第一章汽車電子設備自動控制系統(tǒng)的基本概念

1、現(xiàn)代汽車電子設備控制現(xiàn)代汽車電子設備控制第一章第一章 汽車電子設備自動控制系統(tǒng)的汽車電子設備自動控制系統(tǒng)的基本概念基本概念第一節(jié)第一節(jié)自動控制的作用自動控制的作用第二節(jié)第二節(jié) 自動控制理論的發(fā)展簡介自動控制理論的發(fā)展簡介第三節(jié)第三節(jié) 自動控制與自動控制系統(tǒng)自動控制與自動控制系統(tǒng)第四節(jié)第四節(jié) 開環(huán)控制與閉環(huán)控制開環(huán)控制與閉環(huán)控制第五節(jié)第五節(jié) 本課程的內(nèi)容和特點本課程的內(nèi)容和特點本章小節(jié)、重點本章小節(jié)、重點第01頁第02頁第一章第一章控制系統(tǒng)的基本概念控制系統(tǒng)的基本概念 在科學和工程技術的發(fā)展過程中，汽車電子設備自動控制技術起在科學和工程技術的發(fā)展過程中，汽車電子設備自動控制技術起著重要的作用。除

2、了在宇宙飛船、導彈發(fā)射和飛機駕駛等系統(tǒng)中，著重要的作用。除了在宇宙飛船、導彈發(fā)射和飛機駕駛等系統(tǒng)中，自動控制技術具有特別重要的作用之外，它在現(xiàn)代機器制造和工業(yè)自動控制技術具有特別重要的作用之外，它在現(xiàn)代機器制造和工業(yè)生產(chǎn)過程中也是不可缺少的重要組成部分。生產(chǎn)過程中也是不可缺少的重要組成部分。 隨著自動控制理論和技術的不斷發(fā)展，給人們提供了獲得動態(tài)系隨著自動控制理論和技術的不斷發(fā)展，給人們提供了獲得動態(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，提高了勞動生產(chǎn)率，使人們從繁重的體力勞動和重復的手工操作中解放出來。動生產(chǎn)率，使人們從

3、繁重的體力勞動和重復的手工操作中解放出來。 本章將對本課程的主要內(nèi)容作一個簡介，使讀者對自動控制理論本章將對本課程的主要內(nèi)容作一個簡介，使讀者對自動控制理論的內(nèi)容有一個基本了解，以便更好地學習以后各章節(jié)。的內(nèi)容有一個基本了解，以便更好地學習以后各章節(jié)。 第一節(jié)第一節(jié) 汽車電子設備自動控制的作用汽車電子設備自動控制的作用 自動控制，是指在人不直接參與的情況下，通過控制器使被控對象自動控制，是指在人不直接參與的情況下，通過控制器使被控對象（如機器設備、生產(chǎn)過程等）自動地按照預定的規(guī)律進行工作。（如機器設備、生產(chǎn)過程等）自動地按照預定的規(guī)律進行工作。 一、自動控制技術應用于軍事、航天領域一、自動控制

4、技術應用于軍事、航天領域 火炮、雷達、跟蹤系統(tǒng)；火炮、雷達、跟蹤系統(tǒng)； 人造衛(wèi)星；人造衛(wèi)星； 宇宙飛船。宇宙飛船。 二、自動控制技術應用于工業(yè)生產(chǎn)過程二、自動控制技術應用于工業(yè)生產(chǎn)過程 軋鋼過程；軋鋼過程； 工業(yè)窯爐；工業(yè)窯爐； 車輛工程；車輛工程； 石油化工；石油化工； 水泥建材；水泥建材； 玻璃、造紙等。玻璃、造紙等。 第03頁第04頁第二節(jié)第二節(jié) 自動控制理論發(fā)展簡介自動控制理論發(fā)展簡介 自動控制理論是自動控制技術的基礎理論，是一門理論性較強的工程科學。自動控制理論是自動控制技術的基礎理論，是一門理論性較強的工程科學。根據(jù)自動控制技術的發(fā)展進程，自動控制理論可分為經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制根

5、據(jù)自動控制技術的發(fā)展進程，自動控制理論可分為經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論兩大部分。理論兩大部分。 一、一、經(jīng)典控制理論的形成和基本內(nèi)容經(jīng)典控制理論的形成和基本內(nèi)容 古代兩個典型的自動控制系統(tǒng)古代兩個典型的自動控制系統(tǒng)第05頁 最早的穩(wěn)定性研究：最早的穩(wěn)定性研究： J.C.Maxwell（麥克斯韋爾）麥克斯韋爾），1868年發(fā)表論調(diào)節(jié)器，研究調(diào)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，系統(tǒng)穩(wěn)定性取決于微分方程的特征根節(jié)器的微分方程，線性化處理，系統(tǒng)穩(wěn)定性取決于微分方程的特征根是否都具有一對負的實部，針對二階和三階系統(tǒng)討論了使特征根具有是否都具有一對負的實部，針對二階和三階系統(tǒng)討論了使特征根

6、具有負實部時，特征多項式系列應滿足的條件。負實部時，特征多項式系列應滿足的條件。 系統(tǒng)穩(wěn)定準則：系統(tǒng)穩(wěn)定準則： 由由Hurwitz（霍爾維茨）霍爾維茨）和和 E.J.Routh（勞斯）勞斯）提出的勞斯提出的勞斯-霍爾維茨霍爾維茨穩(wěn)定判據(jù)穩(wěn)定判據(jù) A.M.Lyapunov（李雅普諾夫）李雅普諾夫）提出了李雅普諾夫第一法與第二法提出了李雅普諾夫第一法與第二法 H.Nyquist（奈魁斯特）奈魁斯特）提出奈氏判據(jù)，提出奈氏判據(jù)，Bode(波德）波德）提出了對數(shù)頻提出了對數(shù)頻率特性的方法。率特性的方法。 二戰(zhàn)期間，軍事科學的需要大大促進了反饋控制理論的發(fā)展。美國二戰(zhàn)期間，軍事科學的需要大大促進了反饋控

7、制理論的發(fā)展。美國麻省理工學院雷達實驗室的科學家們將反饋放大器理論、麻省理工學院雷達實驗室的科學家們將反饋放大器理論、 PID（比例比例-積積分分-微分）控制以及微分）控制以及N.Wiener（維納）維納）的隨機過程理論等結合在一起，的隨機過程理論等結合在一起，形成了一整套被稱為隨動控制系統(tǒng)的設計方法。形成了一整套被稱為隨動控制系統(tǒng)的設計方法。 第06頁 根軌跡方法：根軌跡方法： W.R.Evans（伊萬斯）伊萬斯）提出的方法和規(guī)則是當系統(tǒng)參數(shù)變化時特征提出的方法和規(guī)則是當系統(tǒng)參數(shù)變化時特征方程式根變化的幾何軌跡。目前仍然是系統(tǒng)設計和穩(wěn)定性分析的一種重方程式根變化的幾何軌跡。目前仍然是系統(tǒng)設計

8、和穩(wěn)定性分析的一種重要方法。要方法。 50年代末期所討論的內(nèi)容主要有：年代末期所討論的內(nèi)容主要有：系統(tǒng)數(shù)學模型的建立、時域分析系統(tǒng)數(shù)學模型的建立、時域分析祛、頻率特性法、根軌跡法、系統(tǒng)綜合與校正、非線性系統(tǒng)和采樣控制祛、頻率特性法、根軌跡法、系統(tǒng)綜合與校正、非線性系統(tǒng)和采樣控制系統(tǒng)分析法等系統(tǒng)分析法等，也被稱為經(jīng)典控制理論也被稱為經(jīng)典控制理論。 二、現(xiàn)代控制理論概述二、現(xiàn)代控制理論概述 50年代末，美國的年代末，美國的Bellman（貝爾曼）貝爾曼）、 Kalman（卡爾曼）卡爾曼）和前蘇和前蘇聯(lián)的聯(lián)的龐德里亞金龐德里亞金等考慮用常微分方程作為控制系統(tǒng)的數(shù)學模型。由于數(shù)等考慮用常微分方程作為控

9、制系統(tǒng)的數(shù)學模型。由于數(shù)字計算機的發(fā)展使得十年前尚無法進行的計算問題成為可能，這時李雅字計算機的發(fā)展使得十年前尚無法進行的計算問題成為可能，這時李雅普諾夫的工作被引人到控制理論中來，而由普諾夫的工作被引人到控制理論中來，而由Wiener（維納）維納）等人在第二等人在第二次世界大戰(zhàn)期間關于最優(yōu)控制的研究也被用來研究系統(tǒng)狀態(tài)軌跡的優(yōu)化次世界大戰(zhàn)期間關于最優(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。這種方法在標準形式或狀態(tài)形式的常微分方程的基礎上直接引進問題。這種方法在標準形式或狀態(tài)形式的常微分方程的基礎上直接引進并大量使用了計算機。這種方法通常稱為并大量使用了計算機。這種方法通常稱為“現(xiàn)代控制

10、理論現(xiàn)代控制理論”，以區(qū)別于以區(qū)別于60年代以前的年代以前的“經(jīng)典控制理論經(jīng)典控制理論”。第07頁 現(xiàn)代控制理論的重要標志：現(xiàn)代控制理論的重要標志： 狀態(tài)空間法被引入到控制理論中來狀態(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)結構特征的重提出了能控性與能觀測性。表征系統(tǒng)結構特征的重要概念。要概念。 “內(nèi)部研究內(nèi)部研究”代替了傳統(tǒng)的代替了傳統(tǒng)的“外部研究外部研究”。并使分析與綜合。并使分析與綜合過程建立在嚴格的理論基礎之上。過程建立在嚴格的理論基礎之上。 主要分支學科：線性系統(tǒng)理論、最優(yōu)控制理論、系統(tǒng)辨識與主要分支學科：線性系統(tǒng)理論、最優(yōu)控制理論、系統(tǒng)辨識與自適應控

11、制、大系統(tǒng)理論和特大系統(tǒng)理論等。一些分支學科還自適應控制、大系統(tǒng)理論和特大系統(tǒng)理論等。一些分支學科還滲透到相鄰學科中去，如濾波技術、自學習理論與人工智能、滲透到相鄰學科中去，如濾波技術、自學習理論與人工智能、建模理論與系統(tǒng)工程等。建模理論與系統(tǒng)工程等。第08頁第三節(jié)第三節(jié) 自動控制與自動控制系統(tǒng)自動控制與自動控制系統(tǒng)一、自動控制的概念一、自動控制的概念 1、手動控制、手動控制 水箱水位的手動控制水箱水位的手動控制： 觀測實際水位，將實際水觀測實際水位，將實際水位與要求的水位值相比較，得位與要求的水位值相比較，得出兩者偏差。根據(jù)偏差的大小出兩者偏差。根據(jù)偏差的大小和方向調(diào)節(jié)進水閥門的開度，和方向

12、調(diào)節(jié)進水閥門的開度，即當實際水位高于要求值時，即當實際水位高于要求值時，關小進水閥門開度，否則加大關小進水閥門開度，否則加大閥門開度以改變進水量，從而閥門開度以改變進水量，從而改變水箱水位，使之與要求值改變水箱水位，使之與要求值保持一致。保持一致。第09頁2、自動控制、自動控制 浮子：浮子：測量作用測量作用連桿：連桿：比較作用比較作用放大器、伺服電動機和減放大器、伺服電動機和減速器：速器： 調(diào)節(jié)作用調(diào)節(jié)作用閥門：閥門：執(zhí)行元件作用執(zhí)行元件作用 自動控制是在人不直接參與的情況下，利用外加設備或裝置（稱為自動控制自動控制是在人不直接參與的情況下，利用外加設備或裝置（稱為自動控制裝置）使被控對象（如

13、機器、設備、生產(chǎn)過程等）自動地按照預定的規(guī)律運行，裝置）使被控對象（如機器、設備、生產(chǎn)過程等）自動地按照預定的規(guī)律運行，使被控對象的一個或多個物理參數(shù)（如溫度、流量成分等）能夠自動地在一定的使被控對象的一個或多個物理參數(shù)（如溫度、流量成分等）能夠自動地在一定的精度范圍內(nèi)，按照給定的規(guī)律變化。精度范圍內(nèi)，按照給定的規(guī)律變化。第10頁 當實際水位低于要求水位時，電位器輸出電壓值為正，且其大小當實際水位低于要求水位時，電位器輸出電壓值為正，且其大小反映了實際水位與水位要反映了實際水位與水位要求求值的差值，放大器輸出信號將有正的變值的差值，放大器輸出信號將有正的變化，電動機帶動減速器使閥門開度增加，直

14、到實際水位重新與水位化，電動機帶動減速器使閥門開度增加，直到實際水位重新與水位要求值相等時為止。要求值相等時為止。 水位自動控制的目的：水位自動控制的目的： 使偏差消除或減小，使實際水位達到要求的水位值。使偏差消除或減小，使實際水位達到要求的水位值。第11頁二、自動控制系統(tǒng)二、自動控制系統(tǒng) 為達到某一目的，由相互制約、相互聯(lián)系的各個部件按照一定規(guī)為達到某一目的，由相互制約、相互聯(lián)系的各個部件按照一定規(guī)律構成且具有獨立功能的整體稱為系統(tǒng)。律構成且具有獨立功能的整體稱為系統(tǒng)。 自動控制系統(tǒng)是由自動控制系統(tǒng)是由被控對象被控對象和和自動控制裝置自動控制裝置按照一定方式連接起按照一定方式連接起來，能完成

15、一定自動控制任務的總體。來，能完成一定自動控制任務的總體。 自動控制系統(tǒng)的自動控制系統(tǒng)的被控制量被控制量稱為稱為系統(tǒng)輸出量系統(tǒng)輸出量 影響系統(tǒng)輸出量的影響系統(tǒng)輸出量的外界輸入外界輸入稱為系統(tǒng)的稱為系統(tǒng)的擾動輸入量擾動輸入量 輸入量分類：輸入量分類： 給定輸入給定輸入（或稱參考輸入、希望值等）：（或稱參考輸入、希望值等）：指對系統(tǒng)輸出量的要指對系統(tǒng)輸出量的要求值求值 擾動輸入擾動輸入：指對系統(tǒng)輸出量有不利影響的輸入量指對系統(tǒng)輸出量有不利影響的輸入量第12頁系統(tǒng)方框圖： 為了清楚地表示控制系統(tǒng)的組成及各組成部分之間信號的傳輸關系，畫為了清楚地表示控制系統(tǒng)的組成及各組成部分之間信號的傳輸關系，畫出的

16、控制系統(tǒng)元件作用圖稱為系統(tǒng)方框圖。共有四種圖例：出的控制系統(tǒng)元件作用圖稱為系統(tǒng)方框圖。共有四種圖例： （1）裝置用方框表示）裝置用方框表示 （2）信號用帶箭號的線段表示）信號用帶箭號的線段表示 （3）信號引出點）信號引出點 （4）信號相加點（比較點）信號相加點（比較點）第13頁 （）自動控制系統(tǒng)的組成（）自動控制系統(tǒng)的組成 由兩大組成部分，即被控對象和自動控制裝置（有時也稱為控制器）由兩大組成部分，即被控對象和自動控制裝置（有時也稱為控制器） 自動控制裝置又可分為下列幾個部分：自動控制裝置又可分為下列幾個部分： （1）測量元件（或測量裝置）。用于測量被控量的實際值或對被控量）測量元件（或測量裝

17、置）。用于測量被控量的實際值或對被控量進行物理量變換的裝置。進行物理量變換的裝置。 （2）比較元件（或比較器）。它將被控量的實際值（常取負號）與被）比較元件（或比較器）。它將被控量的實際值（常取負號）與被控量的要求值（常取正號）相比較，得到偏差的大小和符號?？亓康囊笾担ǔＨ≌枺┫啾容^，得到偏差的大小和符號。 （3）調(diào)節(jié)元件。通常包括放大器和校正裝置。它能將偏差信號放大，）調(diào)節(jié)元件。通常包括放大器和校正裝置。它能將偏差信號放大，并使輸出控制信號與偏差信號之間具有一定的數(shù)值運算關系（也稱為調(diào)節(jié)并使輸出控制信號與偏差信號之間具有一定的數(shù)值運算關系（也稱為調(diào)節(jié)規(guī)律或控制算法）。規(guī)律或控制算法）。

18、（4）執(zhí)行元件。接受調(diào)節(jié)元件的輸出控制信號，產(chǎn)生具體的控制效果，）執(zhí)行元件。接受調(diào)節(jié)元件的輸出控制信號，產(chǎn)生具體的控制效果，使被控制量產(chǎn)生預期的改變。使被控制量產(chǎn)生預期的改變。第14 頁（二）自動控制系統(tǒng)的工作原理（二）自動控制系統(tǒng)的工作原理 從圖從圖1-51-51-5可知可知 ，當被控量偏離給定值（通常是給定值變化或因擾動而，當被控量偏離給定值（通常是給定值變化或因擾動而引起）時，測量元件測得被控量的值，并經(jīng)物理量變換后由比較元件將其引起）時，測量元件測得被控量的值，并經(jīng)物理量變換后由比較元件將其與給定值比較得出偏差，調(diào)節(jié)元件根據(jù)偏差的大小進行調(diào)節(jié)和運算，將輸與給定值比較得出偏差，調(diào)節(jié)元件根

19、據(jù)偏差的大小進行調(diào)節(jié)和運算，將輸出的控制信號送到執(zhí)行器產(chǎn)生具體的控制作用。這一控制作用使被控量恢出的控制信號送到執(zhí)行器產(chǎn)生具體的控制作用。這一控制作用使被控量恢復或趨近于給定值，從而消除或減少偏差。通過測量、比較得到偏差，由復或趨近于給定值，從而消除或減少偏差。通過測量、比較得到偏差，由偏差信號產(chǎn)生控制作用，最終使偏差消除或減少的原理稱為負反饋原理。偏差信號產(chǎn)生控制作用，最終使偏差消除或減少的原理稱為負反饋原理。 自動控制系統(tǒng)的主要特點是：自動控制系統(tǒng)的主要特點是：（1）從信號的傳送來看，采用的是負反饋原理；）從信號的傳送來看，采用的是負反饋原理；（2）從控制作用的產(chǎn)生來看，是由偏差產(chǎn)生的；）

20、從控制作用的產(chǎn)生來看，是由偏差產(chǎn)生的； 這種由偏差產(chǎn)生的控制作用稱為偏差控制。這種由偏差產(chǎn)生的控制作用稱為偏差控制。 具有上述兩個特點的自動控制系統(tǒng)稱為反饋控制系統(tǒng)、閉環(huán)控制系統(tǒng)具有上述兩個特點的自動控制系統(tǒng)稱為反饋控制系統(tǒng)、閉環(huán)控制系統(tǒng)或偏差控制系統(tǒng)。這一類系統(tǒng)的工作原理稱為反饋控制原理?；蚱羁刂葡到y(tǒng)。這一類系統(tǒng)的工作原理稱為反饋控制原理。第15 頁三、自動控制系統(tǒng)分類三、自動控制系統(tǒng)分類 從信號傳送的結構特點可將控制系統(tǒng)可分為從信號傳送的結構特點可將控制系統(tǒng)可分為開環(huán)控制系統(tǒng)開環(huán)控制系統(tǒng)與與閉環(huán)控閉環(huán)控制系統(tǒng)。制系統(tǒng)。按照其他分類原則還可分為：按照其他分類原則還可分為：（一）隨動系統(tǒng)與自

21、動調(diào)整系統(tǒng)（一）隨動系統(tǒng)與自動調(diào)整系統(tǒng) 隨動系統(tǒng)隨動系統(tǒng)又稱為伺服系統(tǒng)。又稱為伺服系統(tǒng)。特點：特點：給定值是預先未知的、隨時間任意給定值是預先未知的、隨時間任意變化，要求系統(tǒng)被控量以盡可能小的誤差跟隨給定值變化。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。 自動調(diào)整系統(tǒng)自動調(diào)整系統(tǒng)又稱為又稱為恒值控制系統(tǒng)恒值控制系統(tǒng)、定值調(diào)節(jié)系統(tǒng)定值調(diào)節(jié)系統(tǒng)或或自動鎮(zhèn)定系統(tǒng)自動鎮(zhèn)定系統(tǒng)。特點：特點：系統(tǒng)輸入量（即給定值）不變，但由于擾動使被控量偏離要求值，系統(tǒng)輸入量（即給定值）不變，但由于擾動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，使被控量恢復到要求值，并以一定的準該系統(tǒng)能根據(jù)偏差產(chǎn)生控制作

22、用，使被控量恢復到要求值，并以一定的準確度保持在要求值附近。確度保持在要求值附近。（二）線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)（二）線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng) 線性系統(tǒng)線性系統(tǒng)是指組成系統(tǒng)的元器件的是指組成系統(tǒng)的元器件的靜態(tài)特性為直線靜態(tài)特性為直線，能用，能用線性常微分線性常微分方程方程描述其輸出與輸入關系的系統(tǒng)。線性系統(tǒng)的主要特點是具有描述其輸出與輸入關系的系統(tǒng)。線性系統(tǒng)的主要特點是具有疊加性疊加性和和齊次性齊次性。第16頁本課程研究本課程研究線性定常系統(tǒng)（線性定常系統(tǒng)（或稱為或稱為線性時不變系統(tǒng)線性時不變系統(tǒng)、自治系統(tǒng)）自治系統(tǒng)） 非線性系統(tǒng)非線性系統(tǒng)是指組成系統(tǒng)的元器件中有一個以上具有非直線的靜態(tài)特性是指組成系

23、統(tǒng)的元器件中有一個以上具有非直線的靜態(tài)特性的系統(tǒng)。非線性系統(tǒng)還可分為的系統(tǒng)。非線性系統(tǒng)還可分為非線性時變系統(tǒng)非線性時變系統(tǒng)與與非線性定常系統(tǒng)非線性定常系統(tǒng)。 嚴格地說，實際上不存在線性系統(tǒng)，這是因為各種實際的物理系統(tǒng)總嚴格地說，實際上不存在線性系統(tǒng)，這是因為各種實際的物理系統(tǒng)總是具有不同程度的非線性，但只要非線性不嚴重，在一定范圍內(nèi)能用線性系是具有不同程度的非線性，但只要非線性不嚴重，在一定范圍內(nèi)能用線性系統(tǒng)的理論和方法對待的系統(tǒng)都可視為線性系統(tǒng)。統(tǒng)的理論和方法對待的系統(tǒng)都可視為線性系統(tǒng)。（三）連續(xù)系統(tǒng)與離散系統(tǒng)（三）連續(xù)系統(tǒng)與離散系統(tǒng) 連續(xù)系統(tǒng)連續(xù)系統(tǒng)，各部分的輸入和輸出信號都是，各部分的輸

24、入和輸出信號都是連續(xù)變化連續(xù)變化的的模擬量模擬量，可用，可用微微分方程分方程來描述各部分輸入來描述各部分輸入-輸出關系的系統(tǒng)。輸出關系的系統(tǒng)。 離散系統(tǒng)離散系統(tǒng)，某一處或多處的信號以，某一處或多處的信號以脈沖序列脈沖序列或或數(shù)碼形式數(shù)碼形式傳遞的系統(tǒng)。傳遞的系統(tǒng)。 離散系統(tǒng)也有離散系統(tǒng)也有線性離散系統(tǒng)線性離散系統(tǒng)和和非線性離散系統(tǒng)非線性離散系統(tǒng)、定常離散系統(tǒng)定常離散系統(tǒng)和和時變時變離散系統(tǒng)離散系統(tǒng)之分。之分。第17頁 （四）單輸入（四）單輸入- -單輸出系統(tǒng)與多輸入單輸出系統(tǒng)與多輸入- -多輸出系統(tǒng)多輸出系統(tǒng) （五）確定系統(tǒng)與不確定系統(tǒng)（五）確定系統(tǒng)與不確定系統(tǒng) 若系統(tǒng)的結構和參數(shù)是確定的、預

25、先可知的，系統(tǒng)的輸入信號（包括若系統(tǒng)的結構和參數(shù)是確定的、預先可知的，系統(tǒng)的輸入信號（包括給定輸入和擾動）也是確定的，則可用解析式或圖表確切地表示，這種系統(tǒng)給定輸入和擾動）也是確定的，則可用解析式或圖表確切地表示，這種系統(tǒng)稱為稱為確定系統(tǒng)確定系統(tǒng)。 系統(tǒng)本身的結構和參數(shù)不確定或作用于系統(tǒng)的輸入信號不確定時，則稱系統(tǒng)本身的結構和參數(shù)不確定或作用于系統(tǒng)的輸入信號不確定時，則稱這種系統(tǒng)為這種系統(tǒng)為不確定系統(tǒng)不確定系統(tǒng)。 單輸入單輸入-單輸出系統(tǒng)單輸出系統(tǒng)的輸入量和輸出量各只有一個，也稱為的輸入量和輸出量各只有一個，也稱為單變量系統(tǒng)單變量系統(tǒng)。 多輸入多輸入-多輸出系統(tǒng)多輸出系統(tǒng)的輸入量和輸出量個數(shù)多

26、于一個，也稱為的輸入量和輸出量個數(shù)多于一個，也稱為多變量系統(tǒng)多變量系統(tǒng)。（六）集中參數(shù)系統(tǒng)和分布參數(shù)系統(tǒng)（六）集中參數(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)稱為能用常微分方程描述的系統(tǒng)稱為集中參數(shù)系統(tǒng)集中參數(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)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)，同時對非線性系統(tǒng)及線性離散系統(tǒng)也作必要的闡述。統(tǒng)，同時對非線性系統(tǒng)及線性離散系統(tǒng)也作必要的闡述。第18頁第四節(jié) 開環(huán)控制和閉環(huán)控制

27、 開環(huán)控制開環(huán)控制是一種最簡單的控制方式。特點：在控制器與被控對象之間是一種最簡單的控制方式。特點：在控制器與被控對象之間只有正只有正向控制作用向控制作用而而沒有反饋沒有反饋控制作用，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。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。 實際應用的控制系統(tǒng)中，根據(jù)有無反饋作用，又可分為實際應用的控制系統(tǒng)中，根據(jù)有無反饋作用，又可分為開環(huán)控制開環(huán)控制系統(tǒng)和系統(tǒng)和閉環(huán)閉環(huán)控制控制系統(tǒng)。系統(tǒng)。 一、開環(huán)控制與閉環(huán)控制的概念一、開環(huán)控制與閉環(huán)控制的概

28、念（）開環(huán)控制與開環(huán)控制系統(tǒng)（）開環(huán)控制與開環(huán)控制系統(tǒng)第19頁直流電動機轉速開環(huán)控制系統(tǒng) 給定電壓給定電壓ug經(jīng)放大后產(chǎn)生電樞電壓經(jīng)放大后產(chǎn)生電樞電壓ua，當電動機勵磁電壓恒定時，改當電動機勵磁電壓恒定時，改變變ua可得到不同的轉速可得到不同的轉速n。n與與ua具有一一對應的關系。例如當具有一一對應的關系。例如當u=ua1時，時，n=n1；該系統(tǒng)的信號通路不閉合，所以是該系統(tǒng)的信號通路不閉合，所以是開環(huán)系統(tǒng)開環(huán)系統(tǒng)。當有擾動引起轉速變。當有擾動引起轉速變化時，無法克服擾動造成的影響，因此化時，無法克服擾動造成的影響，因此ua與與n之間的對應關系是不準確的。之間的對應關系是不準確的。要進行補償就

29、必須借助人工改變輸入電壓要進行補償就必須借助人工改變輸入電壓ua。第20頁（二）閉環(huán)控制與閉環(huán)控制系統(tǒng) 圖圖1-8 閉環(huán)控制系統(tǒng)方框圖閉環(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)稱為直接影響的系統(tǒng)稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)。如圖。如圖1-8所示。所示。 將檢測得到的輸出量回送到系統(tǒng)輸入端，并與輸入量進行比較，構成信號的將檢測得到的輸出量回送到系統(tǒng)輸入端，并與輸入量進行比較，構成信號的反饋。輸入信號與反饋信號之差即為偏差信號，該偏差信號作用于控制器，使系反饋。輸入信號與反饋信號

30、之差即為偏差信號，該偏差信號作用于控制器，使系統(tǒng)的輸出量趨于給定的數(shù)值，這就是統(tǒng)的輸出量趨于給定的數(shù)值，這就是閉環(huán)控制閉環(huán)控制，也稱為，也稱為反饋控制反饋控制，其實質(zhì)就是利，其實質(zhì)就是利用負反饋來減少或消除系統(tǒng)的偏差。用負反饋來減少或消除系統(tǒng)的偏差。第21頁 反饋控制反饋控制是一種基本的控制規(guī)律，它具有自動修正被控制量偏離給定值是一種基本的控制規(guī)律，它具有自動修正被控制量偏離給定值的作用，因而可以抑制內(nèi)部擾動及外部擾動的影響，從而達到自動控制的目的作用，因而可以抑制內(nèi)部擾動及外部擾動的影響，從而達到自動控制的目的。本課程所指的自動控制系統(tǒng)即指反饋（閉環(huán)）控制系統(tǒng)，而實際中應用的。本課程所指的自

31、動控制系統(tǒng)即指反饋（閉環(huán)）控制系統(tǒng)，而實際中應用最多的是最多的是負反饋控制系統(tǒng)。負反饋控制系統(tǒng)。 在直流電動在直流電動機轉速機轉速開環(huán)控制開環(huán)控制系統(tǒng)中系統(tǒng)中引入測速引入測速發(fā)電機發(fā)電機，構成一，構成一個直流電動機轉個直流電動機轉速速閉環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)，如圖如圖1-9所示。所示。第22頁（三）開環(huán)控制系統(tǒng)與閉環(huán)控制系統(tǒng)的比較（三）開環(huán)控制系統(tǒng)與閉環(huán)控制系統(tǒng)的比較 閉環(huán)控制過程：閉環(huán)控制過程：1、輸出量高于給定值、輸出量高于給定值-檢測出偏差檢測出偏差-控制運算控制運算-執(zhí)行執(zhí)行-減少輸出量減少輸出量-輸出量趨于給定值；輸出量趨于給定值；2、輸出量低于給定值、輸出量低于給定值-檢測出檢測出

32、偏差偏差-控制運算控制運算-執(zhí)行執(zhí)行 -增加輸出量增加輸出量-輸出量趨于給定值。輸出量趨于給定值。 優(yōu)點：優(yōu)點：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，都將進行自動調(diào)節(jié)，以消除和減小偏差。的變化，都將進行自動調(diào)節(jié)，以消除和減小偏差。 缺點：缺點：使用元件較多，線路比較復雜使用元件較多，線路比較復雜；系統(tǒng)要工作就必須有偏差存在系統(tǒng)要工作就必須有偏差存在，這是由于閉環(huán)系統(tǒng)是以偏差作為控制原因來消除偏差的，因此這類系統(tǒng)的精這是由于閉環(huán)系統(tǒng)是以偏差作為控制原因來消除偏差的，因此這類系統(tǒng)的精度也是度也是有限有限的（雖然比開環(huán)

33、系統(tǒng)的精度高出許多）；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)定性是一對矛盾精度與穩(wěn)定性是一對矛盾。 閉環(huán)控制系統(tǒng)的優(yōu)點是采用了負反饋，因此對系統(tǒng)外部擾動和內(nèi)部參數(shù)閉環(huán)控制系統(tǒng)的優(yōu)點是采用了負反饋，因此對系統(tǒng)外部擾動和內(nèi)部參數(shù)的變化（的變化（內(nèi)擾動內(nèi)擾動）引起的偏差能自動進行調(diào)整?？梢圆捎茫┮鸬钠钅茏詣舆M行調(diào)整?？梢圆捎镁炔惶?、成本精度不太高、成本比較低比較低的元件來組成一個精確度較高的控制系統(tǒng)。的元件來組成一個精確度較高的控制系統(tǒng)。 開環(huán)系統(tǒng)沒有反饋，故沒有自動消除偏差的能力，外部擾動和系統(tǒng)內(nèi)部開環(huán)系統(tǒng)沒有反饋，故沒有自動消除偏差的能力，

34、外部擾動和系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)的變化都將引起系統(tǒng)精度的降低。參數(shù)的變化都將引起系統(tǒng)精度的降低。第23頁 從從穩(wěn)定性穩(wěn)定性的角度看，的角度看，開環(huán)系統(tǒng)開環(huán)系統(tǒng)結構簡單，結構簡單，系統(tǒng)總能穩(wěn)定地系統(tǒng)總能穩(wěn)定地工作。而工作。而閉環(huán)系統(tǒng)的閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性始終是一個重要問題穩(wěn)定性始終是一個重要問題，如果參數(shù)選擇不當，將使系統(tǒng)，如果參數(shù)選擇不當，將使系統(tǒng)不穩(wěn)定不穩(wěn)定（發(fā)生振蕩或發(fā)散）（發(fā)生振蕩或發(fā)散），失去對被控量的控制。，失去對被控量的控制。 采用開環(huán)控制和閉環(huán)控制的原則：采用開環(huán)控制和閉環(huán)控制的原則： 如果系統(tǒng)的輸入量預先知道，并且不存在外部擾動，采用開環(huán)控制，如果系統(tǒng)的輸入量預先知道，并且不存在外部擾動，采

35、用開環(huán)控制，如果存在無法預計的擾動，或系統(tǒng)中元器件參數(shù)不穩(wěn)定，則采用閉環(huán)控如果存在無法預計的擾動，或系統(tǒng)中元器件參數(shù)不穩(wěn)定，則采用閉環(huán)控制制 當對整個系統(tǒng)的性能要求較高時，為了解決閉環(huán)控制精度和穩(wěn)定性當對整個系統(tǒng)的性能要求較高時，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)的功能結合在一起，即采用復之間的矛盾，往往將開環(huán)系統(tǒng)和閉環(huán)系統(tǒng)的功能結合在一起，即采用復合控制系統(tǒng)。合控制系統(tǒng)。 第24頁二、自動控制系二、自動控制系統(tǒng)舉例統(tǒng)舉例（）恒溫箱控制系統(tǒng)（）恒溫箱控制系統(tǒng) 第25頁（二）機床工作臺位置控制系統(tǒng)（二）機床工作臺位置控制系統(tǒng) 第26頁第五節(jié)第五節(jié) 本課程的內(nèi)容和特點

36、本課程的內(nèi)容和特點一、自動控制理論的內(nèi)容一、自動控制理論的內(nèi)容 要研究的問題有兩個方面，即要研究的問題有兩個方面，即控制系統(tǒng)的分析控制系統(tǒng)的分析；控制系統(tǒng)設計與綜合控制系統(tǒng)設計與綜合。 自動控制理論的內(nèi)容與自動控制系統(tǒng)需要研究的問題密切聯(lián)系。自動控制理論的內(nèi)容與自動控制系統(tǒng)需要研究的問題密切聯(lián)系。（）自動控制系統(tǒng)的分析（）自動控制系統(tǒng)的分析 控制系統(tǒng)分析包括三個方面內(nèi)容：控制系統(tǒng)分析包括三個方面內(nèi)容：穩(wěn)定性分析；穩(wěn)態(tài)特性分析；穩(wěn)定性分析；穩(wěn)態(tài)特性分析；動態(tài)特性（暫態(tài)特性或瞬態(tài)特性）分析。動態(tài)特性（暫態(tài)特性或瞬態(tài)特性）分析。 1 1系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析 給出判斷系統(tǒng)穩(wěn)定性的基本方法，

37、并闡述系統(tǒng)的穩(wěn)定性與系統(tǒng)結構給出判斷系統(tǒng)穩(wěn)定性的基本方法，并闡述系統(tǒng)的穩(wěn)定性與系統(tǒng)結構（或稱控制規(guī)律）及系統(tǒng)參數(shù)間的關系。（或稱控制規(guī)律）及系統(tǒng)參數(shù)間的關系。 2 2穩(wěn)態(tài)特性分析穩(wěn)態(tài)特性分析 系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)特性表征了系統(tǒng)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)特性表征了系統(tǒng)實際穩(wěn)態(tài)值實際穩(wěn)態(tài)值與與希望穩(wěn)態(tài)值希望穩(wěn)態(tài)值之間的差值，即之間的差值，即穩(wěn)態(tài)誤差穩(wěn)態(tài)誤差，表征了控制系統(tǒng)的，表征了控制系統(tǒng)的控制精度控制精度。給出計算系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差的方法，。給出計算系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差的方法，指出指出系統(tǒng)結構和參數(shù)系統(tǒng)結構和參數(shù)對穩(wěn)態(tài)特性的影響。對穩(wěn)態(tài)特性的影響。第27頁 3動態(tài)特性分析 系統(tǒng)的輸入一定時，一般將由系統(tǒng)的輸入一定時，一般將由初始穩(wěn)態(tài)初始穩(wěn)態(tài)向向終止穩(wěn)態(tài)過渡終止穩(wěn)態(tài)過渡。初始穩(wěn)態(tài)與。初始穩(wěn)態(tài)與終止穩(wěn)態(tài)之間的終止穩(wěn)態(tài)之間的過渡過程過渡過程稱為系統(tǒng)的稱為系統(tǒng)的動態(tài)過程動態(tài)過程（或（或瞬態(tài)過程瞬態(tài)過程、暫態(tài)過程暫態(tài)過程）。）。分析系統(tǒng)結構、參數(shù)與動態(tài)特性的關系，并給出計算系統(tǒng)動態(tài)性能指標的分析系統(tǒng)結構、參數(shù)與動態(tài)特性的關系，并給出計算系統(tǒng)動態(tài)性能指標的方法和討論改善系統(tǒng)動態(tài)性能的途徑方法和討論改善系統(tǒng)動態(tài)性能的途徑。 （二）自動控制系統(tǒng)的設計與綜合（二）自動控制系統(tǒng)的設計與綜合 設計一個系統(tǒng)比分析一個系統(tǒng)要復