自控原理第1章 2.28

自動(dòng)控制原理本課程的性質(zhì)、任務(wù)和要求性質(zhì)：專業(yè)基礎(chǔ)課、考研主要專業(yè)課程任務(wù)：掌握自動(dòng)控制系統(tǒng)分析和校正設(shè)計(jì)的方法特點(diǎn)：研究控制系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)的一般理論，理論性強(qiáng)難理解。考核：平時(shí)30%+考試70%屬于自動(dòng)化科學(xué)范疇，研究一些共性的、具有普遍規(guī)律的問題。授課內(nèi)容自動(dòng)控制的一般概念線形系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型線性系統(tǒng)的時(shí)域分析法線性系統(tǒng)的根軌跡法線性系統(tǒng)的頻率響應(yīng)法線性系統(tǒng)的校正方法數(shù)字控制系統(tǒng)分析基礎(chǔ)對(duì)象：?jiǎn)巫兞繒r(shí)不變連續(xù)系統(tǒng)目標(biāo)：穩(wěn)、準(zhǔn)、快任務(wù)：分析、設(shè)計(jì)課程目標(biāo)要求學(xué)生初步掌握自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念與原理掌握經(jīng)典控制理論中的主要系統(tǒng)分析方法掌握其校正與設(shè)計(jì)技術(shù)，了解其應(yīng)用。通過對(duì)自動(dòng)控制基本理論的系統(tǒng)學(xué)習(xí)，使得學(xué)生不僅加深對(duì)控制問題本身的理解，而且了解到目前所學(xué)內(nèi)容的某些應(yīng)用方面和進(jìn)一步研究的方向，為今后的研究與技術(shù)工作奠定良好的理論基礎(chǔ)。課程要求按時(shí)聽課認(rèn)真聽講，遵守課堂紀(jì)律按時(shí)、獨(dú)立完成作業(yè)遇到問題及時(shí)解決多看參考書，多方面理解課程內(nèi)容勤于思考、善于發(fā)現(xiàn)問題注意理論學(xué)習(xí)和實(shí)際應(yīng)用之間的聯(lián)系第一章緒論（自動(dòng)控制的一般概念）1.1自動(dòng)控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介1.2自動(dòng)控制系統(tǒng)分類1.3自動(dòng)控制理論的發(fā)展簡(jiǎn)史1.4工程控制問題的基本要求機(jī)械轉(zhuǎn)速、位置的控制工業(yè)過程中溫度、壓力、流量的控制遠(yuǎn)洋巨輪航行控制深水潛艇的控制飛機(jī)自動(dòng)駕駛神舟飛船的返回控制“勇氣”號(hào)、“機(jī)遇”號(hào)的火星登陸控制等等總之，自動(dòng)控制技術(shù)的應(yīng)用幾乎無所不在。自動(dòng)控制的應(yīng)用領(lǐng)域1.1自動(dòng)控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介控制使設(shè)備或生產(chǎn)過程的物理量保持恒定或按一定規(guī)律的變化

被控對(duì)象被控量輸入量、給定值、希望值（人工控制和自動(dòng)控制）在許多工業(yè)生產(chǎn)過程或生產(chǎn)設(shè)備運(yùn)行中，為了保證正常的工作條件，往往需要對(duì)某些物理量(如溫度、壓力、流量、液位、電壓、位移、轉(zhuǎn)速等)進(jìn)行控制，使其盡量維持在某個(gè)數(shù)值附近，或使其按一定規(guī)律變化。要滿足這種需要，就應(yīng)該對(duì)生產(chǎn)機(jī)械或設(shè)備進(jìn)行及時(shí)的操作，以抵消外界干擾的影響。

控制：為了滿足預(yù)期要求所進(jìn)行的操作

自動(dòng)控制的概念

在沒有人直接參與的情況下，利用外加的設(shè)備或裝置（稱控制裝置或控制器），使機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過程（統(tǒng)稱被控對(duì)象）的某個(gè)工作狀態(tài)或參數(shù)（即被控量）自動(dòng)地按照預(yù)定的規(guī)律（給定值）運(yùn)行。下面以水池水位系統(tǒng)的人工控制與自動(dòng)控制為例說明自動(dòng)控制的原理思考：被控對(duì)象、被控量？如何實(shí)現(xiàn)控制？控制目的：避免水過滿或抽空，應(yīng)使水池水位與預(yù)定水位相等控制手段：改變進(jìn)水閥門的開度人工控制過程：測(cè)量（眼）、決策（腦）、執(zhí)行（手）自動(dòng)控制和人工控制極為相似，自動(dòng)控制系統(tǒng)只不過是把某些裝置有機(jī)地組合在一起，以代替人的職能而已。浮子（眼睛），連桿和電位器（大腦），電動(dòng)機(jī)（手）。這些裝置相互配合，承擔(dān)著控制的職能，通常稱之為控制器（或控制裝置）。任何一個(gè)控制系統(tǒng)，都是由被控對(duì)象和控制器兩部分所組成的。自動(dòng)控制系統(tǒng)自動(dòng)控制系統(tǒng)：被控對(duì)象和自動(dòng)控制裝置按照一定方式連接起來，完成一定控制任務(wù)的總體（能夠?qū)Ρ豢貙?duì)象的工作狀態(tài)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的系統(tǒng)）控制裝置：對(duì)被控對(duì)象起控制作用的設(shè)備的總體被控對(duì)象：需要控制的設(shè)備或生產(chǎn)過程自動(dòng)控制系統(tǒng)=控制裝置+被控對(duì)象測(cè)量元件控制器執(zhí)行元件自動(dòng)控制系統(tǒng)的方框圖方框圖可直觀的表達(dá)控制系統(tǒng)的組成及信號(hào)之間的傳遞關(guān)系水位給定值控制器偏差進(jìn)水調(diào)節(jié)閥進(jìn)水量水池出水量水位實(shí)際值浮子水位測(cè)量值＋方框圖中各符號(hào)的意義元部件方框（塊）圖信號(hào)（物理量）及傳遞方向中的符號(hào)比較點(diǎn)引出點(diǎn)(分支點(diǎn))表示負(fù)反饋?zhàn)詣?dòng)控制系統(tǒng)的基本控制方式1.開環(huán)控制2.閉環(huán)控制3.復(fù)合控制

開環(huán)控制輸入信號(hào)控制裝置被控對(duì)象輸出信號(hào)輸入端與輸出端只有信號(hào)的前向通道,不存在由輸出端到輸入端的反饋通路,即,系統(tǒng)的輸入不受輸出的影響

優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、穩(wěn)定性好缺點(diǎn)：抗干擾能力差，不能自動(dòng)修正被控量產(chǎn)生的偏差適用場(chǎng)合：干擾不強(qiáng)或可預(yù)測(cè)、元件比較穩(wěn)定、控制精度要求不高的場(chǎng)合，如洗衣機(jī)、紅綠燈閉環(huán)控制輸入信號(hào)控制裝置被控對(duì)象輸出信號(hào)反饋裝置輸出端和輸入端之間存在反饋回路，輸出量對(duì)控制過程有直接影響,應(yīng)用反饋，減少偏差。偏差信號(hào)優(yōu)點(diǎn)：自動(dòng)修正被控量產(chǎn)生的偏差，控制精度高缺點(diǎn)：穩(wěn)定性差（由于反饋的存在使被控量產(chǎn)生振蕩）適用場(chǎng)合：系統(tǒng)元件參數(shù)發(fā)生變化和擾動(dòng)無法預(yù)計(jì)的情況復(fù)合控制特點(diǎn)：主要擾動(dòng)進(jìn)行干擾補(bǔ)償，并結(jié)合偏差控制實(shí)現(xiàn)良好的控制效果。比較、計(jì)算執(zhí)行受控對(duì)象測(cè)量給定值被控量干擾+-計(jì)算測(cè)量最優(yōu)控制：要求控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)某種性能標(biāo)準(zhǔn)最好的控制。自適應(yīng)控制：當(dāng)系統(tǒng)特性或元件參數(shù)變化時(shí)，能自動(dòng)測(cè)量這些變化并自動(dòng)改變系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，使系統(tǒng)適應(yīng)環(huán)境的變化并始終保持最優(yōu)的性能。智能控制：具有智能信息處理、智能反饋和智能控制決策的控制方式?；拘g(shù)語自動(dòng)控制：在無人直接參與的情況下，使被控對(duì)象的一個(gè)物理量（被控量）按預(yù)定規(guī)律（給定量）運(yùn)行。自動(dòng)控制系統(tǒng)：按照一定方式把被控對(duì)象和控制器連接起來完成各種控制任務(wù)的有機(jī)整體。被控對(duì)象：指完成一定技術(shù)要求的工作機(jī)器、裝置或生產(chǎn)過程等。控制器（調(diào)節(jié)器、控制裝置）：接受指令，輸出控制作用信號(hào)給受控對(duì)象，起到控制作用的設(shè)備總體。被控量：表征被控對(duì)象工作狀態(tài)的物理量（ex:n、p、T）。給定值或指令信號(hào)：即系統(tǒng)的輸入信號(hào)，使控制系統(tǒng)按一定規(guī)律變化。干擾信號(hào)：是對(duì)系統(tǒng)被控量起破壞作用的信號(hào)。有內(nèi)擾和外擾之分。反饋信號(hào)：指被控量經(jīng)測(cè)量元件檢測(cè)后回饋送到系統(tǒng)輸入端的信號(hào)。偏差信號(hào)：指給定值與被控量的差值，或指令信號(hào)與反饋信號(hào)的差值。[動(dòng)態(tài)過程]觀測(cè)恒溫箱內(nèi)的溫度（被控制量）與要求的溫度（給定值）進(jìn)行比較得到溫度偏差的大小和方向根據(jù)偏差大小和方向調(diào)節(jié)調(diào)壓器，控制加熱電阻絲的電流以調(diào)節(jié)溫度回復(fù)到要求值。[實(shí)質(zhì)]檢測(cè)偏差再糾正偏差。1.人工控制恒溫箱123控制系統(tǒng)的工作原理溫度偏差信號(hào)經(jīng)電壓、功率放大后，用以驅(qū)動(dòng)執(zhí)行電動(dòng)機(jī)，并通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)拖動(dòng)調(diào)壓器動(dòng)觸頭。當(dāng)溫度偏高時(shí)，動(dòng)觸頭向減小電流的方向運(yùn)動(dòng)，反之加大電流，直到溫度達(dá)到給定值為止，此時(shí)，偏差u=0,電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。[動(dòng)態(tài)過程]2.恒溫箱自動(dòng)控制系統(tǒng)恒溫箱實(shí)際溫度由熱電偶轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的電壓u2恒溫箱期望溫度由電壓u1給定，并與實(shí)際溫度u2比較得到溫度偏差信號(hào)u=u1-u2系統(tǒng)原理方框圖[實(shí)質(zhì)]檢測(cè)偏差糾正偏差控制系統(tǒng)的工作原理從恒溫箱控制系統(tǒng)功能框圖（職能方框圖）可見：給定量位于系統(tǒng)的輸入端，稱為系統(tǒng)輸入量，也稱為參考輸入量（信號(hào)）。被控量位于系統(tǒng)的輸出端，稱為系統(tǒng)輸出量。輸出量（全部或一部分）通過測(cè)量裝置返回系統(tǒng)的輸入端，使之與輸入量進(jìn)行比較，產(chǎn)生偏差（給定信號(hào)與返回的輸出信號(hào)之差）信號(hào)。輸出量的返回過程稱為反饋。返回的全部或部分輸出信號(hào)稱為反饋信號(hào)。綜上所述控制系統(tǒng)的工作原理：檢測(cè)輸出量（被控制量）的實(shí)際值；將輸出量的實(shí)際值與給定值（輸入量）進(jìn)行比較得出偏差；用偏差值產(chǎn)生控制調(diào)節(jié)作用去消除偏差，使得輸出量維持期望的輸出。由于存在輸出量反饋，上述系統(tǒng)能在存在無法預(yù)計(jì)擾動(dòng)的情況下，自動(dòng)減少系統(tǒng)的輸出量與參考輸入量（或者任意變化的希望的狀態(tài)）之間的偏差，根據(jù)偏差值的大小產(chǎn)生控制作用，實(shí)現(xiàn)控制任務(wù)，這是反饋控制的基本原理，故稱之為反饋控制。顯然：反饋控制建立在偏差基礎(chǔ)上，其控制方式是“檢測(cè)偏差再糾正偏差”。自動(dòng)控制系統(tǒng)的工作原理—

負(fù)反饋

將系統(tǒng)的輸出信號(hào)引回輸入端，與輸入信號(hào)相比較，利用所得的偏差信號(hào)進(jìn)行控制，達(dá)到減小偏差、消除偏差的目的。____構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)的核心

閉環(huán)(反饋)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)：(1)系統(tǒng)內(nèi)部存在反饋，信號(hào)流動(dòng)構(gòu)成閉合回路(2)偏差起調(diào)節(jié)作用控制系統(tǒng)的組成

被控對(duì)象控制系統(tǒng)

測(cè)量元件比較元件

控制裝置

放大元件執(zhí)行元件

校正裝置

給定元件控制系統(tǒng)的組成被控對(duì)象：在自動(dòng)化領(lǐng)域，被控制的裝置、物理系統(tǒng)或過程（室內(nèi)空氣）。控制器：對(duì)控制對(duì)象產(chǎn)生控制作用的裝置稱為控制器，有時(shí)也稱為控制元件、調(diào)節(jié)器等（放大器）。執(zhí)行元件：直接改變被控變量的元件稱為執(zhí)行元件（空調(diào)器）。測(cè)量元件：能夠?qū)⒁环N物理量檢測(cè)出來并轉(zhuǎn)化成另一種容易處理和使用的物理量的裝置稱為傳感器或測(cè)量元件。用于檢測(cè)被控量或輸出量，產(chǎn)生反饋信號(hào)。如果測(cè)出的物理量屬于非電量，一般要轉(zhuǎn)換成電量以便處理，（熱敏電阻）。給定元件（參考輸入元件）：將指令輸入信號(hào)變成參考輸入信號(hào)的元件，主要用于產(chǎn)生給定信號(hào)或控制輸入信號(hào)，

（電位器）。比較元件用來比較輸入信號(hào)和反饋信號(hào)之間的偏差。它可以是一個(gè)差動(dòng)電路，也可以是一個(gè)物理元件（如電橋電路、差動(dòng)放大器等）控制系統(tǒng)的組成放大元件用來放大偏差信號(hào)的幅值和功率，使之能夠推動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)被控對(duì)象。例如功率放大器、電液伺服閥等。校正元件用來改善或提高系統(tǒng)的性能。常用串聯(lián)或反饋的方式連接在系統(tǒng)中。例如測(cè)速發(fā)電機(jī)等。

閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成1給定元件：產(chǎn)生給定信號(hào)或輸入信號(hào)。2測(cè)量元件：測(cè)量被控制量（輸出量），產(chǎn)生反饋信號(hào)。為便于傳輸，反饋信號(hào)通常為電信號(hào)。3比較元件：對(duì)給定信號(hào)和反饋信號(hào)進(jìn)行比較，產(chǎn)生偏差信號(hào)。4放大元件：對(duì)偏差信號(hào)進(jìn)行放大，使之有足夠的能量驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件實(shí)現(xiàn)控制功能。5執(zhí)行元件：直接對(duì)受控對(duì)象進(jìn)行操縱的元件，使被控量變化，如電動(dòng)機(jī)、液壓馬達(dá)等。電等系統(tǒng)中存在著內(nèi)在反饋，需要將這些量轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。注意：在機(jī)械、液壓、氣動(dòng)、機(jī)6校正元件：用以改善系統(tǒng)控制質(zhì)量的裝置。校正元件分為串聯(lián)和并聯(lián)兩種?？刂葡到y(tǒng)中比較元件、放大元件、執(zhí)行元件和反饋元件等共同起控制作用，統(tǒng)稱為控制器。實(shí)際的控制系統(tǒng)中，擾動(dòng)總是不可避免的，擾動(dòng)分為內(nèi)部擾動(dòng)和外部擾動(dòng)。但在控制系統(tǒng)中，擾動(dòng)集中表現(xiàn)在控制量與被控量的偏差上，因此，可以將控制系統(tǒng)的擾動(dòng)等效為對(duì)控制對(duì)象的干擾。E.g.液位控制原型：古代水鐘“銅壺滴漏”Q2Q1H1H2系統(tǒng)職能方框圖的建立[定義]根據(jù)控制系統(tǒng)各部件的職能畫出的方框圖。環(huán)節(jié)輸入量輸出量正/負(fù)反饋液位控制系統(tǒng)負(fù)反饋

正反饋

l1Q1HQ2l2Q1Q2l2Hl1室溫控制系統(tǒng)元件框圖圖1-1室溫控制系統(tǒng)元件框圖室溫控制系統(tǒng)的功能框圖室溫控制系統(tǒng)功能框圖控制系統(tǒng)中常用的信號(hào)和變量輸入信號(hào)：由外部加到系統(tǒng)中的變量，它不受系統(tǒng)中其他變量的影響和控制。輸出信號(hào)：由系統(tǒng)或元件產(chǎn)生的變量，其中最受關(guān)注的輸出信號(hào)又稱為被控變量（室內(nèi)的實(shí)際溫度）。輸入信號(hào)的響應(yīng)：由某一個(gè)輸入信號(hào)產(chǎn)生的輸出信號(hào)又稱為該輸入信號(hào)的響應(yīng)?？刂谱兞浚嚎刂破鞯妮敵鲂盘?hào)稱為控制變量，它作用在控制對(duì)象（執(zhí)行元件、功率放大器）上，影響和改變被控變量（放大器（控制器）的輸出信號(hào)）。被控變量：在控制系統(tǒng)中被控制的物理量是被控變量。（空氣溫度）反饋信號(hào)：是被控變量經(jīng)傳感器等元件變換并返回到輸入端的信號(hào)，一般與被控變量成正比（熱敏電阻即溫度傳感器的輸出信號(hào)）。給定值：又稱為指令輸入信號(hào)，它與被控變量是同一物理單位，用來表示被控變量的設(shè)定值（室內(nèi)溫度的設(shè)定值）。參考輸入信號(hào)：代表指令輸入信號(hào)與反饋信號(hào)進(jìn)行比較的基準(zhǔn)信號(hào)稱為參考輸入信號(hào)（電位器的輸出電壓）。偏差信號(hào)：參考輸入信號(hào)與反饋信號(hào)之差稱為偏差信號(hào)（e=r-y）。擾動(dòng)信號(hào)：是加于系統(tǒng)上的不希望的外來信號(hào)，它對(duì)被控變量產(chǎn)生不利的影響（周圍環(huán)境溫度的變化及房間散熱條件的變化等）。1.2自動(dòng)控制系統(tǒng)分類開環(huán)控制和閉環(huán)控制按照控制方式和策略，系統(tǒng)可分為開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)兩大類。圖1-3開環(huán)控制系統(tǒng)圖1-4閉環(huán)控制系統(tǒng)1、開環(huán)控制系統(tǒng)控制器和控制對(duì)象間只有正向控制作用，系統(tǒng)的輸出量不會(huì)對(duì)控制器產(chǎn)生任何影響；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，容易控制，但控制精度低；一般適合于干擾不強(qiáng)或可預(yù)測(cè)的、控制精度要求不高的場(chǎng)合；如果系統(tǒng)的給定輸入與被控量之間的關(guān)系固定，且其內(nèi)部參數(shù)或外來擾動(dòng)的變化都比較小，或這些擾動(dòng)因素可以事先確定并能給予補(bǔ)償，則采用開環(huán)控制也能取得較為滿意的控制效果；對(duì)擾動(dòng)沒有抑制能力。按給定值操縱的開環(huán)控制系統(tǒng)計(jì)算控制對(duì)象給定值（控制裝置）被控量執(zhí)行干擾按干擾補(bǔ)償?shù)拈_環(huán)控制系統(tǒng)計(jì)算控制對(duì)象測(cè)量被控量執(zhí)行干擾

k

udn~ug例：直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)2、閉環(huán)控制系統(tǒng)系統(tǒng)輸出量對(duì)控制作用有直接影響；實(shí)現(xiàn)了按偏差控制；也稱為反饋控制；閉環(huán)控制系統(tǒng)由前向通道（控制器和控制對(duì)象）和反饋通道（反饋裝置）構(gòu)成（如圖1-4）；反饋控制：正反饋和負(fù)反饋；具有正反饋形式的系統(tǒng)一般不能改進(jìn)系統(tǒng)性能，而且容易使系統(tǒng)性能變壞；通常而言，反饋控制就是指負(fù)反饋控制。閉環(huán)系統(tǒng)必須考慮穩(wěn)定性問題按偏差調(diào)節(jié)的閉環(huán)控制系統(tǒng)比較、計(jì)算控制對(duì)象測(cè)量被控量執(zhí)行干擾給定值－3、閉環(huán)系統(tǒng)與開環(huán)系統(tǒng)的區(qū)別與開環(huán)控制系統(tǒng)相比，閉環(huán)控制系統(tǒng)的最大特點(diǎn)是檢測(cè)偏差、糾正偏差；從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上看，閉環(huán)系統(tǒng)具有反向通道；從功能上看，閉環(huán)系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)：由于增加了反饋通道，系統(tǒng)的控制精度得到了提高，若采用開環(huán)控制，要達(dá)到同樣的精度，則需要高精度的控制器，從而大大增加了成本；由于存在系統(tǒng)的反饋，可以較好地抑制系統(tǒng)各環(huán)節(jié)中可能存在的擾動(dòng)和由于器件的老化而引起的結(jié)構(gòu)和參數(shù)的不確定性；反饋環(huán)節(jié)的存在可以較好地改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。開環(huán)控制閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低復(fù)雜、成本高精度精度低、對(duì)元器件要求高精度高、對(duì)元器件要求低穩(wěn)定性通常不考慮必須考慮二、線性控制系統(tǒng)和非線性控制系統(tǒng)

按照系統(tǒng)是否滿足疊加原理，系統(tǒng)可分為線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)兩類。線性控制系統(tǒng)組成控制系統(tǒng)的元件都具有線性特性；輸入輸出關(guān)系一般可以用微分方程、差分方程、傳遞函數(shù)以及狀態(tài)空間表達(dá)式來描述；線性系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是具有齊次性和適用疊加原理；如果線性系統(tǒng)中的參數(shù)不隨時(shí)間變化，則稱為線性定常系統(tǒng)；否則稱為線性時(shí)變系統(tǒng)

。齊次性若激勵(lì)f(t)產(chǎn)生的響應(yīng)為y(t)，則激勵(lì)A(yù)f(t)產(chǎn)生的響應(yīng)即為Ay(t)，此性質(zhì)即為齊次性。其中A為任意常數(shù)。指系統(tǒng)輸入改變k倍，輸出也相應(yīng)改變k倍疊加原理如果一個(gè)系統(tǒng)在輸入r1(t)作用下產(chǎn)生輸出c1(t)，在輸入r2(t)作用下產(chǎn)生輸出c2(t)；若在r1(t)+r2(t)作用下輸出為c1(t)+c2(t)，則滿足疊加原理若在輸入a1r1(t)+a2r2(t)作用下系統(tǒng)輸出為a1c1(t)+a2c2(t)（其中r1(t)、r2(t)是任意的輸入信號(hào)；a1,a2是任意的常數(shù)），則該系統(tǒng)滿足線性疊加原理，是線性系統(tǒng)，否則是非線性系統(tǒng)。非線性控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)中，若至少有一個(gè)元件具有非線性特性；一般不具有齊次性，也不適用疊加原理；輸出響應(yīng)和穩(wěn)定性與輸入信號(hào)和初始狀態(tài)有很大關(guān)系；也有時(shí)變和定常系統(tǒng)之分；嚴(yán)格地講，絕對(duì)線性的控制系統(tǒng)（或元件）是不存在的。三、定值控制系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)和程序控制系統(tǒng)

按照輸入信號(hào)分類，控制系統(tǒng)可分為定值控制系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)和程序控制系統(tǒng)。定值控制系統(tǒng)（r(t)=const.）輸入信號(hào)是恒值，要求被控變量保持相對(duì)應(yīng)的數(shù)值不變室溫控制系統(tǒng)、直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)、恒溫箱控制、電網(wǎng)電壓伺服系統(tǒng)（r(t)不可預(yù)測(cè)）輸入信號(hào)是變化規(guī)律未知的任意時(shí)間函數(shù)；系統(tǒng)的任務(wù)是使被控變量按照同樣規(guī)律變化并與輸入信號(hào)的誤差保持在規(guī)定的范圍內(nèi)；導(dǎo)彈發(fā)射架控制系統(tǒng)、火炮隨動(dòng)系統(tǒng)、雷達(dá)天線控制系統(tǒng)；當(dāng)被控量為位置或角度時(shí)，伺服系統(tǒng)又稱為隨動(dòng)系統(tǒng)。程序控制系統(tǒng)（r(t)變化事先已知）輸入信號(hào)是按已知的規(guī)律（事先規(guī)定的程序）變化；要求被控變量也按相應(yīng)的規(guī)律隨輸入信號(hào)變化，誤差不超過規(guī)定值；熱處理爐的溫控系統(tǒng)、機(jī)床的數(shù)碼加工系統(tǒng)和仿形控制系統(tǒng)。四、連續(xù)控制系統(tǒng)和離散控制系統(tǒng)(按控制系統(tǒng)信號(hào)性質(zhì)分)連續(xù)控制系統(tǒng)：控制系統(tǒng)中各部分的信號(hào)都是時(shí)間的連續(xù)函數(shù)。其運(yùn)動(dòng)規(guī)律可以用微分方程來描述。水位和電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)離散控制系統(tǒng)：在控制系統(tǒng)各部分的信號(hào)中只要有一個(gè)是時(shí)間的離散信號(hào)，即信號(hào)傳遞過程中只要有一處信號(hào)是脈沖序列或數(shù)字編碼時(shí)。離散模型是計(jì)算機(jī)控制的最主要模型。連續(xù)控制系統(tǒng)：系統(tǒng)中各部分傳遞的信號(hào)都為隨時(shí)間連續(xù)變化的信號(hào)。連續(xù)控制系統(tǒng)通常采用微分方程描述。離散（數(shù)字）控制系統(tǒng)：系統(tǒng)中某一處或多處的信號(hào)為脈沖序列或數(shù)字量傳遞的系統(tǒng)。特點(diǎn)：系統(tǒng)在特定離散時(shí)刻t1、t2……tn中是時(shí)間的函數(shù)，而在上述離散時(shí)刻之間信號(hào)無意義（不傳遞），其運(yùn)動(dòng)規(guī)律需要用差分方程描述Y(t)被控量R(t)輸入量定常系統(tǒng)時(shí)變系統(tǒng)按系統(tǒng)元件、部件類型分類電氣控制系統(tǒng)機(jī)械控制系統(tǒng)液壓控制系統(tǒng)生物控制系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)控制系統(tǒng)等。按系統(tǒng)的輸入輸出關(guān)系劃分SISO控制系統(tǒng)MIMO控制系統(tǒng)蘇學(xué)成：放飛世界首只機(jī)器人鳥

1.3自動(dòng)控制理論發(fā)展簡(jiǎn)史經(jīng)典控制理論(20世紀(jì)初)

以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)

時(shí)域法復(fù)域法(根軌跡法)單輸入單輸出頻域法

線形定常系統(tǒng)

現(xiàn)代控制理論(20世紀(jì)60年代)

多輸入多輸出線性系統(tǒng)自適應(yīng)控制

變參數(shù)時(shí)變系統(tǒng)

最優(yōu)控制魯棒控制最佳估計(jì)容錯(cuò)控制系統(tǒng)辨識(shí)集散控制大系統(tǒng)復(fù)雜系統(tǒng)智能控制理論(20世紀(jì)70年代)

專家系統(tǒng)模糊控制神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)遺傳算法前期控制(1400BC-1900)經(jīng)典控制(1935-1950)現(xiàn)代控制(1950-Now)工業(yè)機(jī)器空間技術(shù)控制理論中國(guó)，埃及和巴比倫出現(xiàn)自動(dòng)計(jì)時(shí)漏壺(1400BC-1100BC)。亞歷山大的希羅發(fā)明開閉廟門和分發(fā)圣水等自動(dòng)裝置(100年)。中國(guó)張衡發(fā)明水運(yùn)渾象，研制出自動(dòng)測(cè)量地震的候風(fēng)地動(dòng)儀(132年)。希臘Philon發(fā)明了采用浮球調(diào)節(jié)器來保持燃油液面高度的油燈。(BC250年)。前期控制（1400BC-1900）中國(guó)馬鈞研制出用齒輪傳動(dòng)的自動(dòng)指示方向的指南車(235年)中國(guó)明代宋應(yīng)星所著《天工開物》記載有程序控制思想(CNC)的提花織機(jī)結(jié)構(gòu)圖(1637年)英國(guó)J.Watt用離心式調(diào)速器控制蒸汽機(jī)的速度(1788年)英國(guó)J.C.Maxwell發(fā)表“論調(diào)速器”(OnGovernors)論文(1868年)英國(guó)E.J.Routh建立Routh判據(jù)(Routh-HurwitzStabilityCriteria)(1875年)俄國(guó)A.M.Lyapunov博士論文“論運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性的一般問題”(1892年)美國(guó)N.Minorsky研制出用于船舶駕駛的伺服結(jié)構(gòu)，提出PID控制方法(1922)。美國(guó)E.Sperry以及C.Mason研制出火炮控制器(1925)，氣壓反饋控制器(1929)。經(jīng)典控制（1935-1950）自動(dòng)控制的基礎(chǔ)為閉環(huán)控制?？刂普摰牡旎薔.Wiener

給出的定義為：

“Feedbackisamethodofcontrollingasystembyinsertingintoittheresultofitspastperformance”

美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的H.Bode(1938)，以及Nyquist(1940)提出頻率響應(yīng)法。美國(guó)Taylor儀器公司的J.G.Ziegler和N.B.Nichols提出PID參數(shù)的最佳調(diào)整法(1942)美國(guó)的H.Hazen發(fā)表“關(guān)于伺服結(jié)構(gòu)理論”(TheoryofServome-chanism)

(1934)，并在MIT建立伺服機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室(ServomechanismLaboratory)

(1939)。美國(guó)MIT的N.Wiener研究隨機(jī)過程的預(yù)測(cè)(1942)，提出Wiener濾波理論(1942)，發(fā)表《控制論》(Cybernetics)一書(1948)，標(biāo)志著控制論學(xué)科的誕生。在貝爾實(shí)驗(yàn)室Bode領(lǐng)導(dǎo)的火炮控制系統(tǒng)研究小組工作的C.Shannon提出繼電器邏輯自動(dòng)化理論(1938)，隨后，發(fā)表專著《通信的數(shù)字理論》(TheMathematicalTheoryofCommunication)，奠定了信息論的基礎(chǔ)(1948)。MITRadiationLaboratory在研究SCR-584雷達(dá)控制系統(tǒng)的過程中，創(chuàng)立了NicholsChartDesignMethod，R.S.Philips的工作OnNoiseinServomechanisms，以及Hurwicz

(1947)的數(shù)字控制系統(tǒng)(SampledDataSystem)。美國(guó)W.Evans提出根軌跡法(RootLocusMethod)(1948)，以單輸入線性系統(tǒng)為對(duì)象的經(jīng)典控制研究工作完成。多本有關(guān)經(jīng)典控制的經(jīng)典名著相繼出版:Ed.S.Smith的AutomaticControlEngineering(1942)H.Bode的NetworkAnalysisandFeedbackAmplifier(1945)L.A.MacColl的FundamentalTheoryofServomechanisms(1945)錢學(xué)森的《工程控制論》(EngineeringCybernetics)(1954)……現(xiàn)代控制起源于冷戰(zhàn)時(shí)期的軍備競(jìng)賽，如導(dǎo)彈(發(fā)射，操縱，指導(dǎo)及跟蹤)，衛(wèi)星，航天器和星球大戰(zhàn)，以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的出現(xiàn)現(xiàn)代控制（1950-Now）美國(guó)MIT的ServomechanismLaboratory研制出第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床(1952)美國(guó)GeorgeDevol研制出第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人樣機(jī)(1954)，兩年后，被稱為機(jī)器人之父的JosephEngelberger創(chuàng)立了第一家機(jī)器人公司，Unimation美國(guó)的M.E.Merchant提出計(jì)算機(jī)集成制造的概念(1969)日本Fanuc公司研制出由加工中心和工業(yè)機(jī)器人組成的柔性制造單元(1976)中國(guó)批準(zhǔn)863高技術(shù)計(jì)劃，包括自動(dòng)化領(lǐng)域的計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)和智能機(jī)器人兩個(gè)主題(1986)。日本SONY公司二足步行機(jī)械人SDR-4X(2002)日本安川公司娛樂機(jī)械狗(2001)世界第一顆人造地球衛(wèi)星(Sputnik)由蘇聯(lián)發(fā)射成功(1957)蘇聯(lián)東方-１號(hào)飛船載著加加林進(jìn)入人造地球衛(wèi)星軌道，人類宇航時(shí)代開始了(1961)。蘇聯(lián)發(fā)射“月球”9號(hào)探測(cè)器，首次在月面軟著陸成功(1966)，三年后(1969)，美國(guó)“阿波羅”11號(hào)把宇航員N.A.Armstrong送上月球。第一臺(tái)火星探測(cè)器Sojourner在火星表面軟著陸(1996)旅行者Voyager一號(hào)，二號(hào)開始走出太陽系，對(duì)茫茫太空進(jìn)行探索。美國(guó)R.Bellman在RANDCoporation數(shù)學(xué)部的支持下，發(fā)表著名的DynamicProgramming，建立最優(yōu)控制的基礎(chǔ)(1957)。蘇聯(lián)L.S.Pontryagin發(fā)表“最優(yōu)過程數(shù)學(xué)理論”，提出極大值原理(MaximumPrinciple)(1956)。美籍匈牙利人R.E.Kalman發(fā)表“OntheGeneralTheoryofControlSystems”等論文，引入狀態(tài)空間法分析系統(tǒng)，提出能控性，能觀測(cè)性，最佳調(diào)節(jié)器和kalman

濾波等概念，奠定了現(xiàn)代控制理論的基礎(chǔ)(1960)。美國(guó)的E.I.Jury

發(fā)表“數(shù)字控制系統(tǒng)”(Sampled-DataControlSystem)

，建立了數(shù)字控制及數(shù)字信號(hào)處理的基礎(chǔ)(1958)。1963年,美國(guó)的Lofti

Zadeh與C.Desoer發(fā)表LinearSystems-AStateSpaceApproach。1965年，Zadeh提出模糊集合和模糊控制概念。瑞典KarlJ.Astrom提出最小二乘辯識(shí)，解決了線性定常系統(tǒng)參數(shù)估計(jì)問題和定階方法(1967)，六年后，提出了自啟調(diào)節(jié)器，建立自適應(yīng)控制的基礎(chǔ)。美國(guó)R.Brockett提出用微分幾何研究非線性控制系統(tǒng)(1976)，意大利A.Isidori出版(NonlinearControlSystems)

(1985)。加拿大G.Zames提出H∞

魯棒控制設(shè)計(jì)方法(1981年)美國(guó)A.Bryson

和Y.CHo

發(fā)表AppliedOptimalControl(1969)，Y.CHo

和X.RCao等提出離散事件系統(tǒng)理論(1983)。1.4工程控制問題的基本要求為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，必須對(duì)控制系統(tǒng)提出一定的要求；對(duì)于一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)而言，當(dāng)輸入量和擾動(dòng)量均不變時(shí)，系統(tǒng)輸出量也恒定不變，這種狀態(tài)稱為平衡態(tài)或靜態(tài)、穩(wěn)態(tài)；

當(dāng)輸入量或擾動(dòng)量發(fā)生變化時(shí)，反饋量將與輸入量產(chǎn)生偏差，通過控制器的作用，從而使輸出量最終穩(wěn)定，即達(dá)