第一章 控制系統(tǒng)的基本概念

1、第第1 1章章 控制系統(tǒng)的基本概念控制系統(tǒng)的基本概念1.2 控制系統(tǒng)的工作原理及其組成控制系統(tǒng)的工作原理及其組成1.3 控制系統(tǒng)的基本類型控制系統(tǒng)的基本類型1.4 對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求1.1 控制工程發(fā)展概況控制工程發(fā)展概況1.1 1.1 控制工程發(fā)展概況控制工程發(fā)展概況 控制工程是一門新型的技術(shù)科學(xué)，也是一門邊緣科學(xué)。它的理論控制工程是一門新型的技術(shù)科學(xué)，也是一門邊緣科學(xué)。它的理論基礎(chǔ)是工程控制論?；A(chǔ)是工程控制論。控制工程基礎(chǔ)主要是闡述自動(dòng)控制理論?？刂乒こ袒A(chǔ)主要是闡述自動(dòng)控制理論。1788年瓦特（年瓦特（J.Watt）發(fā)明蒸汽機(jī)飛球調(diào)速器）發(fā)明蒸汽機(jī)飛球調(diào)速器二次大

2、戰(zhàn)期間，由于建造飛機(jī)自動(dòng)駕駛儀、雷達(dá)跟蹤系統(tǒng)、火炮二次大戰(zhàn)期間，由于建造飛機(jī)自動(dòng)駕駛儀、雷達(dá)跟蹤系統(tǒng)、火炮瞄準(zhǔn)系統(tǒng)等軍事裝備的需要，推動(dòng)了控制理論的飛躍發(fā)展。瞄準(zhǔn)系統(tǒng)等軍事裝備的需要，推動(dòng)了控制理論的飛躍發(fā)展。19481948年維納（年維納（N.WienerN.Wiener）發(fā)表了著名的）發(fā)表了著名的控制論控制論，從而基本上形成，從而基本上形成了經(jīng)典控制理論，了經(jīng)典控制理論，使控制工程有了扎實(shí)的理論支撐。使控制工程有了扎實(shí)的理論支撐。維納發(fā)表著維納發(fā)表著名的控制論名的控制論 馬克斯威爾首先提馬克斯威爾首先提出反饋控制的概念出反饋控制的概念18681868年，年，馬克斯威爾（馬克斯威爾（J.C.

3、MaxwellJ.C.Maxwell）發(fā)表了發(fā)表了調(diào)速器調(diào)速器一文，一文，首先提出了首先提出了“反饋控制反饋控制”的概念。的概念。18751875年年勞思勞思（E.J.RouthE.J.Routh）和）和18951895年赫維茨（年赫維茨（A.HurwifzA.Hurwifz）先后獨(dú)）先后獨(dú)立地提出了判別立地提出了判別系統(tǒng)穩(wěn)定性的代數(shù)判據(jù)系統(tǒng)穩(wěn)定性的代數(shù)判據(jù)；19321932年，年，尼奎斯特尼奎斯特（H.NyquistH.Nyquist）提出了著名的）提出了著名的尼奎斯特穩(wěn)定性尼奎斯特穩(wěn)定性判據(jù)判據(jù)；19481948年，年，埃文斯埃文斯（W.R.EvansW.R.Evans）提出了）提出了根軌

4、跡法根軌跡法，進(jìn)一步充實(shí)了經(jīng)，進(jìn)一步充實(shí)了經(jīng)典控制理論。典控制理論。19541954年，我國(guó)科學(xué)家年，我國(guó)科學(xué)家錢學(xué)森錢學(xué)森發(fā)表了發(fā)表了工程控制論工程控制論這一名著，為這一名著，為控制工程這門技術(shù)科學(xué)奠定了理論基礎(chǔ)?？刂乒こ踢@門技術(shù)科學(xué)奠定了理論基礎(chǔ)。除此之外，在控制理論的形成和發(fā)展過程中作出重大貢獻(xiàn)的還有：除此之外，在控制理論的形成和發(fā)展過程中作出重大貢獻(xiàn)的還有：第二階段：第二階段：2020世紀(jì)世紀(jì)60-7060-70年代為年代為現(xiàn)代控制理論現(xiàn)代控制理論發(fā)展時(shí)期，隨著計(jì)發(fā)展時(shí)期，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和空間技術(shù)的進(jìn)步，產(chǎn)生了把經(jīng)典控制論中的高算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和空間技術(shù)的進(jìn)步，產(chǎn)生了把經(jīng)典控制論中

5、的高階常微分方程轉(zhuǎn)化為一階微分方程組來描述系統(tǒng)的方法，即階常微分方程轉(zhuǎn)化為一階微分方程組來描述系統(tǒng)的方法，即狀態(tài)狀態(tài)空間法空間法。主要研究多輸入。主要研究多輸入- -多輸出系統(tǒng)，對(duì)非線性、時(shí)變系統(tǒng)也有多輸出系統(tǒng)，對(duì)非線性、時(shí)變系統(tǒng)也有效。效。第三階段：第三階段：2020世紀(jì)世紀(jì)7070年代末至今，控制理論向著年代末至今，控制理論向著“大系統(tǒng)理論大系統(tǒng)理論”和和“智能控制理論智能控制理論” 發(fā)展。發(fā)展。第一階段：第一階段：2020世紀(jì)世紀(jì)40-5040-50年代為年代為經(jīng)典控制理論經(jīng)典控制理論發(fā)展時(shí)期，經(jīng)典控發(fā)展時(shí)期，經(jīng)典控制理論以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)，主要研究單輸入制理論以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)，主要研究單

6、輸入- -單輸出系統(tǒng)的分析單輸出系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)問題。和設(shè)計(jì)問題。 根據(jù)控制理論的發(fā)展過程，大體可分為三個(gè)階段：根據(jù)控制理論的發(fā)展過程，大體可分為三個(gè)階段：人工控制的任務(wù)是克服外界干擾（如電源電壓波動(dòng)、環(huán)境溫度變化人工控制的任務(wù)是克服外界干擾（如電源電壓波動(dòng)、環(huán)境溫度變化等），保持箱內(nèi)溫度恒定，以滿足物體對(duì)溫度的要求。等），保持箱內(nèi)溫度恒定，以滿足物體對(duì)溫度的要求。1.2 控制系統(tǒng)的工作原理及其組成控制系統(tǒng)的工作原理及其組成一、控制系統(tǒng)的工作原理一、控制系統(tǒng)的工作原理控制方式：人工控制和自動(dòng)控制控制方式：人工控制和自動(dòng)控制自動(dòng)控制自動(dòng)控制在沒有人的直接參與情況下，利用自動(dòng)控制裝置，使機(jī)器、設(shè)備

7、或在沒有人的直接參與情況下，利用自動(dòng)控制裝置，使機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過程的某個(gè)狀態(tài)或參數(shù)自動(dòng)按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行。生產(chǎn)過程的某個(gè)狀態(tài)或參數(shù)自動(dòng)按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行。控制器控制器被控量例例1：人工控制的恒溫箱：人工控制的恒溫箱被控對(duì)象人工控制過程歸結(jié)如下：人工控制過程歸結(jié)如下： (1) 觀測(cè)由測(cè)量元件（溫度計(jì)）觀測(cè)由測(cè)量元件（溫度計(jì)）測(cè)出的恒溫箱內(nèi)的溫度（被控測(cè)出的恒溫箱內(nèi)的溫度（被控制量）。制量）。(2) 與要求的溫度值（給定值）與要求的溫度值（給定值）進(jìn)行比較，得出偏差的大小和進(jìn)行比較，得出偏差的大小和方向。方向。(3) 根據(jù)偏差的大小和方向再進(jìn)根據(jù)偏差的大小和方向再進(jìn)行控制。行控制。人工控制過程實(shí)

8、際上測(cè)量、求偏差，再控制以糾正偏差的過程。人工控制過程實(shí)際上測(cè)量、求偏差，再控制以糾正偏差的過程。人工控制的恒溫箱人工控制的恒溫箱例例2：自動(dòng)控制的恒溫箱：自動(dòng)控制的恒溫箱可見，自動(dòng)控制過程實(shí)際上測(cè)量、求偏差，再控制以糾正偏差的可見，自動(dòng)控制過程實(shí)際上測(cè)量、求偏差，再控制以糾正偏差的過程。過程。恒溫箱的自動(dòng)控制系統(tǒng)恒溫箱的自動(dòng)控制系統(tǒng)1.1.自動(dòng)控制系統(tǒng)和人工控制系統(tǒng)非常相似。自動(dòng)控制系統(tǒng)和人工控制系統(tǒng)非常相似。2.2.測(cè)量裝置相當(dāng)于人的眼睛，控制器類似于人腦，執(zhí)行機(jī)構(gòu)好比測(cè)量裝置相當(dāng)于人的眼睛，控制器類似于人腦，執(zhí)行機(jī)構(gòu)好比 人手。人手。3.3.它們的共同特點(diǎn)都是檢測(cè)偏差，并用檢測(cè)到的偏差去

9、糾正偏差。它們的共同特點(diǎn)都是檢測(cè)偏差，并用檢測(cè)到的偏差去糾正偏差。結(jié)論：結(jié)論：幾個(gè)名詞：幾個(gè)名詞：1.輸入量輸入量xi(t) ：系統(tǒng)的給定量。：系統(tǒng)的給定量。2.輸出量輸出量xo(t) ：系統(tǒng)的被控制量。：系統(tǒng)的被控制量。3.反饋量反饋量b(t) ：將輸出的全部或一部分通過測(cè)量裝置返回輸入：將輸出的全部或一部分通過測(cè)量裝置返回輸入 端的量。端的量。4. 偏差偏差e(t) ：輸入量與反饋量比較的結(jié)果。：輸入量與反饋量比較的結(jié)果。5.干擾信號(hào)干擾信號(hào)n n( (t t) )：又稱擾動(dòng)值，是一種對(duì)系統(tǒng)的被控量起破壞作：又稱擾動(dòng)值，是一種對(duì)系統(tǒng)的被控量起破壞作 用的信號(hào)。用的信號(hào)。圖圖3 3所示為恒溫

10、箱溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)的職能框圖。所示為恒溫箱溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)的職能框圖。這種基于反饋原理、通過這種基于反饋原理、通過“檢測(cè)偏差再糾正偏差檢測(cè)偏差再糾正偏差”的系統(tǒng)稱為反的系統(tǒng)稱為反饋控制系統(tǒng)。饋控制系統(tǒng)。= =自動(dòng)控制系統(tǒng)自動(dòng)控制系統(tǒng)= =閉環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)恒溫箱溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)職能框圖恒溫箱溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)職能框圖例例3：離心調(diào)速器：離心調(diào)速器控制原理：控制原理：如果負(fù)載變化使如果負(fù)載變化使 增加增加離心機(jī)構(gòu)滑套上移離心機(jī)構(gòu)滑套上移液壓滑閥上移，動(dòng)力活液壓滑閥上移，動(dòng)力活塞下移，油門關(guān)小，塞下移，油門關(guān)小，減小減小直到滑閥回復(fù)中位，直到滑閥回復(fù)中位， 回回到設(shè)定值到設(shè)定值通過檢測(cè)系統(tǒng)的實(shí)

11、際輸出值，通過檢測(cè)系統(tǒng)的實(shí)際輸出值，并與給定值進(jìn)行比較，反過并與給定值進(jìn)行比較，反過來作用于系統(tǒng)，形成反饋，來作用于系統(tǒng)，形成反饋，進(jìn)而調(diào)節(jié)系統(tǒng)的輸出。進(jìn)而調(diào)節(jié)系統(tǒng)的輸出?？刂瓶驁D：控制框圖：實(shí)際行駛方向預(yù)期行駛方向例例4：人駕駛轎車：人駕駛轎車預(yù)期預(yù)期路線路線大腦大腦方向盤方向盤汽車汽車實(shí)際實(shí)際路線路線眼睛和其他眼睛和其他感覺器官感覺器官手手二、開環(huán)控制和閉環(huán)控制二、開環(huán)控制和閉環(huán)控制 根據(jù)控制系統(tǒng)中有無反饋，控制系統(tǒng)可分為可分為開環(huán)控制系統(tǒng)根據(jù)控制系統(tǒng)中有無反饋，控制系統(tǒng)可分為可分為開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。和閉環(huán)控制系統(tǒng)。1.1.開環(huán)控制系統(tǒng)開環(huán)控制系統(tǒng)系統(tǒng)中無反饋，也就是說輸出量在整

12、個(gè)控制過程中不產(chǎn)生任何影響系統(tǒng)中無反饋，也就是說輸出量在整個(gè)控制過程中不產(chǎn)生任何影響的系統(tǒng)。的系統(tǒng)。例例1 1：滑動(dòng)臺(tái)面系統(tǒng)：滑動(dòng)臺(tái)面系統(tǒng)例例2 2：步進(jìn)驅(qū)動(dòng)的數(shù)控機(jī)床：步進(jìn)驅(qū)動(dòng)的數(shù)控機(jī)床職能框圖：職能框圖：數(shù)控機(jī)床的開環(huán)控制系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的開環(huán)控制系統(tǒng)例例3 3：電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)：電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)開環(huán)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)：開環(huán)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)：（1 1）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作穩(wěn)定。）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作穩(wěn)定。（2 2）精度低。）精度低。常見的開環(huán)控制系統(tǒng)：電烤箱、微波爐等。常見的開環(huán)控制系統(tǒng)：電烤箱、微波爐等。2.2.閉環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)輸出端和輸入端之間存在反饋回路，也就是輸出量對(duì)控制過程產(chǎn)生輸出端和輸入

13、端之間存在反饋回路，也就是輸出量對(duì)控制過程產(chǎn)生直接影響的系統(tǒng)。直接影響的系統(tǒng)。例例1 1：伺服驅(qū)動(dòng)的數(shù)控機(jī)床：伺服驅(qū)動(dòng)的數(shù)控機(jī)床例例2 2：閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)：閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)：閉環(huán)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)：（1 1）結(jié)構(gòu)復(fù)雜，穩(wěn)定性差。）結(jié)構(gòu)復(fù)雜，穩(wěn)定性差。（2 2）精度高。）精度高。常見的閉環(huán)控制系統(tǒng)：恒溫箱、空調(diào)、離心調(diào)速器等。常見的閉環(huán)控制系統(tǒng)：恒溫箱、空調(diào)、離心調(diào)速器等。三、閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成三、閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成閉環(huán)控制系統(tǒng)包括：給定元件、反饋元件、比較元件、放大閉環(huán)控制系統(tǒng)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。元件、執(zhí)行元件及校正元件等。 閉環(huán)控制系統(tǒng)

14、的組成閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成1.3 1.3 控制系統(tǒng)的基本類型控制系統(tǒng)的基本類型 一、按輸入量的特征分類一、按輸入量的特征分類 1 1恒值控制系統(tǒng)恒值控制系統(tǒng) 2 2程序控制系統(tǒng)程序控制系統(tǒng) 這種控制系統(tǒng)的輸入量是一個(gè)恒定值，一經(jīng)給定，在運(yùn)行過程中這種控制系統(tǒng)的輸入量是一個(gè)恒定值，一經(jīng)給定，在運(yùn)行過程中就不再改變（但可定期校準(zhǔn)或更改輸入量）。恒值控制系統(tǒng)的任就不再改變（但可定期校準(zhǔn)或更改輸入量）。恒值控制系統(tǒng)的任務(wù)是保證在任何擾動(dòng)下系統(tǒng)的輸出量為恒值。務(wù)是保證在任何擾動(dòng)下系統(tǒng)的輸出量為恒值。工業(yè)生產(chǎn)中的溫度、壓力、流量、液面等參數(shù)的控制，有些原動(dòng)工業(yè)生產(chǎn)中的溫度、壓力、流量、液面等參數(shù)的控制，有些

15、原動(dòng)機(jī)的速度控制，機(jī)床的位置控制，電力系統(tǒng)的電網(wǎng)電壓、頻率控機(jī)的速度控制，機(jī)床的位置控制，電力系統(tǒng)的電網(wǎng)電壓、頻率控制等，均屬此類。制等，均屬此類。預(yù)先將輸入量的變化規(guī)律編成程序，由程序發(fā)出控制指令，在輸入預(yù)先將輸入量的變化規(guī)律編成程序，由程序發(fā)出控制指令，在輸入裝置中再將控制指令轉(zhuǎn)換為控制信號(hào)，經(jīng)過全系統(tǒng)的作用，使控制裝置中再將控制指令轉(zhuǎn)換為控制信號(hào)，經(jīng)過全系統(tǒng)的作用，使控制對(duì)象按指令的要求而運(yùn)動(dòng)。對(duì)象按指令的要求而運(yùn)動(dòng)。計(jì)算機(jī)繪圖儀就是典型的程序控制系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)繪圖儀就是典型的程序控制系統(tǒng)。機(jī)床切削加工的程序控制系統(tǒng)機(jī)床切削加工的程序控制系統(tǒng) a) 上圖為開環(huán)控制上圖為開環(huán)控制b) 下圖為

16、閉環(huán)控制下圖為閉環(huán)控制3 3隨動(dòng)系統(tǒng)隨動(dòng)系統(tǒng) 隨動(dòng)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)隨動(dòng)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(yù)先確定的。律是不能預(yù)先確定的。例：液壓仿形車床工作原理圖例：液壓仿形車床工作原理圖 多自由度控制器、機(jī)器人等都是隨動(dòng)系多自由度控制器、機(jī)器人等都是隨動(dòng)系統(tǒng)。統(tǒng)。 二、按系統(tǒng)中傳遞信號(hào)的性質(zhì)分類二、按系統(tǒng)中傳遞信號(hào)的性質(zhì)分類1 1連續(xù)控制系統(tǒng)連續(xù)控制系統(tǒng)系統(tǒng)中各部分傳遞的信號(hào)都是連續(xù)時(shí)間變量的系統(tǒng)。系統(tǒng)中各部分傳遞的信號(hào)都是連續(xù)時(shí)間變量的系統(tǒng)。連續(xù)控制系統(tǒng)分為線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)。能用線性微分方程描連續(xù)控制系統(tǒng)分為線性系統(tǒng)和非線性

17、系統(tǒng)。能用線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)。性部件的系統(tǒng)稱為非線性系統(tǒng)。2 2離散控制系統(tǒng)離散控制系統(tǒng)系統(tǒng)中某一處或數(shù)處的信號(hào)是脈沖序列或數(shù)字量傳遞的系統(tǒng)系統(tǒng)中某一處或數(shù)處的信號(hào)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)）。稱為離散控制系統(tǒng)（也稱數(shù)字控制系統(tǒng)）。由于連續(xù)控制系統(tǒng)和離散控制系統(tǒng)的信號(hào)形式有較大區(qū)別，因此由于連續(xù)控制系統(tǒng)和離散控制系統(tǒng)的信號(hào)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在分析方法上也有明顯的不同。

18、連續(xù)控制系統(tǒng)以微分方程來描述系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，并用拉氏變換法求解微分方程；而離散系統(tǒng)則用差統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)狀態(tài)，用分方程來描述系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，用Z 變換法引出脈沖傳遞函變換法引出脈沖傳遞函數(shù)來研究系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。數(shù)來研究系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。 1.4 1.4 對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求 所謂穩(wěn)態(tài)誤差是指以一定變化規(guī)律的輸入信號(hào)作用于系統(tǒng)后，當(dāng)所謂穩(wěn)態(tài)誤差是指以一定變化規(guī)律的輸入信號(hào)作用于系統(tǒng)后，當(dāng)調(diào)整過程結(jié)束而趨于穩(wěn)定時(shí)，輸出量的實(shí)際值與期望值之間的誤調(diào)整過程結(jié)束而趨于穩(wěn)定時(shí)，輸出量的實(shí)際值與期望值之間的誤差值，它反映了動(dòng)態(tài)過程后期的性能。差值，它反映了動(dòng)態(tài)過程后期的性能。 1.穩(wěn)定性穩(wěn)定性是指系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程的振蕩傾向及其恢復(fù)平衡狀態(tài)的能力。是指系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程的振