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西南交通大学电气工程学院20132控制系统示例3课程导论教学参考书：现代控制系统(第八版).高等教育出版社,2001.RichardC.Dorf,RobertH.Bishop,谢红卫等译ModernControlSystems(11thEdition)(英文影印版).科学出版社2009.RichardC.Dorf,RobertH.Bishop.自动控制原理.高等教育出版社,2003黄家英自动控制原理.清华大学出版社,吴麒自动控制理论新编教程.西南交通大学出版社,张汉全等4教学参考书：课程导论5课程导论课程内容：绪论控制系统的数学模型控制系统的运动分析根轨迹法频率响应法控制系统设计非线性控制系统分析6课程导论课程任务：掌握控制理论的基本思想；用控制理论进行一般应用问题的设计；熟悉采用软件工具进行仿真和程序设计技术；初步具备控制系统设计的能力；课程特点：研究的是自动控制系统运动的一般规律和分析设计的基本方法；讨论的主要问题是控制系统的性能；7第一章绪论1.1引言Introduction1.2控制理论与技术发展简况HistoryofAutomaticControl1.3控制系统的基本形式TheBasicModeofControlSystem1.4控制系统的分类TheClassificationofControlSystem1.5控制系统举例ExamplesofControlSystem1.6对控制系统的基本要求与研究内容BasicRequirementsandMainResearchContents81.1引言自动控制理论与技术的广泛应用：航空航天和运输信息和网络机器人与智能机器生物和医药材料和加工环境科学、经济和金融……91.1引言自动控制系统的功能：通过控制装置使受控对象的被控量按照预定的规律变化自动控制理论学科以及本课程具有下列两个特点：自动控制理论研究的是自动控制系统运动的一般规律和分析、设计的基本方法；自动控制理论讨论的中心问题是控制系统的性能；10PrimitivePeriodPrehistoryofAutomaticControlBefore1868ClassicPeriodModernPeriod1.2控制理论与技术发展简况1868-1900IndustrialRevolutioninEurope1750’WaterClockoftheGreeksArabsandChinese300BC-1200AD1900-1960After1960Telephone&WorldWars1910-1945Space&ComputerAge1957111.2控制理论与技术发展简况300BC古希腊人发明的浮球调节装置;800AD古代阿拉伯人利用浮球进行水钟控制;1086AD苏颂韩公廉发明的水运仪象台;WaterClockTempleDoor水运仪象台Before1868PrehistoryofAutomaticControl121.2控制理论与技术发展简况1788英国J.Watt用离心式调速机构控制蒸汽机的速度;WindmillFantail1750JamesWatt1769JamesWatt1788CentrifugalFly-ballGovernorBefore18681868-1900SteamEngineNewcomen1712131.2控制理论与技术发展简况1840英国G.B.Ariy首次用微分方程研究控制系统讨论了反馈系统的不稳定性;1868英国J.C.Maxwell发表了“OnGovernors”一文,系统分析了反馈控制系统的稳定性;1877E.J.Routh和A.Hurwitz1895年分别建立了“Routh-HurwitzStabilityCriteria”1892俄国A.M.Lyapunov完成博士论文“论运动稳定性的一般问题”;Before18681868-1900141868-19001900-19601.2控制理论与技术发展简况1927美国H.S.Black提出了负反馈放大器;1932美国H.Nyquist提出了基于极坐标图的频率域的稳定性判据;1938美国H.W.Bode引入了对数坐标系,使控制系统的频率域响应方法更适于工程应用;1948美国W.R.Evans提出了根轨迹法;151.2控制理论与技术发展简况1868-19001900-1960建立在Nyquist的频率法和Evans的根轨迹法上的理论，通常称为经典(古典)控制理论。经典控制理论：一个函数——传递函数；两种方法——频率响应法，根轨迹法；161.2控制理论与技术发展简况1868-19001900-19601948N.Wiener“Cybernetics,orControlandCommunicationintheAnimalandtheMachine”《控制论—或关于在动物与机器中控制和通讯的科学》首先提出了控制论这个词,这部著作被认为是经典控制理论的辉煌总结。171.2控制理论与技术发展简况1868-19001900-1960经典控制理论的三个局限性：1.限于线性定常系统(Lineartime-invariantsystem);2.限于标量系统或单回路反馈系统——单输入单输出(SISO)系统;3.只提供分析方法而不是综合方法;181900－1960After19601.2控制理论与技术发展简况1957美国R.Bllman动态规划理论;1958前苏联L.S.Pontryagin极大值原理;1960美国R.Kalman多变量系统最优控制、可控性和可观测性、最优滤波理论;自适应控制、鲁棒控制、预测控制、……智能控制(综合传统控制学科、信息学科的计算机技术、网络技术和通信技术)191.2控制理论与技术发展简况控制系统前瞻201.2控制理论与技术发展简况控制系统前瞻具有符号和连续动态的系统的控制在分布式、异步网络环境中的控制高级协作与自主控制控制算法的自动综合由不可靠的部件建立可靠的系统211.3控制系统的基本形式控制系统(ControlSystem)：由相互关联的部件按照一定的结构构成,它能够提供预期的系统响应.手动控制系统自动控制系统221.3控制系统的基本形式开环控制系统(Open-LoopControlSystem)：在没有反馈的情况下,利用执行机构直接控制受控对象的控制系统.执行机构控制对象控制器参考输入（期望输出）系统输出扰动231.3控制系统的基本形式闭环控制系统(Closed-LoopControlSystem)：对输出进行测量,将此测量信号反馈，并与预期的输入(参考或指令输入)进行比较的系统.系统输出控制器执行机构被控对象测量装置偏差反馈信号控制器扰动参考输入（期望输出）执行机构检测环节控制对象241.3控制系统的基本形式自动控制系统的基本构成1.(控制)对象:被控制的设备、装置或控制过程2.输出量:被控制量3.输入量(给定量):反映控制系统要求，预先给定的信号4.控制器:根据系统要求按一定规则产生控制作用5.检测环节:测量输出量，并根据需要进行物理量的转换6.比较环节：比较给定输入与反馈信号的差值，产生偏差信号7.扰动:是一种对系统输出量产生不同作用的信号251.3控制系统的基本形式多变量控制系统(MultivariableControlSystem)：有多个输入变量或/和多个输出变量的控制系统.261.4控制系统的分类1.按照参考输入特征(运行方式)恒值控制系统：参考输入为定值，控制输出保持在恒定的要求值(克服扰动)；随动控制系统(自动跟踪系统)：参考输入预先未知，随时间变化控制输出；控制输出以尽可能小的误差跟随输入的变化；271.4控制系统的分类2.按照数学模型的特征——系统的本质分类线性系统与非线性系统；连续系统与离散系统；确定性系统与非确定性系统(随机系统)；单输入单输出(SISO)系统与多输入多输出(MIMO)系统；集中参数系统与分布参数系统：……281.4控制系统的分类3.按照组成系统的元件分类电气机械液动气动生物学经济学社会学……291.5控制系统举例Open-LoopControlSystem(b)BlockDiagram(a)Open-loopControlofthespeedofaturntable301.5控制系统举例Closed-LoopControlSystem(b)BlockDiagram(a)Close-loopControlofthespeedofaturntable311.5控制系统举例AutomobileSteeringControlSystem(b)MeasureofError(c)Typicaldirection-of-travelresponse(a)BlockDiagram321.5控制系统举例LiquidLevelManualControlSystem(b)ManualControlSystem(a)BlockDiagram(a)BlockDiagramWorkerValueProcessTankMeasurementvisualInputDesiredOutputActualOutput331.5控制系统举例CoordinatedControlSystem(b)CoordinatedControlSystemforBoilerGenerator(a)BlockDiagram341.5控制系统举例351.6对控制系统的基本要求与研究内容1.基本要求稳定：有一定的稳定裕量满足要求的动态响应和稳态响应特性2.研究内容系统分析：已知系统的结构和参数，分析典型输入信号下系统的响应及指标恒值系统:典型扰动作用下引起被控量的变化过程;随动系统:典型给定量变化，被控制量(克服扰动)的跟随情况;系统设计(系统综合)36小结介绍了控制理论与技术的发展简况介绍了控制系统的基本形式和基本组成环节介绍了控制系统的主要分类介绍了对控制系统的基本要求与研究内容