第1章 自動控制系統(tǒng)引論

1、 自動控制理論是自動化學科的重要理 論基礎，專門研究有關自動控制系統(tǒng)中基 本概念、基本原理和基本方法。本章介紹 了開環(huán)控制和閉環(huán)控制，控制系統(tǒng)的基本 原理和組成，控制系統(tǒng)的類型，以及對控 制系統(tǒng)的基本要求。 內(nèi) 容 提 要 開環(huán)控制，閉環(huán)控制，控制裝置， 被控對象 ，穩(wěn)定性，穩(wěn)態(tài)誤差，動態(tài) 特性，MATLAB的基礎知識。 知 識 要 點 控制的本意: 為了達到某種目的對事物進行 支配、管束、管制、管理、監(jiān)督、鎮(zhèn)壓。 自動控制: 在沒有人直接參與的情況下，利用外加的 設備或裝置（稱控制裝置或控制器），使機 器、設備或生產(chǎn)過程（被控對象）的某個工 作狀態(tài)或參數(shù)（即被控量）自動地按照預定 的規(guī)律運行

2、。 l鋼鐵軋制：軋出厚度 一致的高精度鐵板 （厚度控制，張力控 制） l程控機床：自動進刀 切削，加工出預期的 幾何形狀。 l工作原理工作原理 以恒溫箱控制為例以恒溫箱控制為例 1.1.人工控制原理及方塊圖人工控制原理及方塊圖 2.2.自動控制原理及方塊圖自動控制原理及方塊圖 l觀測恒溫箱內(nèi)的溫 度（被控量） l與要求的溫度（給 定值）進行比較得 到偏差的大小和方 向 l根據(jù)偏差的大小和 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 到要求值 如果溫度過高如果溫度過高 控制手柄使觸頭左移控制手柄使觸頭左移 電阻絲中的電流減少電阻絲中的電流減少 溫度下降溫度下降 直到達直到達 到給定溫度

3、到給定溫度 如果溫度過低如果溫度過低 控制手柄使觸頭右移控制手柄使觸頭右移 電阻絲中的電流增大電阻絲中的電流增大 溫度上升溫度上升 直到直到 達到給定溫度達到給定溫度 如果溫度過高如果溫度過高 U2增加增加 U1不變不變 U1-U2減小減小 控制手柄使觸頭左移控制手柄使觸頭左移 電阻絲中的電流減少電阻絲中的電流減少 溫度下降溫度下降 直直 到達到給定溫度到達到給定溫度 如果溫度過高低如果溫度過高低 U2減小減小 U1不變不變 U1-U2增加增加 控制手柄使觸頭右移控制手柄使觸頭右移 電阻絲中的電流增加電阻絲中的電流增加 溫度上升溫度上升 直直 到達到給定溫度到達到給定溫度 自動控制和人工控制的

4、基本原理是相同的自動控制和人工控制的基本原理是相同的,它它 們都是建立在們都是建立在“測量偏差測量偏差,修正偏差修正偏差”的基礎上的基礎上,并并 且為了測量偏差且為了測量偏差,必須把系統(tǒng)的實際輸出反饋到輸必須把系統(tǒng)的實際輸出反饋到輸 入端。自動控制和人工控制的區(qū)別在于自動控制用入端。自動控制和人工控制的區(qū)別在于自動控制用 控制器代替人完成控制?？刂破鞔嫒送瓿煽刂??？傊傊?所謂自動控制就所謂自動控制就 是在沒有人直接參與的情況下是在沒有人直接參與的情況下,利用控制裝置利用控制裝置 使被控對象中某一物理量或數(shù)個物理量準確使被控對象中某一物理量或數(shù)個物理量準確 地按照預定的要求規(guī)律變化。地按照預

5、定的要求規(guī)律變化。 1)檢測溫度:由測量元件檢測輸出量（被控 制量）的實際值。 2)偏差：檢測輸出量與給定值（輸入量） 進行比較,得到偏差的大小和方向。 3)控制：根據(jù)偏差的大小和方向產(chǎn)生進控 制調(diào)節(jié)信號（控制量）去消除偏差，使得 輸出量維持期望值。 1.3.1 開環(huán)控制 開環(huán)控制系統(tǒng)是指無被控量反饋的控制系統(tǒng)開環(huán)控制系統(tǒng)是指無被控量反饋的控制系統(tǒng),即即 需要控制的是被控對象的某一量需要控制的是被控對象的某一量(被控量被控量),而測量的而測量的 只是給定信號只是給定信號,被控量對于控制作用沒有任何影響的被控量對于控制作用沒有任何影響的 系統(tǒng)。結構如圖所示。系統(tǒng)。結構如圖所示。 信號由給定值至被

6、控量單向傳遞。這種控制信號由給定值至被控量單向傳遞。這種控制 較簡單較簡單,但有較大的缺陷但有較大的缺陷,即對象或控制裝置受到干即對象或控制裝置受到干 擾擾,或工作中特性參數(shù)發(fā)生變化或工作中特性參數(shù)發(fā)生變化,會直接影響被控量會直接影響被控量, 而無法自動補償。因此而無法自動補償。因此,系統(tǒng)的控制精度難以保證。系統(tǒng)的控制精度難以保證。 從另一種意義理解從另一種意義理解,意味著對受控對象和其它控制意味著對受控對象和其它控制 元件的技術要求較高。如數(shù)控線切割機進給系統(tǒng)、元件的技術要求較高。如數(shù)控線切割機進給系統(tǒng)、 包裝機等多為開環(huán)控制。包裝機等多為開環(huán)控制。 1.3.2 閉環(huán)控制(反饋控制) 閉環(huán)控

7、制的定義是有被控制量反饋的控制閉環(huán)控制的定義是有被控制量反饋的控制,其其 原理框如圖所示。從系統(tǒng)中信號流向看原理框如圖所示。從系統(tǒng)中信號流向看,系統(tǒng)的輸系統(tǒng)的輸 出信號沿反饋通道又回到系統(tǒng)的輸入端出信號沿反饋通道又回到系統(tǒng)的輸入端,構成閉合構成閉合 通道通道,故稱閉環(huán)控制系統(tǒng)故稱閉環(huán)控制系統(tǒng),或反饋控制系統(tǒng)。或反饋控制系統(tǒng)。 這種控制方式這種控制方式,無論是由于干擾造成無論是由于干擾造成,還是由于還是由于 結構參數(shù)的變化引起被控量出現(xiàn)偏差結構參數(shù)的變化引起被控量出現(xiàn)偏差,系統(tǒng)就利用偏系統(tǒng)就利用偏 差去糾正偏差差去糾正偏差,故這種控制方式為按偏差調(diào)節(jié)。故這種控制方式為按偏差調(diào)節(jié)。 閉環(huán)控制系統(tǒng)的

8、突出優(yōu)點是利用偏差來糾正偏閉環(huán)控制系統(tǒng)的突出優(yōu)點是利用偏差來糾正偏 差差,使系統(tǒng)達到較高的控制精度。但與開環(huán)控制系統(tǒng)使系統(tǒng)達到較高的控制精度。但與開環(huán)控制系統(tǒng) 比較比較,閉環(huán)系統(tǒng)的結構比較復雜閉環(huán)系統(tǒng)的結構比較復雜,構造比較困難。需構造比較困難。需 要指出的是要指出的是,由于閉環(huán)控制存在反饋信號由于閉環(huán)控制存在反饋信號,利用偏差利用偏差 進行控制進行控制,如果設計得不好如果設計得不好,將會使系統(tǒng)無法正常和將會使系統(tǒng)無法正常和 穩(wěn)定地工作。另外穩(wěn)定地工作。另外,控制系統(tǒng)的精度與系統(tǒng)的穩(wěn)定性控制系統(tǒng)的精度與系統(tǒng)的穩(wěn)定性 之間也常常存在矛盾。之間也常常存在矛盾。 開環(huán)控制和閉環(huán)控制方式各有優(yōu)缺點開環(huán)

9、控制和閉環(huán)控制方式各有優(yōu)缺點,在實際工在實際工 程中應根據(jù)工程要求及具體情況來決定。如果事程中應根據(jù)工程要求及具體情況來決定。如果事 先預知輸入量的變化規(guī)律先預知輸入量的變化規(guī)律,又不存在外部和內(nèi)部參又不存在外部和內(nèi)部參 數(shù)的變化數(shù)的變化,則采用開環(huán)控制較好。如果對系統(tǒng)外部則采用開環(huán)控制較好。如果對系統(tǒng)外部 干擾無法預測干擾無法預測,系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)又經(jīng)常變化系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)又經(jīng)常變化,為保證控為保證控 制精度制精度,采用閉環(huán)控制則更為合適。如果對系統(tǒng)的采用閉環(huán)控制則更為合適。如果對系統(tǒng)的 性能要求比較高性能要求比較高,為了解決閉環(huán)控制精度與穩(wěn)定性為了解決閉環(huán)控制精度與穩(wěn)定性 之間的矛盾之間的矛盾,可

10、以采用開環(huán)控制與閉環(huán)控制相結合可以采用開環(huán)控制與閉環(huán)控制相結合 的復合控制系統(tǒng)。的復合控制系統(tǒng)。 典型閉環(huán)（反饋）控制系統(tǒng)的原理如圖所示典型閉環(huán)（反饋）控制系統(tǒng)的原理如圖所示 (1)被控對象被控對象:它是控制系統(tǒng)所控制和操縱的對象它是控制系統(tǒng)所控制和操縱的對象, 它接受控制量并輸出被控制量。它接受控制量并輸出被控制量。 (2)控制器控制器:接收變換和放大后的偏差信號接收變換和放大后的偏差信號,轉換為轉換為 對被控對象進行操作的控制信號。對被控對象進行操作的控制信號。 (3)放大變換環(huán)節(jié)放大變換環(huán)節(jié):將偏差信號變換為適合控制器將偏差信號變換為適合控制器 執(zhí)行的信號。它根據(jù)控制的形式、幅值及功率來

11、執(zhí)行的信號。它根據(jù)控制的形式、幅值及功率來 放大變換。放大變換。 (4)校正裝置校正裝置:為改善系統(tǒng)動態(tài)和靜態(tài)特性而附加為改善系統(tǒng)動態(tài)和靜態(tài)特性而附加 的裝置。如果校正裝置串聯(lián)在系統(tǒng)的前向通道中的裝置。如果校正裝置串聯(lián)在系統(tǒng)的前向通道中, 稱為串聯(lián)校正裝置稱為串聯(lián)校正裝置;如果校正裝置接成反饋形式如果校正裝置接成反饋形式, 稱為并聯(lián)校正裝置稱為并聯(lián)校正裝置,又稱局部反饋校正。又稱局部反饋校正。 (5)反饋環(huán)節(jié)反饋環(huán)節(jié):它用來測量被控量的實際值它用來測量被控量的實際值,并經(jīng)過并經(jīng)過 信號處理信號處理,轉換為與被控制量有一定函數(shù)關系轉換為與被控制量有一定函數(shù)關系,且且 與輸入信號同一物理量的信號。

12、反饋環(huán)節(jié)一般也與輸入信號同一物理量的信號。反饋環(huán)節(jié)一般也 稱為測量變送環(huán)節(jié)。稱為測量變送環(huán)節(jié)。 (6)給定環(huán)節(jié)給定環(huán)節(jié):產(chǎn)生輸入控制信號的裝置。產(chǎn)生輸入控制信號的裝置。 (1)輸入信號輸入信號:泛指對系統(tǒng)的輸出量有直接影響的外界泛指對系統(tǒng)的輸出量有直接影響的外界 輸入信號輸入信號,既包括控制信號又包括擾動信號。其中控既包括控制信號又包括擾動信號。其中控 制信號又稱控制量、參考輸入、或給定值。制信號又稱控制量、參考輸入、或給定值。 (2)輸出信號輸出信號(輸出量輸出量):是指反饋控制系統(tǒng)中被控制的是指反饋控制系統(tǒng)中被控制的 物理量物理量,它與輸入信號之間有一定的函數(shù)關系。它與輸入信號之間有一定的

13、函數(shù)關系。 (3)反饋信號反饋信號:將系統(tǒng)將系統(tǒng)(或環(huán)節(jié)或環(huán)節(jié))的輸出信號經(jīng)變換、處的輸出信號經(jīng)變換、處 理送到系統(tǒng)理送到系統(tǒng)(或環(huán)節(jié)或環(huán)節(jié))的輸入端的信號的輸入端的信號,稱為反饋信號。稱為反饋信號。 若此信號是從系統(tǒng)輸出端取出送入系統(tǒng)輸入端若此信號是從系統(tǒng)輸出端取出送入系統(tǒng)輸入端,這種這種 反饋信號稱主反饋信號。而其它稱為局部反饋信號。反饋信號稱主反饋信號。而其它稱為局部反饋信號。 控制系統(tǒng)中常用的名詞術語控制系統(tǒng)中常用的名詞術語 ： (4)偏差信號偏差信號:控制輸入信號與主反饋信號之差?？刂戚斎胄盘柵c主反饋信號之差。 (5)誤差信號誤差信號:它指系統(tǒng)輸出量的實際值與希望值之它指系統(tǒng)輸出量的

14、實際值與希望值之 差。系統(tǒng)希望值是理想化系統(tǒng)的輸出，實際上并差。系統(tǒng)希望值是理想化系統(tǒng)的輸出，實際上并 不存在不存在,它只能用與控制輸入信號具有一定比例關它只能用與控制輸入信號具有一定比例關 系的信號來表示。在單位反饋情況下系的信號來表示。在單位反饋情況下,希望值就是希望值就是 系統(tǒng)的輸入信號系統(tǒng)的輸入信號,誤差信號等于偏差信號。誤差信號等于偏差信號。 (6)擾動信號擾動信號:除控制信號以外除控制信號以外,對系統(tǒng)的輸出有影對系統(tǒng)的輸出有影 響的信號。響的信號。 1.5.1 按信號流向劃分 1.開環(huán)控制系統(tǒng)開環(huán)控制系統(tǒng) 信號流動由輸入端到輸出端單向流動。信號流動由輸入端到輸出端單向流動。 2.閉

15、環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng) 若控制系統(tǒng)中信號除從輸入端到輸出端外若控制系統(tǒng)中信號除從輸入端到輸出端外, 還有輸出到輸入的反饋信號還有輸出到輸入的反饋信號,則構成閉環(huán)控制系則構成閉環(huán)控制系 統(tǒng)統(tǒng),也稱反饋控制系統(tǒng)也稱反饋控制系統(tǒng), 如如圖圖所示。所示。 1.5.2 按系統(tǒng)輸入信號劃分 1.恒值調(diào)節(jié)系統(tǒng)恒值調(diào)節(jié)系統(tǒng)(自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)) 這種系統(tǒng)的特征是輸入量為一恒值這種系統(tǒng)的特征是輸入量為一恒值,通常稱為系通常稱為系 統(tǒng)的給定值?？刂葡到y(tǒng)的任務是盡量排除各種干擾統(tǒng)的給定值?？刂葡到y(tǒng)的任務是盡量排除各種干擾 因素的影響因素的影響,使輸出量維持在給定值使輸出量維持在給定值(期望值期望值)。如工。如

16、工 業(yè)過程中恒溫、恒壓、恒速等控制系統(tǒng)。業(yè)過程中恒溫、恒壓、恒速等控制系統(tǒng)。 2.隨動系統(tǒng)隨動系統(tǒng)(跟蹤系統(tǒng)跟蹤系統(tǒng),伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)) 該系統(tǒng)的控制輸入量是一個事先無法確定的任意該系統(tǒng)的控制輸入量是一個事先無法確定的任意 變化的量變化的量,要求系統(tǒng)的輸出量能迅速平穩(wěn)地復現(xiàn)或要求系統(tǒng)的輸出量能迅速平穩(wěn)地復現(xiàn)或 跟蹤輸入信號的變化。如雷達天線的自動跟蹤系統(tǒng)跟蹤輸入信號的變化。如雷達天線的自動跟蹤系統(tǒng) 和高炮自動描準系統(tǒng)就是典型的隨動系統(tǒng)。和高炮自動描準系統(tǒng)就是典型的隨動系統(tǒng)。 3.程序控制系統(tǒng)程序控制系統(tǒng) 系統(tǒng)的控制輸入信號不是常值系統(tǒng)的控制輸入信號不是常值,而是事先確而是事先確 定的運動規(guī)律定

17、的運動規(guī)律,編成程序裝在輸入裝置中編成程序裝在輸入裝置中,即控制即控制 輸入信號是事先確定的程序信號輸入信號是事先確定的程序信號,控制的目的是控制的目的是 使被控對象的被控量按照要求的程序動作。如使被控對象的被控量按照要求的程序動作。如 數(shù)控車床就屬此類系統(tǒng)。數(shù)控車床就屬此類系統(tǒng)。 1.5.3 線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng) 組成系統(tǒng)元器件的特性均為線性的組成系統(tǒng)元器件的特性均為線性的,可用一個或可用一個或 一組線性微分方程來描述系統(tǒng)輸入和輸出之間的關一組線性微分方程來描述系統(tǒng)輸入和輸出之間的關 系。線性系統(tǒng)的主要特征是具有齊次性和疊加性。系。線性系統(tǒng)的主要特征是具有齊次性和疊加性。 1.線性系統(tǒng)線性系

18、統(tǒng) 2.非線性系統(tǒng)非線性系統(tǒng) 在系統(tǒng)中只要有一個元器件的特性不能用線性在系統(tǒng)中只要有一個元器件的特性不能用線性 微分方程描述其輸入和輸出關系微分方程描述其輸入和輸出關系,則稱為非線性系則稱為非線性系 統(tǒng)。非線性系統(tǒng)還沒有一種完整、成熟、統(tǒng)一的分統(tǒng)。非線性系統(tǒng)還沒有一種完整、成熟、統(tǒng)一的分 析法。通常對于非線性程度不很嚴重析法。通常對于非線性程度不很嚴重,或做近似分或做近似分 析時析時,均可用線性系統(tǒng)理論和方法來處理。非線性均可用線性系統(tǒng)理論和方法來處理。非線性 系統(tǒng)分析將在第八章專門討論。系統(tǒng)分析將在第八章專門討論。 1.5.4 定常系統(tǒng)和時變系統(tǒng) 1.定常系統(tǒng)定常系統(tǒng) 如果描述系統(tǒng)特性的微分

19、方程中各項系數(shù)都如果描述系統(tǒng)特性的微分方程中各項系數(shù)都 是與時間無關的常數(shù)是與時間無關的常數(shù),則稱為定常系統(tǒng)。該類系統(tǒng)則稱為定常系統(tǒng)。該類系統(tǒng) 只要輸入信號的形式不變只要輸入信號的形式不變,在不同時間輸入下的輸在不同時間輸入下的輸 出響應形式是相同的。出響應形式是相同的。 2.時變系統(tǒng)時變系統(tǒng) 如果描述系統(tǒng)特性的微分方程中只要有一如果描述系統(tǒng)特性的微分方程中只要有一 項系數(shù)是時間的函數(shù)項系數(shù)是時間的函數(shù),此系統(tǒng)稱為時變系統(tǒng)。此系統(tǒng)稱為時變系統(tǒng)。 1.5.5 連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng) 1.連續(xù)系統(tǒng)連續(xù)系統(tǒng) 系統(tǒng)中所有元件的信號都是隨時間連續(xù)變化的系統(tǒng)中所有元件的信號都是隨時間連續(xù)變化的,信信 號的大小

20、均是可任意取值的模擬量號的大小均是可任意取值的模擬量,稱為連續(xù)系統(tǒng)稱為連續(xù)系統(tǒng)。 2.離散系統(tǒng)離散系統(tǒng) 離散系統(tǒng)是指系統(tǒng)中有一處或數(shù)處的信號是脈離散系統(tǒng)是指系統(tǒng)中有一處或數(shù)處的信號是脈 沖序列或數(shù)碼。若系統(tǒng)中采用了采樣開關沖序列或數(shù)碼。若系統(tǒng)中采用了采樣開關,將連續(xù)將連續(xù) 信號轉變?yōu)殡x散的脈沖形式的信號信號轉變?yōu)殡x散的脈沖形式的信號,此類系統(tǒng)稱為此類系統(tǒng)稱為 采樣控制系統(tǒng)或脈沖控制系統(tǒng)。若采用數(shù)字計算機采樣控制系統(tǒng)或脈沖控制系統(tǒng)。若采用數(shù)字計算機 或數(shù)字控制器或數(shù)字控制器,其離散信號是以數(shù)碼形式傳遞的其離散信號是以數(shù)碼形式傳遞的,此此 類系統(tǒng)稱為數(shù)字控制系統(tǒng)。類系統(tǒng)稱為數(shù)字控制系統(tǒng)。 1.5.

21、6 單輸入單輸出系統(tǒng)與多輸入多輸出系統(tǒng) 1.單輸入單輸出系統(tǒng)單輸入單輸出系統(tǒng)(單變量系統(tǒng)單變量系統(tǒng)SISOSISO) 系統(tǒng)的輸入量和輸出量各為一個系統(tǒng)的輸入量和輸出量各為一個,稱為單輸入稱為單輸入 單輸出系統(tǒng)。單輸出系統(tǒng)。 2.多輸入多輸出系統(tǒng)多輸入多輸出系統(tǒng)(多變量系統(tǒng)多變量系統(tǒng)MIMOMIMO) 若系統(tǒng)的輸入量和輸出量多于一個若系統(tǒng)的輸入量和輸出量多于一個,稱為多輸入稱為多輸入 多輸出系統(tǒng)。對于線性多輸入多輸出系統(tǒng)多輸出系統(tǒng)。對于線性多輸入多輸出系統(tǒng),系統(tǒng)的任系統(tǒng)的任 何一個輸出等于數(shù)個輸入單獨作用下輸出的疊加。何一個輸出等于數(shù)個輸入單獨作用下輸出的疊加。 自動控制系統(tǒng)是否能很好地工作自動

22、控制系統(tǒng)是否能很好地工作,是否能精確地是否能精確地 保持被控量按照預定的要求規(guī)律變化這取決于被控保持被控量按照預定的要求規(guī)律變化這取決于被控 對象和控制器及各功能元器件的特性參數(shù)是否設計對象和控制器及各功能元器件的特性參數(shù)是否設計 得當。得當。 在理想情況下在理想情況下,控制系統(tǒng)的輸出量和輸入量控制系統(tǒng)的輸出量和輸入量,在任何時在任何時 候均相等候均相等,系統(tǒng)完全無誤差系統(tǒng)完全無誤差,且不受干擾的影響。且不受干擾的影響。實際系實際系 統(tǒng)中統(tǒng)中,由于各種各樣原因由于各種各樣原因,系統(tǒng)在受到輸入信號系統(tǒng)在受到輸入信號(也包括也包括 擾動信號擾動信號)的激勵時的激勵時,被控量將偏離輸入信號作用前的被

23、控量將偏離輸入信號作用前的 初始值初始值,經(jīng)歷一段動態(tài)過程經(jīng)歷一段動態(tài)過程(過渡過程過渡過程),則系統(tǒng)控制性能則系統(tǒng)控制性能 的優(yōu)劣的優(yōu)劣,可以從動態(tài)過程中較充分地表現(xiàn)出來。可以從動態(tài)過程中較充分地表現(xiàn)出來。 1.6.1 穩(wěn)定性(穩(wěn)) 控制精度是衡量系統(tǒng)技術性能的重要尺度?？刂凭仁呛饬肯到y(tǒng)技術性能的重要尺度。 一個高品質的系統(tǒng)一個高品質的系統(tǒng),在整個運行過程中在整個運行過程中,被控量對被控量對 給定值的偏差應該是最小的。給定值的偏差應該是最小的?？紤]動態(tài)過程在不考慮動態(tài)過程在不 同階段中的特點同階段中的特點,工程上通常從工程上通常從穩(wěn)、準、好三個方穩(wěn)、準、好三個方 面來衡量自動控制系統(tǒng)。面來

24、衡量自動控制系統(tǒng)。 穩(wěn)定穩(wěn)定工作是所有自動控制系統(tǒng)的工作是所有自動控制系統(tǒng)的最基本要求最基本要求, 是系統(tǒng)能否工作的前題。不穩(wěn)定的系統(tǒng)根本無法是系統(tǒng)能否工作的前題。不穩(wěn)定的系統(tǒng)根本無法 完成控制任務?？紤]到實際系統(tǒng)工作環(huán)境或參數(shù)完成控制任務。考慮到實際系統(tǒng)工作環(huán)境或參數(shù) 的變動的變動,可能導致系統(tǒng)不穩(wěn)定可能導致系統(tǒng)不穩(wěn)定,因此因此,我們除要求系我們除要求系 統(tǒng)穩(wěn)定外統(tǒng)穩(wěn)定外,還要求其具有一定的還要求其具有一定的穩(wěn)定裕量穩(wěn)定裕量。 1.6.3 動態(tài)過程(好) 穩(wěn)態(tài)精度是指系統(tǒng)過渡到新的平衡工作狀態(tài)以后穩(wěn)態(tài)精度是指系統(tǒng)過渡到新的平衡工作狀態(tài)以后, 或系統(tǒng)對抗干擾重新恢復平衡后或系統(tǒng)對抗干擾重新恢復

25、平衡后,最終保持的精度。最終保持的精度。 穩(wěn)態(tài)精度與控制系統(tǒng)的結構及參數(shù)穩(wěn)態(tài)精度與控制系統(tǒng)的結構及參數(shù),輸入信號形式有輸入信號形式有 關關。 動態(tài)過程是指控制系統(tǒng)的被控量在輸入信號作用動態(tài)過程是指控制系統(tǒng)的被控量在輸入信號作用 下隨時間變化的全過程下隨時間變化的全過程,衡量動態(tài)過程的品質好壞常采衡量動態(tài)過程的品質好壞常采 用單位階躍信號作用下過渡過程中的超調(diào)量用單位階躍信號作用下過渡過程中的超調(diào)量,過渡過程過渡過程 時間等性能指標。時間等性能指標。 前期控制前期控制 古典控制理論古典控制理論( (經(jīng)典控制經(jīng)典控制) ) 自動控制理論自動控制理論 現(xiàn)代控制理論現(xiàn)代控制理論 古典控制理論古典控制理

26、論: :以傳遞函數(shù)為基礎以傳遞函數(shù)為基礎, ,研究單輸入研究單輸入, , 單輸出一類控制系統(tǒng)的分析和設計問題。單輸出一類控制系統(tǒng)的分析和設計問題。 現(xiàn)代控制理論：以狀態(tài)空間法為基礎現(xiàn)代控制理論：以狀態(tài)空間法為基礎, ,研究多研究多 輸入輸入, ,多輸出，變參數(shù)，非線性，高精度，高多輸出，變參數(shù)，非線性，高精度，高 效能等一類控制系統(tǒng)的分析和設計問題效能等一類控制系統(tǒng)的分析和設計問題。 l美國的美國的H.Hazen 發(fā)表發(fā)表“關于伺服結構理論關于伺服結構理論” 并在并在MIT建立伺服結構實驗室。建立伺服結構實驗室。 l貝爾實驗室的貝爾實驗室的Bode 及及 Nyquist提出頻率響應提出頻率響應

27、 法。法。 l美國美國MIT的的Wiener提出濾波理論，發(fā)表控制提出濾波理論，發(fā)表控制 論論標志著控制論學科的誕生。標志著控制論學科的誕生。 l貝爾實驗室貝爾實驗室Bode領導的火炮控制系統(tǒng)發(fā)表領導的火炮控制系統(tǒng)發(fā)表 通信的數(shù)字理論通信的數(shù)字理論奠定信息論的基礎。奠定信息論的基礎。 lEvans提出根軌跡法，開始提出根軌跡法，開始SISO為對象的為對象的 經(jīng)典控制研究工作。經(jīng)典控制研究工作。 l多本有關經(jīng)典控制的名著出現(xiàn)：多本有關經(jīng)典控制的名著出現(xiàn)： .Smith的的自動控制工程自動控制工程 ； .錢學森的錢學森的工程控制論工程控制論. 本課程的主要內(nèi)容是闡述構成、分析和設計自本課程的主要內(nèi)

28、容是闡述構成、分析和設計自 動控制系統(tǒng)的基本理論。對實際系統(tǒng)動控制系統(tǒng)的基本理論。對實際系統(tǒng),建立研究問題建立研究問題 的數(shù)學模型的數(shù)學模型,進而利用所建立的數(shù)學模型來討論構成、進而利用所建立的數(shù)學模型來討論構成、 分析、綜合自動控制系統(tǒng)的基本理論和方法。分析、綜合自動控制系統(tǒng)的基本理論和方法。 作為研究自動控制系統(tǒng)的分析與綜合的方法來作為研究自動控制系統(tǒng)的分析與綜合的方法來 說說,對單輸入單輸出系統(tǒng)常采用的是時域法對單輸入單輸出系統(tǒng)常采用的是時域法,頻域法頻域法, 根軌跡法以及目前廣泛應用的計算機輔助設計根軌跡法以及目前廣泛應用的計算機輔助設計。 1.9.1 造紙機分部傳動控制系統(tǒng) 如圖所示

29、。含有大量水分的紙張經(jīng)過第一壓榨如圖所示。含有大量水分的紙張經(jīng)過第一壓榨 棍后，去掉了一部分含水量，然后再進入第二壓榨棍后，去掉了一部分含水量，然后再進入第二壓榨 棍，再榨去一部分水分。第一和第二壓榨棍分別由棍，再榨去一部分水分。第一和第二壓榨棍分別由 各自的電動機拖動，顯然兩個壓榨棍的轉速必須協(xié)各自的電動機拖動，顯然兩個壓榨棍的轉速必須協(xié) 調(diào)，否則將會拉斷紙頁或出現(xiàn)疊堆。調(diào)，否則將會拉斷紙頁或出現(xiàn)疊堆。 自動控制系統(tǒng)中壓榨棍拖動電動機自動控制系統(tǒng)中壓榨棍拖動電動機M的轉速由的轉速由 測速發(fā)電機測速發(fā)電機TG檢測出來，并轉換為速度反饋電壓檢測出來，并轉換為速度反饋電壓Uf。 參考電壓參考電壓U

30、r，與反饋電壓與反饋電壓Uf相比較得偏差電壓相比較得偏差電壓Ur- Uf，經(jīng)過放大去控制拖動電機的轉速，達到兩個壓經(jīng)過放大去控制拖動電機的轉速，達到兩個壓 榨棍的轉速協(xié)調(diào)。榨棍的轉速協(xié)調(diào)。 1.9.2 谷物濕度控制系統(tǒng) 如圖所示。我們知道谷物含水量直接影響面粉產(chǎn)如圖所示。我們知道谷物含水量直接影響面粉產(chǎn) 量，谷物在混合成磨料前要先濕潤，存在一個谷物量，谷物在混合成磨料前要先濕潤，存在一個谷物 出粉最多的濕度，谷物濕度可通過加水來調(diào)整。實出粉最多的濕度，谷物濕度可通過加水來調(diào)整。實 際中輸入谷物的水分，谷物流量和水壓均是變化不際中輸入谷物的水分，谷物流量和水壓均是變化不 定的，為努力消除擾動的影響，可在上部加一水箱定的，為努力消除擾動的影響，可在上部加一水箱 以保證供水壓力不變，可以加一個送料漏斗以維持以保證供水壓力不變，可以加一個送料漏斗以維