自動(dòng)控制原理簡明教程

1、第1章第1頁2022年年5月月8日日第1章第2頁2022年年5月月8日日課程性質(zhì)和特點(diǎn)課程性質(zhì)和特點(diǎn)1.本門課程的性質(zhì)本門課程的性質(zhì): 自動(dòng)控制是一門基礎(chǔ)性的技術(shù)學(xué)科，從方法論的角度自動(dòng)控制是一門基礎(chǔ)性的技術(shù)學(xué)科，從方法論的角度來研究系統(tǒng)的建立、分析與設(shè)計(jì)。來研究系統(tǒng)的建立、分析與設(shè)計(jì)。經(jīng)典經(jīng)典（古典古典），），現(xiàn)代現(xiàn)代。 基本內(nèi)容基本內(nèi)容自動(dòng)控制的一般概念、物理系統(tǒng)的數(shù)學(xué)自動(dòng)控制的一般概念、物理系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型、控制系統(tǒng)的一般分析方法、系統(tǒng)的設(shè)計(jì)或校正以及模型、控制系統(tǒng)的一般分析方法、系統(tǒng)的設(shè)計(jì)或校正以及線性離散系統(tǒng)的初步知識(shí)線性離散系統(tǒng)的初步知識(shí) 研究對(duì)象研究對(duì)象自動(dòng)控制系統(tǒng)，揭示自動(dòng)控制系

2、統(tǒng)中存自動(dòng)控制系統(tǒng)，揭示自動(dòng)控制系統(tǒng)中存在的信息轉(zhuǎn)換、傳遞和在的信息轉(zhuǎn)換、傳遞和反饋反饋。第1章第3頁2.課程特點(diǎn)：課程特點(diǎn)：研究系統(tǒng)的共性問題研究系統(tǒng)的共性問題3.先修基礎(chǔ)：先修基礎(chǔ)： 高等數(shù)學(xué)、大學(xué)物理、微積分、電路、數(shù)字電子技高等數(shù)學(xué)、大學(xué)物理、微積分、電路、數(shù)字電子技術(shù)、模擬電子技術(shù)、信號(hào)與系統(tǒng)術(shù)、模擬電子技術(shù)、信號(hào)與系統(tǒng)（含拉氏變換、傅氏含拉氏變換、傅氏變換、變換、z變換）變換）2022年年5月月8日日實(shí)際實(shí)際系統(tǒng)系統(tǒng)物理物理模型模型數(shù)學(xué)數(shù)學(xué)模型模型方法（系統(tǒng)組成方法（系統(tǒng)組成分析、設(shè)計(jì)）分析、設(shè)計(jì)）第1章第4頁2022年年5月月8日日自動(dòng)控制課程的主要任務(wù)自動(dòng)控制課程的主要任務(wù) 本

3、課程的主要內(nèi)容是闡述本課程的主要內(nèi)容是闡述構(gòu)成、分析和設(shè)計(jì)自動(dòng)控構(gòu)成、分析和設(shè)計(jì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本理論制系統(tǒng)的基本理論。對(duì)實(shí)際系統(tǒng)。對(duì)實(shí)際系統(tǒng),建立研究問題的數(shù)學(xué)建立研究問題的數(shù)學(xué)模型模型,進(jìn)而利用所建立的數(shù)學(xué)模型來討論構(gòu)成、分析、進(jìn)而利用所建立的數(shù)學(xué)模型來討論構(gòu)成、分析、綜合自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本理論和方法。綜合自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本理論和方法。 作為研究自動(dòng)控制系統(tǒng)的分析與綜合的方法來說作為研究自動(dòng)控制系統(tǒng)的分析與綜合的方法來說,對(duì)單輸入單輸出系統(tǒng)常采用的是對(duì)單輸入單輸出系統(tǒng)常采用的是時(shí)域法、頻域法、根時(shí)域法、頻域法、根軌跡法以及目前廣泛應(yīng)用的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)。軌跡法以及目前廣泛應(yīng)用的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)

4、。 第1章第5頁2022年年5月月8日日成績組成：成績組成：期末考試占期末考試占 70% ，平時(shí)成績占，平時(shí)成績占 30% 考勤：10 作業(yè)：10 實(shí)驗(yàn)：10注：五次點(diǎn)名不到即取消考試資格（不能參加期注：五次點(diǎn)名不到即取消考試資格（不能參加期 末及補(bǔ)考考試）末及補(bǔ)考考試）第1章第6頁第第1 1章章 控制系統(tǒng)導(dǎo)論控制系統(tǒng)導(dǎo)論 2022年年5月月8日日第1章第7頁2022年年5月月8日日第1章第8頁2022年年5月月8日日一、控制系統(tǒng)基本概念一、控制系統(tǒng)基本概念1. 控制（控制（Control ）：根據(jù)某種原理或方法，使特定對(duì)象）：根據(jù)某種原理或方法，使特定對(duì)象（被控對(duì)象被控對(duì)象）的某些物理量（）

5、的某些物理量（被控量被控量）按照預(yù)期規(guī)律變化）按照預(yù)期規(guī)律變化的操縱過程。的操縱過程。2.人工控制（人工控制（Manual Control）：由人直接或間接操作執(zhí)）：由人直接或間接操作執(zhí)行裝置的控制方式。行裝置的控制方式。第1章第9頁2022年年5月月8日日人工控制的例子人工控制的例子 示例示例水池水位控制水池水位控制 人工控制人工控制被控對(duì)象：水池被控對(duì)象：水池被控量：水池的水位被控量：水池的水位 觀測實(shí)際水位，觀測實(shí)際水位，將期望的水位值與實(shí)際水位相比較，兩者將期望的水位值與實(shí)際水位相比較，兩者之差為之差為誤差誤差。根據(jù)誤差的。根據(jù)誤差的大小大小和和方向方向調(diào)節(jié)進(jìn)水閥門的開度，調(diào)節(jié)進(jìn)水閥門

6、的開度，即當(dāng)實(shí)際水位高于要求值時(shí)，關(guān)小進(jìn)水閥門開度，否則加大即當(dāng)實(shí)際水位高于要求值時(shí)，關(guān)小進(jìn)水閥門開度，否則加大閥門開度以改變進(jìn)水量，從而改變水池水位，使之與要求值閥門開度以改變進(jìn)水量，從而改變水池水位，使之與要求值保持一致。保持一致。 第1章第10頁2022年年5月月8日日人眼人眼：觀察水池的實(shí)際水位；：觀察水池的實(shí)際水位；測量（測量反饋機(jī)構(gòu)）測量（測量反饋機(jī)構(gòu)）人腦人腦：記住水位的期望值；：記住水位的期望值；比較比較水池的期望值水池的期望值-實(shí)際值；實(shí)際值；（比較機(jī)（比較機(jī)構(gòu)）、控制構(gòu)）、控制人手人手：調(diào)節(jié)進(jìn)水閥門的開度，執(zhí)行控制作用。：調(diào)節(jié)進(jìn)水閥門的開度，執(zhí)行控制作用。執(zhí)行（執(zhí)行機(jī)構(gòu)）執(zhí)

7、行（執(zhí)行機(jī)構(gòu)） 是一個(gè)反復(fù)觀察測量、比較、調(diào)整執(zhí)行的過程，力圖將水池水是一個(gè)反復(fù)觀察測量、比較、調(diào)整執(zhí)行的過程，力圖將水池水位的期望值與實(shí)際值之間的差值減為位的期望值與實(shí)際值之間的差值減為0。 人工控制精度不高，人的反應(yīng)不夠快，不少惡劣的場合人工控制精度不高，人的反應(yīng)不夠快，不少惡劣的場合人無法參與直接控制。自動(dòng)控制系統(tǒng)可以解決以上問題。人無法參與直接控制。自動(dòng)控制系統(tǒng)可以解決以上問題。第1章第11頁2022年年5月月8日日3.自動(dòng)控制自動(dòng)控制（Automatic Control）：）：是指在沒有人是指在沒有人直接直接參與參與的情況下，利用自動(dòng)控制裝置（或稱為的情況下，利用自動(dòng)控制裝置（或稱為

8、控制裝置控制裝置或或控控制器制器），使機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過程（統(tǒng)稱為），使機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過程（統(tǒng)稱為被控對(duì)象被控對(duì)象）的）的某個(gè)某個(gè)工作狀態(tài)或參數(shù)工作狀態(tài)或參數(shù)（稱為（稱為被控量被控量）自動(dòng)地自動(dòng)地按照預(yù)定的規(guī)按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行。律運(yùn)行。第1章第12頁2022年年5月月8日日自動(dòng)控制的例子自動(dòng)控制的例子 當(dāng)實(shí)際水位當(dāng)實(shí)際水位低于低于要求水位時(shí)，電位器輸出電壓值要求水位時(shí)，電位器輸出電壓值為正為正，且其大小反映了實(shí)際水位與水位要且其大小反映了實(shí)際水位與水位要求求值的差值，放大器輸出值的差值，放大器輸出信號(hào)將有正的變化，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)減速器使進(jìn)水閥門信號(hào)將有正的變化，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)減速器使進(jìn)水閥門開度增加

9、開度增加，直到實(shí)際水位重新與水位要求值相等時(shí)為止。直到實(shí)際水位重新與水位要求值相等時(shí)為止。期望水位期望水位ShowShow 第1章第13頁2022年年5月月8日日電位計(jì)電位計(jì)+連桿連桿人腦人腦：記住水位的期望值；：記住水位的期望值；浮子浮子人眼人眼：觀察水池的實(shí)際水位；：觀察水池的實(shí)際水位；電位計(jì)電位計(jì)+連桿連桿人腦人腦： 反映反映誤差誤差（= =水位的期望值水位的期望值-實(shí)際實(shí)際值）；值）；電動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)人手人手：調(diào)節(jié)進(jìn)水閥門開度，執(zhí)行控制作用。：調(diào)節(jié)進(jìn)水閥門開度，執(zhí)行控制作用。 是一個(gè)反復(fù)觀察測量、比較、調(diào)整執(zhí)行的過程，力圖是一個(gè)反復(fù)觀察測量、比較、調(diào)整執(zhí)行的過程，力圖將水池水位的將水池水位

10、的期望值與實(shí)際值間期望值與實(shí)際值間的差值減為的差值減為0，即誤差為，即誤差為0?？刂七^程：測量（測量反饋機(jī)構(gòu)）控制過程：測量（測量反饋機(jī)構(gòu)）浮子浮子 比較（比較機(jī)構(gòu)）比較（比較機(jī)構(gòu)）電位計(jì)電位計(jì)+連桿連桿 執(zhí)行（執(zhí)行機(jī)構(gòu)）執(zhí)行（執(zhí)行機(jī)構(gòu)）電動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)第1章第14頁自動(dòng)控制和人工控制比較自動(dòng)控制和人工控制比較（1）基本原理相同：）基本原理相同：都是建立在都是建立在“測量偏差測量偏差,修正偏差修正偏差”的基礎(chǔ)上的基礎(chǔ)上,并且為了測量偏差并且為了測量偏差,必須把系統(tǒng)的實(shí)際輸出必須把系統(tǒng)的實(shí)際輸出連接連接（反饋反饋）到輸入）到輸入端。自動(dòng)控制的基本原理因此有時(shí)也稱為端。自動(dòng)控制的基本原理因此有時(shí)也稱為

11、反饋控制原理反饋控制原理。 （2）兩種控制的區(qū)別：）兩種控制的區(qū)別：自動(dòng)控制用控制器代替人完成控制。自動(dòng)控制用控制器代替人完成控制。2022年年5月月8日日第1章第15頁2022年年5月月8日日4.反饋控制原理：反饋控制原理：在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，通過控制裝置對(duì)被在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，通過控制裝置對(duì)被控對(duì)象施加的控制作用，利用被控量的反饋信息，不斷修控對(duì)象施加的控制作用，利用被控量的反饋信息，不斷修正被控量與輸入量之間的偏差，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行正被控量與輸入量之間的偏差，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制的任務(wù)?？刂频娜蝿?wù)。5.自動(dòng)控制理論：自動(dòng)控制理論：是研究有關(guān)自動(dòng)控制共同規(guī)律的一門技是研究有關(guān)自動(dòng)控

12、制共同規(guī)律的一門技術(shù)科學(xué)，是自動(dòng)控制技術(shù)的基礎(chǔ)理論，根據(jù)發(fā)展的不同階術(shù)科學(xué)，是自動(dòng)控制技術(shù)的基礎(chǔ)理論，根據(jù)發(fā)展的不同階段，其內(nèi)容可分為段，其內(nèi)容可分為經(jīng)典控制理論經(jīng)典控制理論、現(xiàn)代控制理論現(xiàn)代控制理論和和智能控智能控制理論制理論。 第1章第16頁自動(dòng)控制理論的發(fā)展歷程 經(jīng)典控制理論40405050年代形成年代形成 適用于適用于SISOSISO（單輸入單輸出）系統(tǒng)（單輸入單輸出）系統(tǒng) 基于：二戰(zhàn)軍工技術(shù)基于：二戰(zhàn)軍工技術(shù)目標(biāo)：反饋控制系統(tǒng)的穩(wěn)定目標(biāo)：反饋控制系統(tǒng)的穩(wěn)定 基本方法：基本方法：時(shí)域分析法、根軌跡法、頻率特性法。時(shí)域分析法、根軌跡法、頻率特性法。 現(xiàn)代控制理論60706070年代形成年

13、代形成 適用于適用于MIMO MIMO （多輸入多輸出）系統(tǒng)（多輸入多輸出）系統(tǒng) 基于：基于： 冷戰(zhàn)時(shí)期空間技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)冷戰(zhàn)時(shí)期空間技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)目標(biāo)：最優(yōu)控制目標(biāo)：最優(yōu)控制基本方法：狀態(tài)空間表達(dá)式基本方法：狀態(tài)空間表達(dá)式2022年年5月月8日日第1章第17頁2022年年5月月8日日研究對(duì)象研究對(duì)象數(shù)學(xué)工具數(shù)學(xué)工具常用分析方法常用分析方法局限性局限性經(jīng)典控經(jīng)典控制理論制理論單輸入單輸入-單輸單輸出線性定常出線性定常系統(tǒng)系統(tǒng)微分方程，微分方程，傳遞函數(shù)傳遞函數(shù)時(shí)域分析法，時(shí)域分析法，頻域分析法頻域分析法,根軌跡分析法根軌跡分析法對(duì)復(fù)雜多變量系統(tǒng)、對(duì)復(fù)雜多變量系統(tǒng)、時(shí)變和非線性系統(tǒng)時(shí)變和非線

14、性系統(tǒng)無能為力無能為力現(xiàn)代控現(xiàn)代控制理論制理論多輸入多輸入-多輸多輸出變系數(shù)，出變系數(shù)，非線性等系非線性等系統(tǒng)統(tǒng)線性代數(shù)、線性代數(shù)、矩陣?yán)碚摼仃嚴(yán)碚摖顟B(tài)空間法狀態(tài)空間法比較繁瑣（但由于比較繁瑣（但由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的的迅計(jì)算機(jī)技術(shù)的的迅速發(fā)展，這一局限速發(fā)展，這一局限性已克服性已克服)第1章第18頁2022年年5月月8日日二二、反饋控制系統(tǒng)的基本組成部分反饋控制系統(tǒng)的基本組成部分 輸入量輸入量串聯(lián)串聯(lián)校正元件校正元件放大放大元件元件執(zhí)行執(zhí)行元件元件被控被控對(duì)象對(duì)象擾動(dòng)擾動(dòng)反饋反饋校正元件校正元件反饋元件反饋元件輸出量輸出量比較比較元件元件e(t)偏差偏差信號(hào)信號(hào)主反饋信號(hào)主反饋信號(hào)b(t)測量反饋

15、元件測量反饋元件主反饋主反饋局部反饋局部反饋( )c t( )r t給定給定元件元件信號(hào)從輸入端沿箭頭方向到達(dá)輸出端的傳輸通道稱信號(hào)從輸入端沿箭頭方向到達(dá)輸出端的傳輸通道稱前向通前向通路路，系統(tǒng)輸出量經(jīng)測量元件反饋到輸入端的傳輸通道稱，系統(tǒng)輸出量經(jīng)測量元件反饋到輸入端的傳輸通道稱主反饋通路主反饋通路。前向通路與主反饋通路共同組成。前向通路與主反饋通路共同組成主回路主回路。 ShowShow 第1章第19頁2022年年5月月8日日被控對(duì)象（被控過程）被控對(duì)象（被控過程）又稱控制對(duì)象或受控對(duì)象，又稱控制對(duì)象或受控對(duì)象，指需要對(duì)它的某個(gè)特定的量進(jìn)行控制的設(shè)備或過程。指需要對(duì)它的某個(gè)特定的量進(jìn)行控制的

16、設(shè)備或過程。被被控對(duì)象的輸出變量是控對(duì)象的輸出變量是被控變量被控變量，常常記作輸出信號(hào)或輸，常常記作輸出信號(hào)或輸出量。出量。被控對(duì)象除了受到控制作用外，還受到外部擾動(dòng)被控對(duì)象除了受到控制作用外，還受到外部擾動(dòng)作用。作用。給定元件給定元件其作用是給出與期望的輸出相對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)其作用是給出與期望的輸出相對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)輸入量，是一類產(chǎn)生系統(tǒng)控制指令的裝置。輸入量，是一類產(chǎn)生系統(tǒng)控制指令的裝置。測量反饋元件測量反饋元件如傳感器和測量儀表，感受或測量如傳感器和測量儀表，感受或測量被被控變量控變量的值并把它變換為與輸入量同一物理量后，再反的值并把它變換為與輸入量同一物理量后，再反饋到輸入端以作比較。饋到輸入端以

17、作比較。第1章第20頁2022年年5月月8日日比較元件比較元件比較輸入信號(hào)與反饋信號(hào)，以產(chǎn)生反映兩比較輸入信號(hào)與反饋信號(hào)，以產(chǎn)生反映兩者差值的偏差信號(hào)。者差值的偏差信號(hào)。放大元件放大元件將微弱的信號(hào)作線性放大。將微弱的信號(hào)作線性放大。校正元件校正元件也叫補(bǔ)償元件，它是按某種函數(shù)規(guī)律變換也叫補(bǔ)償元件，它是按某種函數(shù)規(guī)律變換控制信號(hào)，以利于改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)或靜態(tài)性能?？刂菩盘?hào)，以利于改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)或靜態(tài)性能。執(zhí)行元件執(zhí)行元件根據(jù)偏差信號(hào)的性質(zhì)執(zhí)行相應(yīng)的控制作用，根據(jù)偏差信號(hào)的性質(zhì)執(zhí)行相應(yīng)的控制作用，以便使被控制量按期望值變化。如電動(dòng)機(jī)、氣動(dòng)控制閥以便使被控制量按期望值變化。如電動(dòng)機(jī)、氣動(dòng)控制

18、閥等。等。 只包含一個(gè)主反饋通路的系統(tǒng)稱單回路系統(tǒng)；有兩只包含一個(gè)主反饋通路的系統(tǒng)稱單回路系統(tǒng)；有兩個(gè)或兩個(gè)以上反饋通路的系統(tǒng)稱多回路系統(tǒng)。個(gè)或兩個(gè)以上反饋通路的系統(tǒng)稱多回路系統(tǒng)。 第1章第21頁2022年年5月月8日日自動(dòng)控制系統(tǒng)：自動(dòng)控制系統(tǒng)：是由是由被控對(duì)象被控對(duì)象和和自動(dòng)控制裝置自動(dòng)控制裝置按一定方按一定方式聯(lián)結(jié)起來的，以完成某種自動(dòng)控制任務(wù)的有機(jī)整體。式聯(lián)結(jié)起來的，以完成某種自動(dòng)控制任務(wù)的有機(jī)整體。輸入信號(hào)輸入信號(hào)r(t)：系統(tǒng)的輸入信號(hào)是指參考輸入，又稱系統(tǒng)的輸入信號(hào)是指參考輸入，又稱給給定量或給定值定量或給定值，它是控制著輸出量變化規(guī)律的指令信號(hào)。，它是控制著輸出量變化規(guī)律的指令

19、信號(hào)。輸出信號(hào)輸出信號(hào)c(t)：系統(tǒng)的輸出信號(hào)是指被控對(duì)象中要求按系統(tǒng)的輸出信號(hào)是指被控對(duì)象中要求按一定規(guī)律變化的物理量，又稱被控量，它與輸入量之間一定規(guī)律變化的物理量，又稱被控量，它與輸入量之間保持一定的函數(shù)關(guān)系。保持一定的函數(shù)關(guān)系。自動(dòng)控制系統(tǒng)中常用的名詞術(shù)語自動(dòng)控制系統(tǒng)中常用的名詞術(shù)語補(bǔ)充補(bǔ)充 第1章第22頁2022年年5月月8日日反饋信號(hào)：反饋信號(hào)：由系統(tǒng)（或元件）輸出端取出并反向送回系統(tǒng)由系統(tǒng)（或元件）輸出端取出并反向送回系統(tǒng)（或元件）輸入端的信號(hào)稱為反饋信號(hào)。反饋分為主反饋（或元件）輸入端的信號(hào)稱為反饋信號(hào)。反饋分為主反饋b(t)和局部反饋。和局部反饋。偏差偏差信號(hào)信號(hào)e(t)：它

20、是指它是指參考輸入?yún)⒖驾斎肱c與主反饋信號(hào)之差主反饋信號(hào)之差。偏差信。偏差信號(hào)簡稱偏差。號(hào)簡稱偏差。 e(t)=r(t)- b(t)誤差信號(hào)：誤差信號(hào)：它是指系統(tǒng)輸出量的期望值與實(shí)際值之差，簡它是指系統(tǒng)輸出量的期望值與實(shí)際值之差，簡稱誤差。稱誤差。在單位反饋情況下，誤差值也就是偏差值在單位反饋情況下，誤差值也就是偏差值，二者，二者是相等的。是相等的。擾動(dòng)信號(hào)擾動(dòng)信號(hào)f(t)：簡稱擾動(dòng)或簡稱擾動(dòng)或干擾，是除控制信號(hào)以外干擾，是除控制信號(hào)以外,對(duì)系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)的輸出有影響的信號(hào)。擾動(dòng)是不的輸出有影響的信號(hào)。擾動(dòng)是不希望的輸入信號(hào)。希望的輸入信號(hào)。P5 P5 第1章第23頁2022年年5月月8日日 控制系

21、統(tǒng)的類型很多，它們的結(jié)構(gòu)類型和所完控制系統(tǒng)的類型很多，它們的結(jié)構(gòu)類型和所完成的任務(wù)也各不相同。控制系統(tǒng)中最常見的兩種控成的任務(wù)也各不相同。控制系統(tǒng)中最常見的兩種控制方式是制方式是開環(huán)控制開環(huán)控制和和閉環(huán)控制（反饋控制）閉環(huán)控制（反饋控制），這兩，這兩種控制的組合種控制的組合即為即為復(fù)合控制復(fù)合控制，相對(duì)應(yīng)的控制系，相對(duì)應(yīng)的控制系統(tǒng)稱為統(tǒng)稱為開環(huán)控制系統(tǒng)開環(huán)控制系統(tǒng)、閉環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)和和復(fù)合控制系復(fù)合控制系統(tǒng)統(tǒng)。 三、三、 自動(dòng)控制系統(tǒng)基本控制方式自動(dòng)控制系統(tǒng)基本控制方式第1章第24頁2022年年5月月8日日自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本控制方式自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本控制方式第1章第25頁1. 開環(huán)控制

22、系統(tǒng)開環(huán)控制系統(tǒng) 指控制裝置與被控對(duì)象之間只有順向作用輸出量并不反饋回來影響輸入量的控制作用，因而將它稱為開環(huán)開環(huán)控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)（Open-Loop Control System）。）。即被控量（系統(tǒng)輸出）不影響系統(tǒng)控制的控制方式稱為開環(huán)控制。所以， 在開環(huán)控制中， 不對(duì)被控量進(jìn)行任何檢測， 在輸出端和輸入端之間不存在反饋聯(lián)系。 2022年年5月月8日日常用開環(huán)控制系統(tǒng)原理框圖（給定控制）第1章第26頁2022年年5月月8日日示例示例直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速開環(huán)控制系統(tǒng)直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速開環(huán)控制系統(tǒng) 給定電壓給定電壓ug經(jīng)放大后得到電樞電壓經(jīng)放大后得到電樞電壓ua，改變，改變ug可得不同可得不同的轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)

23、速n，該系統(tǒng)只有輸入量，該系統(tǒng)只有輸入量ug對(duì)輸出量對(duì)輸出量n的單向控制作用。的單向控制作用。輸出端和輸入端之間不存在輸出端和輸入端之間不存在反饋回路反饋回路。+_電電 壓壓放大器放大器功功 率率放大器放大器Mc負(fù)載負(fù)載n電動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)+_+_+電位器電位器augu1. 開環(huán)控制系統(tǒng)開環(huán)控制系統(tǒng)第1章第27頁2022年年5月月8日日 常見的開環(huán)系統(tǒng)還有洗衣機(jī)，微波爐等。常見的開環(huán)系統(tǒng)還有洗衣機(jī)，微波爐等。擾動(dòng)擾動(dòng)控制控制 信號(hào)信號(hào) 被控被控 制量制量 給定電壓給定電壓ug g轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速n被控對(duì)象被控對(duì)象控制裝置控制裝置Mc電壓電壓放大器放大器功率功率放大器放大器直流直流電動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)第1章第28頁2

24、022年年5月月8日日 開環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)結(jié)構(gòu)簡單，系統(tǒng)穩(wěn)定性好結(jié)構(gòu)簡單，系統(tǒng)穩(wěn)定性好，調(diào)試，調(diào)試方便，成本低。因此，在輸入量和輸出量之間的關(guān)系固定，方便，成本低。因此，在輸入量和輸出量之間的關(guān)系固定，且內(nèi)部參數(shù)或外部負(fù)載等擾動(dòng)因素不大，或這些擾動(dòng)因素且內(nèi)部參數(shù)或外部負(fù)載等擾動(dòng)因素不大，或這些擾動(dòng)因素可以預(yù)測并進(jìn)行補(bǔ)償?shù)那疤嵯?，?yīng)盡量采用開環(huán)控制系統(tǒng)?？梢灶A(yù)測并進(jìn)行補(bǔ)償?shù)那疤嵯拢瑧?yīng)盡量采用開環(huán)控制系統(tǒng)。 開環(huán)控制的開環(huán)控制的缺點(diǎn)缺點(diǎn)當(dāng)控制過程中受到來自系統(tǒng)當(dāng)控制過程中受到來自系統(tǒng)外部外部的各種擾動(dòng)因素，如負(fù)載變化、電源電壓波動(dòng)等，以及來的各種擾動(dòng)因素，如負(fù)載變化、電源電壓波動(dòng)等，以及

25、來自系統(tǒng)自系統(tǒng)內(nèi)部內(nèi)部的擾動(dòng)因素，如元件參數(shù)變化等，都將會(huì)直接的擾動(dòng)因素，如元件參數(shù)變化等，都將會(huì)直接影響到輸出量，而控制系統(tǒng)不能自動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償，影響到輸出量，而控制系統(tǒng)不能自動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償，抗干擾性抗干擾性能差能差。因此，開環(huán)系統(tǒng)對(duì)元器件的精度要求較高。因此，開環(huán)系統(tǒng)對(duì)元器件的精度要求較高。 第1章第29頁補(bǔ)充：按擾動(dòng)控制的開環(huán)系統(tǒng)2022年年5月月8日日用干擾補(bǔ)償?shù)拈_環(huán)控制 干擾信號(hào)經(jīng)測量、 計(jì)算、 放大、 執(zhí)行等元件到輸出端的傳遞也是單向進(jìn)行的。 用干擾補(bǔ)償?shù)目刂品绞街荒苡迷诟蓴_可以測量的場合。 另外這種控制方式在工作過程中不能補(bǔ)償由于元件及受控對(duì)象工作特性變化而對(duì)被控量所產(chǎn)生的影響。 比較元

26、件放大元件執(zhí)行元件受控對(duì)象被控量給定值檢測元件干擾第1章第30頁2. 閉環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng) 輸出量與輸入量之間有反向聯(lián)系，靠輸入量與主反饋信號(hào)之間的輸出量與輸入量之間有反向聯(lián)系，靠輸入量與主反饋信號(hào)之間的偏差對(duì)輸出量進(jìn)行控制。偏差對(duì)輸出量進(jìn)行控制。在控制器和被控對(duì)象之間，在控制器和被控對(duì)象之間， 不僅存在不僅存在著正向作用，著正向作用， 而且還存在著反饋?zhàn)饔?，而且還存在著反饋?zhàn)饔茫?即系統(tǒng)的輸出信號(hào)對(duì)被即系統(tǒng)的輸出信號(hào)對(duì)被控制量有直接影響?？刂屏坑兄苯佑绊?。 反饋反饋：是把系統(tǒng)輸出量全部或一部分回送到輸入端，以增強(qiáng)或減弱：是把系統(tǒng)輸出量全部或一部分回送到輸入端，以增強(qiáng)或減弱輸入信號(hào)的效應(yīng)。

27、輸入信號(hào)的效應(yīng)。2022年年5月月8日日比較元件放大元件執(zhí)行元件受控對(duì)象被控量給定值檢測反饋元件干擾閉環(huán)控制原理框圖 第1章第31頁2022年年5月月8日日 閉環(huán)控制系統(tǒng)示例閉環(huán)控制系統(tǒng)示例電電 壓壓放大器放大器功功 率率放大器放大器Mc負(fù)載負(fù)載n電動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)+_+_+_uf電位器電位器測速發(fā)電機(jī)測速發(fā)電機(jī)+_guauue= ug-uf偏差偏差ffuK第1章第32頁2022年年5月月8日日 直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)方塊圖直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)方塊圖 設(shè)上述系統(tǒng)原已在某個(gè)給定電壓設(shè)上述系統(tǒng)原已在某個(gè)給定電壓ug相對(duì)于的轉(zhuǎn)速相對(duì)于的轉(zhuǎn)速n狀狀態(tài)下運(yùn)行，若一旦受到某些干擾（如負(fù)載轉(zhuǎn)矩突然增大）

28、態(tài)下運(yùn)行，若一旦受到某些干擾（如負(fù)載轉(zhuǎn)矩突然增大）而引起轉(zhuǎn)速下降時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)地產(chǎn)生相應(yīng)的調(diào)整過程。而引起轉(zhuǎn)速下降時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)地產(chǎn)生相應(yīng)的調(diào)整過程。偏差始終存在偏差始終存在 Mcnufue（ ue = = ug - - uf ）uan n電電 壓壓放大器放大器ue輸輸入入量量Mc擾動(dòng)擾動(dòng)輸輸出出量量功功 率率放大器放大器直直 流流電動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)ugua測測 速速發(fā)電機(jī)發(fā)電機(jī)uf第1章第33頁2022年年5月月8日日總結(jié)一下：總結(jié)一下： 閉環(huán)閉環(huán)控制系統(tǒng)的工作原理：控制系統(tǒng)的工作原理：檢測輸出量（被控制量）的實(shí)際值；檢測輸出量（被控制量）的實(shí)際值；將輸出量的實(shí)際值與給定值（輸入量）進(jìn)行比較，

29、將輸出量的實(shí)際值與給定值（輸入量）進(jìn)行比較，得出偏差；得出偏差；用偏差值產(chǎn)生控制調(diào)節(jié)作用去消除偏差，使得輸用偏差值產(chǎn)生控制調(diào)節(jié)作用去消除偏差，使得輸出量維持期望的輸出。出量維持期望的輸出。第1章第34頁2022年年5月月8日日 由于存在輸出量反饋，上述系統(tǒng)能在存在無法預(yù)計(jì)擾動(dòng)由于存在輸出量反饋，上述系統(tǒng)能在存在無法預(yù)計(jì)擾動(dòng)的情況下，自動(dòng)減少系統(tǒng)的輸出量與參考輸入量（或者的情況下，自動(dòng)減少系統(tǒng)的輸出量與參考輸入量（或者任意變化的希望的狀態(tài)）之間的偏差，故稱之為任意變化的希望的狀態(tài)）之間的偏差，故稱之為反饋控反饋控制制。 顯然：顯然：反饋控制反饋控制建立在建立在偏差偏差基礎(chǔ)上，其控制方式是基礎(chǔ)上，

30、其控制方式是“檢檢測偏差再糾正偏差測偏差再糾正偏差”。ShowShow 第1章第35頁2022年年5月月8日日 閉環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)（Close-Loop Control System）又又稱稱反饋控制系統(tǒng)反饋控制系統(tǒng)（Feedback Control System），是在是在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，把輸出量檢測出來，經(jīng)過物理量閉環(huán)控制系統(tǒng)中，把輸出量檢測出來，經(jīng)過物理量的轉(zhuǎn)換，再反饋到輸入端去與給定值（參考輸入）的轉(zhuǎn)換，再反饋到輸入端去與給定值（參考輸入）進(jìn)行比較（相減），并利用比較后的進(jìn)行比較（相減），并利用比較后的偏差偏差信號(hào)，以信號(hào)，以一定的控制規(guī)律產(chǎn)生控制作用，抑制內(nèi)部或外部擾一定的控制

31、規(guī)律產(chǎn)生控制作用，抑制內(nèi)部或外部擾動(dòng)對(duì)輸出量的影響，動(dòng)對(duì)輸出量的影響，逐步減小以至消除這一偏差逐步減小以至消除這一偏差，從而實(shí)現(xiàn)要求的控制性能。從而實(shí)現(xiàn)要求的控制性能。 第1章第36頁2022年年5月月8日日 閉環(huán)控制的閉環(huán)控制的優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)抑制擾動(dòng)能力強(qiáng)抑制擾動(dòng)能力強(qiáng)，與開環(huán)控制，與開環(huán)控制相比，對(duì)參數(shù)變化不敏感，并能獲得滿意的相比，對(duì)參數(shù)變化不敏感，并能獲得滿意的動(dòng)態(tài)特性動(dòng)態(tài)特性和和控制精度控制精度。 閉環(huán)控制的閉環(huán)控制的缺點(diǎn)缺點(diǎn)引入反饋增加了系統(tǒng)的引入反饋增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性復(fù)雜性，如果閉環(huán)系統(tǒng)參數(shù)的選取不適當(dāng)，系統(tǒng)可能會(huì)產(chǎn)生如果閉環(huán)系統(tǒng)參數(shù)的選取不適當(dāng)，系統(tǒng)可能會(huì)產(chǎn)生振蕩振蕩，甚至系統(tǒng)失穩(wěn)而

32、無法正常工作，這是自動(dòng)控制理論和系甚至系統(tǒng)失穩(wěn)而無法正常工作，這是自動(dòng)控制理論和系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須解決的重要問題。統(tǒng)設(shè)計(jì)必須解決的重要問題。注意！注意！正反饋正反饋不能進(jìn)行控制，會(huì)使系統(tǒng)的偏差越來越大。不能進(jìn)行控制，會(huì)使系統(tǒng)的偏差越來越大。 自動(dòng)控制理論主要研究自動(dòng)控制理論主要研究閉環(huán)閉環(huán)控制系統(tǒng)控制系統(tǒng) 第1章第37頁開環(huán)與閉環(huán)系統(tǒng)的比較開環(huán)與閉環(huán)系統(tǒng)的比較開環(huán)控制系統(tǒng)：開環(huán)控制系統(tǒng)： 1. 結(jié)構(gòu)簡單經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)簡單經(jīng)濟(jì) 2.調(diào)試方便調(diào)試方便 3.抗干擾能力差，控制精度不高?？垢蓴_能力差，控制精度不高。閉環(huán)控制系統(tǒng)：閉環(huán)控制系統(tǒng)： 1.系統(tǒng)具有糾正偏差的能力。系統(tǒng)具有糾正偏差的能力。 2.抗擾性好，控

33、制精度高?？箶_性好，控制精度高。 3.包含元件多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格高。包含元件多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格高。 4.參數(shù)應(yīng)選擇適當(dāng)參數(shù)應(yīng)選擇適當(dāng)。開環(huán)閉環(huán)復(fù)合控制系統(tǒng)（兼有兩者的優(yōu)點(diǎn)，精度很高）開環(huán)閉環(huán)復(fù)合控制系統(tǒng)（兼有兩者的優(yōu)點(diǎn)，精度很高） 2022年年5月月8日日第1章第38頁3. 復(fù)合控制系統(tǒng)復(fù)合控制系統(tǒng) 復(fù)合控制就是將開環(huán)控制和閉環(huán)控制相結(jié)合的一種控制方式。 在閉環(huán)控制回路的基礎(chǔ)上， 附加一個(gè)對(duì)輸入信號(hào)或?qū)_動(dòng)作用的前饋通路， 來提高系統(tǒng)的控制精度。 前饋通路通常由對(duì)輸入信號(hào)的補(bǔ)償裝置或?qū)_動(dòng)作用的補(bǔ)償裝置組成， 分別稱為按輸入信號(hào)補(bǔ)償和按擾動(dòng)作用補(bǔ)償?shù)膹?fù)合控制系統(tǒng)2022年年5月月8日日第1章第

34、39頁2022年年5月月8日日控制裝置被控對(duì)象補(bǔ)償裝置輸入信號(hào)測量裝置輸出量控制裝置被控對(duì)象補(bǔ)償裝置輸入信號(hào)測量裝置輸出量(a)擾動(dòng)(b)復(fù)合控制系統(tǒng)方框圖(a) 按輸入作用補(bǔ)償； (b) 按擾動(dòng)作用補(bǔ)償?shù)?章第40頁 例：我們?cè)谌粘Ｉ钪薪?jīng)常遇到的抽水馬桶，例：我們?cè)谌粘Ｉ钪薪?jīng)常遇到的抽水馬桶，也是一個(gè)典型的閉環(huán)控制系統(tǒng)。也是一個(gè)典型的閉環(huán)控制系統(tǒng)。2022年年5月月8日日 自動(dòng)控制理論主要研究自動(dòng)控制理論主要研究閉環(huán)閉環(huán)控制系統(tǒng)控制系統(tǒng) 閥閥門門活活塞塞浮浮子子水水h h( (t t) )q q1 1( (t t) )q q2 2( (t t) ) 水箱原來處于一個(gè)平衡水箱原來處于一個(gè)平

35、衡狀態(tài)，狀態(tài)，q1(t)=q2(t)=0。如。如果打開閥門，沖水，沖好果打開閥門，沖水，沖好后關(guān)上閥門，后關(guān)上閥門，h(t)發(fā)生變發(fā)生變化，水位下降，化，水位下降， h變大，變大，通過浮子反饋到執(zhí)行機(jī)構(gòu)。通過浮子反饋到執(zhí)行機(jī)構(gòu)。機(jī)械杠桿帶動(dòng)活塞打開，機(jī)械杠桿帶動(dòng)活塞打開， q1(t)變大，使變大，使h 變小，變小，浮子上浮，活塞也上升，浮子上浮，活塞也上升，直至達(dá)到新的平衡。直至達(dá)到新的平衡。第1章第41頁2022年年5月月8日日原理方框圖：原理方框圖： 機(jī)械杠桿活塞水箱浮子執(zhí)行機(jī)構(gòu)被控對(duì)象檢測機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)器比較器h0-h(t)q1(t)這就是負(fù)反饋控制系統(tǒng)，檢測偏差，然后這就是負(fù)反饋控制系統(tǒng)，檢

36、測偏差，然后進(jìn)行調(diào)節(jié)，使偏差減小，最后直至消除偏進(jìn)行調(diào)節(jié)，使偏差減小，最后直至消除偏差。差。 按偏差控制。按偏差控制。 第1章第42頁自動(dòng)控制系統(tǒng)一般原理框圖（閉環(huán)）自動(dòng)控制系統(tǒng)一般原理框圖（閉環(huán)）2022年年5月月8日日控制器控制器執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)被控對(duì)象被控對(duì)象輸入信號(hào)輸入信號(hào)給定值給定值偏差偏差-測量變送器測量變送器輸出量輸出量去掉擾動(dòng)后的自動(dòng)控制系統(tǒng)原理圖去掉擾動(dòng)后的自動(dòng)控制系統(tǒng)原理圖第1章第43頁2022年年5月月8日日第1章第44頁2022年年5月月8日日 爐溫控制系統(tǒng)爐溫控制系統(tǒng)的理想溫度由電壓的理想溫度由電壓ur給出，熱電偶檢測箱溫輸出給出，熱電偶檢測箱溫輸出電壓電壓uf，偏差

37、電壓偏差電壓ue= ur- uf，經(jīng)電壓和功率放大后控制電機(jī)的速度，經(jīng)電壓和功率放大后控制電機(jī)的速度和轉(zhuǎn)向，從而改變和轉(zhuǎn)向，從而改變調(diào)壓器調(diào)壓器滑動(dòng)觸頭的位置，改變爐溫控制系統(tǒng)的滑動(dòng)觸頭的位置，改變爐溫控制系統(tǒng)的外施電壓達(dá)到恒定爐溫的目的。外施電壓達(dá)到恒定爐溫的目的。1.2.1 爐溫控制系統(tǒng)爐溫控制系統(tǒng)第1章第45頁2022年年5月月8日日 溫度溫度Tc下降，下降， Tc uf ue=ur- uf ua 電機(jī)向增電機(jī)向增大調(diào)壓器輸出電壓的方向加速旋轉(zhuǎn)大調(diào)壓器輸出電壓的方向加速旋轉(zhuǎn)Tcuf ，直到直到Tc = Tr， ue=0。原理：原理：即當(dāng)恒溫箱內(nèi)溫度偏高時(shí)，使調(diào)壓器降壓，反之升壓，即當(dāng)恒溫

38、箱內(nèi)溫度偏高時(shí)，使調(diào)壓器降壓，反之升壓，直到溫度達(dá)到給定值為止。此時(shí)偏差電壓直到溫度達(dá)到給定值為止。此時(shí)偏差電壓ue=0=0，電機(jī)停轉(zhuǎn)。，電機(jī)停轉(zhuǎn)。 爐溫自動(dòng)控制系統(tǒng)方框圖爐溫自動(dòng)控制系統(tǒng)方框圖放大器放大器電機(jī)減速器電機(jī)減速器調(diào)壓器調(diào)壓器電爐電爐熱電偶熱電偶+ -ufueurTcua給定裝置給定裝置Tr擾動(dòng)擾動(dòng)第1章第46頁2022年年5月月8日日1.2.2 導(dǎo)彈發(fā)射架方位控制系統(tǒng)導(dǎo)彈發(fā)射架方位控制系統(tǒng) 放大器放大器+_+_+_輸入軸輸入軸給定裝置給定裝置反饋裝置反饋裝置手輪手輪發(fā)射架發(fā)射架輸出軸輸出軸r0E0Erueuau00u導(dǎo)彈發(fā)射架方位控制系統(tǒng)原理圖導(dǎo)彈發(fā)射架方位控制系統(tǒng)原理圖隨隨動(dòng)動(dòng)

39、系系統(tǒng)統(tǒng)導(dǎo)彈發(fā)射架方位控制系統(tǒng)方塊圖導(dǎo)彈發(fā)射架方位控制系統(tǒng)方塊圖放大器放大器減速器減速器導(dǎo)導(dǎo) 彈彈發(fā)射架發(fā)射架ua直直 流流電動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)電位器電位器、re0eu0第1章第47頁2022年年5月月8日日 鋼鐵軋制：軋出厚度一致的高精度鐵板軋出厚度一致的高精度鐵板（厚度控制，張力控制）（厚度控制，張力控制）1.2.3 鋼鐵軋制控制系統(tǒng)示例鋼鐵軋制控制系統(tǒng)示例 第1章第48頁2022年年5月月8日日1.2.3 鋼鐵軋制計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)鋼鐵軋制計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) 軋鋼機(jī)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)方塊圖軋鋼機(jī)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)方塊圖軋鋼機(jī)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)示意圖軋鋼機(jī)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)示意圖 第1章第49頁2022年年5月月8日日1

40、.2.4 函數(shù)記錄儀函數(shù)記錄儀 P8ABCD第1章第50頁2022年年5月月8日日寫成方塊圖形式：寫成方塊圖形式：1.2.5 鍋爐液位控制系統(tǒng)鍋爐液位控制系統(tǒng) P9第1章第51頁2022年年5月月8日日 n鍋爐設(shè)備的壓力和溫度自動(dòng)保持恒定鍋爐設(shè)備的壓力和溫度自動(dòng)保持恒定n數(shù)控機(jī)床按照預(yù)定的程序自動(dòng)地切削工件數(shù)控機(jī)床按照預(yù)定的程序自動(dòng)地切削工件n導(dǎo)彈發(fā)射與制導(dǎo)系統(tǒng)，自動(dòng)地使導(dǎo)彈攻擊敵方目標(biāo)導(dǎo)彈發(fā)射與制導(dǎo)系統(tǒng)，自動(dòng)地使導(dǎo)彈攻擊敵方目標(biāo)n無人駕駛飛機(jī)按照預(yù)定航跡自動(dòng)升降和飛行無人駕駛飛機(jī)按照預(yù)定航跡自動(dòng)升降和飛行n人造衛(wèi)星準(zhǔn)確地進(jìn)入預(yù)定軌道運(yùn)行并回收人造衛(wèi)星準(zhǔn)確地進(jìn)入預(yù)定軌道運(yùn)行并回收 自動(dòng)控制技術(shù)

41、的應(yīng)用范圍已擴(kuò)展到生物、醫(yī)學(xué)、環(huán)自動(dòng)控制技術(shù)的應(yīng)用范圍已擴(kuò)展到生物、醫(yī)學(xué)、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)管理和其它許多社會(huì)生活領(lǐng)域中，自動(dòng)控制境、經(jīng)濟(jì)管理和其它許多社會(huì)生活領(lǐng)域中，自動(dòng)控制已成為現(xiàn)代社會(huì)活動(dòng)中不可缺少的重要組成部分。已成為現(xiàn)代社會(huì)活動(dòng)中不可缺少的重要組成部分。第1章第52頁2022年年5月月8日日第1章第53頁2022年年5月月8日日自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類下面介紹幾種常用的自動(dòng)控制系統(tǒng)分類方法。下面介紹幾種常用的自動(dòng)控制系統(tǒng)分類方法。1.3.1 按控制方式來分按控制方式來分1.3.2 按描述系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)方程分按描述系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)方程分1.3.3 按系統(tǒng)參數(shù)是否隨時(shí)間變化而分按系統(tǒng)參數(shù)是否隨

42、時(shí)間變化而分1.3.4 按系統(tǒng)輸入信號(hào)的變化規(guī)律不同來分按系統(tǒng)輸入信號(hào)的變化規(guī)律不同來分1.3.5 按信號(hào)的傳遞是否連續(xù)分按信號(hào)的傳遞是否連續(xù)分重要重要 第1章第54頁2022年年5月月8日日 開環(huán)控制系統(tǒng)開環(huán)控制系統(tǒng) 反饋控制系統(tǒng)反饋控制系統(tǒng) 復(fù)合控制系統(tǒng)復(fù)合控制系統(tǒng)第1章第55頁2022年年5月月8日日1）線性系統(tǒng)：）線性系統(tǒng)：該類系統(tǒng)的特點(diǎn)在于組成系統(tǒng)的各環(huán)節(jié)的輸該類系統(tǒng)的特點(diǎn)在于組成系統(tǒng)的各環(huán)節(jié)的輸入輸出特性都是入輸出特性都是線性線性的，系統(tǒng)的性能可用的，系統(tǒng)的性能可用線性微分方程線性微分方程（或（或差分方程）來描述。差分方程）來描述。（滿足齊次性與疊加性）（滿足齊次性與疊加性） 假設(shè)

43、元件輸入為假設(shè)元件輸入為r(t)、r1(t)、r2(t)，對(duì)應(yīng)的輸出為，對(duì)應(yīng)的輸出為c(t)、c1(t)、c2(t)： 如果如果r(t)=r1(t)+ r2(t) 時(shí)，時(shí)， c(t) = c1(t) + c2(t) 滿足迭加性滿足迭加性 如果如果r(t)=ar1(t)時(shí)，時(shí)， c(t) =ac1(t) 滿足齊次性滿足齊次性w 滿足迭加性和齊次性的元件才是線性元件。滿足迭加性和齊次性的元件才是線性元件。( )(1)(1)()(1)(1)011011nnmmnnmma ya yaya yb rb rbrb r第1章第56頁2022年年5月月8日日2）非線性系統(tǒng)：）非線性系統(tǒng)：該類系統(tǒng)的特點(diǎn)在于系統(tǒng)

44、中含有一個(gè)或多該類系統(tǒng)的特點(diǎn)在于系統(tǒng)中含有一個(gè)或多個(gè)非線性元件。系統(tǒng)的性能需用個(gè)非線性元件。系統(tǒng)的性能需用非線性非線性微分方程（或差分微分方程（或差分方程）來描述。方程）來描述。非線性微分方程：非線性微分方程： 系數(shù)與變量有關(guān)，或者方程中含有變量及其導(dǎo)數(shù)的高次系數(shù)與變量有關(guān)，或者方程中含有變量及其導(dǎo)數(shù)的高次冪或乘積項(xiàng)。冪或乘積項(xiàng)。重要重要 第1章第57頁2022年年5月月8日日常見非線性情況常見非線性情況飽和非線性死區(qū)非線性間隙非線性繼電器非線性第1章第58頁2022年年5月月8日日注意：注意： 在實(shí)際中，絕大多數(shù)對(duì)象都具有非線性特性，而大多數(shù)在實(shí)際中，絕大多數(shù)對(duì)象都具有非線性特性，而大多數(shù)儀

45、器儀表也是非線性的，所以很少有真正意義上線性系統(tǒng)，儀器儀表也是非線性的，所以很少有真正意義上線性系統(tǒng)，一般是采用線性化措施將非線性系統(tǒng)處理成線性系統(tǒng)，這一般是采用線性化措施將非線性系統(tǒng)處理成線性系統(tǒng)，這樣就可簡化分析和運(yùn)算。樣就可簡化分析和運(yùn)算。第1章第59頁2022年年5月月8日日1.定常系統(tǒng)：定常系統(tǒng)：特性不隨時(shí)間變化的系統(tǒng)稱定常系統(tǒng)，又特性不隨時(shí)間變化的系統(tǒng)稱定常系統(tǒng)，又稱稱時(shí)不變時(shí)不變系統(tǒng)。描述定常系統(tǒng)特性的微分方程或差分方系統(tǒng)。描述定常系統(tǒng)特性的微分方程或差分方程的程的系數(shù)系數(shù)不隨時(shí)間變化。定常系統(tǒng)分為不隨時(shí)間變化。定常系統(tǒng)分為定常線性系統(tǒng)定常線性系統(tǒng)和和定常非線性系統(tǒng)定常非線性系統(tǒng)

46、。2.時(shí)變系統(tǒng)：時(shí)變系統(tǒng)：特性隨時(shí)間變化的系統(tǒng)稱時(shí)變系統(tǒng)。對(duì)于特性隨時(shí)間變化的系統(tǒng)稱時(shí)變系統(tǒng)。對(duì)于時(shí)變系統(tǒng)，其輸出響應(yīng)的波形不僅與輸入信號(hào)波形有關(guān)，時(shí)變系統(tǒng)，其輸出響應(yīng)的波形不僅與輸入信號(hào)波形有關(guān)，而且還與參考輸入加入的時(shí)刻有關(guān)，這一特點(diǎn)，增加了而且還與參考輸入加入的時(shí)刻有關(guān)，這一特點(diǎn)，增加了對(duì)時(shí)變系統(tǒng)分析和研究的復(fù)雜性。描述定常系統(tǒng)特性的對(duì)時(shí)變系統(tǒng)分析和研究的復(fù)雜性。描述定常系統(tǒng)特性的微分方程或差分方程的微分方程或差分方程的系數(shù)系數(shù)隨時(shí)間變化，為時(shí)間的函數(shù)。隨時(shí)間變化，為時(shí)間的函數(shù)。第1章第60頁2022年年5月月8日日定常：定常：輸入一定，輸出不變。輸入一定，輸出不變。（方程系數(shù)為常數(shù)）（

47、方程系數(shù)為常數(shù)）時(shí)變（不定常）：時(shí)變（不定常）：輸入一定，輸出隨時(shí)間發(fā)生變化輸入一定，輸出隨時(shí)間發(fā)生變化。 重要重要 第1章第61頁2022年年5月月8日日1.恒值調(diào)節(jié)系統(tǒng)（定值系統(tǒng)）：恒值調(diào)節(jié)系統(tǒng)（定值系統(tǒng)）：該類系統(tǒng)的輸入信號(hào)為一恒該類系統(tǒng)的輸入信號(hào)為一恒定常數(shù)，擾動(dòng)使被控量偏離理想值而出現(xiàn)偏差，利用偏差該定常數(shù)，擾動(dòng)使被控量偏離理想值而出現(xiàn)偏差，利用偏差該系統(tǒng)可使被控量回復(fù)到理想值或接近理想值。上述的爐溫閉系統(tǒng)可使被控量回復(fù)到理想值或接近理想值。上述的爐溫閉環(huán)控制系統(tǒng)、鍋爐水位控制系統(tǒng)均屬于此類系統(tǒng)。環(huán)控制系統(tǒng)、鍋爐水位控制系統(tǒng)均屬于此類系統(tǒng)。2.隨動(dòng)系統(tǒng)：隨動(dòng)系統(tǒng)：這類系統(tǒng)的給定量是時(shí)

48、間的未知函數(shù)，系統(tǒng)能這類系統(tǒng)的給定量是時(shí)間的未知函數(shù)，系統(tǒng)能使被控量準(zhǔn)確、快速地跟隨給定量變化。隨動(dòng)系統(tǒng)又稱使被控量準(zhǔn)確、快速地跟隨給定量變化。隨動(dòng)系統(tǒng)又稱伺服伺服系統(tǒng)系統(tǒng)。如函數(shù)記錄儀、導(dǎo)彈自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)。如函數(shù)記錄儀、導(dǎo)彈自動(dòng)跟蹤系統(tǒng) 。 3.程序控制系統(tǒng)：程序控制系統(tǒng)：輸入信號(hào)為已知的時(shí)間函數(shù)，如機(jī)械加工輸入信號(hào)為已知的時(shí)間函數(shù)，如機(jī)械加工中的數(shù)控機(jī)床工作臺(tái)移動(dòng)系統(tǒng)，洗衣機(jī)，回流焊加熱爐。中的數(shù)控機(jī)床工作臺(tái)移動(dòng)系統(tǒng)，洗衣機(jī)，回流焊加熱爐。 第1章第62頁2022年年5月月8日日1.連續(xù)系統(tǒng)：連續(xù)系統(tǒng)：該類系統(tǒng)各環(huán)節(jié)間的信號(hào)均為時(shí)間該類系統(tǒng)各環(huán)節(jié)間的信號(hào)均為時(shí)間t的連續(xù)函數(shù)。的連續(xù)函數(shù)。2.

49、離散系統(tǒng)：離散系統(tǒng)：該類系統(tǒng)在信號(hào)傳遞過程中有一處或多處的信該類系統(tǒng)在信號(hào)傳遞過程中有一處或多處的信號(hào)是脈沖序列或數(shù)字編碼。數(shù)字控制系統(tǒng)、采樣系統(tǒng)為離散號(hào)是脈沖序列或數(shù)字編碼。數(shù)字控制系統(tǒng)、采樣系統(tǒng)為離散系統(tǒng)。系統(tǒng)。 采樣數(shù)字控制系統(tǒng)（計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)）通過采樣數(shù)字控制系統(tǒng)（計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)）通過A/DA/D轉(zhuǎn)換器，將采樣信號(hào)轉(zhuǎn)換器，將采樣信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算、處理，得到的結(jié)果再經(jīng)過轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算、處理，得到的結(jié)果再經(jīng)過D/AD/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，用以驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。擬信號(hào)，用以驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。離散離散信號(hào)信號(hào)離散離散信號(hào)信號(hào)計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)被控被控對(duì)象對(duì)象擾動(dòng)擾動(dòng)反饋元

50、件反饋元件e(t)( )c t( )r tA/DD/A放大放大元件元件執(zhí)行執(zhí)行元件元件采樣數(shù)字控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖采樣數(shù)字控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖第1章第63頁2022年年5月月8日日第1章第64頁2022年年5月月8日日 要要自動(dòng)控制系統(tǒng)是否能很好地工作自動(dòng)控制系統(tǒng)是否能很好地工作,是否能精確地保持被控量按照預(yù)是否能精確地保持被控量按照預(yù)定的要求規(guī)律變化這定的要求規(guī)律變化這取決于被控對(duì)象和控制器及各功能元器件的特性取決于被控對(duì)象和控制器及各功能元器件的特性參數(shù)參數(shù)是否設(shè)計(jì)得當(dāng)。是否設(shè)計(jì)得當(dāng)。 在在理想情況下理想情況下,控制系統(tǒng)的輸出量和輸入量控制系統(tǒng)的輸出量和輸入量,在任何時(shí)候均相等在任何時(shí)候均相等,系統(tǒng)完

51、系統(tǒng)完全無誤差全無誤差,且不受干擾的影響。實(shí)際系統(tǒng)中且不受干擾的影響。實(shí)際系統(tǒng)中,由于各種各樣原因由于各種各樣原因,系統(tǒng)在系統(tǒng)在受到輸入信號(hào)受到輸入信號(hào)(也包括擾動(dòng)信號(hào)也包括擾動(dòng)信號(hào))的激勵(lì)時(shí)的激勵(lì)時(shí),被控量將偏離輸入信號(hào)作用被控量將偏離輸入信號(hào)作用前的初始值前的初始值,經(jīng)歷一段動(dòng)態(tài)過程經(jīng)歷一段動(dòng)態(tài)過程(過渡過程）。過渡過程）。對(duì)于線性定常系統(tǒng)，性能指標(biāo)主要包括三個(gè)方面內(nèi)容：對(duì)于線性定常系統(tǒng)，性能指標(biāo)主要包括三個(gè)方面內(nèi)容：穩(wěn)定性穩(wěn)定性、快快速性速性、準(zhǔn)確性準(zhǔn)確性。即：即：穩(wěn)（基本要求穩(wěn)（基本要求） 準(zhǔn)準(zhǔn)（穩(wěn)態(tài)要求）（穩(wěn)態(tài)要求） 快（快（動(dòng)動(dòng)態(tài)要求）態(tài)要求）自動(dòng)控制系統(tǒng)性能的自動(dòng)控制系統(tǒng)性能的第

52、1章第65頁1. 1. 穩(wěn)定性穩(wěn)定性 一個(gè)控制系統(tǒng)能正常工作的首要條件，不穩(wěn)定的系統(tǒng)不一個(gè)控制系統(tǒng)能正常工作的首要條件，不穩(wěn)定的系統(tǒng)不能實(shí)現(xiàn)預(yù)定任務(wù)。能實(shí)現(xiàn)預(yù)定任務(wù)。 穩(wěn)定系統(tǒng)：穩(wěn)定系統(tǒng)：當(dāng)系統(tǒng)受到外部干擾后，輸出會(huì)偏離正當(dāng)系統(tǒng)受到外部干擾后，輸出會(huì)偏離正常工作狀態(tài)即被控變量偏離期望值，但是當(dāng)干擾消失后，常工作狀態(tài)即被控變量偏離期望值，但是當(dāng)干擾消失后，被控量恢復(fù)到原來的期望值狀態(tài)。被控量恢復(fù)到原來的期望值狀態(tài)。對(duì)恒值系統(tǒng)，要求當(dāng)系統(tǒng)受到擾動(dòng)后，經(jīng)過一定時(shí)對(duì)恒值系統(tǒng)，要求當(dāng)系統(tǒng)受到擾動(dòng)后，經(jīng)過一定時(shí)間的調(diào)整能夠回到原來的期望值。間的調(diào)整能夠回到原來的期望值。 對(duì)隨動(dòng)系統(tǒng)，被控制量始終跟蹤參據(jù)量

53、的變化。對(duì)隨動(dòng)系統(tǒng)，被控制量始終跟蹤參據(jù)量的變化。 線性系統(tǒng)的穩(wěn)定性由系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)決定，與線性系統(tǒng)的穩(wěn)定性由系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)決定，與外界因素?zé)o關(guān)。外界因素?zé)o關(guān)。2022年年5月月8日日第1章第66頁2. 2. 快速性快速性 快速性快速性對(duì)過渡過程的形式和快慢提出要求，一對(duì)過渡過程的形式和快慢提出要求，一般稱為動(dòng)態(tài)性能。反映控制系統(tǒng)輸出信號(hào)跟隨般稱為動(dòng)態(tài)性能。反映控制系統(tǒng)輸出信號(hào)跟隨輸入信號(hào)的變化情況。是輸入信號(hào)的變化情況。是被控量趨近希望值的被控量趨近希望值的快慢程度。快慢程度。 快速性好的系統(tǒng)，快速性好的系統(tǒng)， 它的過渡過程它的過渡過程時(shí)間就短，時(shí)間就短， 就能復(fù)現(xiàn)快速變化的控制信號(hào)，就

54、能復(fù)現(xiàn)快速變化的控制信號(hào)， 因而具有較高的動(dòng)態(tài)精度。因而具有較高的動(dòng)態(tài)精度。 例：高射炮射角隨動(dòng)系統(tǒng)，雖然炮身最終能跟例：高射炮射角隨動(dòng)系統(tǒng)，雖然炮身最終能跟蹤目標(biāo)，但如果目標(biāo)變動(dòng)迅速，蹤目標(biāo)，但如果目標(biāo)變動(dòng)迅速，而炮身行動(dòng)遲而炮身行動(dòng)遲緩，仍然抓不住目標(biāo)緩，仍然抓不住目標(biāo)。2022年年5月月8日日第1章第67頁3. 3. 準(zhǔn)確性準(zhǔn)確性 指過渡過程結(jié)束后被控量與指過渡過程結(jié)束后被控量與期期望值接近的程度。望值接近的程度。 也也就是當(dāng)系統(tǒng)過渡到新的平衡工作狀態(tài)后，就是當(dāng)系統(tǒng)過渡到新的平衡工作狀態(tài)后， 被控量與被控量與期期望值偏差的大小望值偏差的大小，稱為，稱為穩(wěn)態(tài)誤差穩(wěn)態(tài)誤差。 系統(tǒng)的這一性系統(tǒng)

55、的這一性能指標(biāo)稱為系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度。能指標(biāo)稱為系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度。 顯然，這種誤差越小，表示系統(tǒng)的輸出跟隨參考輸入顯然，這種誤差越小，表示系統(tǒng)的輸出跟隨參考輸入的精度越高。一般要求穩(wěn)態(tài)誤差在給定量的的精度越高。一般要求穩(wěn)態(tài)誤差在給定量的25之內(nèi)。之內(nèi)。2022年年5月月8日日第1章第68頁2022年年5月月8日日 由于被控對(duì)象的具體情況不同，各系統(tǒng)對(duì)穩(wěn)、快、由于被控對(duì)象的具體情況不同，各系統(tǒng)對(duì)穩(wěn)、快、準(zhǔn)的要求準(zhǔn)的要求各有側(cè)重各有側(cè)重。而且對(duì)同一系統(tǒng)，穩(wěn)、快、準(zhǔn)的。而且對(duì)同一系統(tǒng)，穩(wěn)、快、準(zhǔn)的要求常常是要求常常是相互制約的相互制約的。過分提高過程的快速性，可。過分提高過程的快速性，可能會(huì)引起系統(tǒng)穩(wěn)定性

56、變差，而過分追求穩(wěn)定性，又可能會(huì)引起系統(tǒng)穩(wěn)定性變差，而過分追求穩(wěn)定性，又可能使系統(tǒng)反應(yīng)遲緩，最終導(dǎo)致準(zhǔn)確性變壞。如何分析能使系統(tǒng)反應(yīng)遲緩，最終導(dǎo)致準(zhǔn)確性變壞。如何分析和解決這些矛盾，將是本學(xué)科研究的主要內(nèi)容。和解決這些矛盾，將是本學(xué)科研究的主要內(nèi)容。 第1章第69頁2022年年5月月8日日 1.選取原則選取原則（1）在現(xiàn)場及實(shí)驗(yàn)中容易產(chǎn)生）在現(xiàn)場及實(shí)驗(yàn)中容易產(chǎn)生（2）系統(tǒng)在工程中經(jīng)常遇到，并且是最不利的外作用。）系統(tǒng)在工程中經(jīng)常遇到，并且是最不利的外作用。（3）數(shù)學(xué)表達(dá)式簡單，便于理論分析。）數(shù)學(xué)表達(dá)式簡單，便于理論分析。 為了能對(duì)不同的控制系統(tǒng)的性能用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)來為了能對(duì)不同的控制系統(tǒng)的性能

57、用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)來恒量，通常需要選擇幾種典型的外作用。恒量，通常需要選擇幾種典型的外作用。階躍函數(shù)階躍函數(shù) 斜坡函數(shù)斜坡函數(shù) 脈沖函數(shù)脈沖函數(shù) 正弦函數(shù)正弦函數(shù)第1章第70頁2022年年5月月8日日（2）圖形：）圖形： 表示在表示在t=0時(shí)刻出現(xiàn)了幅值為時(shí)刻出現(xiàn)了幅值為R的跳變，是最常見的一種的跳變，是最常見的一種外作用。外作用。R=1時(shí)的階躍函數(shù)叫時(shí)的階躍函數(shù)叫單位階躍函數(shù)單位階躍函數(shù)，常用，常用1(t)表表示。示。常用階躍函數(shù)作為評(píng)價(jià)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的典型外作用。常用階躍函數(shù)作為評(píng)價(jià)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的典型外作用。所以階躍函數(shù)在自動(dòng)控制系統(tǒng)的分析中起著特別重要的作所以階躍函數(shù)在自動(dòng)控制系統(tǒng)的分析中起著特

58、別重要的作用。用。 R0 tr(t)2. .階躍函數(shù)階躍函數(shù)（Step Function）（1）數(shù)學(xué)表達(dá)式：）數(shù)學(xué)表達(dá)式：0, 00,)(ttRtr第1章第71頁2022年年5月月8日日（1）數(shù)學(xué)表達(dá)式：）數(shù)學(xué)表達(dá)式： （2）圖形：）圖形： 如如R=1,叫叫單位斜坡函數(shù)單位斜坡函數(shù)，r(t)=t表示從表示從t=0時(shí)刻，以恒時(shí)刻，以恒速速R變化。斜坡信號(hào)為勻速信號(hào)，適于測試勻速系統(tǒng)。變化。斜坡信號(hào)為勻速信號(hào)，適于測試勻速系統(tǒng)。 跟蹤通信衛(wèi)星的天線控制系統(tǒng)，數(shù)控機(jī)床加工斜面時(shí)的給跟蹤通信衛(wèi)星的天線控制系統(tǒng)，數(shù)控機(jī)床加工斜面時(shí)的給 進(jìn)指令等，都可以采用斜坡信號(hào)作為進(jìn)指令等，都可以采用斜坡信號(hào)作為典型輸入信號(hào)。典型輸入信號(hào)。0 t r(t)0, 00,)(ttRttr3.斜坡函數(shù)斜坡函數(shù)（Ramp Function）R第1章第72頁2022年年5月月8日日4.脈沖函數(shù)脈沖函數(shù)（Pulse Function） （1 1）矩形脈沖函數(shù)數(shù)