第1章控制系統(tǒng)的基本概念

1、控制系統(tǒng)的的工作原理及其組成控制系統(tǒng)的的工作原理及其組成控制系統(tǒng)的基本類型控制系統(tǒng)的基本類型對控制系統(tǒng)的基本要求對控制系統(tǒng)的基本要求自動控制理論發(fā)展概述自動控制理論發(fā)展概述1-11-1 自動控制系統(tǒng)的工作原理及其組成自動控制系統(tǒng)的工作原理及其組成 一、自動控制問題的提出一、自動控制問題的提出 液位控制系統(tǒng)液位控制系統(tǒng)控制器控制器減速器減速器電動機電動機電位器電位器浮子浮子用水開關(guān)用水開關(guān)Q2Q1cifSM手臂,手人眼輸入信號大腦人眼用自動裝置代替人工操作眼 睛 測 量 裝 置 （ 浮 子 ） 手 氣 動 閥 門頭 腦 控 制 器 ， 比 較 、 計 算希望液位實實 際際 液液 位位肌肌 肉肉

2、、 手手閥閥 門門水水 箱箱眼眼 睛睛（III） 相對應的人工操縱系統(tǒng)方塊圖 腦二、反饋控制原理二、反饋控制原理 下圖是水箱水位自動控制系統(tǒng)的框圖。下圖是水箱水位自動控制系統(tǒng)的框圖。反饋的概念：將輸出量取出一部分或全部送到輸入端，稱為反饋。當反饋量與輸入信號極性相反時為負反饋，極性相同時為正反饋。控制系統(tǒng)通常是負反饋。控制系統(tǒng)的工作原理如下：控制系統(tǒng)的工作原理如下：1）檢測輸出量的實際值；）檢測輸出量的實際值；2 2）將實際值反饋到輸入端與給定值（輸入量）進行比較得）將實際值反饋到輸入端與給定值（輸入量）進行比較得出偏差值；出偏差值；3 3）用偏差值產(chǎn)生控制調(diào)節(jié)作用去消除偏差）用偏差值產(chǎn)生控制

3、調(diào)節(jié)作用去消除偏差三、自動控制系統(tǒng)的基本組成三、自動控制系統(tǒng)的基本組成 四、自動控制系統(tǒng)基本控制方式四、自動控制系統(tǒng)基本控制方式 反饋控制方式是自動控制系統(tǒng)最基本的控制反饋控制方式是自動控制系統(tǒng)最基本的控制方式，也是應用最廣泛的一種方式。除此之外，方式，也是應用最廣泛的一種方式。除此之外，還有開環(huán)控制方式和復合控制方式。近幾十年來還有開環(huán)控制方式和復合控制方式。近幾十年來控制方式有了很大的發(fā)展，例如，最優(yōu)控制、自控制方式有了很大的發(fā)展，例如，最優(yōu)控制、自適應控制、模糊控制、智能控制等。適應控制、模糊控制、智能控制等。 1 1）開環(huán)控制方式）開環(huán)控制方式 系統(tǒng)的輸入不受輸出影響的控制系統(tǒng)稱為開環(huán)

4、控制系統(tǒng)。系統(tǒng)的輸入不受輸出影響的控制系統(tǒng)稱為開環(huán)控制系統(tǒng)。在開環(huán)控制系統(tǒng)中，輸入端與輸出端之間，只有信號的在開環(huán)控制系統(tǒng)中，輸入端與輸出端之間，只有信號的前向通道而不從再由輸出端到輸入端的反饋通路。開環(huán)前向通道而不從再由輸出端到輸入端的反饋通路。開環(huán)控制系統(tǒng)可以按定給量控制方式組成，也可按擾動方式控制系統(tǒng)可以按定給量控制方式組成，也可按擾動方式組成。組成。 定義定義 如果系統(tǒng)的被控量直接或間接地參與控制，這種如果系統(tǒng)的被控量直接或間接地參與控制，這種系統(tǒng)稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)或更直接地稱為反饋控制系統(tǒng)。系統(tǒng)稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)或更直接地稱為反饋控制系統(tǒng)。 反饋控制系統(tǒng)的控制原理如圖反饋控制系統(tǒng)的控制原

5、理如圖1.7所示。所示。 圖1.7 反饋控制系統(tǒng)控制器被控對象反饋環(huán)節(jié)擾動被控量控制量參考輸入 人們在系統(tǒng)中同時引進開環(huán)控制和閉環(huán)控制，這種系統(tǒng)稱為復合控制系統(tǒng)。復合控制系統(tǒng)的原理如圖1.8所示。 圖1.8 復合控制系統(tǒng)控制器被控對象反饋環(huán)節(jié)擾動被控量控制量參考輸入控制器1-2 1-2 自動控制系統(tǒng)的分類自動控制系統(tǒng)的分類開環(huán)控制開環(huán)控制閉環(huán)控制閉環(huán)控制 (反饋控制反饋控制)復合控制復合控制 機械系統(tǒng)機械系統(tǒng)電氣系統(tǒng)電氣系統(tǒng)機電系統(tǒng)機電系統(tǒng)全自動照相機，光機電結(jié)合全自動照相機，光機電結(jié)合液壓系統(tǒng)液壓系統(tǒng)伺服液壓缸，汽車發(fā)動機伺服液壓缸，汽車發(fā)動機氣動系統(tǒng)氣動系統(tǒng) 生物系統(tǒng)生物系統(tǒng)按系統(tǒng)功用分按

6、系統(tǒng)功用分一、線性連續(xù)控制系統(tǒng)一、線性連續(xù)控制系統(tǒng)這類系統(tǒng)可用線性微分方程描述，其一般形式為這類系統(tǒng)可用線性微分方程描述，其一般形式為: :)()(b )(b )()(a )(a )()( 1 -m1110n1 -n1110trbtrdtdtrdtdtrdtdbtctcdtdtcdtdatcdtdammmmmnnnn1 1恒值控制系統(tǒng)恒值控制系統(tǒng) 這類控制系統(tǒng)的參據(jù)量（系統(tǒng)輸入量）是一個常值，要求被控制量等于一個常值，故又稱為調(diào)節(jié)器。在工業(yè)控制中，如被控量時溫度、流量、壓力、液位等生產(chǎn)過程時，這種控制系統(tǒng)則稱為過程控制系統(tǒng)，他們大多數(shù)屬于恒值控制系統(tǒng)。2 2、隨動系統(tǒng)、隨動系統(tǒng) 隨動系統(tǒng)在工業(yè)

7、部門又稱伺服系統(tǒng)。這類控制系統(tǒng)的輸入量是預先未知的隨時間變化的函數(shù)。當輸入量法深變化時，則要求輸出量迅速而平穩(wěn)地跟隨變化，且能排除各種干擾因素的影響，準確的復現(xiàn)控制信號的變化規(guī)律（次即伺服的含義）?？刂浦噶羁梢杂刹僮髡吒鶕?jù)需要隨時發(fā)出，也可由目標物或相應的測量裝置發(fā)出。3 3程序控制系統(tǒng)程序控制系統(tǒng) 這類控制系統(tǒng)的參據(jù)量（輸入量）是按預定規(guī)律隨時間變化的函數(shù)，要求被控量迅速、準確地加以復現(xiàn)。例如數(shù)控機床。二、線性定常離散控制系統(tǒng)二、線性定常離散控制系統(tǒng) 離散系統(tǒng)是指系統(tǒng)的某處或多處的信號為脈沖序列或數(shù)離散系統(tǒng)是指系統(tǒng)的某處或多處的信號為脈沖序列或數(shù)碼形式，因而信號在實踐上是離散的。連續(xù)信號經(jīng)過

8、采碼形式，因而信號在實踐上是離散的。連續(xù)信號經(jīng)過采樣開關(guān)的采樣就可轉(zhuǎn)變成離散信號。一般離散系統(tǒng)中既樣開關(guān)的采樣就可轉(zhuǎn)變成離散信號。一般離散系統(tǒng)中既有連續(xù)的模擬信號，也有離散的數(shù)字信號，因此離散系有連續(xù)的模擬信號，也有離散的數(shù)字信號，因此離散系統(tǒng)要用差分方程描述，線性差分方程的一般形式為統(tǒng)要用差分方程描述，線性差分方程的一般形式為)() 1() 1()()(a) 1(a ) 1(a )( 110n1 -n10krbkcbmkrbmkrbkckcnkcnkcamm三、非線性控制系統(tǒng)三、非線性控制系統(tǒng) 只要有一個元件的的輸入輸出特性是非線性的，只要有一個元件的的輸入輸出特性是非線性的，這類系統(tǒng)就稱為

9、非線性系統(tǒng)，這時要用非線性微這類系統(tǒng)就稱為非線性系統(tǒng)，這時要用非線性微分方程描述其特性。非線性方程的特點是系數(shù)與分方程描述其特性。非線性方程的特點是系數(shù)與變量有關(guān)，或者方程中含有變量及其導數(shù)的高次變量有關(guān)，或者方程中含有變量及其導數(shù)的高次冪或乘積項。例如冪或乘積項。例如 )()()()()(2trtytytyty 1-3 1-3 自動控制系統(tǒng)的基本要求自動控制系統(tǒng)的基本要求 不同的控制對象、不同的工種方式和控制任務，不同的控制對象、不同的工種方式和控制任務，對系統(tǒng)的品質(zhì)指標要求也往往不同，但是，對對系統(tǒng)的品質(zhì)指標要求也往往不同，但是，對每一類系統(tǒng)被控量變化全過程提出的共同基本每一類系統(tǒng)被控量變

10、化全過程提出的共同基本要求是一樣的。且可歸結(jié)為穩(wěn)定性、快速性和要求是一樣的。且可歸結(jié)為穩(wěn)定性、快速性和準確性。即穩(wěn)、快、準。準確性。即穩(wěn)、快、準。1穩(wěn)定性穩(wěn)定性 穩(wěn)定性是保證控制系統(tǒng)工作的先決條件。穩(wěn)定性穩(wěn)定性是保證控制系統(tǒng)工作的先決條件。穩(wěn)定性是系統(tǒng)重新恢復平衡狀態(tài)的能力。是系統(tǒng)重新恢復平衡狀態(tài)的能力。2 2快速性快速性 為了很好完成控制任務，控制系統(tǒng)僅僅滿足穩(wěn)定為了很好完成控制任務，控制系統(tǒng)僅僅滿足穩(wěn)定性要求是不夠的，還必須對其過渡過程的形式和性要求是不夠的，還必須對其過渡過程的形式和快慢提出要求，一般稱為動態(tài)性能。快慢提出要求，一般稱為動態(tài)性能。3 3準確性準確性 實際中被控量的穩(wěn)態(tài)值與

11、期望值之間會有誤差存實際中被控量的穩(wěn)態(tài)值與期望值之間會有誤差存在，稱為穩(wěn)態(tài)誤差。穩(wěn)態(tài)誤差是衡量控制系統(tǒng)精在，稱為穩(wěn)態(tài)誤差。穩(wěn)態(tài)誤差是衡量控制系統(tǒng)精度的重要指標。度的重要指標。 1-4 1-4 自控理論的發(fā)展概述自控理論的發(fā)展概述 經(jīng)典控制理論經(jīng)典控制理論 1. 古代古代 中國：中國： 北宋時代（公元北宋時代（公元1086108610891089）蘇頌和）蘇頌和韓公廉利用天衡裝置制造的水運儀象臺，就是韓公廉利用天衡裝置制造的水運儀象臺，就是按負反饋原理構(gòu)成的閉環(huán)非線性自動控制系統(tǒng)；按負反饋原理構(gòu)成的閉環(huán)非線性自動控制系統(tǒng)； 英國：英國：dennis Papin dennis Papin 發(fā)明了用

12、作安全調(diào)節(jié)裝發(fā)明了用作安全調(diào)節(jié)裝置的鍋爐壓力調(diào)節(jié)器；置的鍋爐壓力調(diào)節(jié)器； 俄國：俄國：I. PolzunovI. Polzunov（普爾佐諾夫）發(fā)明了蒸（普爾佐諾夫）發(fā)明了蒸汽鍋爐水位調(diào)節(jié)器汽鍋爐水位調(diào)節(jié)器 4 419321932年，美國物理學家奈奎斯特（年，美國物理學家奈奎斯特（H.NyquistH.Nyquist）研究了長距離電話線信號傳輸中出現(xiàn)的失真問題，研究了長距離電話線信號傳輸中出現(xiàn)的失真問題，運用復變函數(shù)理論建立了以頻率特性為基礎的穩(wěn)運用復變函數(shù)理論建立了以頻率特性為基礎的穩(wěn)定性判據(jù)，奠定了頻率響應法的基礎。隨后，伯定性判據(jù)，奠定了頻率響應法的基礎。隨后，伯德（德（H.W.Bode

13、H.W.Bode）和尼柯爾斯（）和尼柯爾斯（N.B.NicholsN.B.Nichols）在）在2020世紀世紀3030年代末和年代末和4040年代初進一步將頻率響應法加年代初進一步將頻率響應法加以發(fā)展，形成了經(jīng)典控制理論的頻域分析法，為以發(fā)展，形成了經(jīng)典控制理論的頻域分析法，為工程技術(shù)人員提供了一個設計反饋控制系統(tǒng)的有工程技術(shù)人員提供了一個設計反饋控制系統(tǒng)的有效工具。效工具。5 5二戰(zhàn)期間，反饋控制方法廣泛應用于設計研制二戰(zhàn)期間，反饋控制方法廣泛應用于設計研制飛機自動駕駛儀、火炮定位系統(tǒng)、雷達天線控制飛機自動駕駛儀、火炮定位系統(tǒng)、雷達天線控制系統(tǒng)及其他軍用系統(tǒng)。這些系統(tǒng)的復雜性和對快系統(tǒng)及其

14、他軍用系統(tǒng)。這些系統(tǒng)的復雜性和對快速跟蹤、精確控制的高性能追求，迫切要求拓寬速跟蹤、精確控制的高性能追求，迫切要求拓寬已有的控制技術(shù)，促使了許多新的見解和方法的已有的控制技術(shù)，促使了許多新的見解和方法的產(chǎn)生，同時，還促使了對非線性系統(tǒng)、采樣系統(tǒng)產(chǎn)生，同時，還促使了對非線性系統(tǒng)、采樣系統(tǒng)和隨機控制系統(tǒng)的研究。和隨機控制系統(tǒng)的研究。6 619481948年，美國科學家伊萬思（年，美國科學家伊萬思（W.R.EvansW.R.Evans）創(chuàng)）創(chuàng)立了根軌跡分析方法，為分析系統(tǒng)隨系統(tǒng)參數(shù)變立了根軌跡分析方法，為分析系統(tǒng)隨系統(tǒng)參數(shù)變化的規(guī)律性提供了有力工具，被廣泛應用于反饋化的規(guī)律性提供了有力工具，被廣泛應

15、用于反饋控制系統(tǒng)的分析、設計中。以傳遞函數(shù)作為描述控制系統(tǒng)的分析、設計中。以傳遞函數(shù)作為描述系統(tǒng)的數(shù)學模型，以時域分析法、根軌跡法和頻系統(tǒng)的數(shù)學模型，以時域分析法、根軌跡法和頻域分析法為主要分析設計工具，構(gòu)成了經(jīng)典控制域分析法為主要分析設計工具，構(gòu)成了經(jīng)典控制理論的基本框架。理論的基本框架。經(jīng)典控制理論研究的對象基本上是以線性定常系經(jīng)典控制理論研究的對象基本上是以線性定常系統(tǒng)為主的單輸入單輸出系統(tǒng)，還不能解決如時變統(tǒng)為主的單輸入單輸出系統(tǒng)，還不能解決如時變參數(shù)問題，多變量強耦合等復雜的控制問題。參數(shù)問題，多變量強耦合等復雜的控制問題。 現(xiàn)代控制理論現(xiàn)代控制理論 7 7 二十世紀二十世紀5050

16、年代中期，空間技術(shù)的發(fā)展迫切年代中期，空間技術(shù)的發(fā)展迫切要求解決更復雜的多變量系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)的最要求解決更復雜的多變量系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)的最優(yōu)控制問題（例如，火箭和宇航器的導航、跟蹤優(yōu)控制問題（例如，火箭和宇航器的導航、跟蹤和著陸過程中的高精度、低消耗控制）。實踐的和著陸過程中的高精度、低消耗控制）。實踐的需求推動了控制理論的進步，同時，計算機技術(shù)需求推動了控制理論的進步，同時，計算機技術(shù)的發(fā)展也從計算手段上為控制理論的發(fā)展提供了的發(fā)展也從計算手段上為控制理論的發(fā)展提供了條件。條件。 俄國數(shù)學家李雅普諾夫（俄國數(shù)學家李雅普諾夫（A.M.LyapunovA.M.Lyapunov）18921892

17、年創(chuàng)立的穩(wěn)定性理論被引用到控制中。年創(chuàng)立的穩(wěn)定性理論被引用到控制中。8 819561956年，前蘇聯(lián)科學家龐特里亞金年，前蘇聯(lián)科學家龐特里亞金（PontryyaginPontryyagin）提出了極大值原理；同年，美國）提出了極大值原理；同年，美國科學家貝爾曼（科學家貝爾曼（R.bellmanR.bellman）創(chuàng)立的動態(tài)規(guī)劃。極）創(chuàng)立的動態(tài)規(guī)劃。極大值原理和動態(tài)規(guī)劃為解決最優(yōu)控制問題提供了大值原理和動態(tài)規(guī)劃為解決最優(yōu)控制問題提供了理論工具理論工具 。9 919591959年美國數(shù)學家卡爾曼（年美國數(shù)學家卡爾曼（R.KalmanR.Kalman）提出了著名的卡）提出了著名的卡爾曼濾波器，爾曼濾

18、波器，19601960年卡爾曼又提出了系統(tǒng)的可控性和可觀年卡爾曼又提出了系統(tǒng)的可控性和可觀測性問題。測性問題。到二十世紀到二十世紀6060年代，一套以狀態(tài)方程作為描述系統(tǒng)的數(shù)學年代，一套以狀態(tài)方程作為描述系統(tǒng)的數(shù)學模型，以最優(yōu)控制和卡爾曼濾波為核心的控制分析、設計模型，以最優(yōu)控制和卡爾曼濾波為核心的控制分析、設計的新原理和方法基本確定，現(xiàn)代控制理論運用而生。的新原理和方法基本確定，現(xiàn)代控制理論運用而生?？刂评碚撝饕糜嬎銠C作為系統(tǒng)建模分析、設計乃至控控制理論主要利用計算機作為系統(tǒng)建模分析、設計乃至控制的手段，適用于多變量、非線性、時變系統(tǒng)。制的手段，適用于多變量、非線性、時變系統(tǒng)。 1010近十幾年來科學家提出了新的控制方法和理近十幾年來科學家提出了新的控制方法和理論，例如，自適應控制，模糊控制、預測控制，論，例如，自適應控制，模糊控制、預測控制，容錯控制，魯棒控制和智能控制。容錯控制，魯棒控制和智能控制。 圖圖1 11 a)1 a)是人工控制保持水位恒定的供水系統(tǒng)。水池中是人工控制保持水位恒定的供水系統(tǒng)。水池中的水位時是被控制的物理量，簡稱被控制量。水池這個設的水位時是被控制的物理量，簡稱被控制量。水池這個設備是控制的對象，簡稱被控制對象。備是控制的對象，簡稱被控制對象。 圖圖1-1 b) 1-1 b) 所實施水池水位自動控制系統(tǒng)的一種簡單形式。所實施水池水位