彭珍瑞 控制工程基礎(chǔ) 第一章緒論

1、pagepage控制工程基礎(chǔ)第一章 緒論 蘭交大能動(dòng)學(xué)院蘭交大能動(dòng)學(xué)院1主要內(nèi)容主要內(nèi)容第一節(jié)第一節(jié) 概論概論第二節(jié)第二節(jié) 控制的基本原理控制的基本原理第三節(jié)第三節(jié) 控制的基本方式控制的基本方式第四節(jié)第四節(jié) 控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)的分類的分類第五節(jié)第五節(jié) 控制系統(tǒng)的性能要求控制系統(tǒng)的性能要求 pagepage控制工程基礎(chǔ)第一章 緒論 蘭交大能動(dòng)學(xué)院蘭交大能動(dòng)學(xué)院2隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，控制的概念也在擴(kuò)大，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，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)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)在已發(fā)展成為一門獨(dú)立的為與自動(dòng)控制有關(guān)?，F(xiàn)在已發(fā)展成為一

2、門獨(dú)立的學(xué)科學(xué)科控制論。工程控制論、生物控制論、控制論。工程控制論、生物控制論、經(jīng)濟(jì)控制論和社會(huì)控制論。經(jīng)濟(jì)控制論和社會(huì)控制論。控制論與工控制論與工程技術(shù)的結(jié)程技術(shù)的結(jié)合合pagepage控制工程基礎(chǔ)第一章 緒論 蘭交大能動(dòng)學(xué)院蘭交大能動(dòng)學(xué)院3第一節(jié)第一節(jié) 概論概論一、控制的含義一、控制的含義控制控制-某個(gè)某個(gè)主體主體使某個(gè)使某個(gè)客體客體按照一定的目的動(dòng)作按照一定的目的動(dòng)作。一件物體，一套裝置，一個(gè)物化過程，一個(gè)特定系統(tǒng)。人、機(jī)器系統(tǒng)-電力，化工，冶金物體-飛船裝置-鍋爐過程-燃燒pagepage控制工程基礎(chǔ)第一章 緒論 蘭交大能動(dòng)學(xué)院蘭交大能動(dòng)學(xué)院4二、二、 人工控制與自動(dòng)控制人工控制與自動(dòng)

3、控制煤氣灶上油煎雞蛋時(shí)的油溫控制煤氣灶上油煎雞蛋時(shí)的油溫控制自行車速度控制自行車速度控制 汽車駕駛汽車駕駛 收音機(jī)音量調(diào)節(jié)收音機(jī)音量調(diào)節(jié)電飯煲電飯煲 空調(diào)空調(diào) 抽水馬桶抽水馬桶 聲控光控路燈聲控光控路燈電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制 導(dǎo)彈飛行控制導(dǎo)彈飛行控制1 1、人工控制、人工控制2 2、自動(dòng)控制、自動(dòng)控制pagepage控制工程基礎(chǔ)第一章 緒論 蘭交大能動(dòng)學(xué)院蘭交大能動(dòng)學(xué)院5三、控制理論的內(nèi)容三、控制理論的內(nèi)容控制理論控制理論經(jīng)典控制理論(19世紀(jì)中葉-20世紀(jì)50年代)現(xiàn)代控制理論(60年代以來)線性線性非線性非線性根軌跡法根軌跡法頻域法頻域法時(shí)域法時(shí)域法采樣控制采樣控制狀態(tài)反饋控制狀態(tài)反

4、饋控制最優(yōu)控制最優(yōu)控制智能控制智能控制預(yù)測控制預(yù)測控制自適應(yīng)控制自適應(yīng)控制模糊控制模糊控制大系統(tǒng)多層分散控制大系統(tǒng)多層分散控制pagepage控制工程基礎(chǔ)第一章 緒論 蘭交大能動(dòng)學(xué)院蘭交大能動(dòng)學(xué)院6機(jī)械工程控制論主要研究：機(jī)械工程控制論主要研究：輸入，系統(tǒng)，輸出輸入，系統(tǒng)，輸出三三者之間的關(guān)系者之間的關(guān)系輸入輸入系統(tǒng)系統(tǒng)輸出輸出主要解決以下幾方面的問題：主要解決以下幾方面的問題：1、系統(tǒng)分析、系統(tǒng)分析2、最優(yōu)控制、最優(yōu)控制3、最優(yōu)設(shè)計(jì)、最優(yōu)設(shè)計(jì)4、系統(tǒng)辨識(shí)、系統(tǒng)辨識(shí)5、濾波與預(yù)測、濾波與預(yù)測pagepage控制工程基礎(chǔ)第一章 緒論 蘭交大能動(dòng)學(xué)院蘭交大能動(dòng)學(xué)院7第二節(jié)第二節(jié) 自動(dòng)控制的基本原理

5、自動(dòng)控制的基本原理一、基本概念一、基本概念指指由人或用控制裝置由人或用控制裝置使使受控對(duì)象受控對(duì)象按照按照一定目的來動(dòng)作所進(jìn)行的操作。一定目的來動(dòng)作所進(jìn)行的操作?？刂疲嚎刂疲褐缚刂频娜蝿?wù)由人來完成。指控制的任務(wù)由人來完成。人工控制：人工控制：指控制的任務(wù)用控制裝置來完成，指控制的任務(wù)用控制裝置來完成，而人不經(jīng)常直接參與。而人不經(jīng)常直接參與。自動(dòng)控制：自動(dòng)控制：一般由控制裝置和被控對(duì)象組成。一般由控制裝置和被控對(duì)象組成。控制系統(tǒng)：控制系統(tǒng)：pagepage控制工程基礎(chǔ)第一章 緒論 蘭交大能動(dòng)學(xué)院蘭交大能動(dòng)學(xué)院8反饋：反饋：把輸出量送回到系統(tǒng)的輸入端，并與輸把輸出量送回到系統(tǒng)的輸入端，并與輸入信號(hào)

6、比較的過程。入信號(hào)比較的過程。根據(jù)反饋信號(hào)對(duì)輸入信號(hào)的影響不同將根據(jù)反饋信號(hào)對(duì)輸入信號(hào)的影響不同將其分為其分為正反饋正反饋和和負(fù)反饋負(fù)反饋。信息反饋是最基本的信息反饋是最基本的自動(dòng)控制原理自動(dòng)控制原理。pagepage控制工程基礎(chǔ)第一章 緒論 蘭交大能動(dòng)學(xué)院蘭交大能動(dòng)學(xué)院9例例1 1 鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)工業(yè)過程中的反饋控制系統(tǒng)例子工業(yè)過程中的反饋控制系統(tǒng)例子主蒸汽主蒸汽調(diào)節(jié)器汽包變送器過熱器省煤器執(zhí)行器給水調(diào)節(jié)閥給水泵給水圖圖1-2-1 1-2-1 鍋爐水位控制系統(tǒng)鍋爐水位控制系統(tǒng)pagepage控制工程基礎(chǔ)第一章 緒論 蘭交大能動(dòng)學(xué)院蘭交大能動(dòng)學(xué)院10例例2 2 水箱水

7、位控制水箱水位控制圖圖1-2-2 1-2-2 水箱水位控制系統(tǒng)水箱水位控制系統(tǒng)pagepage控制工程基礎(chǔ)第一章 緒論 蘭交大能動(dòng)學(xué)院蘭交大能動(dòng)學(xué)院11例例3 3 直流電動(dòng)機(jī)速度控制系統(tǒng)直流電動(dòng)機(jī)速度控制系統(tǒng)圖圖1-2-3 1-2-3 直流電動(dòng)機(jī)速度自動(dòng)控制的原理結(jié)構(gòu)圖直流電動(dòng)機(jī)速度自動(dòng)控制的原理結(jié)構(gòu)圖功率放大器U電動(dòng)機(jī)測速發(fā)電機(jī)電位器 輸入信號(hào)輸入信號(hào)測量元件測量元件(變送器變送器)偏差信號(hào)偏差信號(hào)控制器控制器受控對(duì)象受控對(duì)象pagepage控制工程基礎(chǔ)第一章 緒論 蘭交大能動(dòng)學(xué)院蘭交大能動(dòng)學(xué)院12 直流電動(dòng)機(jī)速度自動(dòng)控制的原理結(jié)構(gòu)圖如圖直流電動(dòng)機(jī)速度自動(dòng)控制的原理結(jié)構(gòu)圖如圖1-2-3所示。

8、圖中，電位器電壓為輸入信號(hào)。測所示。圖中，電位器電壓為輸入信號(hào)。測速發(fā)電機(jī)是電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的測量元件，又稱為變速發(fā)電機(jī)是電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的測量元件，又稱為變送元件（變送器）。圖送元件（變送器）。圖1-2-3，代表電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，代表電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化的測速發(fā)電機(jī)電壓送到輸入端與電位器電變化的測速發(fā)電機(jī)電壓送到輸入端與電位器電壓進(jìn)行比較，兩者的差值（又稱偏差信號(hào)）控壓進(jìn)行比較，兩者的差值（又稱偏差信號(hào)）控制功率放大器（控制器），控制器的輸出控制制功率放大器（控制器），控制器的輸出控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，這就形成了電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速自動(dòng)控電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，這就形成了電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速自動(dòng)控制系統(tǒng)。制系統(tǒng)。pagepage控制工程基礎(chǔ)第一章

9、緒論 蘭交大能動(dòng)學(xué)院蘭交大能動(dòng)學(xué)院13 當(dāng)電源變化、負(fù)載變化等引起轉(zhuǎn)速變化，稱當(dāng)電源變化、負(fù)載變化等引起轉(zhuǎn)速變化，稱為擾動(dòng)。電動(dòng)機(jī)被稱為被控對(duì)象，轉(zhuǎn)速稱為為擾動(dòng)。電動(dòng)機(jī)被稱為被控對(duì)象，轉(zhuǎn)速稱為被控量，當(dāng)電動(dòng)機(jī)受到擾動(dòng)后，轉(zhuǎn)速被控量，當(dāng)電動(dòng)機(jī)受到擾動(dòng)后，轉(zhuǎn)速(被控被控量量)發(fā)生變化，經(jīng)發(fā)生變化，經(jīng)測速發(fā)電機(jī)測速發(fā)電機(jī)(測量元件測量元件)將轉(zhuǎn)將轉(zhuǎn)速信號(hào)速信號(hào)(反饋信號(hào)反饋信號(hào))反饋到反饋到功率放大器功率放大器(控制控制器器)，使控制器的輸出，使控制器的輸出(控制量控制量)發(fā)生相應(yīng)的變發(fā)生相應(yīng)的變化，從而可以自動(dòng)地保持轉(zhuǎn)速不變或使偏差化，從而可以自動(dòng)地保持轉(zhuǎn)速不變或使偏差保持在允許的范圍內(nèi)。保持在允

10、許的范圍內(nèi)?？刂频娜蝿?wù)：使受控對(duì)象的被控量等于控制的任務(wù)：使受控對(duì)象的被控量等于或按照一定的精度符合希望值。或按照一定的精度符合希望值。pagepage控制工程基礎(chǔ)第一章 緒論 蘭交大能動(dòng)學(xué)院蘭交大能動(dòng)學(xué)院14 從物理角度上來看，控制理論研究的是特從物理角度上來看，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；定激勵(lì)作用下的系統(tǒng)響應(yīng)變化情況； 從數(shù)學(xué)角度上來看，研究的是輸入與輸出從數(shù)學(xué)角度上來看，研究的是輸入與輸出之間的映射關(guān)系；之間的映射關(guān)系； 從信息處理的角度來看，研究的是信息的從信息處理的角度來看，研究的是信息的獲取、處理、變換、輸出等問題。獲取、處理、變換、輸出等問題。 pagep

11、age控制工程基礎(chǔ)第一章 緒論 蘭交大能動(dòng)學(xué)院蘭交大能動(dòng)學(xué)院15二、自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成及方框圖二、自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成及方框圖方框圖方框圖( (方框方框+ +箭頭箭頭+ +求和圓求和圓+ +線條線條) )：分析系統(tǒng)內(nèi)各部：分析系統(tǒng)內(nèi)各部分之間關(guān)系的圖解法。分之間關(guān)系的圖解法。 控制系統(tǒng)至少包括由測量、變送元件、控制器控制系統(tǒng)至少包括由測量、變送元件、控制器等組成的控制裝置和被控對(duì)象，它的組成方框圖如等組成的控制裝置和被控對(duì)象，它的組成方框圖如圖圖1-2-41-2-4所示。所示。 控制裝置應(yīng)具備三種基本功能：控制裝置應(yīng)具備三種基本功能：測量、計(jì)算和測量、計(jì)算和執(zhí)行。執(zhí)行。 參與控制的信號(hào)來自三條通

12、道：參與控制的信號(hào)來自三條通道：給定值、干擾給定值、干擾和被控量。和被控量。pagepage控制工程基礎(chǔ)第一章 緒論 蘭交大能動(dòng)學(xué)院蘭交大能動(dòng)學(xué)院16例例4 4 鍋爐水位控制系統(tǒng)鍋爐水位控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)器執(zhí)行器調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)閥汽包汽包變送器變送器+-測量水位測量水位偏偏差差量量控控制制量量調(diào)調(diào)節(jié)節(jié)位位移移給給水水量量反饋元件反饋元件實(shí)實(shí)際際水水位位設(shè)定設(shè)定水位水位過熱器主蒸汽主蒸汽圖圖1-2-4 1-2-4 鍋爐水位控制系統(tǒng)方框圖鍋爐水位控制系統(tǒng)方框圖pagepage控制工程基礎(chǔ)第一章 緒論 蘭交大能動(dòng)學(xué)院蘭交大能動(dòng)學(xué)院17被控量被控量干擾干擾主反饋主反饋控制器控制器被控對(duì)象被控對(duì)象測量、變送元件測量

13、、變送元件給定信號(hào)給定信號(hào)偏差信號(hào)偏差信號(hào)控制量控制量reucbn比較元件比較元件圖圖1-2-5 1-2-5 反饋控制系統(tǒng)的組成框圖反饋控制系統(tǒng)的組成框圖pagepage控制工程基礎(chǔ)第一章 緒論 蘭交大能動(dòng)學(xué)院蘭交大能動(dòng)學(xué)院18給定信號(hào)給定信號(hào)r:r:輸入到系統(tǒng)中的指令信號(hào)輸入到系統(tǒng)中的指令信號(hào)( (參考輸入?yún)⒖驾斎? )。反饋反饋( (主反饋主反饋b)b)：與輸入成正比或某種函數(shù)關(guān)系與輸入成正比或某種函數(shù)關(guān)系且與參考輸入信號(hào)具有相同量綱的反饋信號(hào)。且與參考輸入信號(hào)具有相同量綱的反饋信號(hào)。偏差偏差e e：參考輸入與主反饋之差。參考輸入與主反饋之差。輸出信號(hào)輸出信號(hào)c(c(被控量被控量) )：反

14、饋控制系統(tǒng)的被控量，即：反饋控制系統(tǒng)的被控量，即 被控對(duì)象的輸出量。被控對(duì)象的輸出量?？刂屏靠刂屏縰 u：從控制器輸出并作用于控制對(duì)象的信號(hào)。從控制器輸出并作用于控制對(duì)象的信號(hào)。擾動(dòng)擾動(dòng)( (干擾干擾n)n)：來自系統(tǒng)內(nèi)部或外部，對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生來自系統(tǒng)內(nèi)部或外部，對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生影響的信號(hào)。影響的信號(hào)。pagepage控制工程基礎(chǔ)第一章 緒論 蘭交大能動(dòng)學(xué)院蘭交大能動(dòng)學(xué)院19比較環(huán)節(jié)比較環(huán)節(jié): :將參考輸入與主反饋信號(hào)進(jìn)行比教的將參考輸入與主反饋信號(hào)進(jìn)行比教的環(huán)節(jié)環(huán)節(jié), ,它的輸出等于參考輸入與主反饋信號(hào)的差值。它的輸出等于參考輸入與主反饋信號(hào)的差值?？刂茖?duì)象：控制對(duì)象：被控制的機(jī)器、設(shè)備、過程或系統(tǒng)被

15、控制的機(jī)器、設(shè)備、過程或系統(tǒng)?？刂破鳎嚎刂破鳎河脕韺?duì)被控對(duì)象施加控制作用的裝置。用來對(duì)被控對(duì)象施加控制作用的裝置。反饋環(huán)節(jié)反饋環(huán)節(jié)：將輸出量轉(zhuǎn)化為主反饋信號(hào)的裝置，將輸出量轉(zhuǎn)化為主反饋信號(hào)的裝置，反饋環(huán)節(jié)中通常有信號(hào)檢測裝置。反饋環(huán)節(jié)中通常有信號(hào)檢測裝置。pagepage控制工程基礎(chǔ)第一章 緒論 蘭交大能動(dòng)學(xué)院蘭交大能動(dòng)學(xué)院20典型閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成框圖典型閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成框圖給定環(huán)節(jié)給定環(huán)節(jié)測量環(huán)節(jié)測量環(huán)節(jié)放大運(yùn)算環(huán)節(jié)放大運(yùn)算環(huán)節(jié)執(zhí)行環(huán)節(jié)執(zhí)行環(huán)節(jié)被控對(duì)象被控對(duì)象比較比較環(huán)節(jié)環(huán)節(jié)-控控制制量量偏偏差差量量反反饋饋量量被被控控量量擾擾動(dòng)動(dòng)量量圖圖1-2-61-2-6pagepage控制工程基礎(chǔ)

16、第一章 緒論 蘭交大能動(dòng)學(xué)院蘭交大能動(dòng)學(xué)院21第三節(jié)第三節(jié) 控制的基本方式控制的基本方式從上面的分析可知，控制的基本方式可以有兩種：從上面的分析可知，控制的基本方式可以有兩種：開環(huán)控制開環(huán)控制和和閉環(huán)控制閉環(huán)控制。圖圖1-3-1 1-3-1 開環(huán)控制系統(tǒng)開環(huán)控制系統(tǒng)控制器控制器輸入輸入輸出輸出控制對(duì)象控制對(duì)象一、開環(huán)控制一、開環(huán)控制 指系統(tǒng)的輸出端與輸入端不存在反饋回路，輸出量對(duì)指系統(tǒng)的輸出端與輸入端不存在反饋回路，輸出量對(duì)系統(tǒng)的控制作用不發(fā)生影響的系統(tǒng)。開環(huán)系統(tǒng)的方框圖如系統(tǒng)的控制作用不發(fā)生影響的系統(tǒng)。開環(huán)系統(tǒng)的方框圖如圖圖1-3-1所示。所示。pagepage控制工程基礎(chǔ)第一章 緒論 蘭交

17、大能動(dòng)學(xué)院蘭交大能動(dòng)學(xué)院22如工業(yè)上使用的數(shù)字程序控制機(jī)床，參見圖如工業(yè)上使用的數(shù)字程序控制機(jī)床，參見圖1-3-2。圖紙圖紙位移位移放大器放大器執(zhí)行機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)構(gòu)(步進(jìn)步進(jìn)點(diǎn)機(jī)點(diǎn)機(jī))微型微型計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)切削切削刀具刀具工作工作機(jī)床機(jī)床圖圖1-3-2 1-3-2 微型計(jì)算機(jī)控制機(jī)床（開環(huán)系統(tǒng)）微型計(jì)算機(jī)控制機(jī)床（開環(huán)系統(tǒng)）pagepage控制工程基礎(chǔ)第一章 緒論 蘭交大能動(dòng)學(xué)院蘭交大能動(dòng)學(xué)院23系統(tǒng)每一個(gè)輸入信號(hào)，必有一個(gè)固定的工作狀態(tài)和一個(gè)系統(tǒng)每一個(gè)輸入信號(hào)，必有一個(gè)固定的工作狀態(tài)和一個(gè)系統(tǒng)的輸出量與之相對(duì)應(yīng)，但是不具有修正由于擾動(dòng)而系統(tǒng)的輸出量與之相對(duì)應(yīng)，但是不具有修正由于擾動(dòng)而出現(xiàn)的被控制量

18、希望值與實(shí)際值之間誤差的能力。出現(xiàn)的被控制量希望值與實(shí)際值之間誤差的能力。例如，執(zhí)行機(jī)構(gòu)步進(jìn)電機(jī)出現(xiàn)失步，機(jī)床某部分未能準(zhǔn)例如，執(zhí)行機(jī)構(gòu)步進(jìn)電機(jī)出現(xiàn)失步，機(jī)床某部分未能準(zhǔn)確地執(zhí)行程序指令的要求，切削刀具偏離了希望值，控確地執(zhí)行程序指令的要求，切削刀具偏離了希望值，控制指令并不會(huì)相應(yīng)地改變。制指令并不會(huì)相應(yīng)地改變。 開環(huán)控制系統(tǒng)特點(diǎn)：開環(huán)控制系統(tǒng)特點(diǎn)：1.信號(hào)從輸入到輸出無反饋信號(hào)從輸入到輸出無反饋,單向傳遞單向傳遞. 2.結(jié)構(gòu)簡單結(jié)構(gòu)簡單.3.控制精度不高控制精度不高,無法抑制擾動(dòng)無法抑制擾動(dòng).pagepage控制工程基礎(chǔ)第一章 緒論 蘭交大能動(dòng)學(xué)院蘭交大能動(dòng)學(xué)院24二、閉環(huán)控制二、閉環(huán)控制

19、系統(tǒng)輸出信號(hào)與輸入端之間存在反饋回路的系統(tǒng)，叫系統(tǒng)輸出信號(hào)與輸入端之間存在反饋回路的系統(tǒng)，叫閉環(huán)控制系統(tǒng)。閉環(huán)控制系統(tǒng)也叫反饋控制系統(tǒng)。閉環(huán)控制系統(tǒng)。閉環(huán)控制系統(tǒng)也叫反饋控制系統(tǒng)?！伴]環(huán)閉環(huán)”這個(gè)術(shù)語的含義，就是應(yīng)用反饋?zhàn)饔脕頊p小系統(tǒng)誤差。閉這個(gè)術(shù)語的含義，就是應(yīng)用反饋?zhàn)饔脕頊p小系統(tǒng)誤差。閉環(huán)控制系統(tǒng)的方框圖如圖環(huán)控制系統(tǒng)的方框圖如圖1-3-3所示。所示。圖圖1-3-3 1-3-3 閉環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)控制器控制器輸入輸入輸出輸出控制對(duì)象控制對(duì)象pagepage控制工程基礎(chǔ)第一章 緒論 蘭交大能動(dòng)學(xué)院蘭交大能動(dòng)學(xué)院25圖紙圖紙位移位移放大器放大器執(zhí)行機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)構(gòu)(步進(jìn)步進(jìn)點(diǎn)機(jī)點(diǎn)機(jī))微型微型

20、計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)切削切削刀具刀具工作工作機(jī)床機(jī)床圖圖1-3-4 1-3-4 微型計(jì)算機(jī)控制機(jī)床（閉環(huán)系統(tǒng)）微型計(jì)算機(jī)控制機(jī)床（閉環(huán)系統(tǒng)）反饋測量元件反饋測量元件pagepage控制工程基礎(chǔ)第一章 緒論 蘭交大能動(dòng)學(xué)院蘭交大能動(dòng)學(xué)院26 在圖在圖1-3-4中，引入了反饋測量元件，閉環(huán)控制系統(tǒng)由中，引入了反饋測量元件，閉環(huán)控制系統(tǒng)由于有于有“反饋反饋”作用的存在，具有自動(dòng)修正被控制量出現(xiàn)偏差作用的存在，具有自動(dòng)修正被控制量出現(xiàn)偏差的能力，可以修正元件參數(shù)變化及外界擾動(dòng)引起的誤差。的能力，可以修正元件參數(shù)變化及外界擾動(dòng)引起的誤差。 閉環(huán)控制系統(tǒng)特點(diǎn)閉環(huán)控制系統(tǒng)特點(diǎn): : 1.1.有反饋回路有反饋回路;

21、; 2.2.結(jié)構(gòu)復(fù)雜結(jié)構(gòu)復(fù)雜; ;3.3.控制精度高控制精度高, ,自動(dòng)糾偏自動(dòng)糾偏有些系統(tǒng)將開環(huán)和閉環(huán)結(jié)合在一起有些系統(tǒng)將開環(huán)和閉環(huán)結(jié)合在一起,稱為稱為復(fù)合控制復(fù)合控制。重點(diǎn)討論閉環(huán)控制系統(tǒng)，以后所講的控制系統(tǒng)都指重點(diǎn)討論閉環(huán)控制系統(tǒng)，以后所講的控制系統(tǒng)都指閉環(huán)控制。閉環(huán)控制。由于反饋的存在，由于反饋的存在，控制系統(tǒng)可能出控制系統(tǒng)可能出現(xiàn)現(xiàn)“振蕩振蕩”。pagepage控制工程基礎(chǔ)第一章 緒論 蘭交大能動(dòng)學(xué)院蘭交大能動(dòng)學(xué)院27第四節(jié)第四節(jié) 控制系統(tǒng)的分類控制系統(tǒng)的分類1 1、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2 2、按系統(tǒng)傳輸信號(hào)的性質(zhì)來分、按系統(tǒng)傳輸信號(hào)的性

22、質(zhì)來分3 3、按描述系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型不同來分、按描述系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型不同來分pagepage控制工程基礎(chǔ)第一章 緒論 蘭交大能動(dòng)學(xué)院蘭交大能動(dòng)學(xué)院28一、按系統(tǒng)輸入信號(hào)的變化規(guī)律不同來分一、按系統(tǒng)輸入信號(hào)的變化規(guī)律不同來分 1 1、恒值控制系統(tǒng)、恒值控制系統(tǒng)( (或稱自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)或稱自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)) )2 2、過程控制系統(tǒng)、過程控制系統(tǒng)( (或稱程序控制系統(tǒng)或稱程序控制系統(tǒng)) )特點(diǎn)特點(diǎn):輸入信號(hào)是一個(gè)恒定的數(shù)值輸入信號(hào)是一個(gè)恒定的數(shù)值。主要研究各種干。主要研究各種干擾對(duì)系統(tǒng)輸出的影響以及如何克服這些干擾擾對(duì)系統(tǒng)輸出的影響以及如何克服這些干擾,使被控使被控量保持恒定的希望值量保持恒定的希望值,基本控

23、制過程是抗擾過程基本控制過程是抗擾過程(自動(dòng)自動(dòng)調(diào)節(jié)過程調(diào)節(jié)過程)，所以也稱為自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。，所以也稱為自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。特點(diǎn)特點(diǎn):輸入信號(hào)是一個(gè)已知的時(shí)間函數(shù)輸入信號(hào)是一個(gè)已知的時(shí)間函數(shù)，系統(tǒng)的控制，系統(tǒng)的控制過程按預(yù)定的程序進(jìn)行，要求被控量能迅速準(zhǔn)確地過程按預(yù)定的程序進(jìn)行，要求被控量能迅速準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)。復(fù)現(xiàn)。pagepage控制工程基礎(chǔ)第一章 緒論 蘭交大能動(dòng)學(xué)院蘭交大能動(dòng)學(xué)院293 3、隨動(dòng)控制系統(tǒng)、隨動(dòng)控制系統(tǒng)特點(diǎn)特點(diǎn): :輸入信號(hào)是一個(gè)未知的時(shí)間函數(shù)，輸入信號(hào)是一個(gè)未知的時(shí)間函數(shù)，給定量的變給定量的變化規(guī)律是事先不知道的或不需要知道的化規(guī)律是事先不知道的或不需要知道的。基本任務(wù)是保證被控量

24、跟隨給定量變化，也叫跟蹤基本任務(wù)是保證被控量跟隨給定量變化，也叫跟蹤系統(tǒng)。如果被控量是機(jī)械量的系統(tǒng)則可稱為伺服系系統(tǒng)。如果被控量是機(jī)械量的系統(tǒng)則可稱為伺服系統(tǒng)。如運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的自動(dòng)跟蹤、瞄準(zhǔn)系統(tǒng)、統(tǒng)。如運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的自動(dòng)跟蹤、瞄準(zhǔn)系統(tǒng)、 工業(yè)自動(dòng)工業(yè)自動(dòng)化儀表中的顯示記錄儀等均屬于隨動(dòng)控制系統(tǒng)。化儀表中的顯示記錄儀等均屬于隨動(dòng)控制系統(tǒng)。pagepage控制工程基礎(chǔ)第一章 緒論 蘭交大能動(dòng)學(xué)院蘭交大能動(dòng)學(xué)院30系統(tǒng)的某一處或幾處，信號(hào)以脈沖序列或數(shù)碼的系統(tǒng)的某一處或幾處，信號(hào)以脈沖序列或數(shù)碼的形式傳遞的控制系統(tǒng)。其主要特點(diǎn)是：系統(tǒng)中用形式傳遞的控制系統(tǒng)。其主要特點(diǎn)是：系統(tǒng)中用脈沖開關(guān)或采樣開關(guān)，將連續(xù)信

25、號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡x散信脈沖開關(guān)或采樣開關(guān)，將連續(xù)信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡x散信號(hào)?？煞譃槊}沖控制系統(tǒng)和數(shù)字控制系統(tǒng)。號(hào)。可分為脈沖控制系統(tǒng)和數(shù)字控制系統(tǒng)。二、按系統(tǒng)傳輸信號(hào)的性質(zhì)來分二、按系統(tǒng)傳輸信號(hào)的性質(zhì)來分1 1、連續(xù)系統(tǒng)、連續(xù)系統(tǒng)系統(tǒng)各部分的信號(hào)都是時(shí)間的連續(xù)函數(shù)。系統(tǒng)各部分的信號(hào)都是時(shí)間的連續(xù)函數(shù)。如電動(dòng)機(jī)速度自動(dòng)控制系統(tǒng)。如電動(dòng)機(jī)速度自動(dòng)控制系統(tǒng)。2 2、離散系統(tǒng)、離散系統(tǒng)pagepage控制工程基礎(chǔ)第一章 緒論 蘭交大能動(dòng)學(xué)院蘭交大能動(dòng)學(xué)院31三、按描述系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型不同來分三、按描述系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型不同來分1 1、線性系統(tǒng)、線性系統(tǒng) 由線性元件構(gòu)成的系統(tǒng)叫線性系統(tǒng)。其運(yùn)動(dòng)方程由線性元件構(gòu)成的系統(tǒng)叫線性系

26、統(tǒng)。其運(yùn)動(dòng)方程為線性微分方程。若各項(xiàng)系數(shù)為常數(shù)，則稱為線為線性微分方程。若各項(xiàng)系數(shù)為常數(shù)，則稱為線性定常系統(tǒng)。性定常系統(tǒng)。線性系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是具有疊加性線性系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是具有疊加性和齊次性和齊次性，即當(dāng)系統(tǒng)的輸入分別為即當(dāng)系統(tǒng)的輸入分別為r r1 1( (t t) )和和r r2 2( (t t) )時(shí)，對(duì)應(yīng)的輸出分別為時(shí)，對(duì)應(yīng)的輸出分別為c c1 1( (t t) )和和c c2 2( (t t) )，則當(dāng)輸入，則當(dāng)輸入為為r r( (t t)=)=a a1 1r r1 1( (t t)+)+a a2 2r r2 2( (t t) )時(shí)，輸出量為時(shí)，輸出量為c c( (t t)=)=a a

27、1 1c c1 1( (t t)+)+a a2 2c c2 2( (t t),), 其中為其中為a a1 1、a a2 2為常系數(shù)。為常系數(shù)。經(jīng)典控制理論以連續(xù)線性定經(jīng)典控制理論以連續(xù)線性定?？刂葡到y(tǒng)為研究對(duì)象。?？刂葡到y(tǒng)為研究對(duì)象。pagepage控制工程基礎(chǔ)第一章 緒論 蘭交大能動(dòng)學(xué)院蘭交大能動(dòng)學(xué)院32 2. 嚴(yán)格來說，任何物理系統(tǒng)的嚴(yán)格來說，任何物理系統(tǒng)的特性特性都是非線性的。都是非線性的。2 2、非線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)1.1.非線性的理論研究一般只能非線性的理論研究一般只能近似的定性描述和數(shù)值計(jì)算近似的定性描述和數(shù)值計(jì)算。注意注意：在構(gòu)成系統(tǒng)的環(huán)節(jié)中有一個(gè)或一個(gè)以上的非線性在構(gòu)成系統(tǒng)的

28、環(huán)節(jié)中有一個(gè)或一個(gè)以上的非線性環(huán)節(jié)時(shí)，該系統(tǒng)為非線性系統(tǒng)。環(huán)節(jié)時(shí)，該系統(tǒng)為非線性系統(tǒng)。非線性系統(tǒng)不滿非線性系統(tǒng)不滿足疊加性或齊次性。足疊加性或齊次性。pagepage控制工程基礎(chǔ)第一章 緒論 蘭交大能動(dòng)學(xué)院蘭交大能動(dòng)學(xué)院33四、其它分類方法四、其它分類方法 自動(dòng)控制系統(tǒng)還有其他的分類方法自動(dòng)控制系統(tǒng)還有其他的分類方法:(1)按系統(tǒng)的輸入按系統(tǒng)的輸入/輸出信號(hào)的數(shù)量來分輸出信號(hào)的數(shù)量來分:有單輸入有單輸入/單輸單輸出系統(tǒng)和多輸入出系統(tǒng)和多輸入/多輸出系統(tǒng)。多輸出系統(tǒng)。(2)按控制系統(tǒng)的功能來分：有溫度控制系統(tǒng)、速度控按控制系統(tǒng)的功能來分：有溫度控制系統(tǒng)、速度控制系統(tǒng)、位置控制系統(tǒng)等。制系統(tǒng)、位置

29、控制系統(tǒng)等。(3)按系統(tǒng)元件組成來分：有機(jī)電系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、生按系統(tǒng)元件組成來分：有機(jī)電系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、生物系統(tǒng)。物系統(tǒng)。(4)按不同的控制理論分支設(shè)計(jì)的新型控制系統(tǒng)來分，按不同的控制理論分支設(shè)計(jì)的新型控制系統(tǒng)來分，有最優(yōu)控制系統(tǒng)，自適應(yīng)控制系統(tǒng)，預(yù)測控制系統(tǒng)，有最優(yōu)控制系統(tǒng)，自適應(yīng)控制系統(tǒng)，預(yù)測控制系統(tǒng)，模糊控制系統(tǒng)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)等等。模糊控制系統(tǒng)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)等等。pagepage控制工程基礎(chǔ)第一章 緒論 蘭交大能動(dòng)學(xué)院蘭交大能動(dòng)學(xué)院34第五節(jié)第五節(jié) 控制系統(tǒng)的性能要求控制系統(tǒng)的性能要求 當(dāng)控制系統(tǒng)受到干擾或者人為要求給定值改當(dāng)控制系統(tǒng)受到干擾或者人為要求給定值改變，被控量就會(huì)發(fā)生

30、變化，偏離給定值。通過系變，被控量就會(huì)發(fā)生變化，偏離給定值。通過系統(tǒng)的自動(dòng)控制作用，經(jīng)過一定的過渡過程，被控統(tǒng)的自動(dòng)控制作用，經(jīng)過一定的過渡過程，被控量又恢復(fù)到原來的穩(wěn)定值或者穩(wěn)定到一個(gè)新的給量又恢復(fù)到原來的穩(wěn)定值或者穩(wěn)定到一個(gè)新的給定值。定值。被控量在變化過程中的過渡過程稱為動(dòng)態(tài)被控量在變化過程中的過渡過程稱為動(dòng)態(tài)過程（即隨時(shí)間而變的過程），被控量處于平衡過程（即隨時(shí)間而變的過程），被控量處于平衡狀態(tài)稱為穩(wěn)態(tài)或靜態(tài)。狀態(tài)稱為穩(wěn)態(tài)或靜態(tài)。pagepage控制工程基礎(chǔ)第一章 緒論 蘭交大能動(dòng)學(xué)院蘭交大能動(dòng)學(xué)院35典型試驗(yàn)信號(hào)典型試驗(yàn)信號(hào)階躍信號(hào)階躍信號(hào) 斜坡信號(hào)斜坡信號(hào) 拋物線信號(hào)拋物線信號(hào) 脈

31、沖信號(hào)脈沖信號(hào) 正弦信號(hào)正弦信號(hào)v系統(tǒng)性能分析系統(tǒng)性能分析v動(dòng)態(tài)特性分析動(dòng)態(tài)特性分析 y(t)- y(t)- 輸出輸出 x(t) - x(t) - 輸入輸入 動(dòng)態(tài)特性動(dòng)態(tài)特性: :系統(tǒng)輸出在典型測試信號(hào)下隨時(shí)間變系統(tǒng)輸出在典型測試信號(hào)下隨時(shí)間變化的特性化的特性v穩(wěn)態(tài)特性分析穩(wěn)態(tài)特性分析 y(y( ) )-穩(wěn)態(tài)輸出穩(wěn)態(tài)輸出 x- x- 輸入輸入 穩(wěn)態(tài)特性穩(wěn)態(tài)特性: :平衡狀態(tài)下系統(tǒng)輸出與輸入的關(guān)系平衡狀態(tài)下系統(tǒng)輸出與輸入的關(guān)系 ( ) ( )y tf x t()( )y tf x pagepage控制工程基礎(chǔ)第一章 緒論 蘭交大能動(dòng)學(xué)院蘭交大能動(dòng)學(xué)院36穩(wěn)定性就是指動(dòng)態(tài)過程的振蕩傾向和系統(tǒng)能夠恢

32、復(fù)穩(wěn)定性就是指動(dòng)態(tài)過程的振蕩傾向和系統(tǒng)能夠恢復(fù)平衡狀態(tài)的能力。平衡狀態(tài)的能力。自動(dòng)控制系統(tǒng)的最基本的要求是自動(dòng)控制系統(tǒng)的最基本的要求是系統(tǒng)必須是穩(wěn)定的系統(tǒng)必須是穩(wěn)定的，不穩(wěn)定的控制系統(tǒng)是不能正常，不穩(wěn)定的控制系統(tǒng)是不能正常工作的。工作的。前提是前提是系統(tǒng)穩(wěn)定系統(tǒng)穩(wěn)定。快速性是指當(dāng)系統(tǒng)輸出量與給定。快速性是指當(dāng)系統(tǒng)輸出量與給定的輸入量之間產(chǎn)生偏差時(shí)，消除這種偏差的快速程的輸入量之間產(chǎn)生偏差時(shí)，消除這種偏差的快速程度即過渡過程。一般希望這種過渡過程進(jìn)行得越快度即過渡過程。一般希望這種過渡過程進(jìn)行得越快越好，但如果要求過渡過程時(shí)間很短，可能使動(dòng)態(tài)越好，但如果要求過渡過程時(shí)間很短，可能使動(dòng)態(tài)誤差誤差(

33、偏差偏差)過大。合理的設(shè)計(jì)應(yīng)該兼顧這兩方面的過大。合理的設(shè)計(jì)應(yīng)該兼顧這兩方面的要求。要求。1 1. .穩(wěn)定性穩(wěn)定性2 2. .快速性快速性pagepage控制工程基礎(chǔ)第一章 緒論 蘭交大能動(dòng)學(xué)院蘭交大能動(dòng)學(xué)院37在調(diào)整過程結(jié)束后輸出量與給定的輸入量之間的偏差，在調(diào)整過程結(jié)束后輸出量與給定的輸入量之間的偏差，這也是衡量系統(tǒng)工作性能的重要指標(biāo)。即要求這也是衡量系統(tǒng)工作性能的重要指標(biāo)。即要求動(dòng)態(tài)誤差和穩(wěn)態(tài)誤差都越小越好。動(dòng)態(tài)誤差和穩(wěn)態(tài)誤差都越小越好。常見的控制系統(tǒng)被控量變化的動(dòng)態(tài)特性有以下幾種常見的控制系統(tǒng)被控量變化的動(dòng)態(tài)特性有以下幾種: :3 3. .準(zhǔn)確性準(zhǔn)確性pagepage控制工程基礎(chǔ)第一章 緒論 蘭交大能動(dòng)學(xué)院蘭交大能動(dòng)學(xué)院38圖圖1-5-1 1-5-1 控制系統(tǒng)被控量變化的動(dòng)態(tài)特性控制系統(tǒng)被控量變化的動(dòng)態(tài)特性 (a)(b)(c)(d)pagepage控制工程基礎(chǔ)第一章 緒論 蘭交大能動(dòng)學(xué)院蘭交大能動(dòng)學(xué)院39 (a)(a)單調(diào)過程單調(diào)過程: : 被控量被控量y(t)y(t)單調(diào)變化單調(diào)變化( (沒有沒有“正，正，”，“負(fù)負(fù)”的變化的變化) )，緩慢地到達(dá)新的平衡狀態(tài)，緩慢地到達(dá)新的平衡狀態(tài)( (新的穩(wěn)態(tài)新的穩(wěn)態(tài)值值) )。如圖。如圖1-1