《自動(dòng)控制原理》_胡_課件

1、第1章第1頁(yè)第1章第2頁(yè)自動(dòng)控制原理簡(jiǎn)明教程自動(dòng)控制原理簡(jiǎn)明教程第第 2 版版作者：作者：胡壽松胡壽松科學(xué)出版社科學(xué)出版社本教材的特點(diǎn)：本教材的特點(diǎn)：注重?cái)?shù)學(xué)推導(dǎo)注重?cái)?shù)學(xué)推導(dǎo)教材介紹教材介紹ShowShow 第1章第3頁(yè)每周每周2次課，共次課，共76課時(shí)課時(shí)先修基礎(chǔ)：先修基礎(chǔ)： 拉普拉斯變換、高等數(shù)學(xué)、大學(xué)物理、積分變換、電路、數(shù)字電子技術(shù)、模擬拉普拉斯變換、高等數(shù)學(xué)、大學(xué)物理、積分變換、電路、數(shù)字電子技術(shù)、模擬電子技術(shù)電子技術(shù) 課程特點(diǎn)：課程特點(diǎn)：很抽象很抽象 難度高難度高很繁瑣很繁瑣 計(jì)算量大計(jì)算量大不好學(xué)不好學(xué) 不好記不好記與大學(xué)物理和電機(jī)拖動(dòng)聯(lián)系緊密與大學(xué)物理和電機(jī)拖動(dòng)聯(lián)系緊密應(yīng)對(duì)辦法

2、：應(yīng)對(duì)辦法：1 從宏觀上弄清楚原理從宏觀上弄清楚原理2 不要求推導(dǎo)復(fù)雜的計(jì)算，記住結(jié)論即可。不要求推導(dǎo)復(fù)雜的計(jì)算，記住結(jié)論即可。3 注重學(xué)習(xí)與電子信息學(xué)科關(guān)系密切的章節(jié)注重學(xué)習(xí)與電子信息學(xué)科關(guān)系密切的章節(jié)上課要求：上課要求：按時(shí)上課，認(rèn)真聽(tīng)講按時(shí)上課，認(rèn)真聽(tīng)講獨(dú)立完成作業(yè)獨(dú)立完成作業(yè) 課時(shí)安排：課時(shí)安排：第1章第4頁(yè)ShowShow 第1章第5頁(yè)本門課程的性質(zhì)本門課程的性質(zhì):1.重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，闡述有關(guān)自動(dòng)控制技術(shù)的基礎(chǔ)理重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，闡述有關(guān)自動(dòng)控制技術(shù)的基礎(chǔ)理論論經(jīng)典控制論，研究經(jīng)典控制論，研究“控制論控制論”在工程中的應(yīng)用。在工程中的應(yīng)用。 基本內(nèi)容基本內(nèi)容控制論的基本理論、方法、

3、特點(diǎn)、綜合設(shè)控制論的基本理論、方法、特點(diǎn)、綜合設(shè)計(jì)方法。計(jì)方法。 研究對(duì)象研究對(duì)象自動(dòng)控制系統(tǒng)，揭示自動(dòng)控制系統(tǒng)中存在自動(dòng)控制系統(tǒng)，揭示自動(dòng)控制系統(tǒng)中存在的信息轉(zhuǎn)換、傳遞和的信息轉(zhuǎn)換、傳遞和反饋反饋。2.學(xué)習(xí)目的：學(xué)習(xí)目的： 自動(dòng)化發(fā)展的需要自動(dòng)化發(fā)展的需要 與信息科學(xué)、系統(tǒng)科學(xué)關(guān)系緊密與信息科學(xué)、系統(tǒng)科學(xué)關(guān)系緊密 掌握控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)的基本方法掌握控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)的基本方法第1章第6頁(yè)第1章第7頁(yè)第1章第8頁(yè)一、控制系統(tǒng)基本概念一、控制系統(tǒng)基本概念1. 控制（控制（Control ）：根據(jù)某種原理或方法，使特定對(duì)象）：根據(jù)某種原理或方法，使特定對(duì)象（被控對(duì)象被控對(duì)象）的某些物理量（）的某

4、些物理量（被控量被控量）按照預(yù)期規(guī)律變化）按照預(yù)期規(guī)律變化的操縱過(guò)程。的操縱過(guò)程。2.人工控制（人工控制（Manual Control）：由人直接或間接操作執(zhí)）：由人直接或間接操作執(zhí)行裝置的控制方式。行裝置的控制方式。第1章第9頁(yè)人工控制的例子人工控制的例子 人手取書第1章第10頁(yè)人工控制的例子人工控制的例子 示例示例水池水位控制水池水位控制 人工控制人工控制被控對(duì)象：水池被控對(duì)象：水池被控量：水池的水位被控量：水池的水位 觀測(cè)實(shí)際水位，觀測(cè)實(shí)際水位，將期望的水位值與實(shí)際水位相比較，兩者將期望的水位值與實(shí)際水位相比較，兩者之差為之差為誤差誤差。根據(jù)誤差的。根據(jù)誤差的大小大小和和方向方向調(diào)節(jié)進(jìn)水

5、閥門的開(kāi)度，調(diào)節(jié)進(jìn)水閥門的開(kāi)度，即當(dāng)實(shí)際水位高于要求值時(shí)，關(guān)小進(jìn)水閥門開(kāi)度，否則加大即當(dāng)實(shí)際水位高于要求值時(shí)，關(guān)小進(jìn)水閥門開(kāi)度，否則加大閥門開(kāi)度以改變進(jìn)水量，從而改變水池水位，使之與要求值閥門開(kāi)度以改變進(jìn)水量，從而改變水池水位，使之與要求值保持一致。保持一致。 第1章第11頁(yè)人腦人腦：記住水位的期望值；：記住水位的期望值；人眼人眼：觀察水池的實(shí)際水位；：觀察水池的實(shí)際水位；測(cè)量（測(cè)量反饋機(jī)構(gòu)）測(cè)量（測(cè)量反饋機(jī)構(gòu)）人腦人腦：比較比較水池的期望值水池的期望值-實(shí)際值；實(shí)際值；（比較機(jī)構(gòu)）、控制（比較機(jī)構(gòu)）、控制人手人手：調(diào)節(jié)進(jìn)水閥門的開(kāi)度，執(zhí)行控制作用。：調(diào)節(jié)進(jìn)水閥門的開(kāi)度，執(zhí)行控制作用。執(zhí)行（執(zhí)

6、行機(jī)構(gòu)）執(zhí)行（執(zhí)行機(jī)構(gòu)） 是一個(gè)反復(fù)觀察測(cè)量、比較、調(diào)整執(zhí)行的過(guò)程，力圖將水池水位的期望值與實(shí)是一個(gè)反復(fù)觀察測(cè)量、比較、調(diào)整執(zhí)行的過(guò)程，力圖將水池水位的期望值與實(shí)際值之間的差值減為際值之間的差值減為0。 人工控制精度不高，人的反應(yīng)不夠快，不少惡劣的場(chǎng)合人無(wú)法參與人工控制精度不高，人的反應(yīng)不夠快，不少惡劣的場(chǎng)合人無(wú)法參與直接控制。自動(dòng)控制系統(tǒng)可以解決以上問(wèn)題。直接控制。自動(dòng)控制系統(tǒng)可以解決以上問(wèn)題。 第1章第12頁(yè)3.自動(dòng)控制自動(dòng)控制（Automatic Control）：）：是指在沒(méi)有人直接是指在沒(méi)有人直接參與的情況下，利用自動(dòng)控制裝置（或稱為參與的情況下，利用自動(dòng)控制裝置（或稱為控制裝置控制

7、裝置或或控控制器制器），使機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過(guò)程（統(tǒng)稱為），使機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過(guò)程（統(tǒng)稱為被控對(duì)象被控對(duì)象）的）的某個(gè)工作狀態(tài)或參數(shù)（稱為某個(gè)工作狀態(tài)或參數(shù)（稱為被控量被控量）自動(dòng)地按照預(yù)定的規(guī)）自動(dòng)地按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行。律運(yùn)行。生活中的例子生活中的例子WhatWhat 第1章第13頁(yè)自動(dòng)控制的例子自動(dòng)控制的例子 當(dāng)實(shí)際水位當(dāng)實(shí)際水位低于低于要求水位時(shí)，電位器輸出電壓值要求水位時(shí)，電位器輸出電壓值為正為正，且其大小反映了實(shí)際水位與水位要且其大小反映了實(shí)際水位與水位要求求值的差值，放大器輸出值的差值，放大器輸出信號(hào)將有正的變化，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)減速器使進(jìn)水閥門信號(hào)將有正的變化，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)減速器使進(jìn)水閥門

8、開(kāi)度增加開(kāi)度增加，直到實(shí)際水位重新與水位要求值相等時(shí)為止。直到實(shí)際水位重新與水位要求值相等時(shí)為止。期望水位期望水位第1章第14頁(yè)電位計(jì)電位計(jì)+連桿連桿人腦人腦：記住水位的期望值；：記住水位的期望值；浮子浮子人眼人眼：觀察水池的實(shí)際水位；：觀察水池的實(shí)際水位；電位計(jì)電位計(jì)+連桿連桿人腦人腦： 反映反映誤差誤差（= =水位的期望值水位的期望值-實(shí)際值）；實(shí)際值）；電動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)人手人手：調(diào)節(jié)進(jìn)水閥門開(kāi)度，執(zhí)行控制作用。：調(diào)節(jié)進(jìn)水閥門開(kāi)度，執(zhí)行控制作用。 是一個(gè)反復(fù)觀察測(cè)量、比較、調(diào)整執(zhí)行的過(guò)程，力圖將水池水位的是一個(gè)反復(fù)觀察測(cè)量、比較、調(diào)整執(zhí)行的過(guò)程，力圖將水池水位的期望期望值與實(shí)際值間值與實(shí)際值間

9、的差值減為的差值減為0，即誤差為，即誤差為0。第1章第15頁(yè)控制過(guò)程：測(cè)量（測(cè)量反饋機(jī)構(gòu)）控制過(guò)程：測(cè)量（測(cè)量反饋機(jī)構(gòu)）浮子浮子 比較（比較機(jī)構(gòu)）比較（比較機(jī)構(gòu)）電位計(jì)電位計(jì)+連桿連桿 執(zhí)行（執(zhí)行機(jī)構(gòu)）執(zhí)行（執(zhí)行機(jī)構(gòu)）電動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)第1章第16頁(yè)自動(dòng)控制和人工控制比較自動(dòng)控制和人工控制比較（1）基本原理相同：）基本原理相同：都是建立在都是建立在“測(cè)量偏差測(cè)量偏差,修正偏差修正偏差”的基礎(chǔ)的基礎(chǔ)上上,并且為了測(cè)量偏差并且為了測(cè)量偏差,必須把系統(tǒng)的實(shí)際輸出必須把系統(tǒng)的實(shí)際輸出連接連接（反饋反饋）到輸）到輸入端。自動(dòng)控制的基本原理因此有時(shí)也稱為入端。自動(dòng)控制的基本原理因此有時(shí)也稱為反饋控制原理反饋控制

10、原理。 反饋控制原理：反饋控制原理：在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，通過(guò)控制裝置對(duì)在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，通過(guò)控制裝置對(duì)被控對(duì)象施加的控制作用，被控對(duì)象施加的控制作用，利用被控量的反饋信息，不斷利用被控量的反饋信息，不斷修正被控量與輸入量之間的偏差，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象進(jìn)修正被控量與輸入量之間的偏差，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制的任務(wù)行控制的任務(wù)，這就是，這就是反饋控制的原理反饋控制的原理。 （2）兩種控制的區(qū)別：）兩種控制的區(qū)別：自動(dòng)控制用控制器代替人完成控制。自動(dòng)控制用控制器代替人完成控制。第1章第17頁(yè)第1章第18頁(yè)制導(dǎo)導(dǎo)彈制導(dǎo)導(dǎo)彈 現(xiàn)代的高新技術(shù)讓導(dǎo)彈長(zhǎng)上了“眼睛”和“大腦”，利用負(fù)反饋控制原理去緊緊盯住目標(biāo)

11、第1章第19頁(yè)哈勃望遠(yuǎn)鏡特殊地衛(wèi)星中巴資源衛(wèi)星第1章第20頁(yè) 雷達(dá)操作時(shí)，天線就要不停地轉(zhuǎn)動(dòng)。天線的作用是雷達(dá)操作時(shí)，天線就要不停地轉(zhuǎn)動(dòng)。天線的作用是把雷達(dá)中產(chǎn)生的無(wú)線電波按照一定的方向向外發(fā)射出去，把雷達(dá)中產(chǎn)生的無(wú)線電波按照一定的方向向外發(fā)射出去，并把被反射回來(lái)的無(wú)線電波接收下來(lái)。正因?yàn)樘炀€所起并把被反射回來(lái)的無(wú)線電波接收下來(lái)。正因?yàn)樘炀€所起的作用好似人的眼睛一樣，因此雷達(dá)要注視和偵察整個(gè)的作用好似人的眼睛一樣，因此雷達(dá)要注視和偵察整個(gè)天空的狀況，天線就要不停地轉(zhuǎn)動(dòng)，用一個(gè)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)使天空的狀況，天線就要不停地轉(zhuǎn)動(dòng)，用一個(gè)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)使天線作天線作360360度的旋轉(zhuǎn)，這樣它就能在度的旋轉(zhuǎn)，這樣它

12、就能在360360度范圍內(nèi)進(jìn)行度范圍內(nèi)進(jìn)行“搜索搜索”。第1章第21頁(yè) 爐溫控制系統(tǒng)爐溫控制系統(tǒng)的理想溫度由電壓的理想溫度由電壓ur給出，熱電偶檢測(cè)箱溫輸出給出，熱電偶檢測(cè)箱溫輸出電壓電壓uf，偏差電壓偏差電壓ue= ur- uf，經(jīng)電壓和功率放大后控制電機(jī)的速度，經(jīng)電壓和功率放大后控制電機(jī)的速度和轉(zhuǎn)向，從而改變和轉(zhuǎn)向，從而改變調(diào)壓器調(diào)壓器滑動(dòng)觸頭的位置，改變爐溫控制系統(tǒng)的滑動(dòng)觸頭的位置，改變爐溫控制系統(tǒng)的外施電壓達(dá)到恒定爐溫的目的。外施電壓達(dá)到恒定爐溫的目的。自動(dòng)控制實(shí)例實(shí)例自動(dòng)控制實(shí)例實(shí)例3（示意圖）（示意圖）爐溫控制系統(tǒng)爐溫控制系統(tǒng)第1章第22頁(yè) 溫度溫度Tc下降，下降， Tc uf u

13、e=ur- uf ua 電機(jī)向增電機(jī)向增大調(diào)壓器輸出電壓的方向加速旋轉(zhuǎn)大調(diào)壓器輸出電壓的方向加速旋轉(zhuǎn)Tcuf ，直到直到Tc = Tr， ue=0。原理：原理：即當(dāng)恒溫箱內(nèi)溫度偏高時(shí)，使調(diào)壓器降壓，反之升壓，即當(dāng)恒溫箱內(nèi)溫度偏高時(shí)，使調(diào)壓器降壓，反之升壓，直到溫度達(dá)到給定值為止。此時(shí)偏差電壓直到溫度達(dá)到給定值為止。此時(shí)偏差電壓ue=0=0，電機(jī)停轉(zhuǎn)。，電機(jī)停轉(zhuǎn)。 爐溫自動(dòng)控制系統(tǒng)方框圖爐溫自動(dòng)控制系統(tǒng)方框圖放大器放大器電機(jī)減速器電機(jī)減速器調(diào)壓器調(diào)壓器電爐電爐熱電偶熱電偶+ -ufueurTcua給定裝置給定裝置Tr擾動(dòng)擾動(dòng)第1章第23頁(yè)自動(dòng)控制實(shí)例實(shí)例自動(dòng)控制實(shí)例實(shí)例4（示意圖）（示意圖） 導(dǎo)

14、彈發(fā)射架方位控制系統(tǒng)導(dǎo)彈發(fā)射架方位控制系統(tǒng) 放大器放大器+_+_+_輸入軸輸入軸給定裝置給定裝置反饋裝置反饋裝置手輪手輪發(fā)射架發(fā)射架輸出軸輸出軸r0E0Erueuau00u導(dǎo)彈發(fā)射架方位控制系統(tǒng)原理圖導(dǎo)彈發(fā)射架方位控制系統(tǒng)原理圖隨隨動(dòng)動(dòng)系系統(tǒng)統(tǒng)導(dǎo)彈發(fā)射架方位控制系統(tǒng)方塊圖導(dǎo)彈發(fā)射架方位控制系統(tǒng)方塊圖放大器放大器減速器減速器導(dǎo)導(dǎo) 彈彈發(fā)射架發(fā)射架ua直直 流流電動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)電位器電位器、re0eu0第1章第24頁(yè) 鋼鐵軋制：軋出厚度一致的高精度鐵板軋出厚度一致的高精度鐵板（厚度控制，張力控制）（厚度控制，張力控制）自動(dòng)控制實(shí)例實(shí)例自動(dòng)控制實(shí)例實(shí)例5（示意圖）（示意圖） 鋼鐵軋制控制系統(tǒng)示例鋼鐵軋制

15、控制系統(tǒng)示例 第1章第25頁(yè)自動(dòng)控制實(shí)例實(shí)例自動(dòng)控制實(shí)例實(shí)例5（示意圖）（示意圖）鋼鐵軋制計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)鋼鐵軋制計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) 軋鋼機(jī)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)方塊圖軋鋼機(jī)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)方塊圖軋鋼機(jī)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)示意圖軋鋼機(jī)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)示意圖 第1章第26頁(yè)第1章第27頁(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類下面介紹幾種常用的自動(dòng)控制系統(tǒng)分類方法。下面介紹幾種常用的自動(dòng)控制系統(tǒng)分類方法。1.3.1 按控制方式來(lái)分按控制方式來(lái)分1.3.2 按描述系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)方程分按描述系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)方程分1.3.3 按系統(tǒng)參數(shù)是否隨時(shí)間變化而分按系統(tǒng)參數(shù)是否隨時(shí)間變化而分1.3.4 按系統(tǒng)輸入信號(hào)的變化規(guī)律不同來(lái)分按系統(tǒng)輸入信號(hào)

16、的變化規(guī)律不同來(lái)分1.3.5 按信號(hào)的傳遞是否連續(xù)分按信號(hào)的傳遞是否連續(xù)分重要重要 第1章第28頁(yè)n 開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)n 反饋控制系統(tǒng)反饋控制系統(tǒng)n 復(fù)合控制系統(tǒng)復(fù)合控制系統(tǒng)第1章第29頁(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本控制方式自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本控制方式第1章第30頁(yè) 開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)是指無(wú)被控量反饋的控制系統(tǒng)開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)是指無(wú)被控量反饋的控制系統(tǒng), ,即即需要控制的是被控對(duì)象的某一量需要控制的是被控對(duì)象的某一量( (被控量被控量), ),而測(cè)量的而測(cè)量的只是給定信號(hào)只是給定信號(hào), ,被控量對(duì)于控制作用沒(méi)有任何影響的被控量對(duì)于控制作用沒(méi)有任何影響的系統(tǒng)。結(jié)構(gòu)如圖所示。系統(tǒng)。結(jié)構(gòu)如圖所示。1.3.1 .1

17、 開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)第1章第31頁(yè)第1章第32頁(yè)第1章第33頁(yè)示例示例直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng) 給定電壓給定電壓ug經(jīng)放大后得到電樞電壓經(jīng)放大后得到電樞電壓ua，改變，改變ug可得不同可得不同的轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)速n，該系統(tǒng)只有輸入量，該系統(tǒng)只有輸入量ug對(duì)輸出量對(duì)輸出量n的單向控制作用。的單向控制作用。輸出端和輸入端之間不存在輸出端和輸入端之間不存在反饋回路反饋回路。+_電電 壓壓放大器放大器功功 率率放大器放大器Mc負(fù)載負(fù)載n電動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)+_+_+電位器電位器augu1.3.1 .1 開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)第1章第34頁(yè) 只有輸入量的前向控制作用，輸出量并不反饋回

18、來(lái)只有輸入量的前向控制作用，輸出量并不反饋回來(lái)影響輸入量的控制作用，因而，將它稱為影響輸入量的控制作用，因而，將它稱為開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)（Open-Loop Control System）。）。擾動(dòng)擾動(dòng)控制控制 信號(hào)信號(hào) 被控被控 制量制量 給定電壓給定電壓ug g轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速n被控對(duì)象被控對(duì)象控制裝置控制裝置Mc電壓電壓放大器放大器功率功率放大器放大器直流直流電動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)第1章第35頁(yè) 開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，系統(tǒng)穩(wěn)定性好結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，系統(tǒng)穩(wěn)定性好，調(diào)試，調(diào)試方便，成本低。因此，在輸入量和輸出量之間的關(guān)系固定，方便，成本低。因此，在輸入量和輸出量之間的關(guān)系固定，且內(nèi)部參數(shù)或外部負(fù)

19、載等擾動(dòng)因素不大，或這些擾動(dòng)因素且內(nèi)部參數(shù)或外部負(fù)載等擾動(dòng)因素不大，或這些擾動(dòng)因素可以預(yù)測(cè)并進(jìn)行補(bǔ)償?shù)那疤嵯?，?yīng)盡量采用開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)?？梢灶A(yù)測(cè)并進(jìn)行補(bǔ)償?shù)那疤嵯拢瑧?yīng)盡量采用開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)。 開(kāi)環(huán)控制的開(kāi)環(huán)控制的缺點(diǎn)缺點(diǎn)當(dāng)控制過(guò)程中受到來(lái)自系統(tǒng)當(dāng)控制過(guò)程中受到來(lái)自系統(tǒng)外部外部的各種擾動(dòng)因素，如負(fù)載變化、電源電壓波動(dòng)等，以及來(lái)的各種擾動(dòng)因素，如負(fù)載變化、電源電壓波動(dòng)等，以及來(lái)自系統(tǒng)自系統(tǒng)內(nèi)部?jī)?nèi)部的擾動(dòng)因素，如元件參數(shù)變化等，都將會(huì)直接的擾動(dòng)因素，如元件參數(shù)變化等，都將會(huì)直接影響到輸出量，而控制系統(tǒng)不能自動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償，影響到輸出量，而控制系統(tǒng)不能自動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償，抗干擾性抗干擾性能差能差。因此，開(kāi)環(huán)系統(tǒng)對(duì)元

20、器件的精度要求較高。因此，開(kāi)環(huán)系統(tǒng)對(duì)元器件的精度要求較高。 第1章第36頁(yè) 閉環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)（Close-Loop Control System）又稱又稱反饋控制系統(tǒng)反饋控制系統(tǒng)（Feedback Control System），是在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，把輸出量檢測(cè)出來(lái)，是在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，把輸出量檢測(cè)出來(lái)，經(jīng)過(guò)物理量的轉(zhuǎn)換，再反饋到輸入端去與給定值（參考輸入）進(jìn)行比較（相經(jīng)過(guò)物理量的轉(zhuǎn)換，再反饋到輸入端去與給定值（參考輸入）進(jìn)行比較（相減），并利用比較后的減），并利用比較后的偏差偏差信號(hào)，以一定的控制規(guī)律產(chǎn)生控制作用，抑制內(nèi)信號(hào)，以一定的控制規(guī)律產(chǎn)生控制作用，抑制內(nèi)部或外部擾動(dòng)對(duì)輸出量的

21、影響，部或外部擾動(dòng)對(duì)輸出量的影響，逐步減小以至消除這一偏差逐步減小以至消除這一偏差，從而實(shí)現(xiàn)要求，從而實(shí)現(xiàn)要求的控制性能。的控制性能。 1.3.1.2閉環(huán)控制（反饋控制閉環(huán)控制（反饋控制 ）系統(tǒng)）系統(tǒng)第1章第37頁(yè)1.3.1.2閉環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)電電 壓壓放大器放大器功功 率率放大器放大器Mc負(fù)載負(fù)載n電動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)+_+_+_uf電位器電位器測(cè)速發(fā)電機(jī)測(cè)速發(fā)電機(jī)+_guauue= ug-uf偏差偏差ffuK第1章第38頁(yè) 直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)方塊圖直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)方塊圖 設(shè)上述系統(tǒng)原已在某個(gè)給定電壓設(shè)上述系統(tǒng)原已在某個(gè)給定電壓ug相對(duì)于的轉(zhuǎn)速相對(duì)于的轉(zhuǎn)速n狀狀態(tài)下運(yùn)行，若

22、一旦受到某些干擾（如負(fù)載轉(zhuǎn)矩突然增大）態(tài)下運(yùn)行，若一旦受到某些干擾（如負(fù)載轉(zhuǎn)矩突然增大）而引起轉(zhuǎn)速下降時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)地產(chǎn)生相應(yīng)的調(diào)整過(guò)程。而引起轉(zhuǎn)速下降時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)地產(chǎn)生相應(yīng)的調(diào)整過(guò)程。偏差始終存在偏差始終存在 Mcnufue（ ue = = ug - - uf ）uan n電電 壓壓放大器放大器ue輸輸入入量量Mc擾動(dòng)擾動(dòng)輸輸出出量量功功 率率放大器放大器直直 流流電動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)ugua測(cè)測(cè) 速速發(fā)電機(jī)發(fā)電機(jī)uf第1章第39頁(yè) 這種控制方式這種控制方式, ,無(wú)論是由于干擾造成無(wú)論是由于干擾造成, ,還是由于結(jié)還是由于結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化引起被控量出現(xiàn)偏差構(gòu)參數(shù)的變化引起被控量出現(xiàn)偏差, ,系統(tǒng)

23、就利用偏系統(tǒng)就利用偏差去糾正偏差差去糾正偏差, ,故這種控制方式為故這種控制方式為按偏差調(diào)節(jié)按偏差調(diào)節(jié)。 閉環(huán)控制系統(tǒng)的突出優(yōu)點(diǎn)是利用偏差來(lái)糾正偏閉環(huán)控制系統(tǒng)的突出優(yōu)點(diǎn)是利用偏差來(lái)糾正偏差差, ,使系統(tǒng)達(dá)到使系統(tǒng)達(dá)到較高的控制精度較高的控制精度。但與開(kāi)環(huán)控制系。但與開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)比較統(tǒng)比較, ,閉環(huán)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜閉環(huán)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜, ,構(gòu)造比較困難。構(gòu)造比較困難。需要指出的是需要指出的是, ,由于閉環(huán)控制存在由于閉環(huán)控制存在反饋信號(hào)反饋信號(hào), ,利用偏利用偏差進(jìn)行控制差進(jìn)行控制, ,如果設(shè)計(jì)得不好如果設(shè)計(jì)得不好, ,將會(huì)使將會(huì)使系統(tǒng)無(wú)法正常系統(tǒng)無(wú)法正常和穩(wěn)定地工作和穩(wěn)定地工作。另外。另外

24、, ,控制系統(tǒng)的精度與系統(tǒng)的穩(wěn)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。定性之間也常常存在矛盾。 第1章第40頁(yè)開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)與閉環(huán)控制系統(tǒng)比較開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)與閉環(huán)控制系統(tǒng)比較 開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低；開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低；開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)缺點(diǎn)是控制精度不高，抑制干擾能力差，且對(duì)系開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)缺點(diǎn)是控制精度不高，抑制干擾能力差，且對(duì)系統(tǒng)參數(shù)變化比較敏感；統(tǒng)參數(shù)變化比較敏感；適用于不考慮外界影響或精度要求不高場(chǎng)合，如洗衣機(jī)、步進(jìn)適用于不考慮外界影響或精度要求不高場(chǎng)合，如洗衣機(jī)、步進(jìn)電機(jī)控制等。電機(jī)控制等。閉環(huán)控制抑制干擾能力強(qiáng)，系統(tǒng)對(duì)參數(shù)變化不敏感，可以選用閉環(huán)控制抑制干擾能力強(qiáng)

25、，系統(tǒng)對(duì)參數(shù)變化不敏感，可以選用不太精密的元件構(gòu)成較為精密的控制系統(tǒng)，從而獲得較滿意的動(dòng)不太精密的元件構(gòu)成較為精密的控制系統(tǒng)，從而獲得較滿意的動(dòng)態(tài)特性和控制精度；態(tài)特性和控制精度；采用負(fù)反饋裝置，元部件較多，造價(jià)較高，增加系統(tǒng)復(fù)雜性。采用負(fù)反饋裝置，元部件較多，造價(jià)較高，增加系統(tǒng)復(fù)雜性。如果系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)選取不適當(dāng)，控制過(guò)程可能變得很差，甚至出如果系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)選取不適當(dāng)，控制過(guò)程可能變得很差，甚至出現(xiàn)振蕩或發(fā)散等不穩(wěn)定情況現(xiàn)振蕩或發(fā)散等不穩(wěn)定情況; ; 如何分析系統(tǒng)，合理選擇系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)，獲得滿意的系統(tǒng)性能如何分析系統(tǒng)，合理選擇系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)，獲得滿意的系統(tǒng)性能，是自動(dòng)控制理論必須研究解決的問(wèn)題，

26、是自動(dòng)控制理論必須研究解決的問(wèn)題第1章第41頁(yè)典型反饋控制系統(tǒng)的原理如圖所示典型反饋控制系統(tǒng)的原理如圖所示 信號(hào)從輸入端沿箭頭方向到達(dá)輸出端的傳輸通道稱信號(hào)從輸入端沿箭頭方向到達(dá)輸出端的傳輸通道稱前向通路前向通路，系統(tǒng)輸出量經(jīng)測(cè)量元件反饋到輸入端的傳輸通道稱系統(tǒng)輸出量經(jīng)測(cè)量元件反饋到輸入端的傳輸通道稱主反饋通路。主反饋通路。前向通路與主反饋通路共同組成前向通路與主反饋通路共同組成主回路主回路。 1.3.1.3典型的反饋控制系統(tǒng)的基本組成部分典型的反饋控制系統(tǒng)的基本組成部分 第1章第42頁(yè)(1)被控對(duì)象:它是控制系統(tǒng)所控制和操縱的對(duì)象,它接受控制量并輸出被控制量。(2)控制器:接收變換和放大后的

27、偏差信號(hào),轉(zhuǎn)換為對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行操作的控制信號(hào)。(3)放大變換環(huán)節(jié):將偏差信號(hào)變換為適合控制器執(zhí)行的信號(hào)。它根據(jù)控制的形式、幅值及功率來(lái)放大變換。第1章第43頁(yè)(4)校正裝置:為改善系統(tǒng)動(dòng)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,稱為串聯(lián)校正裝置;如果校正裝置接成反饋形式,稱為并聯(lián)校正裝置,又稱局部反饋校正。(5)反饋環(huán)節(jié):它用來(lái)測(cè)量被控量的實(shí)際值,并經(jīng)過(guò)信號(hào)處理,轉(zhuǎn)換為與被控制量有一定函數(shù)關(guān)系,且與輸入信號(hào)同一物理量的信號(hào)。反饋環(huán)節(jié)一般也稱為測(cè)量變送環(huán)節(jié)。(6)給定環(huán)節(jié):產(chǎn)生輸入控制信號(hào)的裝置。 第1章第44頁(yè)總結(jié)一下：總結(jié)一下： 閉環(huán)閉環(huán)控制系統(tǒng)的工作原理：控制系統(tǒng)的工作

28、原理：檢測(cè)輸出量（被控制量）的實(shí)際值；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；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。出。 由于存在輸出量反饋，上述系統(tǒng)能在存在無(wú)法預(yù)計(jì)擾動(dòng)的情由于存在輸出量反饋，上述系統(tǒng)能在存在無(wú)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，故稱之為的希望的狀態(tài)）之間的偏差，故稱之為反饋控制反饋控制。

29、顯然：顯然：反饋控制反饋控制建立在建立在偏差偏差基礎(chǔ)上，其控制方式是基礎(chǔ)上，其控制方式是“檢測(cè)偏檢測(cè)偏差再糾正偏差差再糾正偏差”。第1章第45頁(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)：自動(dòng)控制系統(tǒng)：是由是由被控對(duì)象被控對(duì)象和和自動(dòng)控制裝置自動(dòng)控制裝置按一定方按一定方式聯(lián)結(jié)起來(lái)的，以完成某種自動(dòng)控制任務(wù)的有機(jī)整體。式聯(lián)結(jié)起來(lái)的，以完成某種自動(dòng)控制任務(wù)的有機(jī)整體。輸入信號(hào)輸入信號(hào)r(t)：系統(tǒng)的輸入信號(hào)是指參考輸入，又稱系統(tǒng)的輸入信號(hào)是指參考輸入，又稱給給定量或給定值定量或給定值，它是控制著輸出量變化規(guī)律的指令信號(hào)。，它是控制著輸出量變化規(guī)律的指令信號(hào)。輸出信號(hào)輸出信號(hào)c(t)：系統(tǒng)的輸出信號(hào)是指被控對(duì)象中要求按系統(tǒng)的輸出

30、信號(hào)是指被控對(duì)象中要求按一定規(guī)律變化的物理量，又稱被控量，它與輸入量之間一定規(guī)律變化的物理量，又稱被控量，它與輸入量之間保持一定的函數(shù)關(guān)系。保持一定的函數(shù)關(guān)系。1.3.1.5自動(dòng)控制系統(tǒng)中常用的名詞術(shù)語(yǔ)自動(dòng)控制系統(tǒng)中常用的名詞術(shù)語(yǔ)第1章第46頁(yè)反饋信號(hào)：反饋信號(hào)：由系統(tǒng)（或元件）輸出端取出并反向送回系統(tǒng)由系統(tǒng)（或元件）輸出端取出并反向送回系統(tǒng)（或元件）輸入端的信號(hào)稱為反饋信號(hào)。反饋分為主反饋（或元件）輸入端的信號(hào)稱為反饋信號(hào)。反饋分為主反饋b(t)和局部反饋。和局部反饋。偏差偏差信號(hào)信號(hào)e(t)：它是指它是指參考輸入?yún)⒖驾斎肱c與主反饋信號(hào)之差主反饋信號(hào)之差。偏差信。偏差信號(hào)簡(jiǎn)稱偏差。號(hào)簡(jiǎn)稱偏差

31、。 e(t)=r(t)- b(t)誤差信號(hào)：誤差信號(hào)：它是指系統(tǒng)輸出量的期望值與實(shí)際值之差，簡(jiǎn)它是指系統(tǒng)輸出量的期望值與實(shí)際值之差，簡(jiǎn)稱誤差。在單位反饋情況下，誤差值也就是偏差值，二者稱誤差。在單位反饋情況下，誤差值也就是偏差值，二者是相等的。是相等的。擾動(dòng)信號(hào)擾動(dòng)信號(hào)f(t)：簡(jiǎn)稱擾動(dòng)或簡(jiǎn)稱擾動(dòng)或干擾，是除控制信號(hào)以外干擾，是除控制信號(hào)以外,對(duì)系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)的輸出有影響的信號(hào)。擾動(dòng)是不的輸出有影響的信號(hào)。擾動(dòng)是不希望的輸入信號(hào)。希望的輸入信號(hào)。P5 P5 第1章第47頁(yè)1）線性系統(tǒng)：）線性系統(tǒng)：該類系統(tǒng)的特點(diǎn)在于組成系統(tǒng)的各環(huán)節(jié)的輸該類系統(tǒng)的特點(diǎn)在于組成系統(tǒng)的各環(huán)節(jié)的輸入輸出特性都是入輸出特性都

32、是線性線性的，系統(tǒng)的性能可用的，系統(tǒng)的性能可用線性微分方程線性微分方程（或（或差分方程）來(lái)描述。差分方程）來(lái)描述。（滿足齊次性與疊加性）（滿足齊次性與疊加性） 假設(shè)元件輸入為假設(shè)元件輸入為r(t)、r1(t)、r2(t)，對(duì)應(yīng)的輸出為，對(duì)應(yīng)的輸出為c(t)、c1(t)、c2(t)： 如果如果r(t)=r1(t)+ r2(t) 時(shí)，時(shí)， c(t) = c1(t) + c2(t) 滿足迭加性滿足迭加性 如果如果r(t)=ar1(t)時(shí)，時(shí)， c(t) =ac1(t) 滿足齊次性滿足齊次性w 滿足迭加性和齊次性的元件才是線性元件。滿足迭加性和齊次性的元件才是線性元件。第1章第48頁(yè)2）非線性系統(tǒng)：）

33、非線性系統(tǒng)：該類系統(tǒng)的特點(diǎn)在于系統(tǒng)中含有一個(gè)或多該類系統(tǒng)的特點(diǎn)在于系統(tǒng)中含有一個(gè)或多個(gè)非線性元件。系統(tǒng)的性能需用個(gè)非線性元件。系統(tǒng)的性能需用非線性非線性微分方程（或差分微分方程（或差分方程）來(lái)描述。方程）來(lái)描述。非線性微分方程：非線性微分方程： 系數(shù)與變量有關(guān)，或者方程中含有變量及其導(dǎo)數(shù)的高次系數(shù)與變量有關(guān)，或者方程中含有變量及其導(dǎo)數(shù)的高次冪或乘積項(xiàng)。冪或乘積項(xiàng)。重要重要 第1章第49頁(yè)常見(jiàn)非線性情況常見(jiàn)非線性情況飽和非線性死區(qū)非線性間隙非線性繼電器非線性第1章第50頁(yè)注意：注意： 在實(shí)際中，絕大多數(shù)對(duì)象都具有非線性特性，而大多數(shù)在實(shí)際中，絕大多數(shù)對(duì)象都具有非線性特性，而大多數(shù)儀器儀表也是非線

34、性的，所以很少有真正意義上線性系統(tǒng)，儀器儀表也是非線性的，所以很少有真正意義上線性系統(tǒng)，一般是采用線性化措施將非線性系統(tǒng)處理成線性系統(tǒng)，這一般是采用線性化措施將非線性系統(tǒng)處理成線性系統(tǒng)，這樣就可簡(jiǎn)化分析和運(yùn)算。樣就可簡(jiǎn)化分析和運(yùn)算。第1章第51頁(yè)1.定常系統(tǒng)：定常系統(tǒng)：特性不隨時(shí)間變化的系統(tǒng)稱定常系統(tǒng)，又特性不隨時(shí)間變化的系統(tǒng)稱定常系統(tǒng)，又稱稱時(shí)不變時(shí)不變系統(tǒng)。描述定常系統(tǒng)特性的微分方程或差分方系統(tǒng)。描述定常系統(tǒng)特性的微分方程或差分方程的程的系數(shù)系數(shù)不隨時(shí)間變化。定常系統(tǒng)分為不隨時(shí)間變化。定常系統(tǒng)分為定常線性系統(tǒng)定常線性系統(tǒng)和和定常非線性系統(tǒng)定常非線性系統(tǒng)。2.時(shí)變系統(tǒng)：時(shí)變系統(tǒng)：特性隨時(shí)間變

35、化的系統(tǒng)稱時(shí)變系統(tǒng)。對(duì)于特性隨時(shí)間變化的系統(tǒng)稱時(shí)變系統(tǒng)。對(duì)于時(shí)變系統(tǒng)，其輸出響應(yīng)的波形不僅與輸入信號(hào)波形有關(guān)，時(shí)變系統(tǒng)，其輸出響應(yīng)的波形不僅與輸入信號(hào)波形有關(guān)，而且還與參考輸入加入的時(shí)刻有關(guān)，這一特點(diǎn)，增加了而且還與參考輸入加入的時(shí)刻有關(guān)，這一特點(diǎn)，增加了對(duì)時(shí)變系統(tǒng)分析和研究的復(fù)雜性。對(duì)時(shí)變系統(tǒng)分析和研究的復(fù)雜性。第1章第52頁(yè)定常：定常：輸入一定，輸出不變。輸入一定，輸出不變。（方程系數(shù)為常數(shù)）（方程系數(shù)為常數(shù)）時(shí)變（不定常）：時(shí)變（不定常）：輸入一定，輸出隨時(shí)間發(fā)生變化輸入一定，輸出隨時(shí)間發(fā)生變化。 重要重要 第1章第53頁(yè)1.連續(xù)系統(tǒng)：連續(xù)系統(tǒng)：該類系統(tǒng)各環(huán)節(jié)間的信號(hào)均為時(shí)間該類系統(tǒng)各環(huán)

36、節(jié)間的信號(hào)均為時(shí)間t的連續(xù)函數(shù)。的連續(xù)函數(shù)。2.離散系統(tǒng)：離散系統(tǒng)：該類系統(tǒng)在信號(hào)傳遞過(guò)程中有一處或多處的信該類系統(tǒng)在信號(hào)傳遞過(guò)程中有一處或多處的信號(hào)是脈沖序列或數(shù)字編碼。數(shù)字控制系統(tǒng)、采樣系統(tǒng)為離散號(hào)是脈沖序列或數(shù)字編碼。數(shù)字控制系統(tǒng)、采樣系統(tǒng)為離散系統(tǒng)。系統(tǒng)。離散離散信號(hào)信號(hào)離散離散信號(hào)信號(hào)計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)被控被控對(duì)象對(duì)象擾動(dòng)擾動(dòng)反饋元件反饋元件e(t)( )c t( )r tA/DD/A放大放大元件元件執(zhí)行執(zhí)行元件元件采樣數(shù)字控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖采樣數(shù)字控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖第1章第54頁(yè)本課程主要研究以下三種系統(tǒng)1. 1. 線性連續(xù)控制系統(tǒng)線性連續(xù)控制系統(tǒng)2. 2. 線性定常離散系統(tǒng)線性定常離散系統(tǒng)3.

37、3.非線性控制系統(tǒng)非線性控制系統(tǒng)第1章第55頁(yè)這類系統(tǒng)可以用線性微分方程式描述這類系統(tǒng)可以用線性微分方程式描述, ,其一般形式為其一般形式為)()()()()()()()(1111011110trbtrdtdbtrdtdbtrdtdbtcatcdtdatcdtdatcdtdammmmmmnnnnnn 式中，式中，c(t)是被控量，是被控量，r(t)是輸入量。系數(shù)是輸入量。系數(shù)a0，a1，an；b0,b1,bm是常數(shù)時(shí)是常數(shù)時(shí),稱為稱為定常系統(tǒng)定常系統(tǒng);系數(shù)系數(shù)a0,a1,an；b0,b1,bm隨時(shí)間變化時(shí)隨時(shí)間變化時(shí),稱為稱為時(shí)變系統(tǒng)。線性定常連續(xù)系統(tǒng)時(shí)變系統(tǒng)。線性定常連續(xù)系統(tǒng)按其輸入量按其輸

38、入量的變化規(guī)律不同又可分為的變化規(guī)律不同又可分為恒值控制系統(tǒng)恒值控制系統(tǒng)、隨動(dòng)系統(tǒng)隨動(dòng)系統(tǒng)和和程序控制程序控制系統(tǒng)系統(tǒng)。1. 1. 線性連續(xù)控制系統(tǒng)線性連續(xù)控制系統(tǒng)第1章第56頁(yè)1.恒值調(diào)節(jié)系統(tǒng)：恒值調(diào)節(jié)系統(tǒng)：該類系統(tǒng)的輸入信號(hào)為一常數(shù)，擾動(dòng)使被該類系統(tǒng)的輸入信號(hào)為一常數(shù)，擾動(dòng)使被控量偏離理想值而出現(xiàn)偏差，利用偏差該系統(tǒng)可使被控量回控量偏離理想值而出現(xiàn)偏差，利用偏差該系統(tǒng)可使被控量回復(fù)到理想值或接近理想值。上述的爐溫閉環(huán)控制系統(tǒng)、鍋爐復(fù)到理想值或接近理想值。上述的爐溫閉環(huán)控制系統(tǒng)、鍋爐水位控制系統(tǒng)均屬于此類系統(tǒng)。水位控制系統(tǒng)均屬于此類系統(tǒng)。2.隨動(dòng)系統(tǒng)：隨動(dòng)系統(tǒng)：這類系統(tǒng)的給定量是時(shí)間的未知函

39、數(shù)，系統(tǒng)能這類系統(tǒng)的給定量是時(shí)間的未知函數(shù)，系統(tǒng)能使被控量準(zhǔn)確、快速地跟隨給定量變化。隨動(dòng)系統(tǒng)又稱使被控量準(zhǔn)確、快速地跟隨給定量變化。隨動(dòng)系統(tǒng)又稱伺服伺服系統(tǒng)系統(tǒng)。如上述函數(shù)記錄儀、導(dǎo)彈發(fā)射架方位控制系統(tǒng)。如上述函數(shù)記錄儀、導(dǎo)彈發(fā)射架方位控制系統(tǒng) 。 3.程序控制系統(tǒng)：程序控制系統(tǒng)：輸入信號(hào)為已知的時(shí)間函數(shù)，如機(jī)械加工輸入信號(hào)為已知的時(shí)間函數(shù)，如機(jī)械加工中的數(shù)控機(jī)床工作臺(tái)移動(dòng)系統(tǒng)。中的數(shù)控機(jī)床工作臺(tái)移動(dòng)系統(tǒng)。 第1章第57頁(yè)2. 2. 線性定常離散系統(tǒng)線性定常離散系統(tǒng)這類系統(tǒng)可以用差分方程來(lái)描述，其一般形式為這類系統(tǒng)可以用差分方程來(lái)描述，其一般形式為)() 1() 1()()() 1() 1(

40、)(110110krbkrbmkrbmkrbkcakcankcankcammnn 式中式中, mn, n為差分方程的次數(shù)為差分方程的次數(shù),a0,a1,an；b0,b1,bm為常系數(shù)，為常系數(shù)，r(k)、c(k)分別為輸入和輸出采樣序列。分別為輸入和輸出采樣序列。 工業(yè)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)就是典型的離散系統(tǒng)。工業(yè)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)就是典型的離散系統(tǒng)。第1章第58頁(yè)3.3.非線性控制系統(tǒng)非線性控制系統(tǒng) 系統(tǒng)中只要有一個(gè)元部件的輸入系統(tǒng)中只要有一個(gè)元部件的輸入- -輸出特性是非線性的輸出特性是非線性的, ,這類系統(tǒng)就稱為非線性系統(tǒng)。這類系統(tǒng)就稱為非線性系統(tǒng)。一般用非線性微分一般用非線性微分( (或差分或差分)

41、 )方程來(lái)描述其特性。方程來(lái)描述其特性。 非線性方程的特點(diǎn)是非線性方程的特點(diǎn)是系數(shù)與變量有關(guān)系數(shù)與變量有關(guān), ,或者或者方程中含有變方程中含有變量及其導(dǎo)數(shù)的高次冪或乘積項(xiàng)量及其導(dǎo)數(shù)的高次冪或乘積項(xiàng), ,例如例如)()()()()(2trtytytyty 嚴(yán)格地說(shuō)嚴(yán)格地說(shuō), ,實(shí)際的控制系統(tǒng)都是非線性系統(tǒng)，由于非線實(shí)際的控制系統(tǒng)都是非線性系統(tǒng)，由于非線性方程在數(shù)學(xué)處理上較困難性方程在數(shù)學(xué)處理上較困難, ,目前還沒(méi)有統(tǒng)一的研究方法。目前還沒(méi)有統(tǒng)一的研究方法。對(duì)于非線性程度不太嚴(yán)重的元部件對(duì)于非線性程度不太嚴(yán)重的元部件, ,可采用在一定范圍內(nèi)線可采用在一定范圍內(nèi)線性化的方法性化的方法, ,將非線性系

42、統(tǒng)近似為線性控制系統(tǒng)將非線性系統(tǒng)近似為線性控制系統(tǒng). .第1章第59頁(yè)第1章第60頁(yè)第1章第61頁(yè) 考慮動(dòng)態(tài)過(guò)程在不同階段中的特點(diǎn)考慮動(dòng)態(tài)過(guò)程在不同階段中的特點(diǎn),工程上通常從工程上通常從穩(wěn)、穩(wěn)、快、準(zhǔn)快、準(zhǔn)三個(gè)方面來(lái)衡量自動(dòng)控制系統(tǒng)：三個(gè)方面來(lái)衡量自動(dòng)控制系統(tǒng)： 穩(wěn)定工作是所有自動(dòng)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定工作是所有自動(dòng)控制系統(tǒng)的最基本要求最基本要求,是系統(tǒng)能否是系統(tǒng)能否工作的前題。不穩(wěn)定的系統(tǒng)根本無(wú)法完成控制任務(wù)?？紤]工作的前題。不穩(wěn)定的系統(tǒng)根本無(wú)法完成控制任務(wù)?？紤]到實(shí)際系統(tǒng)工作環(huán)境或參數(shù)的變動(dòng)到實(shí)際系統(tǒng)工作環(huán)境或參數(shù)的變動(dòng),可能導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定可能導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定,因因此此,我們除要求系統(tǒng)穩(wěn)定外我們除要

43、求系統(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。 第1章第62頁(yè)即過(guò)渡過(guò)程繼續(xù)的時(shí)間長(zhǎng)短。過(guò)渡即過(guò)渡過(guò)程繼續(xù)的時(shí)間長(zhǎng)短。過(guò)渡過(guò)程越短，說(shuō)明系統(tǒng)快速性越好，過(guò)渡過(guò)程持續(xù)時(shí)間越過(guò)程越短，說(shuō)明系統(tǒng)快速性越好，過(guò)渡過(guò)程持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，說(shuō)明系統(tǒng)響應(yīng)遲鈍，難以實(shí)現(xiàn)快速變化的指令信號(hào)。長(zhǎng)，說(shuō)明系統(tǒng)響應(yīng)遲鈍，難以實(shí)現(xiàn)快速變化的指令信號(hào)。是指系統(tǒng)在過(guò)渡過(guò)程結(jié)束后，是指系統(tǒng)在過(guò)渡過(guò)程結(jié)束后，偏差的偏差的最終值的大小，稱為穩(wěn)態(tài)誤差最終值的大小，稱為穩(wěn)態(tài)誤差，它是衡量系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度，它是衡量系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度的重要指標(biāo)。的重要指標(biāo)。穩(wěn)態(tài)誤差穩(wěn)態(tài)誤差越小，表示系統(tǒng)的準(zhǔn)確性越好，越小，表示系統(tǒng)的準(zhǔn)確性越好，被控

44、量（輸出量）的期望值與實(shí)際值之間的差值就越小。被控量（輸出量）的期望值與實(shí)際值之間的差值就越小。 第1章第63頁(yè) 由于被控對(duì)象的具體情況不同，各系統(tǒng)對(duì)穩(wěn)、快、由于被控對(duì)象的具體情況不同，各系統(tǒng)對(duì)穩(wěn)、快、準(zhǔn)的要求準(zhǔn)的要求各有側(cè)重各有側(cè)重。而且對(duì)同一系統(tǒng)，穩(wěn)、快、準(zhǔn)的。而且對(duì)同一系統(tǒng)，穩(wěn)、快、準(zhǔn)的要求常常是要求常常是相互制約的相互制約的。過(guò)分提高過(guò)程的快速性，可。過(guò)分提高過(guò)程的快速性，可能會(huì)引起系統(tǒng)強(qiáng)烈的振蕩，而過(guò)分追求穩(wěn)定性，又可能會(huì)引起系統(tǒng)強(qiáng)烈的振蕩，而過(guò)分追求穩(wěn)定性，又可能使系統(tǒng)反應(yīng)遲緩，最終導(dǎo)致準(zhǔn)確性變壞。如何分析能使系統(tǒng)反應(yīng)遲緩，最終導(dǎo)致準(zhǔn)確性變壞。如何分析和解決這些矛盾，將是本學(xué)科研究

45、的主要內(nèi)容。和解決這些矛盾，將是本學(xué)科研究的主要內(nèi)容。 對(duì)于偏差始終存在的系統(tǒng)對(duì)于偏差始終存在的系統(tǒng)準(zhǔn)確性：希望放大環(huán)節(jié)的放大系數(shù)大準(zhǔn)確性：希望放大環(huán)節(jié)的放大系數(shù)大平穩(wěn)性：希望放大環(huán)節(jié)的放大系數(shù)小平穩(wěn)性：希望放大環(huán)節(jié)的放大系數(shù)小第1章第64頁(yè) 1.選取原則選取原則（1）在現(xiàn)場(chǎng)及實(shí)驗(yàn)中容易產(chǎn)生）在現(xiàn)場(chǎng)及實(shí)驗(yàn)中容易產(chǎn)生（2）系統(tǒng)在工程中經(jīng)常遇到，并且是最不利的外作用。）系統(tǒng)在工程中經(jīng)常遇到，并且是最不利的外作用。（3）數(shù)學(xué)表達(dá)式簡(jiǎn)單，便于理論分析。）數(shù)學(xué)表達(dá)式簡(jiǎn)單，便于理論分析。 為了能對(duì)不同的控制系統(tǒng)的性能用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)為了能對(duì)不同的控制系統(tǒng)的性能用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)恒量，通常需要選擇幾種典型的外作用

46、。恒量，通常需要選擇幾種典型的外作用。階躍函數(shù)階躍函數(shù) 斜坡函數(shù)斜坡函數(shù) 脈沖函數(shù)脈沖函數(shù) 正弦函數(shù)正弦函數(shù)第1章第65頁(yè)（2）圖形：）圖形： 表示在表示在t=0時(shí)刻出現(xiàn)了幅值為時(shí)刻出現(xiàn)了幅值為R的跳變，是最不利的外作的跳變，是最不利的外作用。用。R=1時(shí)的階躍函數(shù)叫時(shí)的階躍函數(shù)叫單位階躍函數(shù)單位階躍函數(shù)，常用，常用1(t)表示。表示。常用階躍函數(shù)作為評(píng)價(jià)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的典型外作用。常用階躍函數(shù)作為評(píng)價(jià)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的典型外作用。所以所以階躍函數(shù)在自動(dòng)控制系統(tǒng)的分析中起著特別重要的作用。階躍函數(shù)在自動(dòng)控制系統(tǒng)的分析中起著特別重要的作用。 R0 tr(t)2. .階躍函數(shù)階躍函數(shù)（1）數(shù)學(xué)表達(dá)式：）

47、數(shù)學(xué)表達(dá)式：0, 00,)(ttRtr第1章第66頁(yè)（1）數(shù)學(xué)表達(dá)式：）數(shù)學(xué)表達(dá)式： （2）圖形：）圖形： 如如R=1,叫叫單位斜坡函數(shù)單位斜坡函數(shù)，表示從，表示從t=0時(shí)刻，以恒速時(shí)刻，以恒速R變化。變化。 跟蹤通信衛(wèi)星的天線控制系統(tǒng)，數(shù)控機(jī)床加工斜面時(shí)的給跟蹤通信衛(wèi)星的天線控制系統(tǒng)，數(shù)控機(jī)床加工斜面時(shí)的給 進(jìn)指令等，都可以采用斜坡信號(hào)作為進(jìn)指令等，都可以采用斜坡信號(hào)作為典型輸入信號(hào)。典型輸入信號(hào)。0 t r(t)0, 00,)(ttRttr3.斜坡函數(shù)斜坡函數(shù)R第1章第67頁(yè)4.脈沖函數(shù)脈沖函數(shù) （1 1）矩形脈沖函數(shù)數(shù)學(xué)表達(dá)式）矩形脈沖函數(shù)數(shù)學(xué)表達(dá)式 (2)(2)圖形：圖形： r(t)0

48、tA/ ,0( )0,0Atr ttt 或脈沖函數(shù)是對(duì)脈沖函數(shù)是對(duì)趨于趨于0 0，求極限得到的。數(shù)學(xué)表達(dá)式為，求極限得到的。數(shù)學(xué)表達(dá)式為: :Adttr)(0, 00,)(tttr第1章第68頁(yè)需要注意的是：需要注意的是：脈沖函數(shù)在現(xiàn)實(shí)中是不存在的，只是數(shù)學(xué)脈沖函數(shù)在現(xiàn)實(shí)中是不存在的，只是數(shù)學(xué)上的定義。在現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中常把作用時(shí)間很短，幅值很大而上的定義。在現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中常把作用時(shí)間很短，幅值很大而強(qiáng)度有限的一些外作用近似看作脈沖函數(shù)。當(dāng)強(qiáng)度有限的一些外作用近似看作脈沖函數(shù)。當(dāng)A=1A=1時(shí)，稱時(shí)，稱為為單位脈沖函數(shù)單位脈沖函數(shù)，記作，記作(t),(t),強(qiáng)度為強(qiáng)度為A A的脈沖函數(shù)的脈沖函數(shù)r(t)

49、r(t)表表示成示成 r(t)=A r(t)=A(t)(t)第1章第69頁(yè)5.正弦函數(shù)正弦函數(shù) （1 1）數(shù)學(xué)表達(dá)式：）數(shù)學(xué)表達(dá)式：sin,0( )0,0Awttr tt A為振幅，為振幅，w=2f 為正弦函數(shù)的角頻率。上式的初始相為正弦函數(shù)的角頻率。上式的初始相角角=0，如果初始相角，如果初始相角不等于不等于0，那么正弦函數(shù)，那么正弦函數(shù)r(t)的表的表達(dá)式為：達(dá)式為： r(t)=Asin(wt-) (2) (2) 圖形：圖形：r(t)tA第1章第70頁(yè)正弦函數(shù)也是控制系統(tǒng)常見(jiàn)的一種典型外作用，很正弦函數(shù)也是控制系統(tǒng)常見(jiàn)的一種典型外作用，很多實(shí)際的多實(shí)際的隨動(dòng)系統(tǒng)隨動(dòng)系統(tǒng)就是經(jīng)常在這種正弦函

50、數(shù)作用下就是經(jīng)常在這種正弦函數(shù)作用下工作的。更為重要的是，系統(tǒng)在正弦函數(shù)作用下的工作的。更為重要的是，系統(tǒng)在正弦函數(shù)作用下的響應(yīng)，即頻率特性，是自動(dòng)控制理論中研究系統(tǒng)性響應(yīng)，即頻率特性，是自動(dòng)控制理論中研究系統(tǒng)性能的重要依據(jù)能的重要依據(jù). .第1章第71頁(yè)補(bǔ)充補(bǔ)充 第1章第72頁(yè)一、歷史一、歷史1.萌芽萌芽：18世紀(jì)第一次技術(shù)革命（機(jī)械化）世紀(jì)第一次技術(shù)革命（機(jī)械化）時(shí)域分析時(shí)域分析俄國(guó)人波爾佐諾夫發(fā)明鍋爐水位調(diào)節(jié)器俄國(guó)人波爾佐諾夫發(fā)明鍋爐水位調(diào)節(jié)器英國(guó)人瓦特發(fā)明蒸汽機(jī)離心飛錘式調(diào)速器，萌生了自動(dòng)控英國(guó)人瓦特發(fā)明蒸汽機(jī)離心飛錘式調(diào)速器，萌生了自動(dòng)控制的基本原理制的基本原理1877年，勞斯，年，

51、勞斯，1895年，赫爾維茨分別提出了系統(tǒng)穩(wěn)定年，赫爾維茨分別提出了系統(tǒng)穩(wěn)定的代數(shù)判據(jù)（的代數(shù)判據(jù)（19世紀(jì)末）世紀(jì)末）第1章第73頁(yè)2.奠定基礎(chǔ)奠定基礎(chǔ)（20世紀(jì)）世紀(jì)）經(jīng)典控制論經(jīng)典控制論3040年代，奈奎斯特提出年代，奈奎斯特提出系統(tǒng)穩(wěn)定性系統(tǒng)穩(wěn)定性的頻率判據(jù)的頻率判據(jù) 奈氏圖、奈氏判據(jù)，奈氏圖、奈氏判據(jù)，從時(shí)域分析轉(zhuǎn)到頻域分析從時(shí)域分析轉(zhuǎn)到頻域分析1940年，伯德在頻率法中引入對(duì)數(shù)坐標(biāo)系，年，伯德在頻率法中引入對(duì)數(shù)坐標(biāo)系，伯德圖伯德圖1942年，哈里斯引入年，哈里斯引入傳遞函數(shù)傳遞函數(shù)概念概念1948年，伊萬(wàn)恩提出年，伊萬(wàn)恩提出根軌跡根軌跡分析方法分析方法1949年，英國(guó)人維納在火炮控制

52、中發(fā)現(xiàn)了年，英國(guó)人維納在火炮控制中發(fā)現(xiàn)了反饋反饋的概念，出的概念，出版了版了控制控制關(guān)于在動(dòng)物和機(jī)器中控制和通訊的科學(xué)關(guān)于在動(dòng)物和機(jī)器中控制和通訊的科學(xué)，奠，奠定了控制論的基礎(chǔ)定了控制論的基礎(chǔ) 50年代中期，添加了非線性系統(tǒng)理論和離散控制理論，形年代中期，添加了非線性系統(tǒng)理論和離散控制理論，形成了完整的理論體系。成了完整的理論體系。第1章第74頁(yè)3.發(fā)展發(fā)展 迅速滲透到許多學(xué)科，應(yīng)用于火炮、導(dǎo)彈控制系統(tǒng)，迅速滲透到許多學(xué)科，應(yīng)用于火炮、導(dǎo)彈控制系統(tǒng)，數(shù)控、電力、數(shù)控、電力、 冶金，自動(dòng)化技術(shù)冶金，自動(dòng)化技術(shù) 錢學(xué)森，錢學(xué)森，1954年首創(chuàng)年首創(chuàng)“工程控制論工程控制論”，推廣到其它領(lǐng)，推廣到其它

53、領(lǐng)域：域： 生物控制論：生物控制論：生命系統(tǒng)生命系統(tǒng) 經(jīng)濟(jì)控制論：經(jīng)濟(jì)控制論：經(jīng)濟(jì)運(yùn)行與發(fā)展問(wèn)題經(jīng)濟(jì)運(yùn)行與發(fā)展問(wèn)題 社會(huì)控制論：社會(huì)控制論：社會(huì)管理與社會(huì)服務(wù)問(wèn)題社會(huì)管理與社會(huì)服務(wù)問(wèn)題 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，控制論無(wú)論在內(nèi)涵上，還是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，控制論無(wú)論在內(nèi)涵上，還是在深度上和廣度上都發(fā)展變化著，對(duì)促進(jìn)生產(chǎn)的發(fā)展和社在深度上和廣度上都發(fā)展變化著，對(duì)促進(jìn)生產(chǎn)的發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。會(huì)進(jìn)步產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。第1章第75頁(yè)二、分類二、分類1.經(jīng)典控制理論經(jīng)典控制理論 4050年代，高階常微分方程年代，高階常微分方程以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)，研究單輸入、單輸出系統(tǒng)以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)，研究單輸入、單輸出系統(tǒng)SISO的分析和設(shè)計(jì)，的分析和設(shè)計(jì)，針對(duì)線性定常系統(tǒng)，主要研究方法有時(shí)域分析法、根軌跡法、頻針對(duì)線性定常系統(tǒng)，主要研究方