自動(dòng)控制原理精品課程

《自動(dòng)控制原理及應(yīng)用》課程是電子信息類專業(yè)，特別是自動(dòng)化專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，該課程是為學(xué)生建立系統(tǒng)觀點(diǎn)、掌握控制原理的一門必修課程。本門課程的前續(xù)課程是：高等數(shù)學(xué)、電工基礎(chǔ)、工程數(shù)學(xué)等，在學(xué)習(xí)了以上內(nèi)容以后進(jìn)入本門課程的學(xué)習(xí)。
本門課程一共包括8章，前面7章主要介紹經(jīng)典控制理論的內(nèi)容，第8章介紹現(xiàn)代控制理論的基本概念。在前面7章中，主要介紹經(jīng)典控制理論的主要分析方法：數(shù)學(xué)模型的建立、時(shí)域分析法、根軌跡分析法、頻率分析法、控制系統(tǒng)的綜合與校正、采樣控制系統(tǒng)基礎(chǔ)；第8章主要介紹現(xiàn)代控制理論的相關(guān)內(nèi)容。

自動(dòng)控制理論的發(fā)展簡史
 被控對(duì)象、被控量、控制裝置和自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念
 三種控制方式，特別是閉環(huán)控制
 由系統(tǒng)工作原理圖繪制方框圖的方法，并能正確判別系統(tǒng)的控制方式
 系統(tǒng)常用的分類方法及分類，各類系統(tǒng)的含義和信息特征
 自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求
1.1.1  自動(dòng)控制技術(shù)及應(yīng)用
       自動(dòng)控制理論與實(shí)踐的不斷發(fā)展，為人們提供了設(shè)計(jì)最佳系統(tǒng)的方法，大大提高了生產(chǎn)率，同時(shí)促進(jìn)了科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步。所謂自動(dòng)控制，就是指在沒有人直接參與的情況下，利用外加的設(shè)備（稱為控制器）操作被控對(duì)象（如機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過程）的某個(gè)狀態(tài)或參數(shù)（稱為被控量）使其按預(yù)先設(shè)定的規(guī)律自動(dòng)運(yùn)行。如化工生產(chǎn)中合成氨反應(yīng)塔內(nèi)的溫度和壓力能夠自動(dòng)維持恒定不變，雷達(dá)跟蹤和指揮儀所組成的防空系統(tǒng)能使火炮自動(dòng)地瞄準(zhǔn)目標(biāo)，無人駕駛飛機(jī)能按預(yù)定軌道自動(dòng)飛行，人造地球衛(wèi)星能夠發(fā)射到預(yù)定軌道并能準(zhǔn)確回收等等，都是應(yīng)用自動(dòng)控制技術(shù)的結(jié)果。自動(dòng)控制理論就是研究自動(dòng)控制共同規(guī)律的技術(shù)科學(xué)，它的發(fā)展初期是以反饋理論為基礎(chǔ)的自動(dòng)調(diào)節(jié)原理，隨著工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)已發(fā)展成為一門獨(dú)立的學(xué)科——控制論?？刂普摪üこ炭刂普摗⑸锟刂普摵徒?jīng)濟(jì)控制論。
在科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展的今天，自動(dòng)控制技術(shù)所起的作用越來越重要，無論是在宇宙飛船、導(dǎo)彈制導(dǎo)、雷達(dá)定位等尖端技術(shù)領(lǐng)域中，還是在機(jī)械制造工業(yè)、石油、化工、醫(yī)藥工業(yè)等的過程控制中，都有自動(dòng)控制技術(shù)的應(yīng)用，并且它所取得的成功都是巨大的。因此，自動(dòng)控制技術(shù)已成為現(xiàn)代社會(huì)生活中不可缺少的重要組成部分
隨著生產(chǎn)的發(fā)展，控制技術(shù)也在不斷地發(fā)展，尤其是計(jì)算機(jī)的更新?lián)Q代，更加推動(dòng)了控制理論不斷地向前發(fā)展。控制理論的發(fā)展過程一般可分為三個(gè)階段：
（1）第一階段。時(shí)間為本世紀(jì)40～60年代，稱為“經(jīng)典控制理論”時(shí)期。經(jīng)典控制理論主要是解決單輸入單輸出問題，主要采用傳遞函數(shù)、頻率特性、根軌跡為基礎(chǔ)的頻域分析方法。此階段所研究的系統(tǒng)大多是線性定常系統(tǒng)，對(duì)非線性系統(tǒng)，分析時(shí)采用的相平面法一般也不超過兩個(gè)變量，經(jīng)典控制理論能夠較好地解決生產(chǎn)過程中的單輸入單輸出問題。這一時(shí)期的主要代表人物有伯德（H.W.Bode 1905～）和伊文思（W.R.Evans）。伯德于1945年提出了簡便而實(shí)用的伯德圖法。1948年，伊文思提出了直觀而又形象的根軌跡法。
（2）第二階段。時(shí)間為本世紀(jì)60～70年代，稱為“現(xiàn)代控制理論”時(shí)期。這個(gè)時(shí)期，由于計(jì)算機(jī)的飛速發(fā)展，推動(dòng)了空間技術(shù)的發(fā)展。經(jīng)典控制理論中的高階常微分方程可轉(zhuǎn)化為一階微分方程組，用以描述系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過程，即所謂狀態(tài)空間法。這種方法可以解決多輸入多輸出問題，系統(tǒng)既可以是線性的、定常的，也可以是非線性的、時(shí)變的。這一時(shí)期的主要代表人物有龐特里亞金、貝爾曼（Bellman），及卡爾曼（R.E.Kalman，1930～）等人。龐特里亞金于1961年發(fā)表了極大值原理；貝爾曼在1957年提出了動(dòng)態(tài)規(guī)化原則；1959年，卡爾曼和布西發(fā)表了關(guān)于線性濾波器和估計(jì)器的論文，即所謂著名的卡爾曼濾波。
（3）第三階段。時(shí)間為本世紀(jì)70年代末至今。70年代末，控制理論向著“大系統(tǒng)理論”和“智能控制”方向發(fā)展。前者是控制理論在廣度上的開拓，后者是控制理論在深度上的挖掘?！按笙到y(tǒng)理論”是用控制和信息的觀點(diǎn)，研究各種大系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方案、總體設(shè)計(jì)中的分解方法和協(xié)調(diào)等問題的技術(shù)基礎(chǔ)理論。而“智能控制”是研究與模擬人類智能活動(dòng)及其控制與信息傳遞過程的規(guī)律，研究具有某些仿人智能的工程控制與信息處理系統(tǒng)。
1）系統(tǒng)。即為達(dá)到某—目的，由相互制約的各個(gè)部分按—定規(guī)律組成的、具有一定功能的整體。
（2）自動(dòng)控制系統(tǒng)。指能夠?qū)Ρ豢貙?duì)象的工作狀態(tài)進(jìn)行自動(dòng)控制的系統(tǒng)，它一般由控制裝置（控制器）和被控對(duì)象所組成。
（3）控制裝置。則是指對(duì)被控對(duì)象起控制作用的設(shè)備總體。
（4）被控對(duì)象。是指要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過程。例如，汽車、飛機(jī)、煉鋼、化工生產(chǎn)的鍋爐等。