清華大學精儀系001-控制工程基礎-緒論

1、2021-8-1第一講 緒論1 控制工程基礎 第一講：緒論 清華大學清華大學 朱志明朱志明 2021-8-1第一講 緒論 2 主要內(nèi)容 l引言 l控制系統(tǒng)的工作原理和組成 l自動控制系統(tǒng)的基本類型 l對自動控制系統(tǒng)的基本要求 l自動控制理論的發(fā)展簡史 l小結 l教學大綱 2021-8-1第一講 緒論 3 引言（1） l自動控制是指在沒有人直接參與的情況下，利用控制裝 置，使生產(chǎn)機械或生產(chǎn)過程（被控制對象）的某些物理 量自動地按照預定的（恒定或變動的）規(guī)律運行。 l電冰箱恒溫控制：電冰箱恒溫控制：由于冰箱內(nèi)儲物量的增減，開啟和關由于冰箱內(nèi)儲物量的增減，開啟和關 閉冰箱門的次數(shù)不同，外界溫度的變化

2、等，都會影響冰閉冰箱門的次數(shù)不同，外界溫度的變化等，都會影響冰 箱內(nèi)的溫度，若希望維持冰箱內(nèi)溫度恒定不變，則需要箱內(nèi)的溫度，若希望維持冰箱內(nèi)溫度恒定不變，則需要 有控制裝置對冰箱內(nèi)的溫度進行控制。有控制裝置對冰箱內(nèi)的溫度進行控制。 2021-8-1第一講 緒論 4 引言（2） l宇宙飛船宇宙飛船在茫茫太空中要按預定的軌道飛行，并保持一在茫茫太空中要按預定的軌道飛行，并保持一 定的姿態(tài)，但太空中有千變?nèi)f化的因素對它產(chǎn)生影響，定的姿態(tài)，但太空中有千變?nèi)f化的因素對它產(chǎn)生影響， 需要有高性能的控制裝置對它進行控制。需要有高性能的控制裝置對它進行控制。 l人造地球衛(wèi)星人造地球衛(wèi)星能夠發(fā)射到預定軌道并能準

3、確回收。能夠發(fā)射到預定軌道并能準確回收。 l無人駕駛飛機無人駕駛飛機能按預定航行線自動飛行。能按預定航行線自動飛行。 l跟蹤雷達和指揮儀所組成的防空系統(tǒng)能使跟蹤雷達和指揮儀所組成的防空系統(tǒng)能使火炮火炮自動地瞄自動地瞄 準目標。準目標。 2021-8-1第一講 緒論 5 引言（3） l化工生產(chǎn)中化工生產(chǎn)中反應塔的溫度和壓力反應塔的溫度和壓力能夠自動維持恒定不變。能夠自動維持恒定不變。 l程序控制機床程序控制機床能夠按預先排定的工藝程序自動地進行切削，能夠按預先排定的工藝程序自動地進行切削， 加工出預期的幾何形狀。加工出預期的幾何形狀。 l在鋼鐵工業(yè)中，在鋼鐵工業(yè)中，初軋機初軋機的軋輥來回轉動，將

4、鋼錠碾軋至規(guī)的軋輥來回轉動，將鋼錠碾軋至規(guī) 定尺寸。為了保證軋制質量，要求實現(xiàn)低速咬鋼、帶鋼升定尺寸。為了保證軋制質量，要求實現(xiàn)低速咬鋼、帶鋼升 速、高速軋制等，這就要求拖動軋機的電機的轉速和轉向速、高速軋制等，這就要求拖動軋機的電機的轉速和轉向 按照一定的規(guī)律變化；然而，由于鋼錠尺寸的不同，加熱按照一定的規(guī)律變化；然而，由于鋼錠尺寸的不同，加熱 溫度不同，以及由于鋼錠進入軋輥時對軋輥的沖擊等，都溫度不同，以及由于鋼錠進入軋輥時對軋輥的沖擊等，都 會導致電機的負荷和轉速發(fā)生巨大波動，從而需要有控制會導致電機的負荷和轉速發(fā)生巨大波動，從而需要有控制 裝置對電機的轉速進行控制。裝置對電機的轉速進行

5、控制。 2021-8-1第一講 緒論 6 引言（4） l不同的生產(chǎn)機械、生產(chǎn)過程雖然要實現(xiàn)的任務各不相同，但不同的生產(chǎn)機械、生產(chǎn)過程雖然要實現(xiàn)的任務各不相同，但 都有一個共同點，即要求其中的某些物理量（如溫度、速度、都有一個共同點，即要求其中的某些物理量（如溫度、速度、 位置等）按照特定的規(guī)律變化。位置等）按照特定的規(guī)律變化。（被控制量、輸出量） l現(xiàn)實世界中存在各種阻礙上述要求實現(xiàn)的因素（現(xiàn)實世界中存在各種阻礙上述要求實現(xiàn)的因素（擾動擾動）；凡）；凡 是由外部作用引起的擾動稱為是由外部作用引起的擾動稱為外擾（如外界溫度、負載波動、（如外界溫度、負載波動、 風向和風力的變化）；由于內(nèi)部元器件特

6、性變化引起的擾動風向和風力的變化）；由于內(nèi)部元器件特性變化引起的擾動 稱為稱為內(nèi)擾。 l為解決上述矛盾，就要采用控制裝置，對生產(chǎn)機械或生產(chǎn)過為解決上述矛盾，就要采用控制裝置，對生產(chǎn)機械或生產(chǎn)過 程的這些物理量進行控制。被控制的生產(chǎn)機械或生產(chǎn)過程稱程的這些物理量進行控制。被控制的生產(chǎn)機械或生產(chǎn)過程稱 為為被控對象。 l研究自動控制系統(tǒng)的基本理論稱為研究自動控制系統(tǒng)的基本理論稱為自動控制理論。 2021-8-1第一講 緒論 7 引 言（5） l在人類征服自然、改造自然的過程中，自動控制技術起在人類征服自然、改造自然的過程中，自動控制技術起 著極其重要的作用。著極其重要的作用。 l自動控制技術在工業(yè)

7、、農(nóng)業(yè)、國防、交通運輸、企業(yè)管自動控制技術在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防、交通運輸、企業(yè)管 理、科學研究等各個領域的應用愈來愈廣泛。理、科學研究等各個領域的應用愈來愈廣泛。 l自動控制技術的廣泛應用，極大地提高了勞動生產(chǎn)率，自動控制技術的廣泛應用，極大地提高了勞動生產(chǎn)率， 提高了產(chǎn)品質量，改善了人們的生活水平和勞動條件。提高了產(chǎn)品質量，改善了人們的生活水平和勞動條件。 l隨著生產(chǎn)和科學技術的發(fā)展，特別是數(shù)字計算機的迅速隨著生產(chǎn)和科學技術的發(fā)展，特別是數(shù)字計算機的迅速 發(fā)展和應用，自動控制技術更顯示了越來越重要的作用發(fā)展和應用，自動控制技術更顯示了越來越重要的作用 和廣闊的前景。和廣闊的前景。 2021-8

8、-1第一講 緒論 8 控制系統(tǒng)的工作原理和組成 l人工控制系統(tǒng)和自動控制系統(tǒng) 人工控制系統(tǒng) 自動控制系統(tǒng) l開環(huán)控制和閉環(huán)控制 開環(huán)控制系統(tǒng) 閉環(huán)控制系統(tǒng) l反饋控制系統(tǒng)的基本組成 基本組成 名詞術語 l閉環(huán)與開環(huán)控制系統(tǒng)比較 2021-8-1第一講 緒論 9 人工控制系統(tǒng)（1） 恒溫爐爐溫人工控制系統(tǒng)原理圖恒溫爐爐溫人工控制系統(tǒng)原理圖 220V 溫溫 度度 計計 眼 手 腦 加熱電阻絲 恒溫爐 調(diào)壓器 2021-8-1第一講 緒論 10 人工控制系統(tǒng)（2） 恒溫爐爐溫人工控制系統(tǒng)職能方塊圖恒溫爐爐溫人工控制系統(tǒng)職能方塊圖 （輸入） (輸出) 期望爐溫 手調(diào)壓器恒溫爐 溫度計眼 反 饋 擾動

9、實際爐溫 偏差 腦 2021-8-1第一講 緒論 11 自動控制系統(tǒng) 2021-8-1第一講 緒論 12 開環(huán)控制系統(tǒng) l系統(tǒng)的控制器與被控對象之間只有順（前）系統(tǒng)的控制器與被控對象之間只有順（前） 向作用，沒有反（逆）向作用，系統(tǒng)的輸向作用，沒有反（逆）向作用，系統(tǒng)的輸 出量對控制作用沒有影響。出量對控制作用沒有影響。 l直流電機速度開環(huán)控制系統(tǒng) l開環(huán)控制系統(tǒng)的方塊圖 l開環(huán)控制系統(tǒng)的特點 2021-8-1第一講 緒論 13 直流電機速度開環(huán)控制系統(tǒng) 2021-8-1第一講 緒論 14 開環(huán)控制系統(tǒng)方塊圖 在開環(huán)控制系統(tǒng)中，只有從輸入端到輸出端的信號作用 路徑，而沒有從輸出端到輸入端的作用

10、路徑。 2021-8-1第一講 緒論 15 開環(huán)控制系統(tǒng)的特點 l結構比較簡單，調(diào)整比較方便。結構比較簡單，調(diào)整比較方便。 l當因擾動作用（如晶閘管整流裝置特性的變化或負載當因擾動作用（如晶閘管整流裝置特性的變化或負載 轉矩變化等）引起電機轉速偏離原來校準的數(shù)值時，轉矩變化等）引起電機轉速偏離原來校準的數(shù)值時， 系統(tǒng)沒有對偏差修正的能力。系統(tǒng)沒有對偏差修正的能力。 l開環(huán)控制系統(tǒng)的精度取決于系統(tǒng)校準的精度和系統(tǒng)中開環(huán)控制系統(tǒng)的精度取決于系統(tǒng)校準的精度和系統(tǒng)中 元器件特性的穩(wěn)定程度，從而對其所采用的元器件的元器件特性的穩(wěn)定程度，從而對其所采用的元器件的 精度和穩(wěn)定性提出了較高的要求。精度和穩(wěn)定性

11、提出了較高的要求。 2021-8-1第一講 緒論 16 閉環(huán)控制系統(tǒng) l系統(tǒng)的輸出量或狀態(tài)變量對控制作用有系統(tǒng)的輸出量或狀態(tài)變量對控制作用有 直接影響。直接影響。 l直流電動機速度閉環(huán)控制系統(tǒng) l導彈發(fā)射和制導系統(tǒng) l閉環(huán)控制系統(tǒng)的方塊圖 l閉環(huán)控制系統(tǒng)的特點 2021-8-1第一講 緒論 17 直流電機速度閉環(huán)控制系統(tǒng) 2021-8-1第一講 緒論 18 導彈發(fā)射和制導系統(tǒng) 2021-8-1第一講 緒論 19 閉環(huán)控制系統(tǒng)方塊圖 在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，不僅有從輸入端到輸出端的作用路 徑（前向通道），還有從輸出端到輸入端的信號作用路 徑（反饋通道）。由于引入了反饋，系統(tǒng)的方塊圖形成 了閉環(huán)，構成了

12、閉環(huán)控制系統(tǒng)。 2021-8-1第一講 緒論 20 閉環(huán)控制系統(tǒng)的特點（1） l負反饋： 使偏差減小或消除的反饋作用。負反饋控制系統(tǒng)的使偏差減小或消除的反饋作用。負反饋控制系統(tǒng)的 原理是根據(jù)所檢測偏差進行控制，從而抑制或消除原理是根據(jù)所檢測偏差進行控制，從而抑制或消除 偏差，即檢測偏差，抑制或消除偏差。反饋控制是偏差，即檢測偏差，抑制或消除偏差。反饋控制是 自動控制的基本原理。自動控制的基本原理。 l閉環(huán)控制系統(tǒng)的優(yōu)點： 采用反饋控制提高了系統(tǒng)的精度。采用反饋控制提高了系統(tǒng)的精度。 2021-8-1第一講 緒論 21 閉環(huán)控制系統(tǒng)的特點（2） l由擾動引起的偏差，只要擾動作用點被反饋路徑包圍，

13、都由擾動引起的偏差，只要擾動作用點被反饋路徑包圍，都 能被反饋作用抑制或消除。因此，系統(tǒng)對這部分元器件內(nèi)能被反饋作用抑制或消除。因此，系統(tǒng)對這部分元器件內(nèi) 部參數(shù)的變化不敏感，可以用精度不高而成本低的元器件部參數(shù)的變化不敏感，可以用精度不高而成本低的元器件 組成。組成。 l對作用點不被反饋路徑包圍的擾動所引起的偏差，反饋作對作用點不被反饋路徑包圍的擾動所引起的偏差，反饋作 用無能為力，如給定元件、反饋元件的精度。用無能為力，如給定元件、反饋元件的精度。 l當閉環(huán)控制系統(tǒng)結構或參數(shù)配合不當時，可能引起過調(diào)，當閉環(huán)控制系統(tǒng)結構或參數(shù)配合不當時，可能引起過調(diào)， 造成系統(tǒng)振蕩，甚至不能正常工作。對閉環(huán)

14、系統(tǒng)來說，穩(wěn)造成系統(tǒng)振蕩，甚至不能正常工作。對閉環(huán)系統(tǒng)來說，穩(wěn) 定性是一個重要問題。定性是一個重要問題。 2021-8-1第一講 緒論 22 反饋控制系統(tǒng)的基本組成（1） 2021-8-1第一講 緒論 23 反饋控制系統(tǒng)的基本組成（2） l給定環(huán)節(jié)：根據(jù)系統(tǒng)輸出量的期望值，產(chǎn)生系統(tǒng)的給根據(jù)系統(tǒng)輸出量的期望值，產(chǎn)生系統(tǒng)的給 定輸入信號的環(huán)節(jié)。定輸入信號的環(huán)節(jié)。 l反饋環(huán)節(jié)：對系統(tǒng)輸出量的實際值進行測量，將它轉對系統(tǒng)輸出量的實際值進行測量，將它轉 換成反饋信號，并使反饋信號成為與給定信號同類型、換成反饋信號，并使反饋信號成為與給定信號同類型、 同數(shù)量級的物理量。同數(shù)量級的物理量。 l比較器：將給定

15、信號與反饋信號進行比較，產(chǎn)生偏差將給定信號與反饋信號進行比較，產(chǎn)生偏差 信號的環(huán)節(jié)。信號的環(huán)節(jié)。 2021-8-1第一講 緒論 24 反饋控制系統(tǒng)的基本組成（3） l控制器：根據(jù)輸入的偏差信號，按一定的控制規(guī)律，根據(jù)輸入的偏差信號，按一定的控制規(guī)律， 產(chǎn)生相應的控制信號的環(huán)節(jié)。產(chǎn)生相應的控制信號的環(huán)節(jié)。 l執(zhí)行環(huán)節(jié)：將控制信號進行功率放大，直接推動被控將控制信號進行功率放大，直接推動被控 對象，使被控制量發(fā)生變化的環(huán)節(jié)。對象，使被控制量發(fā)生變化的環(huán)節(jié)。 l被控對象：控制系統(tǒng)所要控制的設備或生產(chǎn)過程，它控制系統(tǒng)所要控制的設備或生產(chǎn)過程，它 的輸出量為被控制量。的輸出量為被控制量。 2021-8-

16、1第一講 緒論 25 反饋控制系統(tǒng)的基本組成（4） 2021-8-1第一講 緒論 26 名詞術語（1） l輸入信號r(t)：又稱輸入量、控制量、給定量。又稱輸入量、控制量、給定量。 它是控制輸出量變化規(guī)律的信號。往往把輸入到控制系統(tǒng)它是控制輸出量變化規(guī)律的信號。往往把輸入到控制系統(tǒng) 中的信號（包括擾動信號）廣義地叫做輸入量。中的信號（包括擾動信號）廣義地叫做輸入量。 l輸出信號c(t)：又稱輸出量、被控制量、被調(diào)整量。又稱輸出量、被控制量、被調(diào)整量。 它的變化規(guī)律是要加以控制的，應保持與輸入信號之間有它的變化規(guī)律是要加以控制的，應保持與輸入信號之間有 一定的函數(shù)關系。一定的函數(shù)關系。 l擾動信

17、號f(t)：又稱擾動和干擾。又稱擾動和干擾。 除控制信號以外，對系統(tǒng)輸出量產(chǎn)生影響的因素都叫擾動。除控制信號以外，對系統(tǒng)輸出量產(chǎn)生影響的因素都叫擾動。 如果擾動產(chǎn)生在系統(tǒng)內(nèi)部，則稱為如果擾動產(chǎn)生在系統(tǒng)內(nèi)部，則稱為內(nèi)擾內(nèi)擾；產(chǎn)生在系統(tǒng)外部，；產(chǎn)生在系統(tǒng)外部， 則稱為則稱為外擾外擾，外擾動也是系統(tǒng)的一種輸入量。，外擾動也是系統(tǒng)的一種輸入量。 2021-8-1第一講 緒論 27 名詞術語（2） l反饋信號b(t)：或稱反饋量?；蚍Q反饋量。 從系統(tǒng)（或元件）輸出端取出信號，經(jīng)過變換后加到系統(tǒng)從系統(tǒng)（或元件）輸出端取出信號，經(jīng)過變換后加到系統(tǒng) （或元件）輸入端。（或元件）輸入端。 l正反饋：反饋信號與輸

18、入信號符號相同，能加強輸入信號的反饋信號與輸入信號符號相同，能加強輸入信號的 作用。作用。 l負反饋：反饋信號與輸入信號符號相反，抵消輸入信號作用。反饋信號與輸入信號符號相反，抵消輸入信號作用。 l主反饋：直接取自系統(tǒng)最終輸出端的反饋。主反饋一定是負直接取自系統(tǒng)最終輸出端的反饋。主反饋一定是負 反饋，否則偏差越來越大，直至系統(tǒng)失去控制。反饋，否則偏差越來越大，直至系統(tǒng)失去控制。 l局部反饋：除主反饋外，有的系統(tǒng)還有局部反饋，主要是為除主反饋外，有的系統(tǒng)還有局部反饋，主要是為 系統(tǒng)進行校正、補償或線性化而加入的。系統(tǒng)進行校正、補償或線性化而加入的。 2021-8-1第一講 緒論 28 名詞術語（

19、3） l偏差信號(t)：或稱偏差或稱偏差 控制信號與主反饋信號之差。 l誤差信號e(t)：或稱誤差或稱誤差 系統(tǒng)輸出量的實際值與希望值之差。 l注意誤差與偏差不是同一概念，只有在全反饋 系統(tǒng)中，誤差才等于偏差。 2021-8-1第一講 緒論 29 開環(huán)和閉環(huán)控制系統(tǒng)比較（1） l閉環(huán)控制系統(tǒng)的優(yōu)點是采用了反饋，因此對外擾動和系閉環(huán)控制系統(tǒng)的優(yōu)點是采用了反饋，因此對外擾動和系 統(tǒng)內(nèi)參數(shù)的變化引起的偏差能夠自動的糾正。這樣就可統(tǒng)內(nèi)參數(shù)的變化引起的偏差能夠自動的糾正。這樣就可 以采用精度不太高而成本比較低的元件組成一個精確的以采用精度不太高而成本比較低的元件組成一個精確的 控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)。 l而

20、開環(huán)控制系統(tǒng)則相反，因為沒有反饋，故沒有糾正偏而開環(huán)控制系統(tǒng)則相反，因為沒有反饋，故沒有糾正偏 差的能力，外擾動和系統(tǒng)內(nèi)參數(shù)的變化將引起系統(tǒng)的精差的能力，外擾動和系統(tǒng)內(nèi)參數(shù)的變化將引起系統(tǒng)的精 度降低。度降低。 l從穩(wěn)定性的角度看，開環(huán)系統(tǒng)容易解決。而閉環(huán)系統(tǒng)的從穩(wěn)定性的角度看，開環(huán)系統(tǒng)容易解決。而閉環(huán)系統(tǒng)的 穩(wěn)定性始終是一個關鍵問題。如果參數(shù)選擇不當，就會穩(wěn)定性始終是一個關鍵問題。如果參數(shù)選擇不當，就會 造成系統(tǒng)振蕩，甚至使得系統(tǒng)不穩(wěn)定，完全失去控制。造成系統(tǒng)振蕩，甚至使得系統(tǒng)不穩(wěn)定，完全失去控制。 2021-8-1第一講 緒論 30 開環(huán)和閉環(huán)控制系統(tǒng)比較（2） l開環(huán)系統(tǒng)容易建造，結構簡

21、單，成本低，工作穩(wěn)定。一般開環(huán)系統(tǒng)容易建造，結構簡單，成本低，工作穩(wěn)定。一般 來說，當系統(tǒng)控制量的變化規(guī)律能預先知道，并且不存在來說，當系統(tǒng)控制量的變化規(guī)律能預先知道，并且不存在 外部擾動（或有辦法抑制）時，采用開環(huán)控制較好。特別外部擾動（或有辦法抑制）時，采用開環(huán)控制較好。特別 是被控制量很難進行測量時更是如此。是被控制量很難進行測量時更是如此。 l如果系統(tǒng)的控制量和干擾量均無法事先預知時，或系統(tǒng)中如果系統(tǒng)的控制量和干擾量均無法事先預知時，或系統(tǒng)中 元件參數(shù)不穩(wěn)定時，采用閉環(huán)控制的優(yōu)點就顯得特別突出。元件參數(shù)不穩(wěn)定時，采用閉環(huán)控制的優(yōu)點就顯得特別突出。 l若要求實現(xiàn)復雜而準確度較高的控制任務

22、，則可將開環(huán)控若要求實現(xiàn)復雜而準確度較高的控制任務，則可將開環(huán)控 制與閉環(huán)控制結合起來一起作用，組成一個比較經(jīng)濟而又制與閉環(huán)控制結合起來一起作用，組成一個比較經(jīng)濟而又 性能較好的復合控制系統(tǒng)。性能較好的復合控制系統(tǒng)。 2021-8-1第一講 緒論 31 自動控制系統(tǒng)的基本類型 l按給定變化規(guī)律分類按給定變化規(guī)律分類 恒值控制系統(tǒng)（恒值調(diào)節(jié)系統(tǒng)）恒值控制系統(tǒng)（恒值調(diào)節(jié)系統(tǒng)） 隨動系統(tǒng)隨動系統(tǒng) 程序控制系統(tǒng)程序控制系統(tǒng) l線性系統(tǒng)線性系統(tǒng)和和非線性系統(tǒng)非線性系統(tǒng) l連續(xù)系統(tǒng)連續(xù)系統(tǒng)和和離散系統(tǒng)離散系統(tǒng) 2021-8-1第一講 緒論 32 恒值控制系統(tǒng)（恒值調(diào)節(jié)系統(tǒng)） l在這種系統(tǒng)中，在這種系統(tǒng)中，

23、系統(tǒng)的給定輸入量是恒值系統(tǒng)的給定輸入量是恒值，在，在 擾動存在的情況下，要求輸出量保持恒定。擾動存在的情況下，要求輸出量保持恒定。其其 分析設計的重點是要求系統(tǒng)具有良好的抗干擾分析設計的重點是要求系統(tǒng)具有良好的抗干擾 性能。性能。 l直流電機速度閉環(huán)控制系統(tǒng)直流電機速度閉環(huán)控制系統(tǒng) l電爐溫度控制系統(tǒng)電爐溫度控制系統(tǒng) 2021-8-1第一講 緒論 33 直流電動機速度閉環(huán)控制系統(tǒng) 2021-8-1第一講 緒論 34 電爐溫度控制系統(tǒng) 2021-8-1第一講 緒論 35 隨動系統(tǒng) l在反饋控制系統(tǒng)中，若給定在反饋控制系統(tǒng)中，若給定輸入信號是預先未知的隨時間輸入信號是預先未知的隨時間 變化的函數(shù)變

24、化的函數(shù)，這種系統(tǒng)稱為隨動系統(tǒng)。，這種系統(tǒng)稱為隨動系統(tǒng)。 l國防工業(yè)的火炮跟蹤系統(tǒng)、雷達導引系統(tǒng)、機械加工設備國防工業(yè)的火炮跟蹤系統(tǒng)、雷達導引系統(tǒng)、機械加工設備 的伺服機構、天文望遠鏡的跟蹤系統(tǒng)。的伺服機構、天文望遠鏡的跟蹤系統(tǒng)。 l在導彈發(fā)射和制導系統(tǒng)中，給定信號是目標機的方位和速在導彈發(fā)射和制導系統(tǒng)中，給定信號是目標機的方位和速 度，這些信號是隨時間變化的未知函數(shù)。度，這些信號是隨時間變化的未知函數(shù)。 l位置控制系統(tǒng)位置控制系統(tǒng)：控制目的是使輸出軸的轉角迅速準確地跟控制目的是使輸出軸的轉角迅速準確地跟 隨輸入軸的轉角變化。隨輸入軸的轉角變化。 l對對隨動系統(tǒng)隨動系統(tǒng)來說，輸入信號是隨機的，

25、要求輸出能迅速而來說，輸入信號是隨機的，要求輸出能迅速而 準確地復現(xiàn)輸入信號的變化，準確地復現(xiàn)輸入信號的變化，其分析和設計的重點是研究其分析和設計的重點是研究 系統(tǒng)的跟隨性能。系統(tǒng)的跟隨性能。 2021-8-1第一講 緒論 36 位置控制系統(tǒng) 2021-8-1第一講 緒論 37 程序控制系統(tǒng) l當當控制系統(tǒng)的輸入信號是已知的時間函數(shù)控制系統(tǒng)的輸入信號是已知的時間函數(shù)時，稱這類系統(tǒng)時，稱這類系統(tǒng) 為程序控制系統(tǒng)。為程序控制系統(tǒng)。 l程序控制系統(tǒng)和隨動系統(tǒng)相似，只是輸入信號的變化規(guī)律程序控制系統(tǒng)和隨動系統(tǒng)相似，只是輸入信號的變化規(guī)律 是預先確定的。是預先確定的。 l程序控制系統(tǒng)可以是開環(huán)系統(tǒng)，也可

26、以是閉環(huán)系統(tǒng)。程序控制系統(tǒng)可以是開環(huán)系統(tǒng)，也可以是閉環(huán)系統(tǒng)。 l應用實例：仿形銑床、數(shù)控機床、機械手控制系統(tǒng)。應用實例：仿形銑床、數(shù)控機床、機械手控制系統(tǒng)。 l數(shù)控機床控制系統(tǒng)數(shù)控機床控制系統(tǒng) 2021-8-1第一講 緒論 38 數(shù)控機床控制系統(tǒng) 2021-8-1第一講 緒論 39 線性系統(tǒng) l線性系統(tǒng)：組成系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)的輸入輸出特性都是線性組成系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)的輸入輸出特性都是線性 的，系統(tǒng)的數(shù)學模型可以用線性微分方程描述。在線性微的，系統(tǒng)的數(shù)學模型可以用線性微分方程描述。在線性微 分方程中，只含輸入量或輸出量各階導數(shù)的一次項。分方程中，只含輸入量或輸出量各階導數(shù)的一次項。 l線性定常系統(tǒng)：

27、線性系統(tǒng)元件的參數(shù)是集中的且不隨時間線性系統(tǒng)元件的參數(shù)是集中的且不隨時間 變化。變化。 l線性時變系統(tǒng)：系統(tǒng)元件的參數(shù)是隨時間變化的，即系統(tǒng)系統(tǒng)元件的參數(shù)是隨時間變化的，即系統(tǒng) 微分方程的系數(shù)是時間的函數(shù)。例如：宇宙飛船隨著燃料微分方程的系數(shù)是時間的函數(shù)。例如：宇宙飛船隨著燃料 的消耗其質量不斷變化；帶鋼卷筒由于卷徑變化其轉動慣的消耗其質量不斷變化；帶鋼卷筒由于卷徑變化其轉動慣 量也不是恒定的。量也不是恒定的。 2021-8-1第一講 緒論 40 線性系統(tǒng)的重要特性 l線性系統(tǒng)的兩個重要特性：比例性和疊加性。比例性和疊加性。 l比例性：當系統(tǒng)的輸入量增大當系統(tǒng)的輸入量增大K倍時，系統(tǒng)的輸出量也

28、相倍時，系統(tǒng)的輸出量也相 應增大應增大K倍。倍。 l疊加性：當多個輸入量作用于系統(tǒng)時，系統(tǒng)總響應等于各當多個輸入量作用于系統(tǒng)時，系統(tǒng)總響應等于各 個輸入量分別作用于系統(tǒng)的響應之和。個輸入量分別作用于系統(tǒng)的響應之和。 2021-8-1第一講 緒論 41 非線性系統(tǒng) l非線性系統(tǒng)：系統(tǒng)中有一個以上的元件的特性是非線性的系統(tǒng)中有一個以上的元件的特性是非線性的 系統(tǒng)。非線性系統(tǒng)的數(shù)學模型要用非線性微分方程描述。系統(tǒng)。非線性系統(tǒng)的數(shù)學模型要用非線性微分方程描述。 l非線性微分方程：某些項的系數(shù)與變量有關，即方程中含某些項的系數(shù)與變量有關，即方程中含 有變量及其導數(shù)的高次項或乘積項。有變量及其導數(shù)的高次項

29、或乘積項。 wttrtysin)()( )()()()( 2)2( trtytyty 2021-8-1第一講 緒論 42 連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng) l連續(xù)系統(tǒng)：系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)的輸入信號和輸出信號都系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)的輸入信號和輸出信號都 是連續(xù)時間的函數(shù)。是連續(xù)時間的函數(shù)。 l離散系統(tǒng)離散系統(tǒng)：系統(tǒng)中有一處或數(shù)處的信號是以脈沖序列系統(tǒng)中有一處或數(shù)處的信號是以脈沖序列 或數(shù)字編碼形式出現(xiàn)的。離散系統(tǒng)包括采樣控制系統(tǒng)或數(shù)字編碼形式出現(xiàn)的。離散系統(tǒng)包括采樣控制系統(tǒng) 和數(shù)字控制系統(tǒng)。和數(shù)字控制系統(tǒng)。 l采樣控制系統(tǒng)采樣控制系統(tǒng)：系統(tǒng)中的連續(xù)信號被采樣成脈沖序列。系統(tǒng)中的連續(xù)信號被采樣成脈沖序列。 l數(shù)字控制系統(tǒng)

30、數(shù)字控制系統(tǒng)：系統(tǒng)中的連續(xù)信號被采樣后量化成數(shù)系統(tǒng)中的連續(xù)信號被采樣后量化成數(shù) 字信號。字信號。 2021-8-1第一講 緒論 43 數(shù)字控制系統(tǒng)實例 數(shù)控機床控制系統(tǒng)示意圖數(shù)控機床控制系統(tǒng)示意圖 2021-8-1第一講 緒論 44 對自動控制系統(tǒng)的基本要求 l對自動控制系統(tǒng)的基本要求 l穩(wěn)定性穩(wěn)定性 l穩(wěn)態(tài)精度穩(wěn)態(tài)精度 l動態(tài)品質動態(tài)品質 l魯棒性（穩(wěn)健性）魯棒性（穩(wěn)健性） l自動控制理論主要研究的問題 l分析分析 l綜合綜合 2021-8-1第一講 緒論 45 穩(wěn)定性 l穩(wěn)定性是指系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)下，受到擾動作用穩(wěn)定性是指系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)下，受到擾動作用 后，系統(tǒng)恢復原有平衡狀態(tài)的能力。后

31、，系統(tǒng)恢復原有平衡狀態(tài)的能力。 l穩(wěn)定是系統(tǒng)正常工作的前提。為了使系統(tǒng)在環(huán)境穩(wěn)定是系統(tǒng)正常工作的前提。為了使系統(tǒng)在環(huán)境 或參數(shù)變化時還能保持穩(wěn)定，在設計時還要留有或參數(shù)變化時還能保持穩(wěn)定，在設計時還要留有 一定的穩(wěn)定裕量。一定的穩(wěn)定裕量。 2021-8-1第一講 緒論 46 穩(wěn)態(tài)精度 l穩(wěn)態(tài)穩(wěn)態(tài)是指穩(wěn)定的系統(tǒng)在過渡過程（暫態(tài)）結束后所處是指穩(wěn)定的系統(tǒng)在過渡過程（暫態(tài)）結束后所處 的狀態(tài)。的狀態(tài)。 l穩(wěn)態(tài)精度穩(wěn)態(tài)精度常以穩(wěn)態(tài)誤差來衡量。穩(wěn)態(tài)誤差是指穩(wěn)態(tài)時常以穩(wěn)態(tài)誤差來衡量。穩(wěn)態(tài)誤差是指穩(wěn)態(tài)時 系統(tǒng)期望輸出量和實際輸出量之差。系統(tǒng)期望輸出量和實際輸出量之差。 l系統(tǒng)設計時希望穩(wěn)態(tài)誤差要小。系統(tǒng)設計

32、時希望穩(wěn)態(tài)誤差要小。 在恒值調(diào)速系統(tǒng)中，希望因負載擾動引起的穩(wěn)態(tài)誤 差的變動要盡量?。?在隨動系統(tǒng)中，希望輸出信號與輸入信號盡量一致。 2021-8-1第一講 緒論 47 動態(tài)品質 l動態(tài)品質通常用動態(tài)響應指標來衡量。動態(tài)品質通常用動態(tài)響應指標來衡量。 l動態(tài)響應指標動態(tài)響應指標是系統(tǒng)在單位階躍輸入及零初始條件下是系統(tǒng)在單位階躍輸入及零初始條件下 的一些指標，如調(diào)節(jié)時間、超調(diào)量、振蕩次數(shù)等，它的一些指標，如調(diào)節(jié)時間、超調(diào)量、振蕩次數(shù)等，它 們反映系統(tǒng)過渡過程性能的優(yōu)劣。們反映系統(tǒng)過渡過程性能的優(yōu)劣。 調(diào)節(jié)時間即過渡過程時間。 超調(diào)量即動態(tài)響應最大值超出穩(wěn)態(tài)值的部分相對于穩(wěn)態(tài)值的 百分數(shù)。 振蕩

33、次數(shù)即過渡過程中系統(tǒng)振蕩的次數(shù)。 l調(diào)節(jié)時間反映系統(tǒng)動態(tài)過程的快速性；超調(diào)量和振蕩調(diào)節(jié)時間反映系統(tǒng)動態(tài)過程的快速性；超調(diào)量和振蕩 次數(shù)反映系統(tǒng)過渡過程的平穩(wěn)性。次數(shù)反映系統(tǒng)過渡過程的平穩(wěn)性。 2021-8-1第一講 緒論 48 魯棒性（1） l魯棒性是指系統(tǒng)特性抵御各種攝動因素影響的能力。如魯棒性是指系統(tǒng)特性抵御各種攝動因素影響的能力。如 對抗系統(tǒng)結構不確定性、參數(shù)不確定性以及外界干擾的對抗系統(tǒng)結構不確定性、參數(shù)不確定性以及外界干擾的 能力。能力。 l引起系統(tǒng)結構變異或參數(shù)攝動的原因是多方面的，如由引起系統(tǒng)結構變異或參數(shù)攝動的原因是多方面的，如由 于對象的建模誤差、制造公差、元器件老化、零部件

34、磨于對象的建模誤差、制造公差、元器件老化、零部件磨 損和系統(tǒng)運行環(huán)境的變化等。損和系統(tǒng)運行環(huán)境的變化等。 l系統(tǒng)性能受參數(shù)攝動影響的屬性稱為系統(tǒng)的系統(tǒng)性能受參數(shù)攝動影響的屬性稱為系統(tǒng)的靈敏度靈敏度。如。如 果一個控制系統(tǒng)的靈敏度低，抗干擾性好，則稱該系統(tǒng)果一個控制系統(tǒng)的靈敏度低，抗干擾性好，則稱該系統(tǒng) 的魯棒性好。的魯棒性好。 2021-8-1第一講 緒論 49 魯棒性（2） l在多變量控制系統(tǒng)中，為實現(xiàn)最優(yōu)控制，往往采用在多變量控制系統(tǒng)中，為實現(xiàn)最優(yōu)控制，往往采用 綜合性的性能指標。綜合性的性能指標。 l根據(jù)不同系統(tǒng)的任務，選取的性能指標形式也不同。根據(jù)不同系統(tǒng)的任務，選取的性能指標形式也不

35、同。 l例如：在宇航技術中，不僅要求快速而準確地將運例如：在宇航技術中，不僅要求快速而準確地將運 載火箭送入新軌道，并且燃料消耗要最少，在性能載火箭送入新軌道，并且燃料消耗要最少，在性能 指標中就應包含對輸出誤差和對控制能量的要求。指標中就應包含對輸出誤差和對控制能量的要求。 2021-8-1第一講 緒論 50 自動控制理論主要研究的問題 l分析分析：在系統(tǒng)的結構和參數(shù)已經(jīng)確定的在系統(tǒng)的結構和參數(shù)已經(jīng)確定的 條件下，對系統(tǒng)的性能進行分析，并提條件下，對系統(tǒng)的性能進行分析，并提 出改善性能的途徑。出改善性能的途徑。 l綜合綜合：根據(jù)系統(tǒng)要實現(xiàn)的任務，給出穩(wěn)根據(jù)系統(tǒng)要實現(xiàn)的任務，給出穩(wěn) 態(tài)和動態(tài)性

36、能指標，要求組成一個系統(tǒng)，態(tài)和動態(tài)性能指標，要求組成一個系統(tǒng)， 并確定適當?shù)膮?shù)，使系統(tǒng)滿足給定的并確定適當?shù)膮?shù)，使系統(tǒng)滿足給定的 性能指標。性能指標。 2021-8-1第一講 緒論 51 自動控制理論的發(fā)展簡史（自動控制理論的發(fā)展簡史（1） l人類對反饋這一基本原理早有認識，并利用它創(chuàng)造了許多裝人類對反饋這一基本原理早有認識，并利用它創(chuàng)造了許多裝 置，如孵卵器、水利及風力磨坊的速度調(diào)節(jié)器等。置，如孵卵器、水利及風力磨坊的速度調(diào)節(jié)器等。 l1788年，年，James Watt發(fā)明的蒸汽機離心調(diào)速器是最早的自發(fā)明的蒸汽機離心調(diào)速器是最早的自 動控制系統(tǒng)。動控制系統(tǒng)。 l隨后，隨后，G. B.

37、Airy發(fā)現(xiàn)并首先討論了控制系統(tǒng)的不穩(wěn)定問題。發(fā)現(xiàn)并首先討論了控制系統(tǒng)的不穩(wěn)定問題。 l1868年，麥克斯威爾（年，麥克斯威爾（James Clerk Maxwell）發(fā)表了）發(fā)表了論論 調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器一文，系統(tǒng)研究了反饋控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題。一文，系統(tǒng)研究了反饋控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題。 l1877年勞斯（年勞斯（E. J. Routh）及）及1895年胡爾維茨（年胡爾維茨（A. Hurwitz)分別獨立地提出了穩(wěn)定性判據(jù)。分別獨立地提出了穩(wěn)定性判據(jù)。 2021-8-1第一講 緒論 52 自動控制理論的發(fā)展簡史（自動控制理論的發(fā)展簡史（2） l18771880年，俄國科學家發(fā)明了火炮隨動系統(tǒng)和飛行

38、器年，俄國科學家發(fā)明了火炮隨動系統(tǒng)和飛行器 駕駛系統(tǒng)。駕駛系統(tǒng)。 l1892年，李雅普諾夫（年，李雅普諾夫（A. M. Lyapunov）發(fā)表了）發(fā)表了論運動論運動 穩(wěn)定性的一般問題穩(wěn)定性的一般問題，全面論述了穩(wěn)定性問題，并為狀態(tài)變，全面論述了穩(wěn)定性問題，并為狀態(tài)變 量法控制理論打下了基礎。量法控制理論打下了基礎。 l1934年，海森（年，海森（H. L. Hazen)發(fā)表了發(fā)表了侍服機構理論侍服機構理論的重的重 要論文，第一次提出了自動控制系統(tǒng)的精確理論。要論文，第一次提出了自動控制系統(tǒng)的精確理論。 l主要研究和解決系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精度問題。主要研究和解決系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精度問題。 2021-8

39、-1第一講 緒論 53 自動控制理論的發(fā)展簡史（自動控制理論的發(fā)展簡史（3） l隨著武器的進化，要求控制系統(tǒng)能準確跟蹤變化的目標，從隨著武器的進化，要求控制系統(tǒng)能準確跟蹤變化的目標，從 而對自動控制系統(tǒng)的瞬態(tài)性能提出了要求。而設計具有高動而對自動控制系統(tǒng)的瞬態(tài)性能提出了要求。而設計具有高動 態(tài)品質和穩(wěn)態(tài)精度的控制系統(tǒng)所需的理論已在通訊工程領域態(tài)品質和穩(wěn)態(tài)精度的控制系統(tǒng)所需的理論已在通訊工程領域 中得到發(fā)展。中得到發(fā)展。 l為解決遠距離通訊的失真問題，為解決遠距離通訊的失真問題，1927年布萊克（年布萊克（H. S. Black） 發(fā)明了負反饋放大器，并發(fā)現(xiàn)了反饋系統(tǒng)的重要特性。發(fā)明了負反饋放大

40、器，并發(fā)現(xiàn)了反饋系統(tǒng)的重要特性。 l1932年，乃奎斯特（年，乃奎斯特（H. Nyquist）提出了乃奎斯特穩(wěn)定判據(jù)，）提出了乃奎斯特穩(wěn)定判據(jù)， 為頻率法奠定了基礎。為頻率法奠定了基礎。 l伯德（伯德（H. W. Bode）完善了分析控制系統(tǒng)的圖解法即頻率法。）完善了分析控制系統(tǒng)的圖解法即頻率法。 2021-8-1第一講 緒論 54 自動控制理論的發(fā)展簡史（自動控制理論的發(fā)展簡史（4） l1947年，美國麻省理工學院輻射實驗室的詹姆斯年，美國麻省理工學院輻射實驗室的詹姆斯 （James）、尼柯爾斯（）、尼柯爾斯（Nichols）和菲利普斯（）和菲利普斯（Philips） 將反饋放大器理論、過程

41、的將反饋放大器理論、過程的PID控制和隨機過程理論結合起控制和隨機過程理論結合起 來，形成一套侍服機構設計方法。來，形成一套侍服機構設計方法。 l1948年，伊萬斯（年，伊萬斯（W. R. Evans）又提出了根軌跡法。至此，）又提出了根軌跡法。至此， 控制理論的第一發(fā)展階段基本完成?？刂评碚摰牡谝话l(fā)展階段基本完成。 l以頻率法和根軌跡法為核心的控制理論稱為經(jīng)典控制理論。以頻率法和根軌跡法為核心的控制理論稱為經(jīng)典控制理論。 它特別適用于單輸入單輸出（它特別適用于單輸入單輸出（SISO）系統(tǒng)（僅有一個輸入）系統(tǒng)（僅有一個輸入 量和一個輸出量的系統(tǒng)），至今仍被廣泛而成功地應用于控量和一個輸出量的系

42、統(tǒng)），至今仍被廣泛而成功地應用于控 制領域中。制領域中。 2021-8-1第一講 緒論 55 自動控制理論的發(fā)展簡史（自動控制理論的發(fā)展簡史（5） l20世紀世紀60年代，由于宇航、軍工及過程控制方面的發(fā)展，出現(xiàn)年代，由于宇航、軍工及過程控制方面的發(fā)展，出現(xiàn) 了許多的多輸入多輸出（了許多的多輸入多輸出（MIMO）系統(tǒng)，它們具有變量多、變）系統(tǒng)，它們具有變量多、變 量相互間有耦合的特點，還具有非線性、時變特性，并且往往量相互間有耦合的特點，還具有非線性、時變特性，并且往往 要求系統(tǒng)能在一定的控制約束條件下達到性能指標最優(yōu)。要求系統(tǒng)能在一定的控制約束條件下達到性能指標最優(yōu)。 l對多輸入多輸出系統(tǒng)，經(jīng)典控制理論顯得無能為力。然而現(xiàn)代對多輸入多輸出系統(tǒng)，經(jīng)典控制理論顯得無能為力。然而現(xiàn)代 數(shù)學和計算技術的發(fā)展為控制理論的進一步發(fā)展準備了數(shù)學基數(shù)學和計算技術的發(fā)展為控制理論的進一步發(fā)展準備了數(shù)學基 礎和計算工具，從而促進了現(xiàn)代控制理論的形成和發(fā)展。礎和計算工具，從而促進了現(xiàn)代控制理論的形成和發(fā)展。 l現(xiàn)代控制理論的基本內(nèi)容有：美國貝爾曼（現(xiàn)代控制理論的基本內(nèi)容有：美國貝爾曼（Bellman）等人提）等人提 出的狀態(tài)空