动控制系统 是指实现上述控制目的，由相互制约的各部分按一定规律 组成的具有特定功能的整体
1-1自动控制及其发展 3.控制系统的组成ε输入部分、控制系统部分和输出部分。 输入 输出 控制系统 从物理角度上看,自动控制研究的是特定激励作用下的系 统响应变化情况 从数学角度上看,研究的是输入与输出之间的映射关系
3 1－1 自动控制及其发展 3. 控制系统的组成：输入部分、控制系统部分和输出部分。 从物理角度上看，自动控制研究的是特定激励作用下的系 统响应变化情况； 从数学角度上看，研究的是输入与输出之间的映射关系。 输入 输出 控制系统
1-1自动控制及其发展 自动控制理论的发展 经典控制理论 研究的主要对象是单输入、单输出——单变量系统。 如:调节电压改变电机的速度;调整方向盘改变汽车 的运动轨迹等。 2、现代控制理论 研究的主要对象是多输入、多输出——多变量系统 如,汽车看成是一个具有两个输入(驾驶盘和加速踏 板)和两个输出(方向和速度)的控制系统。 计算机科学地发展,极大地促进了控制科学地发展
4 1－1 自动控制及其发展 二. 自动控制理论的发展 1、经典控制理论 研究的主要对象是单输入、单输出——单变量系统。 如：调节电压改变电机的速度；调整方向盘改变汽车 的运动轨迹等。 2、现代控制理论 研究的主要对象是多输入、多输出——多变量系统。 如，汽车看成是一个具有两个输入（驾驶盘和加速踏 板）和两个输出（方向和速度）的控制系统。 计算机科学地发展，极大地促进了控制科学地发展
经典控制理论与现代控制理论比较 项目 经典控制理论 现代控制理论 研究对象 线性定常系统 线性、非线性、定常、 (单输入、单输出) 时变系统 (多输入、多输出) 描述方法 传递函数 向量空间 (输入、输出描述 (状态空间描述) 研究办法 根轨迹法和频率法 状态空间法 研究目标系统分析及给定输入、揭示系统的内在规律,实 输出情况下的系统综现在一定意义下的最优控 合 制与设计
5 经典控制理论与现代控制理论比较 项目 经典控制理论 现代控制理论 研究对象 线性定常系统 （单输入、单输出） 线性、非线性、定常、 时变系统 （多输入、多输出） 描述方法 传递函数 （输入、输出描述） 向量空间 （状态空间描述） 研究办法 根轨迹法和频率法 状态空间法 研究目标 系统分析及给定输入、 输出情况下的系统综 合 揭示系统的内在规律，实 现在一定意义下的最优控 制与设计
二,自动控制理论的发展 3、大系统控制理论 大系统控制理论是一种过程控制与信息处理相结 合的动态系统工程理论,研究的对象具有规模庞大 结构复杂、功能综合、目标多样、因素众多等特点 它是一个多输入、多输出、多干扰、多变量的系统。 如:人体,我们就可以看作为一个大系统,其中 有体温的控制、情感的控制、人体血液中各种成分 的控制等等 大系统控制理论目前仍处于发展阶段
6 二. 自动控制理论的发展 3、大系统控制理论 大系统控制理论是一种过程控制与信息处理相结 合的动态系统工程理论，研究的对象具有规模庞大、 结构复杂、功能综合、目标多样、因素众多等特点。 它是一个多输入、多输出、多干扰、多变量的系统。 如：人体，我们就可以看作为一个大系统，其中 有体温的控制、情感的控制、人体血液中各种成分 的控制等等。 大系统控制理论目前仍处于发展阶段
二,自动控制理论的发展 4、智能控制 这是近年来新发展起来的一种控制技术,是 人工智能在控制上的应用。它的指导思想是依据 人的思维方式和处理问题的技巧,解决那些目前 需要人的智能才能解决的复杂的控制问题 学派:结构派和功能派 它是一门新兴的控制学科,有些问题尚存有 争议,然而由于它实用性强,能运用人们的经验 与技巧解决许多以往控制中难以解决的棘手问题 (如建模等),因此得到了人们极大的重视
7 二. 自动控制理论的发展 4、智能控制 这是近年来新发展起来的一种控制技术，是 人工智能在控制上的应用。它的指导思想是依据 人的思维方式和处理问题的技巧，解决那些目前 需要人的智能才能解决的复杂的控制问题。 学派：结构派和功能派 它是一门新兴的控制学科，有些问题尚存有 争议，然而由于它实用性强，能运用人们的经验 与技巧解决许多以往控制中难以解决的棘手问题 （如建模等），因此得到了人们极大的重视
第二节控制系统的反馈工作原理及其组成 1.温控系统:人工控制 温度计 炉子 电热丝 调压器 220
8 第二节 控制系统的反馈工作原理及其组成 1. 温控系统：人工控制 调压器 温度计 电热丝 炉子 220
第二节控制系统的反馈工作原理及其组成 控制目标:要求炉子的温度恒定在期望的数值上 控制过程: 输入信号 脑 放大、执行 被控对象 输出信号 (期望炉温) (计算、比较) (手臂、手) (电热丝、炉子) (实际炉温) 测量 (眼睛)
9 第二节 控制系统的反馈工作原理及其组成 控制目标：要求炉子的温度恒定在期望的数值上。 控制过程： 输入信号 （期望炉温） 输出信号 （实际炉温） 脑 （计算、比较） 放大、执行 （手臂、手） 被控对象 （电热丝、炉子） 测量 （眼睛）
第二节控制系统的反馈工作原理及其组成 2.温控系统:自动控制 给定信号 电动机 炉子 减速器 电压 热电偶 功率 △放大器 放大器E39区 调压器 电热丝 YY 220V
10 第二节 控制系统的反馈工作原理及其组成 2. 温控系统：自动控制 电压 放大器 功率 放大器 E u r u b u + _ + _ 炉子 热电偶 电热丝 给定信号 电动机 减速器 调压器220 + _