第一章 自动控制的一般概念.doc

第一讲
第一章自动控制的一般概念
引言

闭环控制和开环控制
自动控制系统的分类

引言
自动控制是一个非常有吸引力的研究领域,在过去的几十年中发展起来的理论和实践解决了大量的自动化问题,使这个领域具有了通用的特点。正因如此,各工程专业都对大学生和研究生开设了相关的课程。
在我们周围,确实存在着能实现自动控制的自然和人造系统:人体的许多功能可以在不需要我们有意识地干涉的情况下完成,从而维持我们的生命;在日常生活中,我们每天都可以碰到自动运行的人造系统,如电子的、机械的、化学的、水力的、金融的和经济的。但大多数情况下,只有发生了故障,我们才意识到它们是自动运行的。
尽管大多数人并不理解自动控制复杂的细节,但自动控制的成就令我们所有人着迷和兴奋。一些系统在不需要人们干预的情况下,自动执行某些功能的能力对我们的生活产生了戏剧性的影响,吸引了我们所有人的想象力。自动控制在人类的登月计划中起到了关键的作用,而且在多少年里它都是科幻小说的中心话题。事实是,在过去的100年里,科学技术的进步使大量系统的自动控制成为可能,从而提高了生产率,促进了经济增长和改善了人们的生活质量。另外,对我们来说,高度复杂的科技社会对自动控制的需求在21世纪将持续增长,我们必须准备应对这一挑战。
在这个星球上,我们的生活在很大程度上都依赖于自动运行的系统。当我们说一个自动运行的系统时,就是指它的运行不需要人为的干预。自然界有很多这样的例子。将人体作为一个例子来考虑,这个系统持续的自动控制是我们生存的基本要求。考虑我们的体温保持在37℃的自动温控系统、心跳控制系统、眼球聚焦系统。从肾脏、肺和肝脏的功能来看,它们也可以称为自动系统。这些系统和其他许多人体内的系统一样都是在我们没有任何有意识干预的情况下自动运行的。实际上,在我们周围还有许多自动运行的人造系统,日常生活我们要接触到或使用其中的许多系统。在一个现代化的居室内,温度由温度调节装置自动控制,类似的还有水箱中热水的温度。导航控制系统使汽车自动保持在设定车速,刹车防抱死系统自动防止汽车在湿滑的路面上打滑,在大型办公楼或旅馆,电梯调度系统自动
发送车辆搭载乘客。以上只是众多的自动运行系统的几个例子,除此之外,每个人都可以举出类似的例子。

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。在控制理论发展初期,做出过重大贡献的众多学者中有迈纳斯基、黑曾和奈魁斯特。
1922年,Minorsky研制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。
1932年,Nyquist提出了一种相当简便的方法,根据对稳态正弦输入的开环响应,确定闭环的稳定性。
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继电式伺服机构。
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,从20世纪40年代末到50年代初,伊凡思Evans提出并完善了根轨迹法。
频率响应法和根轨迹法是古典控制理论的核心。由这两种方法设计出来的系统是稳定的,并且或多或少地满足一组适当的性能要求。一般来说,这些系统是令人满意的,但它不是某种意义上的最佳系统。
由于具有多输入和多输出的现代设备变得愈来愈复杂,所以需要大量方程来描述现代控制系统。古典控制理论只涉及单输入、单输出系统,对于多输入、多输出系统就无能为力了。
19世纪60年代,数字计算机的出现为复杂系统的时域分析提供了可能。因此,利用状态变量、基于时域分析的现代控制理论应运而生,从而适应了现代设备日益增加的复杂性,同时也满足了军事、空间技术和工程应用领域对精确度、重量和成本方面的严格要求。
从1960年到1980,不论是确定性系统的最佳控制、还是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。
如今,数字计算机的价格比较便宜,而且体积也变得更为紧凑,它们已成为控制系统中不可缺少得组成部分。现代控制理论的近期应用已经扩充到非工程系统,诸如生物系统、生物医学系统、经济系统和社会经济系统。

对象过程系统扰动反馈控制反馈控制系统随动系统自动调整系统
过程控制系统
对象是一个设备,它是由一些机器零件有机地组合在一起的,其作用是完成一个特定的动作。在下面的讨论中,称任何被控物体(如加热炉、化学反应器或宇宙飞船)为对象。
过程称任何被控制的运行状态为过程,其具体例子如化学过程、经济学过程、生物学过程。
系统完成一