第1章自動(dòng)控制系統(tǒng)的一般概念

1、第1章 自動(dòng)控制的一般概念 自動(dòng)控制理論自動(dòng)控制理論(Automatic Control Theory）主講：李廣強(qiáng)主講：李廣強(qiáng)船舶自動(dòng)化與仿真器研究所船舶自動(dòng)化與仿真器研究所科學(xué)會(huì)館科學(xué)會(huì)館 323#大連海事大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院大連海事大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院課程教材：課程教材： 國家級(jí)精品教材國家級(jí)精品教材 胡壽松胡壽松 主編主編.自動(dòng)控制原理自動(dòng)控制原理(第五版第五版). 北京北京: 科學(xué)科學(xué)出版社出版社. 參考書目：參考書目：1. 李友善李友善. 自動(dòng)控制原理自動(dòng)控制原理(第三版第三版).北京北京: 國防工業(yè)國防工業(yè)出版社出版社. 2. 吳麒吳麒. 自動(dòng)控制原理自動(dòng)控制原理. 北京北京:

2、清華大學(xué)出版社清華大學(xué)出版社.3. Katsuhiko Ogata(緒方勝彥緒方勝彥). Modern Control Engineering (Fourth edition). NJ: Prentice Hall 學(xué)時(shí)分配：學(xué)時(shí)分配：理論課理論課56學(xué)時(shí)，每周學(xué)時(shí)，每周4學(xué)時(shí)學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)課實(shí)驗(yàn)課8學(xué)時(shí)學(xué)時(shí) 考試辦法：考試辦法：平時(shí)成績平時(shí)成績(含實(shí)驗(yàn)含實(shí)驗(yàn))約占約占30期末考試成績約占期末考試成績約占70，閉卷筆試，閉卷筆試答疑時(shí)間和地點(diǎn)：周二下午答疑時(shí)間和地點(diǎn)：周二下午15:1517:00，科學(xué)會(huì)館，科學(xué)會(huì)館323#課程主要內(nèi)容：課程主要內(nèi)容：第一章第一章 自動(dòng)控制的一般概念自動(dòng)控制的一般概念

3、第二章第二章 控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型第三章第三章 線性系統(tǒng)的時(shí)域分析方法線性系統(tǒng)的時(shí)域分析方法第四章第四章 線性系統(tǒng)的根軌跡法線性系統(tǒng)的根軌跡法第五章第五章 線性系統(tǒng)的頻域分析法線性系統(tǒng)的頻域分析法第六章第六章 線性系統(tǒng)的校正方法線性系統(tǒng)的校正方法第七章第七章 線性離散系統(tǒng)的分析和校正線性離散系統(tǒng)的分析和校正第八章第八章 非線性控制系統(tǒng)分析非線性控制系統(tǒng)分析第九章第九章 線性系統(tǒng)的狀態(tài)空間分析和綜合線性系統(tǒng)的狀態(tài)空間分析和綜合 第1章 自動(dòng)控制的一般概念 第一章自動(dòng)控制的一般概念第一章自動(dòng)控制的一般概念The basic conception of Automatic contr

4、ol經(jīng)典控制理論經(jīng)典控制理論 classical control theory現(xiàn)代控制理論現(xiàn)代控制理論 modern control theory被控對(duì)象被控對(duì)象 controlled objective反饋反饋 feedback控制理論控制理論 control theory控制器控制器 controller控制系統(tǒng)控制系統(tǒng) control system 科技英語詞匯科技英語詞匯第1章 自動(dòng)控制的一般概念 自動(dòng)控制理論是控制類專業(yè)的重要理論基礎(chǔ)，自動(dòng)控制理論是控制類專業(yè)的重要理論基礎(chǔ)，專門研究有關(guān)自動(dòng)控制系統(tǒng)中的基本概念、基本專門研究有關(guān)自動(dòng)控制系統(tǒng)中的基本概念、基本原理和基本方法。本章介紹開

5、環(huán)控制和閉環(huán)控制原理和基本方法。本章介紹開環(huán)控制和閉環(huán)控制的概念，控制系統(tǒng)的基本原理和組成，控制系統(tǒng)的概念，控制系統(tǒng)的基本原理和組成，控制系統(tǒng)的類型，以及對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求等。的類型，以及對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求等。 內(nèi)內(nèi) 容容 提提 要要?dú)v史的回顧歷史的回顧地動(dòng)儀和指南車地動(dòng)儀和指南車歷史的回顧歷史的回顧瓦特的離心調(diào)速機(jī)瓦特的離心調(diào)速機(jī)(1788年年)歷史的回顧歷史的回顧1788年年，James Watt 為控制蒸汽機(jī)速度設(shè)計(jì)的離心調(diào)節(jié)器，為控制蒸汽機(jī)速度設(shè)計(jì)的離心調(diào)節(jié)器，是自動(dòng)控制領(lǐng)域的第一項(xiàng)重大成果。是自動(dòng)控制領(lǐng)域的第一項(xiàng)重大成果。1868年，年，J. C. Maxwell首先在首先在Pr

6、oceedings of the Royal Society of London第第16卷上發(fā)表了卷上發(fā)表了“論調(diào)速器論調(diào)速器”一文。自控理論開始一文。自控理論開始逐步形成。逐步形成。1884年，年，E. J. Routh提出了有關(guān)線性系統(tǒng)穩(wěn)定性的判據(jù)。提出了有關(guān)線性系統(tǒng)穩(wěn)定性的判據(jù)。1892年，俄國學(xué)者李雅普諾夫發(fā)表博士論文年，俄國學(xué)者李雅普諾夫發(fā)表博士論文“論運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性論運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性的一般問題的一般問題”，提出李雅普諾夫穩(wěn)定性理論。，提出李雅普諾夫穩(wěn)定性理論。1932年，年，Nyquist研制出電子管振蕩器，同時(shí)提出了著名的研制出電子管振蕩器，同時(shí)提出了著名的Nyquist穩(wěn)定性判據(jù)；此后穩(wěn)

7、定性判據(jù)；此后Bode總結(jié)出了負(fù)反饋放大器?？偨Y(jié)出了負(fù)反饋放大器。1934年，年，Hezen提出了用于位置控制系統(tǒng)的伺服機(jī)構(gòu)的概念，提出了用于位置控制系統(tǒng)的伺服機(jī)構(gòu)的概念，討論了可以精確跟蹤變化的輸入信號(hào)的機(jī)電伺服機(jī)構(gòu)。討論了可以精確跟蹤變化的輸入信號(hào)的機(jī)電伺服機(jī)構(gòu)。第二第二次世界大戰(zhàn)期間，美國次世界大戰(zhàn)期間，美國MIT伺服機(jī)構(gòu)試驗(yàn)室對(duì)以往的自動(dòng)調(diào)伺服機(jī)構(gòu)試驗(yàn)室對(duì)以往的自動(dòng)調(diào)節(jié)器與反饋放大器作了總結(jié)，提出了反饋控制的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。節(jié)器與反饋放大器作了總結(jié)，提出了反饋控制的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。1948年，年，N. Wiener發(fā)表了著名的控制論，形成了完發(fā)表了著名的控制論，形成了完整的經(jīng)典控制理論。整的經(jīng)典控

8、制理論。(Cybernetics,源于拉丁文源于拉丁文, 掌舵人掌舵人)1950年，年，W. R. Evans提出了根軌跡法，能簡便地尋找特提出了根軌跡法，能簡便地尋找特征方程的根，進(jìn)一步充實(shí)了經(jīng)典控制論。征方程的根，進(jìn)一步充實(shí)了經(jīng)典控制論。1954年，錢學(xué)森發(fā)表了名著工程控制論，對(duì)推動(dòng)我年，錢學(xué)森發(fā)表了名著工程控制論，對(duì)推動(dòng)我國控制理論的工程應(yīng)用起了很大的作用。國控制理論的工程應(yīng)用起了很大的作用。 以上主要為經(jīng)典控制部分以上主要為經(jīng)典控制部分20世紀(jì)世紀(jì)60年代，數(shù)字計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展為復(fù)雜系統(tǒng)年代，數(shù)字計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展為復(fù)雜系統(tǒng)的基于時(shí)域分析的的基于時(shí)域分析的現(xiàn)代控制理論現(xiàn)代控制理論

9、提供了可能。提供了可能。從從1960年至今，系統(tǒng)的最優(yōu)控制，魯棒控制及復(fù)雜系統(tǒng)年至今，系統(tǒng)的最優(yōu)控制，魯棒控制及復(fù)雜系統(tǒng)的自適應(yīng)控制和的自適應(yīng)控制和智能控制技術(shù)智能控制技術(shù)(20世紀(jì)世紀(jì)70年代后出現(xiàn)，包年代后出現(xiàn)，包括專家系統(tǒng)、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法等括專家系統(tǒng)、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法等) 等，等，都得到廣泛的發(fā)展和研究。都得到廣泛的發(fā)展和研究。歷史的回顧歷史的回顧 在現(xiàn)代控制理論發(fā)展中，特別應(yīng)該提到三位學(xué)者的重在現(xiàn)代控制理論發(fā)展中，特別應(yīng)該提到三位學(xué)者的重大貢獻(xiàn)：大貢獻(xiàn)：1956年，前蘇聯(lián)科學(xué)家龐特里亞金年，前蘇聯(lián)科學(xué)家龐特里亞金(Pontryagin) 提出的極提出的極小值原

10、理；小值原理；1957年，美國學(xué)者年，美國學(xué)者Bellman提出動(dòng)態(tài)規(guī)劃；提出動(dòng)態(tài)規(guī)劃；1960年，美國的年，美國的Kalman提出了提出了Kalman濾波理論和狀態(tài)空濾波理論和狀態(tài)空間分析方法；間分析方法；他們的工作對(duì)現(xiàn)代控制他們的工作對(duì)現(xiàn)代控制理論的建立有著特別重要的作用。理論的建立有著特別重要的作用。古典控制理論古典控制理論 以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)，主以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)，主要研究單輸入要研究單輸入-單輸出單輸出的一類線性定常控制系的一類線性定?？刂葡到y(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)問題。統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)問題。這些理論由于其發(fā)展較這些理論由于其發(fā)展較早，現(xiàn)已趨成熟。早，現(xiàn)已趨成熟。 現(xiàn)代控制理論現(xiàn)代控制理論 以狀態(tài)空

11、間法為基礎(chǔ)，以狀態(tài)空間法為基礎(chǔ)，主要研究多輸入主要研究多輸入-多輸出、多輸出、時(shí)變、非線性一類控制時(shí)變、非線性一類控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)問題。系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)問題。系統(tǒng)具有高精度、高性系統(tǒng)具有高精度、高性能、多耦合回路、多變能、多耦合回路、多變量的特點(diǎn)。量的特點(diǎn)?？刂评碚摰膭澐挚刂评碚摰膭澐講 1 1-1 -1 自動(dòng)控制的基本原理與方式自動(dòng)控制的基本原理與方式v 1 1-2 -2 自動(dòng)控制系統(tǒng)示例自動(dòng)控制系統(tǒng)示例v 1 1-3 -3 自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類 v 1 1-4 -4 自動(dòng)控制系統(tǒng)性能的基本要求自動(dòng)控制系統(tǒng)性能的基本要求 v 1 1-5 -5 自動(dòng)控制課程的主要任務(wù)、學(xué)習(xí)

12、方法自動(dòng)控制課程的主要任務(wù)、學(xué)習(xí)方法及自控系統(tǒng)分析設(shè)計(jì)工具簡介及自控系統(tǒng)分析設(shè)計(jì)工具簡介 v小結(jié)小結(jié) 本章內(nèi)容本章內(nèi)容1-1 自動(dòng)控制的基本原理與方式自動(dòng)控制的基本原理與方式 1 自動(dòng)控制技術(shù)及其應(yīng)用自動(dòng)控制技術(shù)及其應(yīng)用 自動(dòng)控制（自動(dòng)控制（Automatic control）指在沒有人直接參與的情指在沒有人直接參與的情況下，利用控制器況下，利用控制器(外加的設(shè)備或裝置外加的設(shè)備或裝置)使被控對(duì)象（如機(jī)器、使被控對(duì)象（如機(jī)器、設(shè)備和生產(chǎn)過程）的某個(gè)參數(shù)（或工作狀態(tài)，即被控量）能自設(shè)備和生產(chǎn)過程）的某個(gè)參數(shù)（或工作狀態(tài)，即被控量）能自動(dòng)按照預(yù)定的規(guī)律變化（或運(yùn)行）。動(dòng)按照預(yù)定的規(guī)律變化（或運(yùn)行）

13、。例子例子 宇宙飛船的太陽能電池板宇宙飛船的太陽能電池板 化學(xué)反應(yīng)爐的溫度或壓力自動(dòng)地維持恒定化學(xué)反應(yīng)爐的溫度或壓力自動(dòng)地維持恒定 數(shù)控車床按照預(yù)定程序自動(dòng)地切削加工工件數(shù)控車床按照預(yù)定程序自動(dòng)地切削加工工件自動(dòng)控制的作用自動(dòng)控制的作用 提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，改善生活質(zhì)量，探索未知世界提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，改善生活質(zhì)量，探索未知世界具有很高自動(dòng)化水平的化工廠具有很高自動(dòng)化水平的化工廠現(xiàn)代空間技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)代空間技術(shù)的發(fā)展數(shù)控機(jī)床數(shù)控機(jī)床汽車、船舶和飛機(jī)汽車、船舶和飛機(jī)第1章 自動(dòng)控制的一般概念 2 自動(dòng)控制理論自動(dòng)控制理論 自動(dòng)控制理論是研究自動(dòng)控制共同規(guī)律的自動(dòng)控制理論是研究自動(dòng)控制共同規(guī)律的( (技術(shù)技

14、術(shù)) )科學(xué)?？茖W(xué)。 從從物理角度物理角度上來看，自動(dòng)控制理論研究的是特定上來看，自動(dòng)控制理論研究的是特定激勵(lì)作用下的系統(tǒng)響應(yīng)變化情況；從激勵(lì)作用下的系統(tǒng)響應(yīng)變化情況；從數(shù)學(xué)角度數(shù)學(xué)角度上來看，上來看，研究的是輸入與輸出之間的映射關(guān)系；從研究的是輸入與輸出之間的映射關(guān)系；從信息處理信息處理的的角度來看，研究的是信息的獲取、處理、變換、輸出角度來看，研究的是信息的獲取、處理、變換、輸出等問題。等問題。 隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，自動(dòng)控制的概念也在擴(kuò)大，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，自動(dòng)控制的概念也在擴(kuò)大，政治、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)等各個(gè)領(lǐng)域也越來越多地被認(rèn)為與政治、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)等各個(gè)領(lǐng)域也越來越多地被認(rèn)為與自動(dòng)控制有關(guān)?，F(xiàn)

15、在已發(fā)展成為一門獨(dú)立的學(xué)科自動(dòng)控制有關(guān)?，F(xiàn)在已發(fā)展成為一門獨(dú)立的學(xué)科控控制論制論。其中包括：工程控制論、生物控制論和經(jīng)濟(jì)控。其中包括：工程控制論、生物控制論和經(jīng)濟(jì)控制論。制論。 自動(dòng)控制系統(tǒng)自動(dòng)控制系統(tǒng)：為了實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的控制任務(wù)，首：為了實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的控制任務(wù)，首先要將被控對(duì)象和控制裝置按照一定的方式連接起先要將被控對(duì)象和控制裝置按照一定的方式連接起來，組成一個(gè)有機(jī)整體，這就是自動(dòng)控制系統(tǒng)。來，組成一個(gè)有機(jī)整體，這就是自動(dòng)控制系統(tǒng)。3 反饋控制原理反饋控制原理(Feedback control theory) 反饋控制原理反饋控制原理：在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，控制裝置：在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，控制裝置(

16、 (控制控制器器) )對(duì)被控對(duì)象施加的控制作用，是取自被控量的反對(duì)被控對(duì)象施加的控制作用，是取自被控量的反饋信息饋信息, ,用來不斷修正被控量與輸入量之間的偏差用來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)行控制的任務(wù)，這就是反饋從而實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制的任務(wù)，這就是反饋控制的原理?？刂频脑?。（人工）反饋控制的例子（人工）反饋控制的例子 水池液面控制系統(tǒng)水池液面控制系統(tǒng) 自動(dòng)控制和人工控制的基本原理是相同的自動(dòng)控制和人工控制的基本原理是相同的, ,它們都是建立它們都是建立在在“測(cè)量偏差測(cè)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(cè)量偏差并且為了測(cè)量偏差,

17、,必須必須把系統(tǒng)的實(shí)際輸出反饋到輸入端。自動(dòng)控制和人工控制的區(qū)別把系統(tǒng)的實(shí)際輸出反饋到輸入端。自動(dòng)控制和人工控制的區(qū)別在于自動(dòng)控制用控制器代替人完成控制。在于自動(dòng)控制用控制器代替人完成控制。 人在參與控制中起了以下三方面的作用：人在參與控制中起了以下三方面的作用： 1) 測(cè)量實(shí)際液面高度測(cè)量實(shí)際液面高度h1用眼睛。用眼睛。 2) 將測(cè)得實(shí)際液面將測(cè)得實(shí)際液面h1與希望液面的高度與希望液面的高度h0相比相比較較用腦。用腦。 3) 根據(jù)比較的結(jié)果，即按照偏差的正負(fù)去決定根據(jù)比較的結(jié)果，即按照偏差的正負(fù)去決定的動(dòng)作的動(dòng)作用手。用手。抽象成控制系統(tǒng)方塊圖抽象成控制系統(tǒng)方塊圖液面（人工）反饋控制系統(tǒng)的框

18、圖液面（人工）反饋控制系統(tǒng)的框圖- - 把取出輸出量送回到輸入端，并與輸入信號(hào)相比較產(chǎn)把取出輸出量送回到輸入端，并與輸入信號(hào)相比較產(chǎn)生偏差信號(hào)的過程，稱為生偏差信號(hào)的過程，稱為反饋反饋。若反饋的信號(hào)是與輸入信。若反饋的信號(hào)是與輸入信號(hào)相減，使產(chǎn)生的偏差越來越小，則稱為號(hào)相減，使產(chǎn)生的偏差越來越小，則稱為負(fù)反饋負(fù)反饋；反之，；反之，則稱為則稱為正反饋正反饋。反饋控制就是采用負(fù)反饋并利用偏差進(jìn)行。反饋控制就是采用負(fù)反饋并利用偏差進(jìn)行控制的過程，而且，由于引入了被控量的反饋信息，整個(gè)控制的過程，而且，由于引入了被控量的反饋信息，整個(gè)控制過程成為控制過程成為閉合閉合過程，因此反饋控制也稱過程，因此反饋

19、控制也稱閉環(huán)控制閉環(huán)控制。 在工程實(shí)踐中在工程實(shí)踐中, , 為了實(shí)現(xiàn)上述對(duì)被控對(duì)象的反饋控制為了實(shí)現(xiàn)上述對(duì)被控對(duì)象的反饋控制, ,系統(tǒng)中必須配置具有人的眼睛、大腦和手臂功能的設(shè)備，系統(tǒng)中必須配置具有人的眼睛、大腦和手臂功能的設(shè)備，以便用來對(duì)被控量進(jìn)行測(cè)量、反饋和比較，并按偏差進(jìn)行以便用來對(duì)被控量進(jìn)行測(cè)量、反饋和比較，并按偏差進(jìn)行控制。這些設(shè)備依其功能分別稱為控制。這些設(shè)備依其功能分別稱為測(cè)量元件、比較元件和測(cè)量元件、比較元件和執(zhí)行元件執(zhí)行元件，并統(tǒng)稱為，并統(tǒng)稱為控制裝置控制裝置。液位液位( (自動(dòng)自動(dòng)) )反饋控制系統(tǒng)反饋控制系統(tǒng)液位自動(dòng)控制系統(tǒng)原理方框圖液位自動(dòng)控制系統(tǒng)原理方框圖以液位以液位

20、(自動(dòng)自動(dòng))反饋控制系統(tǒng)反饋控制系統(tǒng)(Feedback control system)為例說明：為例說明：測(cè)量元件測(cè)量元件浮子和杠桿；浮子和杠桿；給定元件給定元件（實(shí)際上是）電位器中點(diǎn)（給出與期望的被控量相對(duì)（實(shí)際上是）電位器中點(diǎn)（給出與期望的被控量相對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)輸入量）；應(yīng)的系統(tǒng)輸入量）；比較元件比較元件電位器電位器 （求浮子的希望位置與實(shí)際位置之偏差）；（求浮子的希望位置與實(shí)際位置之偏差）；放大元件放大元件放大器（當(dāng)測(cè)量元件測(cè)得的信號(hào)與給定信號(hào)比較后得放大器（當(dāng)測(cè)量元件測(cè)得的信號(hào)與給定信號(hào)比較后得到的偏差信號(hào)不足以使執(zhí)行元件動(dòng)作時(shí)，一般都需要放大元件進(jìn)到的偏差信號(hào)不足以使執(zhí)行元件動(dòng)作時(shí)，一般

21、都需要放大元件進(jìn)行電壓和功率放大，來推動(dòng)執(zhí)行元件去控制被控對(duì)象）；行電壓和功率放大，來推動(dòng)執(zhí)行元件去控制被控對(duì)象）；執(zhí)行元件執(zhí)行元件電機(jī)和閥電機(jī)和閥（直接驅(qū)動(dòng)被控對(duì)象，以改變被控制量）；直接驅(qū)動(dòng)被控對(duì)象，以改變被控制量）；校正元件校正元件（補(bǔ)償元件）（補(bǔ)償元件）為了改善控制系統(tǒng)的動(dòng)、穩(wěn)態(tài)性能通常為了改善控制系統(tǒng)的動(dòng)、穩(wěn)態(tài)性能通常還在系統(tǒng)中加上某種形式的校正裝置。還在系統(tǒng)中加上某種形式的校正裝置。 一個(gè)一個(gè)反饋控制反饋控制系統(tǒng)必然包含系統(tǒng)必然包含被控對(duì)象被控對(duì)象和和控制裝置控制裝置兩大部分，兩大部分，而控制裝置是由具有一定職能的各種而控制裝置是由具有一定職能的各種基本元件基本元件組成的。組成的。

22、4 . 反饋控制系統(tǒng)的基本組成反饋控制系統(tǒng)的基本組成 圖中圖中“”代表比較點(diǎn)代表比較點(diǎn)( (元件元件) )，將測(cè)量元件檢測(cè)到的被控量與，將測(cè)量元件檢測(cè)到的被控量與參據(jù)量進(jìn)行比較，參據(jù)量進(jìn)行比較，“”“”號(hào)表示兩者符號(hào)相反，即負(fù)反饋；號(hào)表示兩者符號(hào)相反，即負(fù)反饋；“”號(hào)（可省略號(hào)（可省略）表示兩者符號(hào)相同，即正反饋。表示兩者符號(hào)相同，即正反饋。 信號(hào)從輸入端沿箭頭方向到達(dá)輸出端的傳輸通路稱信號(hào)從輸入端沿箭頭方向到達(dá)輸出端的傳輸通路稱前向通路前向通路；系統(tǒng)輸出量經(jīng)測(cè)量元件反饋到輸入端的傳輸通路稱系統(tǒng)輸出量經(jīng)測(cè)量元件反饋到輸入端的傳輸通路稱主反饋通路主反饋通路。前。前向通路與主反饋通路共同構(gòu)成向通路

23、與主反饋通路共同構(gòu)成主回路主回路。此外，還有。此外，還有局部反饋通路局部反饋通路以以及由它構(gòu)成的及由它構(gòu)成的內(nèi)回路內(nèi)回路。只包含一個(gè)主反饋通路的系統(tǒng)稱。只包含一個(gè)主反饋通路的系統(tǒng)稱單回路系統(tǒng)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)多回路系統(tǒng)。反饋控制系統(tǒng)基本組成反饋控制系統(tǒng)基本組成 加到控制系統(tǒng)上的外作用有加到控制系統(tǒng)上的外作用有兩種兩種類型，一種是有用類型，一種是有用輸入輸入，一種是一種是擾動(dòng)擾動(dòng)。有用輸入決定系統(tǒng)被控量的變化規(guī)律；而擾動(dòng)是。有用輸入決定系統(tǒng)被控量的變化規(guī)律；而擾動(dòng)是系統(tǒng)不希望有的外作用，它破壞有用輸入對(duì)系統(tǒng)的控制。在實(shí)系統(tǒng)不希望

24、有的外作用，它破壞有用輸入對(duì)系統(tǒng)的控制。在實(shí)際系統(tǒng)中，擾動(dòng)總是際系統(tǒng)中，擾動(dòng)總是不可避免不可避免的。如電源電壓的波動(dòng)，環(huán)境溫的。如電源電壓的波動(dòng)，環(huán)境溫度、壓力以及負(fù)載的變化等。度、壓力以及負(fù)載的變化等?；拘g(shù)語基本術(shù)語5. 控制系統(tǒng)的基本控制方式控制系統(tǒng)的基本控制方式 反饋控制（閉環(huán)控制）是自控系統(tǒng)最基本的控制方式，反饋控制（閉環(huán)控制）是自控系統(tǒng)最基本的控制方式，應(yīng)用最廣。除此之外，還有開環(huán)控制方式和復(fù)合控制方式應(yīng)用最廣。除此之外，還有開環(huán)控制方式和復(fù)合控制方式. . 反饋反饋( (閉環(huán)閉環(huán)) ) 控制：指控制器與控制對(duì)象之間既有順向作控制：指控制器與控制對(duì)象之間既有順向作用又有反向聯(lián)系的控

25、制過程。用又有反向聯(lián)系的控制過程。反饋控制方式是按反饋控制方式是按偏差偏差進(jìn)行控制進(jìn)行控制的，特點(diǎn)是不論什么原因使被控量偏離期望值而出現(xiàn)偏差時(shí)，的，特點(diǎn)是不論什么原因使被控量偏離期望值而出現(xiàn)偏差時(shí)，必定會(huì)產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)的控制作用去必定會(huì)產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)的控制作用去減小或消除減小或消除這個(gè)偏差，使被這個(gè)偏差，使被控量與期望值趨于一致。反饋控制系統(tǒng)，具有控量與期望值趨于一致。反饋控制系統(tǒng)，具有抑制內(nèi)、外擾動(dòng)抑制內(nèi)、外擾動(dòng)對(duì)被控量產(chǎn)生影響的能力，有對(duì)被控量產(chǎn)生影響的能力，有較高的控制精度較高的控制精度。但這種系統(tǒng)使。但這種系統(tǒng)使用元件較多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，系統(tǒng)的性能分析和設(shè)計(jì)也較麻煩。用元件較多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，系統(tǒng)

26、的性能分析和設(shè)計(jì)也較麻煩。 開環(huán)控制：指控制器與控制對(duì)象之間只有順向作用而沒有反開環(huán)控制：指控制器與控制對(duì)象之間只有順向作用而沒有反向聯(lián)系的控制過程。向聯(lián)系的控制過程。特點(diǎn)是系統(tǒng)的輸出量不會(huì)對(duì)系統(tǒng)的控制作特點(diǎn)是系統(tǒng)的輸出量不會(huì)對(duì)系統(tǒng)的控制作用發(fā)生影響。開環(huán)控制系統(tǒng)可以用發(fā)生影響。開環(huán)控制系統(tǒng)可以按給定量控制按給定量控制方式組成方式組成，也可，也可以以按擾動(dòng)控制按擾動(dòng)控制方式組成方式組成。 按給定量控制的開環(huán)控制系統(tǒng)，其控制作用直接由系統(tǒng)的輸入量產(chǎn)生按給定量控制的開環(huán)控制系統(tǒng)，其控制作用直接由系統(tǒng)的輸入量產(chǎn)生, ,給定一個(gè)輸入量，就有一個(gè)輸出量與之相對(duì)應(yīng)，控制精度完全取決于所用給定一個(gè)輸入量，就

27、有一個(gè)輸出量與之相對(duì)應(yīng)，控制精度完全取決于所用的元件及校準(zhǔn)的精度。沒有自動(dòng)修正偏差的能力，抗擾動(dòng)性較差。但其結(jié)的元件及校準(zhǔn)的精度。沒有自動(dòng)修正偏差的能力，抗擾動(dòng)性較差。但其結(jié)構(gòu)簡單、成本低，適用于在精度要求不高或擾動(dòng)影響較小的場(chǎng)合。構(gòu)簡單、成本低，適用于在精度要求不高或擾動(dòng)影響較小的場(chǎng)合。 按擾動(dòng)控制的開環(huán)控制系統(tǒng)，是利用可測(cè)量的擾動(dòng)量，產(chǎn)生一種補(bǔ)償按擾動(dòng)控制的開環(huán)控制系統(tǒng)，是利用可測(cè)量的擾動(dòng)量，產(chǎn)生一種補(bǔ)償作用，以減小或抵消擾動(dòng)對(duì)輸出量的影響，這種控制方式也稱作用，以減小或抵消擾動(dòng)對(duì)輸出量的影響，這種控制方式也稱順饋控制順饋控制。 如在直流電機(jī)速度控制系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)速常隨負(fù)載的增加而下如在直流電

28、機(jī)速度控制系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)速常隨負(fù)載的增加而下降，且其轉(zhuǎn)速的下降是由于電樞回路的電壓降引起的。如果設(shè)降，且其轉(zhuǎn)速的下降是由于電樞回路的電壓降引起的。如果設(shè)法將負(fù)載引起的電流變化測(cè)量出來，并按其大小產(chǎn)生一個(gè)附加法將負(fù)載引起的電流變化測(cè)量出來，并按其大小產(chǎn)生一個(gè)附加的控制作用，用以補(bǔ)償由它引起的轉(zhuǎn)速下降，這樣就可以構(gòu)成的控制作用，用以補(bǔ)償由它引起的轉(zhuǎn)速下降，這樣就可以構(gòu)成按擾動(dòng)控制的開環(huán)控制系統(tǒng)。按擾動(dòng)控制的開環(huán)控制系統(tǒng)。 此控制方式是此控制方式是直接從直接從擾動(dòng)取得信息擾動(dòng)取得信息，并據(jù)以，并據(jù)以改變被控量，因此抗擾改變被控量，因此抗擾動(dòng)性好，精度也較高，動(dòng)性好，精度也較高，但但只適用于擾動(dòng)是可測(cè)只適

29、用于擾動(dòng)是可測(cè)量的場(chǎng)合量的場(chǎng)合。 復(fù)合控制：復(fù)合控制：綜上綜上, , 較合理的控制方式是把按偏差控制與按擾較合理的控制方式是把按偏差控制與按擾動(dòng)控制結(jié)合起來，對(duì)于主要擾動(dòng)采用適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償裝置實(shí)現(xiàn)按擾動(dòng)控制結(jié)合起來，對(duì)于主要擾動(dòng)采用適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償裝置實(shí)現(xiàn)按擾動(dòng)控制，同時(shí)再組成反饋控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)按偏差控制，以消除其動(dòng)控制，同時(shí)再組成反饋控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)按偏差控制，以消除其余擾動(dòng)產(chǎn)生的偏差。這樣，系統(tǒng)的主要擾動(dòng)已被補(bǔ)償，反饋控余擾動(dòng)產(chǎn)生的偏差。這樣，系統(tǒng)的主要擾動(dòng)已被補(bǔ)償，反饋控制系統(tǒng)就比較容易設(shè)計(jì)，控制效果也更好。這種制系統(tǒng)就比較容易設(shè)計(jì)，控制效果也更好。這種開環(huán)和閉環(huán)控開環(huán)和閉環(huán)控制相結(jié)合制相結(jié)合的控制方式

30、稱為的控制方式稱為復(fù)合控制復(fù)合控制。按輸入補(bǔ)償?shù)膹?fù)合控制按輸入補(bǔ)償?shù)膹?fù)合控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的復(fù)合控制系統(tǒng)電機(jī)轉(zhuǎn)速的復(fù)合控制系統(tǒng)原理線路圖和方塊圖原理線路圖和方塊圖1-2 自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)例自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)例 1. 飛機(jī)飛機(jī)-自動(dòng)駕駛儀系統(tǒng)自動(dòng)駕駛儀系統(tǒng)飛機(jī)與自動(dòng)駕駛儀組成的自動(dòng)飛機(jī)與自動(dòng)駕駛儀組成的自動(dòng)控制系統(tǒng)稱為飛機(jī)控制系統(tǒng)稱為飛機(jī)- -自動(dòng)駕駛自動(dòng)駕駛儀系統(tǒng)。它是一種能保持或改儀系統(tǒng)。它是一種能保持或改變飛機(jī)飛行狀態(tài)的自動(dòng)裝置。變飛機(jī)飛行狀態(tài)的自動(dòng)裝置。 系統(tǒng)穩(wěn)定俯仰角的原理：垂直陀螺儀為測(cè)量元件用以測(cè)量飛機(jī)的俯系統(tǒng)穩(wěn)定俯仰角的原理：垂直陀螺儀為測(cè)量元件用以測(cè)量飛機(jī)的俯仰角，當(dāng)飛機(jī)以給定俯仰角水平飛

31、行時(shí)，陀螺儀電位器無電壓輸出；如仰角，當(dāng)飛機(jī)以給定俯仰角水平飛行時(shí)，陀螺儀電位器無電壓輸出；如果飛機(jī)受到擾動(dòng)，使俯仰角向下偏離期望值，陀螺儀電位器輸出與俯仰果飛機(jī)受到擾動(dòng)，使俯仰角向下偏離期望值，陀螺儀電位器輸出與俯仰角偏差成正比的信號(hào)，經(jīng)放大器放大后驅(qū)動(dòng)舵機(jī)，一方面推動(dòng)升降舵面角偏差成正比的信號(hào)，經(jīng)放大器放大后驅(qū)動(dòng)舵機(jī)，一方面推動(dòng)升降舵面向上偏轉(zhuǎn)，產(chǎn)生使飛機(jī)抬頭的轉(zhuǎn)矩，以減小俯仰角偏差；同時(shí)還帶動(dòng)反向上偏轉(zhuǎn)，產(chǎn)生使飛機(jī)抬頭的轉(zhuǎn)矩，以減小俯仰角偏差；同時(shí)還帶動(dòng)反饋電位器滑臂，輸出與舵偏角成正比的電壓并反饋到輸入端。隨著俯仰饋電位器滑臂，輸出與舵偏角成正比的電壓并反饋到輸入端。隨著俯仰角偏差的減

32、小，陀螺儀電位器輸出信號(hào)越來越小，舵偏角也隨之減小，角偏差的減小，陀螺儀電位器輸出信號(hào)越來越小，舵偏角也隨之減小，直到俯仰角回到期望值。直到俯仰角回到期望值。 飛機(jī)飛機(jī)- -自動(dòng)駕駛儀系統(tǒng)穩(wěn)定俯仰角的系統(tǒng)方塊圖。圖中自動(dòng)駕駛儀系統(tǒng)穩(wěn)定俯仰角的系統(tǒng)方塊圖。圖中飛機(jī)是被控對(duì)象，俯仰角是被控量，放大器、舵機(jī)、垂直陀飛機(jī)是被控對(duì)象，俯仰角是被控量，放大器、舵機(jī)、垂直陀螺儀、反饋電位器等是控制裝置，即自動(dòng)駕駛儀。參據(jù)量是螺儀、反饋電位器等是控制裝置，即自動(dòng)駕駛儀。參據(jù)量是給定的常值俯仰角，控制系統(tǒng)的任務(wù)就是在任何擾動(dòng)（如陣給定的常值俯仰角，控制系統(tǒng)的任務(wù)就是在任何擾動(dòng)（如陣風(fēng)或氣流沖擊）作用下，始終保持

33、飛機(jī)以給定俯仰角飛行。風(fēng)或氣流沖擊）作用下，始終保持飛機(jī)以給定俯仰角飛行。2. 電阻爐微型計(jì)算機(jī)溫度控制系統(tǒng)電阻爐微型計(jì)算機(jī)溫度控制系統(tǒng) 電阻絲通過晶閘管主電路加熱，爐溫期望值用計(jì)算機(jī)鍵盤預(yù)先設(shè)電阻絲通過晶閘管主電路加熱，爐溫期望值用計(jì)算機(jī)鍵盤預(yù)先設(shè)置置(不一定是常值不一定是常值)，爐溫實(shí)際值由熱電偶檢測(cè)，并轉(zhuǎn)換成電壓，經(jīng)放大、，爐溫實(shí)際值由熱電偶檢測(cè)，并轉(zhuǎn)換成電壓，經(jīng)放大、濾波后，由濾波后，由 AD變換器將模擬量變換為數(shù)字量送入計(jì)算機(jī)變換器將模擬量變換為數(shù)字量送入計(jì)算機(jī), 在計(jì)算機(jī)在計(jì)算機(jī)中與所設(shè)置的溫度期望值比較后產(chǎn)生偏差信號(hào)，計(jì)算機(jī)便根據(jù)預(yù)定的中與所設(shè)置的溫度期望值比較后產(chǎn)生偏差信號(hào)，計(jì)

34、算機(jī)便根據(jù)預(yù)定的控制算法控制算法( (即控制規(guī)律即控制規(guī)律) )計(jì)算出相應(yīng)的控制量，再經(jīng)計(jì)算出相應(yīng)的控制量，再經(jīng)DA變換器變換成變換器變換成電流，通過觸發(fā)器控制晶閘管導(dǎo)通角，從而改變電阻絲中電流大小，電流，通過觸發(fā)器控制晶閘管導(dǎo)通角，從而改變電阻絲中電流大小，達(dá)到控制爐溫的目的。達(dá)到控制爐溫的目的。3. 磁盤驅(qū)動(dòng)讀取系統(tǒng)磁盤驅(qū)動(dòng)讀取系統(tǒng)目標(biāo)是將磁頭準(zhǔn)確定位，以正確讀取磁道上目標(biāo)是將磁頭準(zhǔn)確定位，以正確讀取磁道上信息。需進(jìn)行精確控制的變量是安裝在滑動(dòng)信息。需進(jìn)行精確控制的變量是安裝在滑動(dòng)簧片上的磁頭位置。磁盤旋轉(zhuǎn)速度在簧片上的磁頭位置。磁盤旋轉(zhuǎn)速度在18007200r/min，磁頭位置精度要求為

35、，磁頭位置精度要求為lm，且磁，且磁頭由磁道頭由磁道a移動(dòng)到磁道移動(dòng)到磁道b的時(shí)間小于的時(shí)間小于50ms。按控制方式可分為：開環(huán)控制、反饋控制、復(fù)合控制等按控制方式可分為：開環(huán)控制、反饋控制、復(fù)合控制等按元件類型可分為：機(jī)械系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、機(jī)電系統(tǒng)、液按元件類型可分為：機(jī)械系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、機(jī)電系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、氣動(dòng)系統(tǒng)、生物系統(tǒng)等壓系統(tǒng)、氣動(dòng)系統(tǒng)、生物系統(tǒng)等按系統(tǒng)功用可分為：溫度控制系統(tǒng)、壓力控制系統(tǒng)、位置按系統(tǒng)功用可分為：溫度控制系統(tǒng)、壓力控制系統(tǒng)、位置控制系統(tǒng)等控制系統(tǒng)等按系統(tǒng)性能分類：按系統(tǒng)性能分類：1 1）線性自動(dòng)控制系統(tǒng)：）線性自動(dòng)控制系統(tǒng)：線性定常線性定常自動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)；線性時(shí)變自

36、動(dòng)控制系統(tǒng)；控制系統(tǒng)；線性時(shí)變自動(dòng)控制系統(tǒng)；2 2）非線性自動(dòng)控制）非線性自動(dòng)控制系統(tǒng)系統(tǒng)按系統(tǒng)中傳遞信號(hào)的性質(zhì)分類：按系統(tǒng)中傳遞信號(hào)的性質(zhì)分類：1 1）連續(xù)系統(tǒng)；）連續(xù)系統(tǒng)；2 2）離散系）離散系統(tǒng)（離散信號(hào)）統(tǒng)（離散信號(hào)）按參據(jù)量變化規(guī)律分類：按參據(jù)量變化規(guī)律分類：1 1）鎮(zhèn)定系統(tǒng)（恒值控制系統(tǒng)或）鎮(zhèn)定系統(tǒng)（恒值控制系統(tǒng)或調(diào)節(jié)器）；調(diào)節(jié)器）； 2 2）程序控制系統(tǒng)）程序控制系統(tǒng)；3 3）隨動(dòng)系統(tǒng)）隨動(dòng)系統(tǒng)( (跟蹤系統(tǒng)跟蹤系統(tǒng)) )這類系統(tǒng)可以用線性微分方程式描述這類系統(tǒng)可以用線性微分方程式描述, ,其一般形式為其一般形式為)()()()()()()()(1111011110trbtrdt

37、dbtrdtdbtrdtdbtcatcdtdatcdtdatcdtdammmmmmnnnnnn式中式中,c(t)是被控量是被控量,r(t)是輸入量是輸入量.系數(shù)系數(shù)a0,a1,an；b0,b1,bm是是常數(shù)時(shí)常數(shù)時(shí),稱為稱為定常系統(tǒng)定常系統(tǒng);系數(shù)系數(shù)a0,a1,an；b0,b1,bm隨時(shí)間變化隨時(shí)間變化時(shí)時(shí),稱為稱為時(shí)變系統(tǒng)時(shí)變系統(tǒng).1. 線性連續(xù)控制系統(tǒng)線性連續(xù)控制系統(tǒng)以下簡介按參據(jù)量變化規(guī)律劃分的三類系統(tǒng)以下簡介按參據(jù)量變化規(guī)律劃分的三類系統(tǒng) 隨動(dòng)系統(tǒng)隨動(dòng)系統(tǒng)(跟蹤系統(tǒng)跟蹤系統(tǒng) 伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng),被控量為機(jī)械位置或其導(dǎo)數(shù)被控量為機(jī)械位置或其導(dǎo)數(shù)) 輸入信號(hào)是時(shí)間的任意函數(shù)，其變化規(guī)律事先不

38、知道。系統(tǒng)要求輸入信號(hào)是時(shí)間的任意函數(shù)，其變化規(guī)律事先不知道。系統(tǒng)要求輸出量以盡可能小的誤差跟隨輸入信號(hào)的變化。系統(tǒng)分析設(shè)計(jì)的重點(diǎn)輸出量以盡可能小的誤差跟隨輸入信號(hào)的變化。系統(tǒng)分析設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是研究被控量跟隨的是研究被控量跟隨的快速性和準(zhǔn)確性快速性和準(zhǔn)確性。如火炮控制系統(tǒng)。如火炮控制系統(tǒng)。 程序控制系統(tǒng)程序控制系統(tǒng)(過程控制系統(tǒng)過程控制系統(tǒng)) 系統(tǒng)的輸入信號(hào)是按預(yù)定規(guī)律隨時(shí)間變化的函數(shù)系統(tǒng)的輸入信號(hào)是按預(yù)定規(guī)律隨時(shí)間變化的函數(shù), ,要求被控量迅要求被控量迅速、準(zhǔn)確地加以速、準(zhǔn)確地加以復(fù)現(xiàn)復(fù)現(xiàn)。如機(jī)械加工使用的數(shù)控機(jī)床。如機(jī)械加工使用的數(shù)控機(jī)床。 恒值控制系統(tǒng)恒值控制系統(tǒng)(鎮(zhèn)定系統(tǒng)鎮(zhèn)定系統(tǒng),調(diào)節(jié)器

39、調(diào)節(jié)器) 輸入信號(hào)是恒定常值，要求被控量也是一個(gè)與之對(duì)應(yīng)的常值，輸入信號(hào)是恒定常值，要求被控量也是一個(gè)與之對(duì)應(yīng)的常值，當(dāng)外界有擾動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)偏差產(chǎn)生控制作用當(dāng)外界有擾動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)偏差產(chǎn)生控制作用, ,使被控量保持為恒定使被控量保持為恒定的希望值。如液位控制系統(tǒng)。系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是研究擾動(dòng)對(duì)的希望值。如液位控制系統(tǒng)。系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是研究擾動(dòng)對(duì)被控對(duì)象的影響及抗擾動(dòng)的措施。被控對(duì)象的影響及抗擾動(dòng)的措施。 程序控制系統(tǒng)和隨動(dòng)系統(tǒng)的參據(jù)量都是時(shí)間函數(shù)，不同之處在于前程序控制系統(tǒng)和隨動(dòng)系統(tǒng)的參據(jù)量都是時(shí)間函數(shù)，不同之處在于前者是者是已知已知的時(shí)間函數(shù)，后者則是的時(shí)間函數(shù)，后者則是未知未知的

40、任意時(shí)間函數(shù)，而恒值控制系統(tǒng)的任意時(shí)間函數(shù)，而恒值控制系統(tǒng)也可視為程序控制系統(tǒng)的也可視為程序控制系統(tǒng)的特例特例。2. 線性定常離散系統(tǒng)線性定常離散系統(tǒng) 離散系統(tǒng)指系統(tǒng)的某處或多處的信號(hào)為脈沖序列或數(shù)碼形式離散系統(tǒng)指系統(tǒng)的某處或多處的信號(hào)為脈沖序列或數(shù)碼形式, ,因而信號(hào)在時(shí)間上是離散的因而信號(hào)在時(shí)間上是離散的. .連續(xù)信號(hào)經(jīng)連續(xù)信號(hào)經(jīng)采樣采樣可轉(zhuǎn)換成離散信號(hào)可轉(zhuǎn)換成離散信號(hào). . 一般一般, ,在離散系統(tǒng)中既有連續(xù)的模擬信號(hào)在離散系統(tǒng)中既有連續(xù)的模擬信號(hào), ,也有離散的數(shù)也有離散的數(shù)字信號(hào)。因此字信號(hào)。因此, ,離散系統(tǒng)要用離散系統(tǒng)要用差分方程差分方程來描述來描述. .線性差分方程線性差分方程

41、的一般形式為的一般形式為)() 1() 1()()() 1() 1()(110110krbkrbmkrbmkrbkcakcankcankcammnn式中式中, mn, n為差分方程的次數(shù)為差分方程的次數(shù),a0,a1,an；b0,b1,bm為常系數(shù)為常系數(shù), r(k),c(k)分別為輸入和輸出采樣序列分別為輸入和輸出采樣序列. 工業(yè)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)就是典型的離散系統(tǒng)，如前述的爐工業(yè)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)就是典型的離散系統(tǒng)，如前述的爐溫微機(jī)控制系統(tǒng)等。溫微機(jī)控制系統(tǒng)等。3. 非線性控制系統(tǒng)非線性控制系統(tǒng) 系統(tǒng)中只要有一個(gè)元部件的輸入系統(tǒng)中只要有一個(gè)元部件的輸入-輸出特性是非線性的輸出特性是非線性的,這類系統(tǒng)

42、就稱為非線性系統(tǒng)這類系統(tǒng)就稱為非線性系統(tǒng).這時(shí)這時(shí),要用非線性微分要用非線性微分(或差分或差分)方程來描述其特性方程來描述其特性. 非線性方程的特點(diǎn)是非線性方程的特點(diǎn)是系數(shù)與變量有關(guān)系數(shù)與變量有關(guān), ,或者或者方程中含有變方程中含有變量及其導(dǎo)數(shù)的高次冪或乘積項(xiàng)量及其導(dǎo)數(shù)的高次冪或乘積項(xiàng), ,例如例如)()()()()(2trtytytyty 嚴(yán)格地說嚴(yán)格地說, ,實(shí)際的控制系統(tǒng)都是非線性系統(tǒng)實(shí)際的控制系統(tǒng)都是非線性系統(tǒng). .但對(duì)于非線性程但對(duì)于非線性程度不太嚴(yán)重的元部件度不太嚴(yán)重的元部件, ,可采用在一定范圍內(nèi)線性化的方法可采用在一定范圍內(nèi)線性化的方法, ,從而將從而將非線性系統(tǒng)近似為線性控制

43、系統(tǒng)非線性系統(tǒng)近似為線性控制系統(tǒng). . 由于非線性方程在數(shù)學(xué)處理上較困難由于非線性方程在數(shù)學(xué)處理上較困難, ,目前對(duì)不同類型的非線目前對(duì)不同類型的非線性系統(tǒng)的研究還沒有統(tǒng)一的方法性系統(tǒng)的研究還沒有統(tǒng)一的方法. . 盡管自控系統(tǒng)有不同的類型盡管自控系統(tǒng)有不同的類型, ,對(duì)每個(gè)系統(tǒng)也都有不同的特對(duì)每個(gè)系統(tǒng)也都有不同的特殊要求殊要求, ,但在已知系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)時(shí)但在已知系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)時(shí), ,通常感興趣的都是系統(tǒng)通常感興趣的都是系統(tǒng)在某種典型輸入信號(hào)下在某種典型輸入信號(hào)下, ,其被控量變化的全過程其被控量變化的全過程, ,且對(duì)全過程提且對(duì)全過程提出的共同基本要求都是一樣的，即出的共同基本要求都是一

44、樣的，即穩(wěn)穩(wěn)定性、定性、快快速性和速性和準(zhǔn)準(zhǔn)確性。確性。 穩(wěn)定性穩(wěn)定性 穩(wěn)定性是保證控制系統(tǒng)正常工作的穩(wěn)定性是保證控制系統(tǒng)正常工作的先決先決條件條件. .一個(gè)穩(wěn)定的一個(gè)穩(wěn)定的控制系統(tǒng)控制系統(tǒng), ,其被控量偏離期望值的初始偏差應(yīng)隨時(shí)間的增長逐其被控量偏離期望值的初始偏差應(yīng)隨時(shí)間的增長逐漸減小或趨于零漸減小或趨于零. . 不穩(wěn)定系統(tǒng)輸出量的過渡過程隨時(shí)間而增長不穩(wěn)定系統(tǒng)輸出量的過渡過程隨時(shí)間而增長或表現(xiàn)為持續(xù)震蕩，無法完成預(yù)定的控制任務(wù)。或表現(xiàn)為持續(xù)震蕩，無法完成預(yù)定的控制任務(wù)。 線性自動(dòng)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性是由線性自動(dòng)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性是由系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)所決定所決定, ,與外與外界因素界因素?zé)o關(guān)

45、無關(guān). .1 基本要求的提法基本要求的提法 快速性快速性 控制系統(tǒng)不僅要穩(wěn)定控制系統(tǒng)不僅要穩(wěn)定, ,還必須對(duì)其過渡過程的形式和快慢還必須對(duì)其過渡過程的形式和快慢提出要求提出要求, ,一般稱為一般稱為動(dòng)態(tài)性能動(dòng)態(tài)性能. .通常希望過渡過程持續(xù)時(shí)間盡通常希望過渡過程持續(xù)時(shí)間盡量短量短. . 如對(duì)于穩(wěn)定的高射炮射角隨動(dòng)系統(tǒng)，雖炮身最終能跟如對(duì)于穩(wěn)定的高射炮射角隨動(dòng)系統(tǒng)，雖炮身最終能跟蹤目標(biāo)，但若目標(biāo)變動(dòng)迅速，而炮身跟蹤目標(biāo)所需過渡過程蹤目標(biāo)，但若目標(biāo)變動(dòng)迅速，而炮身跟蹤目標(biāo)所需過渡過程時(shí)間過長，就不可能擊中目標(biāo)。時(shí)間過長，就不可能擊中目標(biāo)。 準(zhǔn)確性準(zhǔn)確性 理想情況下理想情況下, ,當(dāng)過渡過程結(jié)束后當(dāng)

46、過渡過程結(jié)束后, ,被控量達(dá)到的穩(wěn)態(tài)值被控量達(dá)到的穩(wěn)態(tài)值( (即即平衡狀態(tài)平衡狀態(tài)) )應(yīng)與期望值一致應(yīng)與期望值一致. .但實(shí)際上但實(shí)際上, ,由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、外作用由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、外作用形式以及摩擦、間隙等非線性因素的影響形式以及摩擦、間隙等非線性因素的影響, ,被控量的穩(wěn)態(tài)值與被控量的穩(wěn)態(tài)值與期望值之間會(huì)有誤差存在期望值之間會(huì)有誤差存在, ,稱為稱為穩(wěn)態(tài)誤差穩(wěn)態(tài)誤差。它是衡量控制系統(tǒng)。它是衡量控制系統(tǒng)控制精度控制精度的重要標(biāo)志的重要標(biāo)志, ,在技術(shù)指標(biāo)中一般都有具體要求在技術(shù)指標(biāo)中一般都有具體要求. .2 典型外作用典型外作用 在工程實(shí)踐中，自動(dòng)控制系統(tǒng)承受的外作用形式多種多樣，對(duì)不在工程實(shí)踐

47、中，自動(dòng)控制系統(tǒng)承受的外作用形式多種多樣，對(duì)不同形式的外作用，系統(tǒng)被控量的變化情況（即響應(yīng)）各不相同，為了同形式的外作用，系統(tǒng)被控量的變化情況（即響應(yīng)）各不相同，為了便于用統(tǒng)一的方法研究和比較控制系統(tǒng)的性能，通常選用幾種確定性便于用統(tǒng)一的方法研究和比較控制系統(tǒng)的性能，通常選用幾種確定性函數(shù)作為函數(shù)作為典型外作用典型外作用。階躍、斜坡、脈沖、正弦函數(shù)。階躍、斜坡、脈沖、正弦函數(shù)(1) 階躍函數(shù)階躍函數(shù) 階躍函數(shù)的數(shù)學(xué)表達(dá)式為階躍函數(shù)的數(shù)學(xué)表達(dá)式為000)(tRttf 表示一個(gè)在表示一個(gè)在t=0時(shí)出現(xiàn)的幅值為時(shí)出現(xiàn)的幅值為R的階躍變化函數(shù)。在實(shí)際系統(tǒng)的階躍變化函數(shù)。在實(shí)際系統(tǒng)中，這意味著中，這意味

48、著t=0時(shí)突然加到系統(tǒng)上的一個(gè)幅值不變的外作用。幅值時(shí)突然加到系統(tǒng)上的一個(gè)幅值不變的外作用。幅值R1的階躍函數(shù)，稱的階躍函數(shù)，稱單位階躍函數(shù)單位階躍函數(shù)，用，用1(t)表示，幅值為表示，幅值為R的階躍函的階躍函數(shù)便可表示為數(shù)便可表示為f(t)R 1(t) 。在任意時(shí)刻。在任意時(shí)刻t0出現(xiàn)的階躍函數(shù)可表示為出現(xiàn)的階躍函數(shù)可表示為f(t- t0)R 1(t- t0) 。 階躍函數(shù)是自動(dòng)控制系統(tǒng)在實(shí)際工作條件下經(jīng)常遇到的一種外階躍函數(shù)是自動(dòng)控制系統(tǒng)在實(shí)際工作條件下經(jīng)常遇到的一種外作用形式。如電源電壓突然跳動(dòng)。在控制系統(tǒng)的分析設(shè)計(jì)工作中，作用形式。如電源電壓突然跳動(dòng)。在控制系統(tǒng)的分析設(shè)計(jì)工作中，一一般

49、將階躍函數(shù)作用下系統(tǒng)的響應(yīng)特性作為評(píng)價(jià)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)的依般將階躍函數(shù)作用下系統(tǒng)的響應(yīng)特性作為評(píng)價(jià)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)的依據(jù)。據(jù)。(2) 斜坡函數(shù)斜坡函數(shù) 斜坡函數(shù)的數(shù)學(xué)表達(dá)式為斜坡函數(shù)的數(shù)學(xué)表達(dá)式為000)(tRtttf 表示在表示在t=0時(shí)刻開始，以恒定速率時(shí)刻開始，以恒定速率R 隨時(shí)間而變化的函數(shù)。在隨時(shí)間而變化的函數(shù)。在工程實(shí)踐中，某些隨動(dòng)系統(tǒng)就常常工作于這種外作用下，例如雷工程實(shí)踐中，某些隨動(dòng)系統(tǒng)就常常工作于這種外作用下，例如雷達(dá)達(dá)-高射炮防空系統(tǒng)，當(dāng)雷達(dá)跟蹤的目標(biāo)以恒定速率飛行時(shí)，便可高射炮防空系統(tǒng)，當(dāng)雷達(dá)跟蹤的目標(biāo)以恒定速率飛行時(shí)，便可視為該系統(tǒng)工作于斜坡函數(shù)作用之下。視為該系統(tǒng)工作

50、于斜坡函數(shù)作用之下。(3) 脈沖函數(shù)脈沖函數(shù) 定義為定義為圖示兩個(gè)階躍合成為脈動(dòng)函數(shù)圖示兩個(gè)階躍合成為脈動(dòng)函數(shù), ,其面積為其面積為A=(A/t0)t0令令t00, 脈動(dòng)函數(shù)極限就是強(qiáng)度脈動(dòng)函數(shù)極限就是強(qiáng)度(面積面積)為為A的脈沖函數(shù)的脈沖函數(shù), 記作記作 A(t).面積為面積為1 1的脈沖函數(shù)稱為單位脈沖或的脈沖函數(shù)稱為單位脈沖或函數(shù)，記作函數(shù)，記作(t).在在t0時(shí)刻出現(xiàn)的單位脈沖表示為時(shí)刻出現(xiàn)的單位脈沖表示為(t-t0).+ + 脈沖函數(shù)在現(xiàn)實(shí)中是脈沖函數(shù)在現(xiàn)實(shí)中是不存在不存在的，只有數(shù)學(xué)上的定義的，只有數(shù)學(xué)上的定義, , 但它但它卻是一個(gè)重要而有效的數(shù)學(xué)工具卻是一個(gè)重要而有效的數(shù)學(xué)工具

51、. . 例如例如, ,一個(gè)任意形式的外作用一個(gè)任意形式的外作用, ,可以分解成不同時(shí)刻的一系列脈沖函數(shù)之和，這樣，通過研究控可以分解成不同時(shí)刻的一系列脈沖函數(shù)之和，這樣，通過研究控制系統(tǒng)在脈沖函數(shù)作用下的響應(yīng)特性，便可以了解在任意形式外制系統(tǒng)在脈沖函數(shù)作用下的響應(yīng)特性，便可以了解在任意形式外作用下的響應(yīng)特性。作用下的響應(yīng)特性。(4) 正弦函數(shù)正弦函數(shù) 數(shù)學(xué)表達(dá)式為數(shù)學(xué)表達(dá)式為f(t) 正弦函數(shù)是控制系統(tǒng)常用的一正弦函數(shù)是控制系統(tǒng)常用的一種典型外作用，很多實(shí)際隨動(dòng)系統(tǒng)種典型外作用，很多實(shí)際隨動(dòng)系統(tǒng)就是常在這種正弦函數(shù)外作用下工就是常在這種正弦函數(shù)外作用下工作的。例如，艦船的消擺系統(tǒng)、穩(wěn)作的。例如

52、，艦船的消擺系統(tǒng)、穩(wěn)定平臺(tái)的隨動(dòng)系統(tǒng)等，就是處于形定平臺(tái)的隨動(dòng)系統(tǒng)等，就是處于形如正弦函數(shù)的波浪下工作的。更為如正弦函數(shù)的波浪下工作的。更為重要的是系統(tǒng)在正弦函數(shù)作用下的重要的是系統(tǒng)在正弦函數(shù)作用下的響應(yīng)，即頻率響應(yīng)，是自動(dòng)控制理響應(yīng)，即頻率響應(yīng)，是自動(dòng)控制理論中研究控制系統(tǒng)性能的重要依據(jù)論中研究控制系統(tǒng)性能的重要依據(jù).1. 主要任務(wù)主要任務(wù) 工程控制論的研究內(nèi)容大致有五個(gè)方面：工程控制論的研究內(nèi)容大致有五個(gè)方面： (1) 當(dāng)系統(tǒng)已定、輸入已知時(shí)，求系統(tǒng)的輸出當(dāng)系統(tǒng)已定、輸入已知時(shí)，求系統(tǒng)的輸出, 并研究控制系并研究控制系統(tǒng)的有關(guān)問題統(tǒng)的有關(guān)問題(穩(wěn)定性穩(wěn)定性, 動(dòng)態(tài)、穩(wěn)態(tài)性能等動(dòng)態(tài)、穩(wěn)態(tài)性能等)，此即，此即系統(tǒng)分析系統(tǒng)分析問題問題; (2) 當(dāng)系統(tǒng)已定時(shí)，確定輸入，且所確定的輸入應(yīng)使得輸出盡可當(dāng)系統(tǒng)已定時(shí)，確定輸入，且所確定的輸入應(yīng)使得輸出盡可能符合給定的最佳要求，此即能符合給定的最佳要求，此即最優(yōu)控制最優(yōu)控制問題；問題； (3) 當(dāng)輸入已知時(shí)，確定系統(tǒng)，且所確定的系統(tǒng)應(yīng)使得輸出符合當(dāng)輸入已知時(shí)，確定系統(tǒng)，且所確定的系統(tǒng)應(yīng)使得輸出符合給定的要求，此即給定的要求，此即系統(tǒng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)問題；問題； (4) 當(dāng)輸出已知時(shí)，確定系統(tǒng)，以識(shí)別輸入或輸入中的有關(guān)信息，當(dāng)輸出已知時(shí)，確定系統(tǒng)，以識(shí)別輸入或輸入中的有關(guān)信息，此即此即濾波與預(yù)測(cè)濾波與預(yù)測(cè)問題；問題；