機(jī)械工程控制基礎(chǔ)

機(jī)械工程控制基礎(chǔ)2003年2月第頁第一頁，共七十三頁，2022年，8月28日2011年2月第2頁第一章緒論(Introduction)

在科學(xué)和工程技術(shù)的發(fā)展過程中，自動(dòng)控制技術(shù)起著非常重要的作用。除了在宇宙飛船、導(dǎo)彈發(fā)射和飛機(jī)駕駛等系統(tǒng)中，自動(dòng)控制技術(shù)具有特別重要的作用之外，它在現(xiàn)代機(jī)器制造和工業(yè)生產(chǎn)過程中也是不可缺少的重要組成部分。隨著自動(dòng)控制理論和技術(shù)的不斷發(fā)展，給人們提供了獲得動(dòng)態(tài)系統(tǒng)最佳性能的方法，提高了產(chǎn)品質(zhì)量，降低了生產(chǎn)成本，提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率，使人們從繁重的體力勞動(dòng)和重復(fù)的手工操作中解放出來。第二頁，共七十三頁，2022年，8月28日2011年2月第3頁本章將對本課程的主要內(nèi)容作一個(gè)簡介，使同學(xué)們對自動(dòng)控制理論的內(nèi)容有一個(gè)基本的了解，以便更好地學(xué)習(xí)以后各章節(jié)。第三頁，共七十三頁，2022年，8月28日2011年2月第4頁第一節(jié)自動(dòng)控制理論發(fā)展史簡述第二節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)的一般概念一、自動(dòng)控制在國民經(jīng)濟(jì)中的作用

自動(dòng)控制：就是在沒有人直接參與的條件下，利用控制器使被控對象（如機(jī)器、設(shè)備、生產(chǎn)過程等）的某些物理量（或工作狀態(tài)）能自動(dòng)地按照預(yù)定的規(guī)律變化（或運(yùn)行）。自動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用是非常廣泛的，例如：

（一）自動(dòng)控制技術(shù)應(yīng)用于軍事、航天領(lǐng)域

火炮、雷達(dá)、跟蹤系統(tǒng)；人造衛(wèi)星；

宇宙飛船。第四頁，共七十三頁，2022年，8月28日2011年2月第5頁軋鋼過程；工業(yè)窯爐；石油化工；水泥建材；玻璃、造紙等。

（二）自動(dòng)控制技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)過程（三）自動(dòng)控制技術(shù)應(yīng)用于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)灌溉；農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量檢測；疫情檢測等?！谖屙摚财呤?，2022年，8月28日2011年2月第6頁由于計(jì)算機(jī)等技術(shù)的誕生和飛速發(fā)展，使得控制技術(shù)水平不斷提高，已擴(kuò)大到經(jīng)濟(jì)與社會(huì)生活的各個(gè)領(lǐng)域，如通信、交通、醫(yī)學(xué)、環(huán)境保護(hù)、經(jīng)濟(jì)管理等領(lǐng)域，控制技術(shù)已成為現(xiàn)代社會(huì)不可缺少的重要組成部分。

近年來，我國在自動(dòng)化儀表、工業(yè)調(diào)節(jié)器、數(shù)字控制技術(shù)、航天工程、核動(dòng)力工程等方面的研究和應(yīng)用取得了長足進(jìn)展。第六頁，共七十三頁，2022年，8月28日2011年2月第7頁二、自動(dòng)控制理論發(fā)展簡介

自動(dòng)控制理論是自動(dòng)控制技術(shù)的基礎(chǔ)理論，是一門理論性較強(qiáng)的工程科學(xué)。根據(jù)自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展進(jìn)程，自動(dòng)控制理論可分為經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論兩大部分。

（一）、經(jīng)典控制理論的形成和基本內(nèi)容古代兩個(gè)典型的自動(dòng)控制系統(tǒng)第七頁，共七十三頁，2022年，8月28日2011年2月第8頁古代的液面和流量控制裝置原理圖供水浮子浮子水鐘時(shí)間刻度第八頁，共七十三頁，2022年，8月28日2011年2月第9頁離心調(diào)速器的應(yīng)用示意圖第九頁，共七十三頁，2022年，8月28日2011年2月第10頁最早期的、在工業(yè)中起重要作用的第一個(gè)自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置是1788年瓦特發(fā)明的蒸汽機(jī)中的離心調(diào)速器。這是一個(gè)自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的問題，也是一個(gè)典型的機(jī)械動(dòng)力學(xué)問題。調(diào)速器的工作原理是：如果負(fù)載增加，(若P不變M↑→n↓)蒸汽機(jī)轉(zhuǎn)速下降，則離心振子①下降?；瑝K②將通過杠桿③使蒸汽閥門開大，使蒸汽供給量增加（M不變，P↑→n↑），從而使蒸汽機(jī)轉(zhuǎn)速上升。①②③第十頁，共七十三頁，2022年，8月28日2011年2月第11頁蒸汽機(jī)比較機(jī)構(gòu)離心機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)蒸汽量Q閥門②③①第十一頁，共七十三頁，2022年，8月28日2011年2月第12頁反之若負(fù)載減小，蒸汽機(jī)轉(zhuǎn)速上升則離心調(diào)速器可使轉(zhuǎn)速下降。這樣，離心調(diào)速器可自動(dòng)地抵制負(fù)載的變化，使轉(zhuǎn)速保持在某一給定范圍之內(nèi)。可以說，這是最早的自動(dòng)反饋控制系統(tǒng)。但是后來發(fā)現(xiàn)，汽閥的速度調(diào)節(jié)并不完善。若使速度恢復(fù)較快，就是加強(qiáng)反饋效果（如，即使速度有微小變化也使供汽量的變化較大），但這樣一來，就會(huì)出現(xiàn)速度反復(fù)變化頻繁的振蕩現(xiàn)象，若其參數(shù)處理不好時(shí)，還會(huì)使蒸汽機(jī)產(chǎn)生劇烈的振蕩（在反饋控制系統(tǒng)中，振蕩是經(jīng)常出現(xiàn)的現(xiàn)象）。第十二頁，共七十三頁，2022年，8月28日2011年2月第13頁最早的系統(tǒng)穩(wěn)定性研究：

J.C.Maxwell（麥克斯韋爾），1868年發(fā)表《論調(diào)節(jié)器》，研究調(diào)節(jié)器的微分方程，線性化處理，從描述系統(tǒng)的微分方程的解中有無增長指數(shù)函數(shù)項(xiàng)來判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性，證明系統(tǒng)穩(wěn)定性取決于微分方程的特征根是否都具有負(fù)的實(shí)部，針對二階和三階系統(tǒng)討論了使特征根具有負(fù)實(shí)部時(shí)，特征多項(xiàng)式系列應(yīng)滿足的條件。

系統(tǒng)穩(wěn)定準(zhǔn)則：

A.M.Lyapunov（李雅普諾夫）于1882年提出了李雅普諾夫第一法與第二法；

Hurwitz（霍爾維茨）和

E.J.Routh（勞斯）于1884年提出的勞斯-霍爾維茨穩(wěn)定判據(jù)。第十三頁，共七十三頁，2022年，8月28日2011年2月第14頁H.Nyquist（奈奎斯特）于1932年提出奈氏判據(jù)及“穩(wěn)定裕度”的概念，Bode(伯德）于1945年提出了對數(shù)頻率特性的方法。

二戰(zhàn)期間，軍事科學(xué)的需要大大促進(jìn)了反饋控制理論的發(fā)展。美國麻省理工學(xué)院雷達(dá)實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家們將反饋放大器理論、PID（比例-積分-微分）控制以及N.Wiener（維納）的隨機(jī)過程理論等結(jié)合在一起，形成了一整套被稱為隨動(dòng)控制系統(tǒng)(servocontrolsystem)的設(shè)計(jì)方法。第十四頁，共七十三頁，2022年，8月28日2011年2月第15頁根軌跡方法：(rootlocus)

W.R.Evans（伊萬斯）提出的方法和規(guī)則是當(dāng)系統(tǒng)參數(shù)變化時(shí)特征方程式根變化的幾何軌跡。目前仍然是系統(tǒng)設(shè)計(jì)和穩(wěn)定性分析的一種重要方法。1948年美國數(shù)學(xué)家N.Wiener（維納）發(fā)表了一篇題為《控制論》的著作，首創(chuàng)了（Cybernetics）這個(gè)名詞，這本著作的出版，標(biāo)志著《控制論》這門學(xué)科的正式誕生。第二次世界大戰(zhàn)后，控制理論在民用工業(yè)中得到進(jìn)一步應(yīng)用，如化工、石油、冶金等部門，實(shí)現(xiàn)了對過程的控制，解決了壓力、溫度、流量與化學(xué)成分的控制問題。50年代中期，以反饋控制為中心的理論體系基本形成。一般把50年代掌舵人第十五頁，共七十三頁，2022年，8月28日2011年2月第16頁末以前形成的理論稱為經(jīng)典控制理論。主要討論的內(nèi)容有：系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立、時(shí)域分析法、根軌跡法、頻率響應(yīng)法、系統(tǒng)綜合與校正、非線性系統(tǒng)和采樣控制系統(tǒng)分析法等。經(jīng)典控制論是在復(fù)數(shù)域中以傳遞函數(shù)概念為理論體系。主要研究單輸入——輸出定常線性系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)。Transformationfunction第十六頁，共七十三頁，2022年，8月28日2011年2月第17頁（二）、現(xiàn)代控制理論概述50年代末，由于導(dǎo)彈制導(dǎo)、航天、航海、航空技術(shù)的發(fā)展需要和電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的成熟，控制理論發(fā)展到一個(gè)新的階段，出現(xiàn)了現(xiàn)代控制論。1956年前蘇聯(lián)特略金提出的最優(yōu)控制，1957年美國的Bellman（貝爾曼）提出的動(dòng)態(tài)規(guī)劃理論，1960年美國Kalman（卡爾曼）提出的最優(yōu)過濾理論形成了現(xiàn)代控制理論的基礎(chǔ)。經(jīng)典控制論是具有一定的局限性的，它所研究的系統(tǒng)限于線性時(shí)不變單回路系統(tǒng)，且它為我們提供分析的方法，然后改進(jìn)系統(tǒng)再進(jìn)行嘗試，不能提供最好的設(shè)計(jì)。由于數(shù)字計(jì)算機(jī)的發(fā)展使得十年前尚無法進(jìn)行的計(jì)算問題成為可能，第十七頁，共七十三頁，2022年，8月28日2011年2月第18頁這時(shí)李雅普諾夫的工作被引人到控制理論中來，而由Wiener（維納）等人在第二次世界大戰(zhàn)期間關(guān)于最優(yōu)控制的研究也被用來研究系統(tǒng)狀態(tài)軌跡的優(yōu)化問題。這種方法在標(biāo)準(zhǔn)形式或狀態(tài)形式的常微分方程的基礎(chǔ)上直接引進(jìn)并大量使用了計(jì)算機(jī)。這種方法通常稱為“現(xiàn)代控制理論”，以區(qū)別于60年代以前的“經(jīng)典控制理論”。1892年提出的理論TheclassiccontroltheoryThemoderncontroltheory第十八頁，共七十三頁，2022年，8月28日2011年2月第19頁現(xiàn)代控制理論的重要標(biāo)志：

狀態(tài)空間法被引入到控制理論中來

Kalman提出了能控性與能觀測性。表征系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特征的重要概念。

“內(nèi)部研究”代替了傳統(tǒng)的“外部研究”。并使分析與綜合過程建立在嚴(yán)格的理論基礎(chǔ)之上。

主要分支學(xué)科：線性系統(tǒng)理論、最優(yōu)控制理論、系統(tǒng)辨識(shí)與自適應(yīng)控制、大系統(tǒng)理論和特大系統(tǒng)理論等。一些分支學(xué)科還滲透到相鄰學(xué)科中去，如濾波技術(shù)、自學(xué)習(xí)理論與人工智能、建模理論與系統(tǒng)工程等。第十九頁，共七十三頁，2022年，8月28日2011年2月第20頁三、自動(dòng)控制與自動(dòng)控制系統(tǒng)（一）、自動(dòng)控制的概念自動(dòng)控制中的被控制的物理量有各種各樣的，如溫度壓力、流量、電壓、轉(zhuǎn)速、位移和力等。雖然組成這些控制系統(tǒng)的元、部件有較大的差異，但是系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)是大致相類似的，先來看下面的具體例子：1、手動(dòng)控制(manualcontrol)

水箱水位的手動(dòng)控制：h1第二十頁，共七十三頁，2022年，8月28日2011年2月第21頁圖中F1為放水閥，F(xiàn)2為進(jìn)水閥，控制要求液面的希望高度等于h0。人參與了液面高度的控制。觀測實(shí)際水位，將實(shí)際水位與要求的水位值相比較，得出兩者偏差。根據(jù)偏差的大小和方向調(diào)節(jié)進(jìn)水閥門的開度，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，否則加大閥門開度以改變進(jìn)水量，從而改變水箱水位，以達(dá)到維持液面高度不變的目的。h1第二十一頁，共七十三頁，2022年，8月28日2011年2月第22頁我們從上面的例子中可以看出，人在參與控制中起了以下三方面的作用：

測量實(shí)際液面的高度h1——用眼睛；將測得的實(shí)際液面的高度h1與希望液面的高度h0相比較——用腦；根據(jù)比較的結(jié)果，即按照偏差的正負(fù)去執(zhí)行控制的動(dòng)作——用手。人工控制液面高度的過程可以用以下框圖來表示：第二十二頁，共七十三頁，2022年，8月28日2011年2月第23頁人工控制液面高度的過程可以用以下框圖來表示：[blockdiagram]第二十三頁，共七十三頁，2022年，8月28日2011年2月第24頁用人工控制既不能保證系統(tǒng)所需的控制精度，也不能減輕人的勞動(dòng)強(qiáng)度，這是不言而喻的道理。顯然，如果用自動(dòng)控制系統(tǒng)去代替上述的人工控制系統(tǒng)，那么在自動(dòng)控制系統(tǒng)中必須同樣具有上述三種職能機(jī)構(gòu)，即測量機(jī)構(gòu)、比較機(jī)構(gòu)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)。如果將該人工控制系統(tǒng)改為自動(dòng)控制系統(tǒng)，就可以實(shí)現(xiàn)不論放水閥Fl輸出的流量如何變化，系統(tǒng)總能自動(dòng)地維持其液面高度在允許的偏(誤)差范圍之內(nèi)。液面高度自動(dòng)控制系統(tǒng)如下圖所示：2、自動(dòng)控制(Automaticcontrol)第二十四頁，共七十三頁，2022年，8月28日2011年2月第25頁電動(dòng)執(zhí)行器（角行程）第二十五頁，共七十三頁，2022年，8月28日2011年2月第26頁電動(dòng)執(zhí)行器（直行程）第二十六頁，共七十三頁，2022年，8月28日2011年2月第27頁液面自動(dòng)控制系統(tǒng)五個(gè)部分所組成Automaticcontrolsystemofaliquidlevel第二十七頁，共七十三頁，2022年，8月28日2011年2月第28頁比較機(jī)構(gòu)——比較浮子的希望位置與實(shí)際位置的差值；

(Measurementdevice)電位器放大機(jī)構(gòu)——當(dāng)測量元件測得的信號(hào)與給定信號(hào)比較后得到的誤差信不足以使執(zhí)行元件動(dòng)作時(shí)，一般都需加放大元件，以提高系統(tǒng)的控制精度。(Magnifyingdevice)功率放大器執(zhí)行元件——直接驅(qū)動(dòng)被控對象，以改變被控制量。(Executingdevice)電機(jī)（1）系統(tǒng)構(gòu)成：該液面自動(dòng)控制系統(tǒng)是由以下五個(gè)部分所組成：被控對象——水池；(Controlledobject)測量元件——浮子；(Measurementdevice)第二十八頁，共七十三頁，2022年，8月28日2011年2月第29頁（2）工作原理：

假設(shè)水池液面的高度因F1閥開度的增大而稍有降低時(shí)，則系統(tǒng)立即產(chǎn)生一個(gè)與降落液面高度成比例的誤差電壓u，（設(shè)希望液面高度電壓信號(hào)為0），該電壓一般比較微弱，經(jīng)功率放大器放大后供電給進(jìn)水閥的拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)（一般多采用電動(dòng)執(zhí)行器），使閥F2的開度也相應(yīng)地增大，從而使水池的液面恢復(fù)到所希望的高度；當(dāng)液面高度升高時(shí)，反之亦然。F1F2第二十九頁，共七十三頁，2022年，8月28日2011年2月第30頁上述自動(dòng)控制系統(tǒng)的控制原理可以用下述的框圖來表示：Blockdiagramofthesystem第三十頁，共七十三頁，2022年，8月28日2011年2月第31頁分支點(diǎn)RRR+RCR±C+部件名稱uruc由于框圖能夠清晰明了地表征控制系統(tǒng)的組成及工作情況，所以在自動(dòng)控制中被廣為采用。(b)(a)(c)第三十一頁，共七十三頁，2022年，8月28日2011年2月第32頁再來看剛才分析過的水箱液面控制系統(tǒng)：課本上還有直流隨動(dòng)系統(tǒng)的例子，請同學(xué)們自己分析。第三十二頁，共七十三頁，2022年，8月28日2011年2月第33頁分支點(diǎn)RRR+RCR±C部件名稱uruc下面簡單講述框圖的構(gòu)成：有三個(gè)基本單元。(1)引出點(diǎn)：表示信號(hào)的引出，箭頭表示信號(hào)傳遞方向(圖a)；(2)比較點(diǎn)：表示兩個(gè)或兩個(gè)以上的信號(hào)在該處進(jìn)行減或加

的運(yùn)算，“-”號(hào)表示信號(hào)相減，“+”號(hào)表示信號(hào)相加(圖b);(3)

方框：輸入信號(hào)置于方框的左端，輸出信號(hào)置于方框的右端，方框中填入部件的名稱(圖c)。(b)(a)(c)+第三十三頁，共七十三頁，2022年，8月28日2011年2月第34頁第三節(jié)開環(huán)控制和閉環(huán)控制工程中常見的自動(dòng)控制系統(tǒng)多種多樣，其結(jié)構(gòu)和用途也各不相同。盡管如此，一般的自動(dòng)控制系統(tǒng)都具有如下的典型方框圖，如圖所示。ClosedloopOpenloop第三十四頁，共七十三頁，2022年，8月28日2011年2月第35頁控制器第三十五頁，共七十三頁，2022年，8月28日2011年2月第36頁上述框圖可簡化為下圖：自動(dòng)控制系統(tǒng)的框圖輸出量+控制器被控對象控制作用反饋環(huán)節(jié)c(t)e(t)b(t)給定環(huán)節(jié)r(t)控制器第三十六頁，共七十三頁，2022年，8月28日2011年2月第37頁

給定環(huán)節(jié)——產(chǎn)生參考輸入信號(hào)的元件，如電位器、旋轉(zhuǎn)變壓器等。

控制器——它的輸入是系統(tǒng)的誤差信號(hào)，經(jīng)其變換運(yùn)算后，產(chǎn)生期望的控制信號(hào)去控制被控對象。

被控對象——它受控制器輸出量的控制，其輸出就是系統(tǒng)的被控制量。

反饋環(huán)節(jié)——將被控制量轉(zhuǎn)換為主反饋信號(hào)的裝置，這個(gè)裝置一般為檢測元件。1、系統(tǒng)構(gòu)成自動(dòng)控制系統(tǒng)的框圖輸出量+控制器被控對象控制作用反饋環(huán)節(jié)c(t)e(t)b(t)給定環(huán)節(jié)r(t)第三十七頁，共七十三頁，2022年，8月28日2011年2月第38頁2、定義各信號(hào)量r(t)——系統(tǒng)的參考輸入量(簡稱輸入量或給定量)；c(t)——系統(tǒng)的輸出量

(又稱被控制量)；b(t)——系統(tǒng)的主反饋量，它是與被控制量成正比或?yàn)槟撤N函數(shù)的信號(hào)，其物理量綱必須與參考輸入相同。因?yàn)橹挥邢嗤烤V的信號(hào)，才能在比較點(diǎn)處進(jìn)行相減運(yùn)算。e(t)——系統(tǒng)的誤差，等于參考輸入與主反饋量之差，e(t)=r(t)-b(t)。請同學(xué)們將這些基本概念、定義搞明白，以利于后面知識(shí)的學(xué)習(xí)??！自動(dòng)控制系統(tǒng)的框圖輸出量+控制器被控對象控制作用反饋環(huán)節(jié)c(t)e(t)b(t)給定環(huán)節(jié)r(t)第三十八頁，共七十三頁，2022年，8月28日2011年2月第39頁開環(huán)控制是一種最簡單的控制方式。特點(diǎn)：在控制器與被控對象之間只有正向控制作用而沒有反饋控制作用，即系統(tǒng)的輸出量對輸入量沒有影響。輸入量直接送入控制器，產(chǎn)生控制量作用于被控對象，從而改變被控制量。可以用如下方框圖來表示。開環(huán)控制系統(tǒng)

閉環(huán)控制系統(tǒng)

一、開環(huán)控制與閉環(huán)控制的概念（－）開環(huán)控制與開環(huán)控制系統(tǒng)（定義、優(yōu)缺點(diǎn)）實(shí)際應(yīng)用的控制系統(tǒng)中，根據(jù)有無反饋?zhàn)饔?，又可分為：輸出量控制器被控對象參考輸入c(t)r(t)開環(huán)控制系統(tǒng)輸出量+控制器被控對象控制作用反饋環(huán)節(jié)c(t)e(t)b(t)給定環(huán)節(jié)r(t)Openloopcontrolsystem第三十九頁，共七十三頁，2022年，8月28日2011年2月第40頁例如：直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速開環(huán)控制系統(tǒng)

給定電壓ug經(jīng)放大后產(chǎn)生電樞電壓ua，當(dāng)電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁電壓恒定時(shí)，改變ua可得到不同的轉(zhuǎn)速n。n與ua具有一一對應(yīng)的關(guān)系。例如當(dāng)u=ua1時(shí)，n=n1；該系統(tǒng)的信號(hào)通路不閉合，所以是開環(huán)系統(tǒng)。當(dāng)有擾動(dòng)引起轉(zhuǎn)速變化時(shí)，無法克服擾動(dòng)造成的影響，因此ua與n之間的對應(yīng)關(guān)系是不準(zhǔn)確的。要進(jìn)行補(bǔ)償就必須借助人工改變輸入電壓ua。ug電位器電動(dòng)機(jī)負(fù)載功率放大器uan-----ua第四十頁，共七十三頁，2022年，8月28日2011年2月第41頁（二）閉環(huán)控制與閉環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)方框圖凡是系統(tǒng)的輸出端與輸入端之間存在反饋回路，即輸出量對控制作用具有直接影響的系統(tǒng)稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)。如下圖所示。偏差量輸出量+控制器控制量被控對象輸入量測量元件反饋量Closedloopcontrolsystem第四十一頁，共七十三頁，2022年，8月28日2011年2月第42頁將檢測得到的輸出量回送到系統(tǒng)輸入端，并與輸入量進(jìn)行比較，構(gòu)成信號(hào)的反饋。輸入信號(hào)與反饋信號(hào)之差即為偏差信號(hào)，該偏差信號(hào)作用于控制器，使系統(tǒng)的輸出量趨于給定的數(shù)值，這就是閉環(huán)控制，也稱為反饋控制，其實(shí)質(zhì)就是利用負(fù)反饋來減少或消除系統(tǒng)的偏差。偏差量輸出量測量元件+控制器控制量被控對象輸入量反饋量第四十二頁，共七十三頁，2022年，8月28日2011年2月第43頁反饋控制是一種基本的控制規(guī)律，它具有自動(dòng)修正被控制量偏離給定值的作用，因而可以抑制內(nèi)部擾動(dòng)及外部擾動(dòng)的影響，從而達(dá)到自動(dòng)控制的目的。本課程所指的自動(dòng)控制系統(tǒng)即指反饋（閉環(huán)）控制系統(tǒng)，而實(shí)際中應(yīng)用最多的是負(fù)反饋控制系統(tǒng)。偏差量輸出量測量元件+控制器控制量被控對象輸入量反饋量第四十三頁，共七十三頁，2022年，8月28日2011年2月第44頁在開車過程中，司機(jī)用眼睛觀察轉(zhuǎn)速表上的實(shí)際車速并由大腦將實(shí)際車速與希望車速進(jìn)行比較，大腦根據(jù)比較后的偏差對腳發(fā)出指令，控制油門踏板，從而使實(shí)際車速與希望車速一致。在這里人與車構(gòu)成了一個(gè)系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，眼睛將實(shí)際車速這一信息送入大腦并與大腦中儲(chǔ)存的車速信息進(jìn)行比較，這一過程就是信息反饋過程。例：司機(jī)駕駛汽車過程。希望車速c(t)大腦偏差腳、油門踏板汽車實(shí)際車速r(t)眼睛、轉(zhuǎn)速表b(t)e(t)第四十四頁，共七十三頁，2022年，8月28日2011年2月第45頁例：直流電機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)。在直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速開環(huán)控制系統(tǒng)中引入測速發(fā)電機(jī)，構(gòu)成一個(gè)直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)，如圖所示。ug電位器電動(dòng)機(jī)負(fù)載功放ua第四十五頁，共七十三頁，2022年，8月28日2011年2月第46頁仍以上圖為例。閉環(huán)控制過程：1、輸出量高于給定值→檢測出偏差→控制運(yùn)算→執(zhí)行→減少輸出量→輸出量趨于給定值；2、輸出量低于給定值→檢測出偏差→控制運(yùn)算→執(zhí)行→增加輸出量→輸出量趨于給定值。第四十六頁，共七十三頁，2022年，8月28日2011年2月第47頁測速發(fā)電機(jī)第四十七頁，共七十三頁，2022年，8月28日2011年2月第48頁優(yōu)點(diǎn)：閉環(huán)控制系統(tǒng)具有較高的控制精度；不論何種原因引起被控制量的變化，都將進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，以消除和減小偏差。

缺點(diǎn)：使用元件較多，線路比較復(fù)雜；系統(tǒng)要工作就必須有偏差存在，這是由于閉環(huán)系統(tǒng)是以偏差作為控制因素來消除偏差的，因此這類系統(tǒng)的精度也是有限的（雖然比開環(huán)系統(tǒng)的精度高出許多）；閉環(huán)系統(tǒng)不易穩(wěn)定工作；精度與穩(wěn)定性是一對矛盾。第四十八頁，共七十三頁，2022年，8月28日2011年2月第49頁（三）開環(huán)控制系統(tǒng)與閉環(huán)控制系統(tǒng)的比較

閉環(huán)控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是采用了負(fù)反饋，因此對系統(tǒng)外部擾動(dòng)和內(nèi)部參數(shù)的變化（內(nèi)擾動(dòng)）引起的偏差能自動(dòng)進(jìn)行調(diào)整。可以采用精度不太高、成本比較低的元件來組成一個(gè)精確度較高的控制系統(tǒng)。

開環(huán)系統(tǒng)沒有反饋，故沒有自動(dòng)消除偏差的能力，外部擾動(dòng)和系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)的變化都將引起系統(tǒng)精度的降低。

從穩(wěn)定性的角度看，開環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，系統(tǒng)總能穩(wěn)定地工作。而閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性始終是一個(gè)重要問題，如果參數(shù)選擇不當(dāng)，將使系統(tǒng)不穩(wěn)定（發(fā)生振蕩或發(fā)散），失去對被控量的控制。第四十九頁，共七十三頁，2022年，8月28日2011年2月第50頁

采用開環(huán)控制和閉環(huán)控制的原則：

如果系統(tǒng)的輸入量預(yù)先知道，并且不存在外部擾動(dòng)，采用開環(huán)控制，如果存在無法預(yù)計(jì)的擾動(dòng)，或系統(tǒng)中元器件參數(shù)不穩(wěn)定，則采用閉環(huán)控制。

當(dāng)對整個(gè)系統(tǒng)的性能要求較高時(shí)，為了解決閉環(huán)控制精度和穩(wěn)定性之間的矛盾，往往將開環(huán)系統(tǒng)和閉環(huán)系統(tǒng)的功能結(jié)合在一起，即采用復(fù)合控制系統(tǒng)。第五十頁，共七十三頁，2022年，8月28日2011年2月第51頁二、自動(dòng)控制系統(tǒng)舉例例1：恒溫箱控制系統(tǒng)

Tt~220Vu2恒溫箱自動(dòng)控制系統(tǒng)原理圖第五十一頁，共七十三頁，2022年，8月28日2011年2月第52頁二、自動(dòng)控制系統(tǒng)舉例例1：恒溫箱控制系統(tǒng)

Ttu2第五十二頁，共七十三頁，2022年，8月28日2011年2月第53頁例2：機(jī)床工作臺(tái)位置控制系統(tǒng)

yiuvruivciQyucuf第五十三頁，共七十三頁，2022年，8月28日2011年2月第54頁第四節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類

從信號(hào)傳送的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可將控制系統(tǒng)可分為開環(huán)控制系統(tǒng)與閉環(huán)控制系統(tǒng)（已講述）。按照其他分類原則還可分為：（一）線性控制系統(tǒng)和非線性控制系統(tǒng)

線性系統(tǒng)是指組成系統(tǒng)的元器件的靜態(tài)特性為直線，能用線性常微分方程描述其輸出與輸入關(guān)系的系統(tǒng)。線性系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是具有疊加性和齊次性。

（所謂齊次性是指當(dāng)輸入信號(hào)為原輸入信號(hào)的k倍時(shí)，系統(tǒng)的輸出響應(yīng)也為原輸出響應(yīng)的k倍。）

本課程研究線性定常系統(tǒng)（或稱為線性時(shí)不變系統(tǒng)、自治系統(tǒng)）。Linearconstantsystem第五十四頁，共七十三頁，2022年，8月28日2011年2月第55頁非線性系統(tǒng)是指組成系統(tǒng)的元器件中有一個(gè)以上具有非直線的靜態(tài)特性的系統(tǒng)。非線性系統(tǒng)還可分為非線性時(shí)變系統(tǒng)與非線性定常系統(tǒng)。

嚴(yán)格地說，實(shí)際上不存在線性系統(tǒng)，這是因?yàn)楦鞣N實(shí)際的物理系統(tǒng)總是具有不同程度的非線性，但只要非線性不嚴(yán)重，在一定范圍內(nèi)能用線性系統(tǒng)的理論和方法處理的系統(tǒng)都可視為線性系統(tǒng)。第五十五頁，共七十三頁，2022年，8月28日2011年2月第56頁（二）恒值控制系統(tǒng)和隨動(dòng)系統(tǒng)

恒值控制系統(tǒng)又稱為自動(dòng)調(diào)整系統(tǒng)、定值調(diào)節(jié)系統(tǒng)或自動(dòng)鎮(zhèn)定系統(tǒng)。

特點(diǎn)：系統(tǒng)輸入量（即給定值）不變，但由于擾動(dòng)使被控量偏離要求值，該系統(tǒng)能根據(jù)偏差產(chǎn)生控制作用，使被控量恢復(fù)到要求值，并以一定的準(zhǔn)確度保持在要求值附近。例如：控制水箱液面高度為恒定值的系統(tǒng)。Constantcontrolsystemandservocontrolsystem第五十六頁，共七十三頁，2022年，8月28日2011年2月第57頁液面自動(dòng)控制系統(tǒng)第五十七頁，共七十三頁，2022年，8月28日2011年2月第58頁隨動(dòng)系統(tǒng)又稱為伺服系統(tǒng)。特點(diǎn)：給定值是預(yù)先未知的、隨時(shí)間任意變化，要求系統(tǒng)被控量以盡可能小的誤差跟隨給定值變化。

例子見下頁。第五十八頁，共七十三頁，2022年，8月28日2011年2月第59頁例：工作臺(tái)位置控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)由指令電位器、反饋電位器、放大器、伺服電機(jī)、齒輪減速器、滾珠絲杠及工作臺(tái)組成，其功用是控制工作臺(tái)位置按指令電位器給出的規(guī)律變化。第五十九頁，共七十三頁，2022年，8月28日2011年2月第60頁（三）連續(xù)控制系統(tǒng)與離散控制系統(tǒng)

連續(xù)系統(tǒng)，各部分的輸入和輸出信號(hào)都是連續(xù)變化的模擬量，可用微分方程來描述各部分輸入-輸出關(guān)系的系統(tǒng)。離散系統(tǒng)，某一處或多處的信號(hào)以脈沖序列或數(shù)碼形式傳遞的系統(tǒng)。

離散系統(tǒng)也有線性離散系統(tǒng)和非線性離散系統(tǒng)、定常離散系統(tǒng)和時(shí)變離散系統(tǒng)之分。下圖為計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)框圖，這是一種常見的離散控制系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)框圖計(jì)算機(jī)D/AA/D被控對象放大器檢測元件+r(t)c(t)第六十頁，共七十三頁，2022年，8月28日2011年2月第61頁除了以上幾種形式外，還有以下幾種分類在這里順便講一下。（四）單輸入-單輸出系統(tǒng)與多輸入-多輸出系統(tǒng)（五）確定系統(tǒng)與不確定系統(tǒng)

若系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)是確定的、預(yù)先可知的，系統(tǒng)的輸入信號(hào)（包括給定輸入和擾動(dòng)）也是確定的，則可用解析式或圖表確切地表示，這種系統(tǒng)稱為確定系統(tǒng)。

系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不確定或作用于系統(tǒng)的輸入信號(hào)不確定時(shí)，則稱這種系統(tǒng)為不確定系統(tǒng)。

單輸入-單輸出系統(tǒng)的輸入量和輸出量各只有一個(gè)，也稱為單變量系統(tǒng)。

多輸入-多輸出系統(tǒng)的輸入量和輸出量個(gè)數(shù)多于一個(gè)，也稱為多變量系統(tǒng)。第六十一頁，共七十三頁，2022年，8月28日2011年2月第62頁（六）集中(總)參數(shù)系統(tǒng)和分布參數(shù)系統(tǒng)能用常微分方程描述的系統(tǒng)稱為集中(總)參數(shù)系統(tǒng)。

不能用常微分方程而必須用偏微分方程描述的系統(tǒng)稱為分布參數(shù)系統(tǒng)。

本課程中涉及的內(nèi)容主要是單變量、集中參數(shù)、線性、定常、連續(xù)系統(tǒng)，同時(shí)對非線性系統(tǒng)及線性離散系統(tǒng)也作必要的闡述。第六十二頁，共七十三頁，2022年，8月28日2011年2月第63頁第五節(jié)對控制系統(tǒng)性能的要求和本課程的任務(wù)

對控制系統(tǒng)性能的要求

評價(jià)一個(gè)控制系統(tǒng)的好壞，指標(biāo)是多種多樣的，各系統(tǒng)依其使用目的的不同，對各項(xiàng)性能指標(biāo)的要求不同。但對控制系統(tǒng)的基本要求一般可歸納為以下幾個(gè)方面（性能評價(jià)指標(biāo)）：第六十三頁，共七十三頁，2022年，8月28日2011年2月第64頁一、穩(wěn)定性

輸出量對給定的輸入量的偏離應(yīng)該隨著時(shí)間增長逐漸趨近于零，這樣的系統(tǒng)是穩(wěn)定系統(tǒng)。穩(wěn)定性要求是控制系統(tǒng)正常工作的首要條件，且是最重要的條件。實(shí)際控制系統(tǒng)在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)均留有一定的穩(wěn)定裕度，系統(tǒng)工作時(shí)參數(shù)可能發(fā)生變化時(shí)，如果未留穩(wěn)定裕度或裕度值不夠時(shí)，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)失穩(wěn)，不穩(wěn)定的系統(tǒng)是不能工作的。第六十四頁，共七十三頁，2022年，8月28日2011年2月第65頁二、響應(yīng)速度——響應(yīng)的快速性

控制系統(tǒng)不僅要穩(wěn)定，而且還要求系統(tǒng)的響應(yīng)具有一定的快速性，這對某些系統(tǒng)來說，是一個(gè)十分重要的性能指標(biāo)?？焖傩灾府?dāng)系統(tǒng)的輸出量與給定的輸入量之間產(chǎn)生偏差時(shí)，消除這種偏差的快慢程度。第六十五頁，共七十三頁，2022年，8月28日2011年2月第66頁對分析和研究控制系統(tǒng)時(shí)，對衡量其快速性及穩(wěn)定性常用下面的方法：1、在階躍信號(hào)作用下，系統(tǒng)跟隨的瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間ts（ts稱為過渡過程時(shí)間或調(diào)整時(shí)間）來衡量,ts越小說明系統(tǒng)從一個(gè)穩(wěn)態(tài)過渡到另一個(gè)穩(wěn)態(tài)所需要的時(shí)間越短，反之，則越長。2、用在過渡過程中，出現(xiàn)的情況時(shí)的超調(diào)量Mp來衡量，Mp小，則說明系統(tǒng)的過渡過程進(jìn)行得越平穩(wěn)。(輸出量對給定的輸入量偏差D→0，D為給定微量2%或5%，工程實(shí)際允許值)。第六十六頁，共七十三頁，2022年，8月28日2011年2月第67頁ts2%(5%)c(t)c(∞)=0.5c(∞)=1cmaxtdtrtp二階系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)第六十七頁，共七十三頁，2022年，8月28日2011年2月第68頁三、穩(wěn)態(tài)精度——響應(yīng)的準(zhǔn)確性

是指在過渡過程結(jié)束后輸出量與給定的輸入量的偏差，它又稱為靜態(tài)精度，它也是衡量系統(tǒng)工作性能的重要指標(biāo)。對控制系統(tǒng)的基本要求可以用三個(gè)字來表示：

“穩(wěn)、快、準(zhǔn)”

本課程所要講解的內(nèi)容都是圍繞“穩(wěn)、快、準(zhǔn)”這三項(xiàng)要求來進(jìn)行的。第六十八頁，共七十三頁，2022年，8月28日2011年2月第69頁本課