控制系統(tǒng)的基本概念

控制系統(tǒng)的基本概念第1頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一

1.1控制系統(tǒng)的工作原理及其組成1.1.1工作原理

實現(xiàn)恒溫控制有人工控制和自動控制兩種辦法。圖1.1為人工控制的恒溫箱簡圖。人工控制的任務是克服外界干擾（如電源學習目的1.掌握控制系統(tǒng)的工作原理、組成及其分類

2.理解對控制系統(tǒng)的基本要求

3.了解控制工程的發(fā)展概況內容提要本章主要闡述控制系統(tǒng)的工作原理、組成及其分類和對控制系統(tǒng)的基本要求重

點控制系統(tǒng)的工作原理難

點確定系統(tǒng)的輸入量和輸出量；尋找反饋通道第2頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一電壓波動、環(huán)境溫度變化，等等），保持箱內溫度恒定，以滿足物體對溫度的要求。操作者可以通過調壓器改變通過加熱電阻絲的電流，以達到控制溫度的目的。箱內溫度是由溫度計測量的。人工調節(jié)過程可歸結如下：

(1)觀測由測量元件（溫度計）測出的恒溫箱內的溫度（被控制量）。

(2)與要求的溫度值（給定值）進行比較，得出偏差的大小和方向。

(3)根據偏差的大小和方向再進行控制。當恒溫箱內溫度高于所要求的給定溫度值時，就移動調壓器使電流減小，溫度降低。若溫度低于給定的值，則移動調壓器，使電流增加，溫度升到正常范圍。

圖1.1人工控制的恒溫箱第3頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一人工控制過程實際上測量、求偏差，再控制以糾正偏差的過程。

圖1.2就是一個自動控制系統(tǒng)。其中，恒溫箱的所需溫度由電壓信號u1給定。當外界因素引起箱內溫度變化時，作為測量圖1.2恒溫箱的自動控制系統(tǒng)第4頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一元件的熱電偶，把溫度轉換成對應的電壓信號u2，并反饋回去

與給定信號u1相比較，所得結果即為溫度的偏差信號Δu=u1-u2

。經過電壓、功率放大后，用以改變執(zhí)行電動機的轉速和方向，并通過傳動裝置拖動調壓器動觸頭。當溫度偏高時，動觸頭向著減小電流的方向運動，反之加大電流，直到溫度達到給定值為止。即只有在偏差信號Δu=0時，電動機才停轉。這樣就完成了所要求的控制任務。而所有這些裝置便組成了一個自動控制系統(tǒng)。自動控制系統(tǒng)和人工控制系統(tǒng)非常相似。這里，測量裝置相當于人的眼睛，控制器類似于人腦，執(zhí)行機構好比人手。它們的共同特點都是要檢測偏差，并用檢測到的偏差去糾正偏差。因此，可以說沒有偏差就不會有控制調節(jié)過程。在控制系統(tǒng)中，給定量又稱系統(tǒng)的輸入量，被控制量也稱系統(tǒng)的輸出量。輸出量的返回過程稱為反饋，它表示輸出量通過測量裝置將信號的全部或一部分返回輸入端，使之與輸入量進行第5頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一比較。比較產生的結果稱為偏差。在人工控制中，這一偏差是通過人眼觀測后，由人腦判斷、決策得出的；而在自動控制中，偏差則是通過反饋，由控制器進行比較、計算產生的。

自動控制將檢測偏差、再糾正偏差過程自動化。

控制系統(tǒng)的工作原理如下：

(1)檢測輸出量的實際值。

(2)將實際值與給定值（輸入量）進行比較得出偏差值。

(3)用偏差值產生控制調節(jié)作用去消除偏差。這種基于反饋原理、通過“檢測偏差再糾正偏差”的系統(tǒng)稱為反饋控制系統(tǒng)?？梢?，作為反饋控制系統(tǒng)至少應具備測量、比較（或計算）和執(zhí)行三個基本功能。

控制系統(tǒng)的控制過程可以用系統(tǒng)的職能框圖清晰而形象地表示。圖1.3所示為恒溫箱溫度自動控制系統(tǒng)的職能框圖。代表比較元件，箭頭代表作用方向，每個職能框代表一個環(huán)節(jié)，各環(huán)節(jié)的作用是單向的，其輸出受輸入控制。從圖中可以清楚地看到反饋控制的基本原理。第6頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一1.1.2開環(huán)控制和閉環(huán)控制1.開環(huán)控制系統(tǒng)如果系統(tǒng)只是根據輸入量和干擾量進行控制，而輸出端和輸入端之間不存在反饋回路，輸出量在整個控制過程中對系統(tǒng)的控制不產生任何影響，這樣的系統(tǒng)稱為開環(huán)控制系統(tǒng)。圖1.4所示的數(shù)控機床進給系統(tǒng)，由于沒有反饋通道，所以是一個開環(huán)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)的輸出量僅受輸入量的控制。

圖1.3恒溫箱溫度自動控制系統(tǒng)職能框圖第7頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一開環(huán)系統(tǒng)的控制精度較低。但是如果組成系統(tǒng)的元件特性和參數(shù)值比較穩(wěn)定，而且外界的干擾也比較小，則這種控制系統(tǒng)也可以保證一定的精度。開環(huán)控制系統(tǒng)的最大優(yōu)點是系統(tǒng)簡單，一般都能穩(wěn)定可靠地工作，因此對于要求不高的系統(tǒng)可以采用。

圖1.4數(shù)控機床的開環(huán)控制系統(tǒng)滑動臺面系統(tǒng)

（開環(huán)系統(tǒng)）第8頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一2.閉環(huán)控制系統(tǒng)如果系統(tǒng)的輸出端和輸入端之間存在反饋回路，輸出量對控制過程產生直接影響，這種系統(tǒng)稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)。反饋控制系統(tǒng)必是閉環(huán)控制系統(tǒng)。閉環(huán)控制系統(tǒng)的突出優(yōu)點是控制精度高，不管遇到什么干擾，只要被控制量的實際值偏離給定值，閉環(huán)控制就會產生控制作用來減小這一偏差。閉環(huán)控制系統(tǒng)也有它的缺點，這類系統(tǒng)是靠偏差進行控制的，因此，在整個控制過程中始終存在著偏差，由于元件的慣性（如負載的慣性），若參數(shù)配置不當，很容易引起振蕩，使系統(tǒng)不穩(wěn)定而無法工作。

由11臺小型電動機驅動的戰(zhàn)神汽車“Sojourner”第9頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一3.半閉環(huán)控制系統(tǒng)

如果控制系統(tǒng)的反饋信號不是直接從系統(tǒng)的輸出端引出，而是間接地取自中間的測量元件，例如在數(shù)控機床的進給伺服系統(tǒng)中，若將位置檢測裝置安裝在傳動絲杠的端部，間接測量工作臺的實際位移，則這種系統(tǒng)稱為半閉環(huán)控制系統(tǒng)。半閉環(huán)控制系統(tǒng)可以獲得比開環(huán)系統(tǒng)更高的控制精度，但比閉環(huán)系統(tǒng)要低；與閉環(huán)系統(tǒng)相比，它易于實現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定。目前大多數(shù)數(shù)控機床都采用這種半閉環(huán)控制進給伺服系統(tǒng)。

配有高靈敏相機、用于檢查半導體芯片鍍膜層的三軸控制系統(tǒng)（半閉環(huán)控制）第10頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一1.1.3閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成

圖1.5所示為一個較完整的閉環(huán)控制系統(tǒng)。由圖可見，閉環(huán)控制系統(tǒng)一般應該包括給定元件、反饋元件、比較元件、放大元件、執(zhí)行元件及校正元件等。

圖1.5閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成第11頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一

1．給定元件

主要用于產生給定信號或輸入信號。例如，圖1.2中電位計里的可變電阻。

2．反饋元件

它測量被控制量或輸出量，產生主反饋信號。一般，為了便于傳輸，主反饋信號多為電信號。因此，反饋元件通常是一些用電量來測量非電量的元件。必須指出，在機械、液壓、氣動、機電、電機等系統(tǒng)中存在著內在反饋。這是一種沒有專設反饋元件的信息反饋，是系統(tǒng)內部各參數(shù)相互作用而產生的反饋信息流，如作用力與反作用力之間形成的直接反饋。內在反饋回路由系統(tǒng)動力學特性確定，它所構成的閉環(huán)系統(tǒng)是一個動力學系統(tǒng)。

3．比較元件用來接收輸入信號和反饋信號并進行比較，產生反映兩者差值的偏差信號。例如，圖1.2中的電位計。

第12頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一

4．放大元件對偏差信號進行放大的元件。例如，電壓放大器、功率放大器、電液伺服閥、電氣比例/伺服閥等。放大元件的輸出一定要有足夠的能量，才能驅動執(zhí)行元件，實現(xiàn)控制功能。

5．執(zhí)行元件直接對受控對象進行操縱的元件。例如，伺服電動機、液壓（氣）馬達、伺服液壓（氣）缸等。

6．校正元件為保證控制質量，使系統(tǒng)獲得良好的動、靜態(tài)性能而加入系統(tǒng)的元件。校正元件又稱校正裝置。串接在系統(tǒng)前向通路上的稱為串聯(lián)校正裝置；并接在反饋回路上的稱為并聯(lián)校正裝置。1.2控制系統(tǒng)的基本類型

1.2.1按輸入量的特征分類

1．恒值控制系統(tǒng)

第13頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一這種控制系統(tǒng)的輸入量是一個恒定值，一經給定，在運行過程中就不再改變（但可定期校準或更改輸入量）。恒值控制系統(tǒng)的任務是保證在任何擾動下系統(tǒng)的輸出量為恒值。工業(yè)生產中的溫度、壓力、流量、液面等參數(shù)的控制，有些原動機的速度控制，機床的位置控制，電力系統(tǒng)的電網電壓、頻率控制等，均屬此類。

2．程序控制系統(tǒng)

這種系統(tǒng)的輸入量不為常值，但其變化規(guī)律是預先知道和確定的?？梢灶A先將輸入量的變化規(guī)律編成程序，由該程序發(fā)出控制指令，在輸入裝置中再將控制指令轉換為控制信號，經過全系統(tǒng)的作用，使控制對象按指令的要求而運動。計算機繪圖儀就是典型的程序控制系統(tǒng)。工業(yè)生產中的過程控制系統(tǒng)按生產工藝的要求編制成特定的程序，由計算機來實現(xiàn)其控制。這就是近年來迅速發(fā)展起來的數(shù)字程序控制系統(tǒng)和計算機控制系統(tǒng)。微處理機控制將程序控制系第14頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一統(tǒng)推向更普遍的應用領域

。圖1.6表示一個用于機床切削加工的程序控制系統(tǒng)。

圖1.6程序控制系統(tǒng)

a)上圖為開環(huán)控制b)下圖為閉環(huán)控制第15頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一

3．隨動系統(tǒng)隨動系統(tǒng)在工業(yè)部門又稱伺服系統(tǒng)。這種系統(tǒng)的輸入量的變化規(guī)律是不能預先確定的。當輸入量發(fā)生變化時，則要求輸出量迅速而平穩(wěn)地跟隨著變化，且能排除各種干擾因素的影響，準確地復現(xiàn)控制信號的變化規(guī)律（此即伺服的含義）?？刂浦噶羁梢杂刹僮髡吒鶕枰S時發(fā)出，也可以由目標物或相應的測量裝置發(fā)出。

圖1.7液壓仿形車床工作原理圖

第16頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一圖1.7所示為液壓仿形車床工作原理圖。當閥心8處于圖示中間位置時，沒有壓力油進入液壓缸前后兩腔，液壓缸不動。當閥心偏離中位，例如向前伸出時，節(jié)流口2、4保持關閉，節(jié)流口1、3打開，壓力油經節(jié)流口3進入液壓缸前腔，而其后腔的油液經節(jié)流口1流回油箱，缸體帶動刀具向前運動；同樣，當閥心偏離中位向后收縮時，節(jié)流口1、3關閉，2、4打開，壓力油經節(jié)流口2進入液壓缸后腔，而缸前腔的油液則經節(jié)流口4流回油箱，缸體帶動刀具向后運動。圖中，液壓缸缸體和控制閥閥體連成一體，形成液壓缸運動的負反饋，使液壓缸缸體與閥心的運動距離和方向始終保持一致，所以液壓缸缸體（刀具）完全跟隨閥心（觸銷8）運動。因此，這是一個隨動（伺服）系統(tǒng)。1.2.2按系統(tǒng)中傳遞信號的性質分類

1．連續(xù)控制系統(tǒng)

系統(tǒng)中各部分傳遞的信號都是連續(xù)時間變量的系統(tǒng)稱為連續(xù)控制系統(tǒng)。連續(xù)控制系統(tǒng)又有線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)之分。用線第17頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一性微分方程描述的系統(tǒng)稱為線性系統(tǒng)，不能用線性微分方程描述、存在著非線性部件的系統(tǒng)稱為非線性系統(tǒng)。

2．離散控制系統(tǒng)系統(tǒng)中某一處或數(shù)處的信號是脈沖序列或數(shù)字量傳遞的系統(tǒng)稱為離散控制系統(tǒng)（也稱數(shù)字控制系統(tǒng)）。在離散控制系統(tǒng)中，數(shù)字測量、放大、比較、給定等部件一般均由微處理機實現(xiàn)，計算機的輸出經D/A轉換加給伺服放大器，然后再去驅動執(zhí)行元件；或由計算機直接輸出數(shù)字信號，經數(shù)字放大器后驅動數(shù)字式執(zhí)行元件。由于連續(xù)控制系統(tǒng)和離散控制系統(tǒng)的信號形式有較大區(qū)別，因此在分析方法上也有明顯的不同。連續(xù)控制系統(tǒng)以微分方程來描述系統(tǒng)的運動狀態(tài)，并用拉氏變換法求解微分方程；而離散系統(tǒng)則用差分方程來描述系統(tǒng)的運動狀態(tài)，用Z變換法引出脈沖傳遞函數(shù)來研究系統(tǒng)的動態(tài)特性。

第18頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一多自由度控制器、機器人等都是隨動系統(tǒng)。

第19頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一1.3對控制系統(tǒng)的基本要求

1.穩(wěn)定性由于控制系統(tǒng)都包含儲能元件，若系統(tǒng)參數(shù)匹配不當，便可能引起振蕩。穩(wěn)定性就是指系統(tǒng)動態(tài)過程的振蕩傾向及其恢復平衡狀態(tài)的能力。對于穩(wěn)定的系統(tǒng)，當輸出量偏離平衡狀態(tài)時，應能隨著時間收斂并且最后回到初始的平衡狀態(tài)。穩(wěn)定性乃是保證控制系統(tǒng)正常工作的先決條件。

2.精確性控制系統(tǒng)的精確性即控制精度，一般以穩(wěn)態(tài)誤差來衡量。所謂穩(wěn)態(tài)誤差是指以一定變化規(guī)律的輸入信號作用于系統(tǒng)后，當調整過程結束而趨于穩(wěn)定時，輸出量的實際值與期望值之間的誤差值，它反映了動態(tài)過程后期的性能。這種誤差一般是很小的。如數(shù)控機床的加工誤差小于0.02mm，一般恒速、恒溫控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差都在給定值的1%以內。

3.快速性

第20頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一

快速性是指當系統(tǒng)的輸出量與輸入量之間產生偏差時，消除這種偏差的快慢程度?？焖傩院玫南到y(tǒng)，它消除偏差的過渡過程時間就短，就能復現(xiàn)快速變化的輸入信號，因而具有較好的動態(tài)性能。由于控制對象的具體情況不同，各種系統(tǒng)對穩(wěn)定、精確、快速這三方面的要求是各有側重的。例如，調速系統(tǒng)對穩(wěn)定性要求較嚴格，而隨動系統(tǒng)則對快速性提出較高的要求。

第21頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一1.4控制工程發(fā)展概況

控制工程是一門新型的技術科學，也是一門邊緣科學。它的理論基礎是工程控制論。早在一千多年以前，我國就先后發(fā)明了銅壺滴漏計時器、指南針以及天文儀器等多種自動控制裝置，這些發(fā)明促進了當時社會經濟的發(fā)展。即使從1788年瓦特（J.Watt）發(fā)明蒸汽機飛球調速器算起，控制工程也已有了二百多年的歷史。然而，控制工程作為一門學科，它的形成并迅速發(fā)展卻是最近五六十年的事。第22頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一

銅壺滴漏計時器

用于測定天體的赤道坐標、黃道經度和地平坐標的渾儀第23頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一二次世界大戰(zhàn)前，控制系統(tǒng)的設計因缺乏系統(tǒng)的理論指導而多采用試湊法。二次大戰(zhàn)期間，由于建造飛機自動駕駛儀、雷達跟蹤系統(tǒng)、火炮瞄準系統(tǒng)等軍事裝備的需要，推動了控制理論的飛躍發(fā)展。1948年威納（N.Wiener）發(fā)表了著名的《控制論》，從而基本上形成了經典控制理論，使控制工程有了扎實的理論支撐。經典控制理論以傳遞函數(shù)為基礎，主要研究單輸入-單輸出系統(tǒng)的分析和控制問題。

維納發(fā)表著名的控制論馬克斯威爾首先提出反饋控制的概念瓦特發(fā)明蒸汽機飛球調速器第24頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一

除了威納之外，在經典控制理論的形成和發(fā)展過程中作出重大貢獻的還有：1868年，馬克斯威爾（J.C.Maxwell）發(fā)表了《調速器》一文，首先提出了“反饋控制”的概念；1875年勞思（E.J.Routh）和1895年赫維茨（A.Hurwifz）先后獨立地提出了判別系統(tǒng)穩(wěn)定性的代數(shù)判據；1932年，尼奎斯特（H.Nyquist）提出了著名的尼奎斯特穩(wěn)定性判據；此后，博德（H.W.Bode）總結了負反饋放大器；1948年，埃文斯（W.R.Evans）提出