第1章 控制系統(tǒng)基本概念

第1章控制系統(tǒng)的基本概念1.0緒論控制工程：是一門新型的科學(xué)技術(shù)，也是一門

邊緣學(xué)科。它的理論基礎(chǔ)是工程控制論；歷史：一千多年前〈銅壺滴漏計(jì)時(shí)器、指南針、天文儀器〉(四大發(fā)明:火藥/造紙術(shù)/指南針/印刷術(shù))；瓦特：(1788年)發(fā)明了蒸汽機(jī)飛輪調(diào)速器，充實(shí)了“經(jīng)典控制理論”；戰(zhàn)爭(zhēng)：二次大戰(zhàn)前〈試湊法〉，二次大戰(zhàn)期間【由于建造】〈飛機(jī)、自動(dòng)駕駛儀、雷達(dá)跟蹤系統(tǒng)、火炮瞄準(zhǔn)系統(tǒng)〉，從而推動(dòng)了控制論的發(fā)展！

1948年：維納→《控制論》→形成了經(jīng)典控制理論；1968年：麥克斯威爾→〖調(diào)速器原理〗→“反饋控制理論”；勞斯（1884年）、霍爾維茨（1895年）→代數(shù)穩(wěn)定判據(jù)；1932年：Nyquist(奈奎斯特)→Nyquist穩(wěn)定判據(jù)；此后：Bode(波特)→負(fù)反饋放大器；

1948年：伊萬(wàn)斯→根軌跡法→充實(shí)《控制理論》；二戰(zhàn)后：控制理論(擴(kuò)充)→民用、化工、煉油、冶金中→使之發(fā)展！

1954年：錢學(xué)森→《工程控制論》！

50、60年代：→導(dǎo)彈制導(dǎo)、數(shù)控、空間技術(shù)→電子計(jì)算機(jī)技術(shù)→形成了“現(xiàn)代控制理論”！

【總之】對(duì)“現(xiàn)代控制理論”有突出貢獻(xiàn)的科學(xué)家1892年(沙俄)：李稚普諾夫；1956年(前蘇聯(lián))：邦特略京(極大值理論)；1957年(美國(guó))：貝爾曼(動(dòng)態(tài)規(guī)劃理論)；1960年(美國(guó))：卡曼(卡曼濾波理論)。1.1控制系統(tǒng)的工作原理及其組成1.1.1工作原理下面以恒溫控制系統(tǒng)分析控制系統(tǒng)的控制工程人工調(diào)節(jié)過(guò)程可歸結(jié)如下：(1)觀測(cè)由測(cè)量元件(溫度計(jì))測(cè)出的恒溫箱內(nèi)的溫度(被控制量)；(2)與要求的溫度值(給定值)進(jìn)行比較，得出偏差的大小和方向。(3)根據(jù)偏差的大小和方向再進(jìn)行控制。當(dāng)恒溫箱內(nèi)溫度高于所要求的給定溫度值時(shí)，調(diào)整調(diào)壓器使電壓減小，溫度降低。若溫度低于給定的值，則調(diào)整調(diào)壓器，使電壓增加，溫度升到正常范圍?？偨Y(jié)：人工控制過(guò)程就是“檢測(cè)偏差再糾正偏差”的過(guò)程當(dāng)然可以用一個(gè)控制器來(lái)代替人的職能，把人工控制變成

一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)。

note:?u=u1-u2當(dāng)偏差信號(hào)?u=0時(shí)電動(dòng)機(jī)才停轉(zhuǎn)?。?/p>

綜上所述，可以歸納控制系統(tǒng)的工作原理如下：

(1)檢測(cè)輸出量的實(shí)際值；(2)將實(shí)際值與給定值(輸入量)進(jìn)行比較得出偏差值；(3)用偏差值產(chǎn)生控制調(diào)節(jié)作用去消除偏差?！昂銣叵錅囟茸詣?dòng)控制系統(tǒng)”的職能框圖如下：

note:?代表比較元件；箭頭代表作用方向；每個(gè)職能框代表一個(gè)環(huán)節(jié)。1.1.2開(kāi)環(huán)控制和閉環(huán)控制1.開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)定義：如果系統(tǒng)只是根據(jù)輸入量和干擾量進(jìn)行控制，而輸出端和輸入端之間不存在反饋回路，輸出量在整個(gè)控制過(guò)程中對(duì)系統(tǒng)的控制不產(chǎn)生任何影響，這樣的系統(tǒng)稱為開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)。

“數(shù)控機(jī)床的開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)”如下：

note:開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，系統(tǒng)穩(wěn)定性好，成本低；開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的缺點(diǎn)：當(dāng)控制過(guò)程受到各種擾動(dòng)因素影響時(shí)，將會(huì)直接影響輸出量，而系統(tǒng)不能自動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償?；瑒?dòng)臺(tái)面系統(tǒng)

（開(kāi)環(huán)系統(tǒng)）2.閉環(huán)控制系統(tǒng)定義：

如果系統(tǒng)的輸出端和輸入端之間存在反饋回路，輸出量對(duì)控制過(guò)程產(chǎn)生直接影響，這種系統(tǒng)稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)。

note:①.反饋控制系統(tǒng)必是閉環(huán)控制系統(tǒng)；②.前述的恒溫箱溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)就是一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)；note:③.閉環(huán)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)：控制精度高，不管遇到什么干擾，只要被控制量的實(shí)際值偏離給定值，閉環(huán)控制就會(huì)產(chǎn)生控制作用來(lái)減小這一偏差；閉環(huán)系統(tǒng)的缺點(diǎn)：由于是靠偏差進(jìn)行控制的，因此，在整個(gè)控制過(guò)程中始終存在著偏差，由于元件的慣性(如負(fù)載的慣性)，若參數(shù)配置不當(dāng)，很容易引起振蕩，使系統(tǒng)不穩(wěn)定，而無(wú)法工作。所以，在閉環(huán)控制系統(tǒng)中精度和穩(wěn)定性之間總存在著矛盾，必須合理地解決。3.半閉環(huán)控制系統(tǒng)定義：如果控制系統(tǒng)的反饋信號(hào)不是直接從系統(tǒng)的輸出端引出，而是間接地取自中間的測(cè)量元件（例如在數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給伺服系統(tǒng)中，若將位置檢測(cè)裝置安裝在傳動(dòng)絲杠的端部，間接測(cè)量工作臺(tái)的實(shí)際位移），則這種系統(tǒng)稱為半閉環(huán)控制系統(tǒng)。1.1.3閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成包括：給定元件、反饋元件、比較元件、放大元件、執(zhí)行元件及校正元件。說(shuō)明：給定元件：用于產(chǎn)生給定信號(hào)或輸入信號(hào)；反饋元件：測(cè)量被控制量或輸出量；比較元件：用來(lái)接收輸入信號(hào)和反饋信號(hào)并進(jìn)行比較，產(chǎn)生反映兩者差值的偏差信號(hào)；放大元件：對(duì)偏差信號(hào)進(jìn)行放大的元件；執(zhí)行元件：直接對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行操縱的元件；校正元件：校正元件又稱校正裝置。串接在系統(tǒng)前向通路上的稱為串聯(lián)校正裝置，并接在反饋回路上的稱為并聯(lián)校正裝置。

1.2控制系統(tǒng)的基本類型1.2.1按輸入量的特征分類1.恒值控制系統(tǒng)定義：系統(tǒng)的輸入量是恒量，并且要求系統(tǒng)的輸出量相應(yīng)地保持恒定。[實(shí)例]空調(diào)機(jī)、交流穩(wěn)壓電源等就是恒值控制系統(tǒng)2.隨動(dòng)系統(tǒng)定義：系統(tǒng)的輸入量是變化著的（甚至是隨機(jī)的），并且要求系統(tǒng)的輸出量能跟隨輸入量的變化而作出相應(yīng)的變化。右圖：為一隨動(dòng)系統(tǒng)液壓缸缸體(刀具6)完全跟隨閥芯(觸銷8)運(yùn)動(dòng)_____隨動(dòng)系統(tǒng)3.程序控制系統(tǒng)

定義：這種系統(tǒng)的輸入量不為常值，但其變化規(guī)律是預(yù)先知道和確定的?？梢灶A(yù)先將輸入量的變化規(guī)律編成程序，由該程序發(fā)出控制指令，在輸入裝置中再將控制指令轉(zhuǎn)換為控制信號(hào)，經(jīng)過(guò)全系統(tǒng)的作用，使控制對(duì)象按指令的要求而運(yùn)動(dòng)。上圖表示一個(gè)用于“機(jī)床切削加工”的程序控制系統(tǒng)（上圖：構(gòu)成開(kāi)環(huán)；下圖：構(gòu)成閉環(huán)）1.2.2按系統(tǒng)中傳遞信號(hào)的性質(zhì)分類1.連續(xù)控制系統(tǒng)定義：系統(tǒng)中各部分傳遞的信號(hào)都是連續(xù)時(shí)間變量的系統(tǒng)稱為連續(xù)控制系統(tǒng)。note:①連續(xù)控制系統(tǒng)分為線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)；②能用線性微分方程描述的系統(tǒng)稱為線性系統(tǒng)，

不能用線性微分方程描述、存在著非線性部件的系統(tǒng)稱為非線性系統(tǒng)。2.離散控制系統(tǒng)定義：系統(tǒng)中某一處或數(shù)處的信號(hào)是脈沖序列或數(shù)字量傳遞的系統(tǒng)稱為離散控制系統(tǒng)(也稱數(shù)字控制系統(tǒng))。note:由計(jì)算機(jī)參與的控制系統(tǒng)肯定是離散控制系統(tǒng)note:連續(xù)控制系統(tǒng)和離散控制系統(tǒng)的信號(hào)形式有較大差別，因此在分析方法上也有明顯的不同；連續(xù)控制系統(tǒng)以微分方程來(lái)描述系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，并用拉氏變換法求解微分方程；而離散系統(tǒng)則用差分方程來(lái)描述系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，用Z變換法引出脈沖傳遞函數(shù)來(lái)研究系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。

1．3對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求

穩(wěn)定、精確、快速

?穩(wěn)定性：穩(wěn)定性就是指系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過(guò)程的振蕩傾向及其恢復(fù)平衡狀態(tài)的能力。

?精確性：控制系統(tǒng)的精確性即控制精度，一般以穩(wěn)態(tài)誤差來(lái)衡量。所謂穩(wěn)態(tài)誤差是指以一定變化規(guī)律的輸入信號(hào)作用于系統(tǒng)后，當(dāng)調(diào)整過(guò)程結(jié)束而趨于穩(wěn)定時(shí)，輸出量的實(shí)際值與期望值之間的誤差值。

?快速性：快速性是指當(dāng)系統(tǒng)的輸出量與輸入量之間產(chǎn)生偏差時(shí)，消除這種偏差的快慢程度。note:?由于控制對(duì)象的具體情況不同，各種系統(tǒng)對(duì)穩(wěn)定、精確、快速這三方面的要求是各有側(cè)重的：例如，調(diào)速系統(tǒng)對(duì)穩(wěn)定性要求較嚴(yán)格，而隨動(dòng)系統(tǒng)則對(duì)快速性提出較高的要求；?即使對(duì)于同一個(gè)系統(tǒng)，穩(wěn)、快、準(zhǔn)也是相互制約的。提高快速性，可能會(huì)引起強(qiáng)烈振蕩；改善了穩(wěn)定性，控制過(guò)程又可能過(guò)于遲緩，甚至精度也會(huì)變差。附加實(shí)例實(shí)例1：

恒值控制系統(tǒng)、隨動(dòng)系統(tǒng)和程序（過(guò)程）控制系統(tǒng)的主要區(qū)別是什么？判斷下列系統(tǒng)屬于哪一類系統(tǒng)？電飯煲、空調(diào)機(jī)、熱水器、仿形加工機(jī)床、自動(dòng)跟蹤雷達(dá)、交流穩(wěn)壓器、數(shù)控加工中心和啤酒生產(chǎn)自動(dòng)線等。[答]：1.恒值控制系統(tǒng)的特點(diǎn)：系統(tǒng)的輸入量是恒量，并且要求系統(tǒng)的輸出量相應(yīng)地保持恒定；

隨動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn)：系統(tǒng)的輸入量是變化著的（甚至是隨機(jī)的），并且要求系統(tǒng)的輸出量能跟隨輸入量的變化而作出相應(yīng)的變化；程序(過(guò)程)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)：生產(chǎn)過(guò)程中的各物理量按照程序指令作協(xié)調(diào)的調(diào)整和變化。

2.恒值控制系統(tǒng):電飯煲、空調(diào)機(jī)、熱水器、交流穩(wěn)壓器；

隨動(dòng)系統(tǒng)：仿形加工機(jī)床、自動(dòng)跟蹤雷達(dá)；

程序（過(guò)程）控制系統(tǒng)：數(shù)控加工中心和啤酒生產(chǎn)自動(dòng)線。指出下列系統(tǒng)中，哪些屬于開(kāi)環(huán)控制？哪些屬于閉環(huán)控制？①家用電冰箱；②家用空調(diào)器；③家用洗衣機(jī)；④抽水馬桶；⑤普通車床；⑥電飯煲；⑦多速電風(fēng)扇；⑧高樓水箱；⑨調(diào)光臺(tái)燈；⑩自動(dòng)報(bào)時(shí)電子鐘?！敬稹俊锛矣孟匆聶C(jī)為定時(shí)設(shè)定，無(wú)反饋環(huán)節(jié)；普通車床、多速電風(fēng)扇、調(diào)光臺(tái)燈、自動(dòng)報(bào)時(shí)電子鐘等均為預(yù)先的設(shè)