專業(yè)課自控第一章

1、自動(dòng)控制原理自動(dòng)控制原理胡胡 壽壽 松松科學(xué)出版社第一章第一章自動(dòng)控制的一般概念本章提綱本章提綱1.11.1自動(dòng)控制的基本原理與方式自動(dòng)控制的基本原理與方式1.2 1.2 自動(dòng)控制系統(tǒng)示例自動(dòng)控制系統(tǒng)示例1.31.3自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類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 本章小結(jié)本章小結(jié) v基本概念基本概念控制控制 使設(shè)備或生產(chǎn)過(guò)程的物理量保持恒定或一定規(guī)律變化使設(shè)備或生產(chǎn)過(guò)程的物理量保持恒定或一定規(guī)律變化的動(dòng)作。的動(dòng)作。自動(dòng)控制自動(dòng)控制 在脫離人的直接干預(yù)，利用外加的設(shè)備或裝置（簡(jiǎn)稱在脫離人的直接干預(yù)，利用外加的設(shè)備或裝置（簡(jiǎn)稱控制器）使機(jī)器，設(shè)備，生產(chǎn)

2、過(guò)程（統(tǒng)稱被控制對(duì)象）控制器）使機(jī)器，設(shè)備，生產(chǎn)過(guò)程（統(tǒng)稱被控制對(duì)象）的工作狀態(tài)或參數(shù)（即被控量）按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行。的工作狀態(tài)或參數(shù)（即被控量）按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行。自動(dòng)控制系統(tǒng)自動(dòng)控制系統(tǒng) 將被控對(duì)象和控制裝置按照一定的方式連接起來(lái)，將被控對(duì)象和控制裝置按照一定的方式連接起來(lái)， 組組成一個(gè)有機(jī)總體，這就是自動(dòng)控制系統(tǒng)。成一個(gè)有機(jī)總體，這就是自動(dòng)控制系統(tǒng)。1.1.1 1.1.1 自動(dòng)控制技術(shù)及其應(yīng)用自動(dòng)控制技術(shù)及其應(yīng)用1.11.1自動(dòng)控制的基本原理與方式自動(dòng)控制的基本原理與方式v自動(dòng)控制作為一種技術(shù)手段已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國(guó)防乃至日常生活和社會(huì)科學(xué)許多領(lǐng)域。 鍋爐設(shè)備的壓力和溫度自動(dòng)保

3、持恒定鍋爐設(shè)備的壓力和溫度自動(dòng)保持恒定 數(shù)控機(jī)床按照預(yù)定的程序自動(dòng)地切削工件數(shù)控機(jī)床按照預(yù)定的程序自動(dòng)地切削工件 導(dǎo)彈發(fā)射與制導(dǎo)系統(tǒng)，自動(dòng)地使導(dǎo)彈攻擊敵導(dǎo)彈發(fā)射與制導(dǎo)系統(tǒng)，自動(dòng)地使導(dǎo)彈攻擊敵方目標(biāo)方目標(biāo) 無(wú)人駕駛飛機(jī)按照預(yù)定航跡自動(dòng)升降和飛行無(wú)人駕駛飛機(jī)按照預(yù)定航跡自動(dòng)升降和飛行 人造衛(wèi)星準(zhǔn)確地進(jìn)入預(yù)定軌道運(yùn)行并回收等人造衛(wèi)星準(zhǔn)確地進(jìn)入預(yù)定軌道運(yùn)行并回收等 日常生活中常見(jiàn)的：*家庭： 全自動(dòng)全自動(dòng)照相機(jī)、洗衣機(jī)、電飯煲 * *高檔樓宇：高檔樓宇： 自動(dòng)自動(dòng)門(mén)、門(mén)、自動(dòng)自動(dòng)自來(lái)水開(kāi)關(guān)自來(lái)水開(kāi)關(guān) *交通： 自動(dòng)控制自動(dòng)控制的紅綠燈、 火車上的自動(dòng)自動(dòng)燒開(kāi)水機(jī) *銀行： 自動(dòng)自動(dòng)取款機(jī)ATMv隨著科

4、學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，自動(dòng)控制的概念也在擴(kuò)大，政治、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)等各個(gè)領(lǐng)域也越來(lái)越多地被認(rèn)為與自動(dòng)控制有關(guān)?，F(xiàn)在已發(fā)展成為一門(mén)獨(dú)立的學(xué)科控制論。其中包括：工程控制論、生物控制論和經(jīng)濟(jì)控制論。公元前我國(guó)的自動(dòng)計(jì)時(shí)漏壺1.1.2 1.1.2 自動(dòng)控制的應(yīng)用和理論的發(fā)展自動(dòng)控制的應(yīng)用和理論的發(fā)展公元132年張衡研制出自動(dòng)測(cè)量地震的候風(fēng)地動(dòng)儀公元235年馬鈞研制出能自動(dòng)指示方向的指南車 1788年英國(guó)Watt發(fā)明的控制蒸汽機(jī)速度的離心式調(diào)速器 1913年美國(guó)建成最早的汽車裝配流水線1926年美國(guó)建成第一條汽車自動(dòng)生產(chǎn)線 現(xiàn)代自動(dòng)化工廠生產(chǎn)線（國(guó)產(chǎn)）奇瑞、長(zhǎng)安汽車沖壓生產(chǎn)線奇瑞、長(zhǎng)安汽車沖壓生產(chǎn)線長(zhǎng)春汽車焊接生產(chǎn)

5、線長(zhǎng)春汽車焊接生產(chǎn)線1952年美國(guó)MIT研制出第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床 現(xiàn)代高速大型數(shù)控中心高速大型數(shù)控中心（沈陽(yáng)第一機(jī)床廠）1954年第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人 國(guó)產(chǎn)100公斤點(diǎn)焊機(jī)器人2005年我國(guó)成功發(fā)射載人飛船（神舟6號(hào)） 1981年美國(guó)“哥倫比亞”號(hào)航天飛機(jī)首次發(fā)射成功 自動(dòng)控制應(yīng)用總結(jié)：1、最早公元前：像指南車、地動(dòng)儀等；2、1788年：瓦特發(fā)明了離心式高速器第一個(gè)里程碑；3、20世紀(jì)2040年代：電子管反饋放大器誕生和經(jīng)典控制理 論的成熟，產(chǎn)生了電子式控制器第二個(gè)里程碑；4、20世紀(jì)4060年代：現(xiàn)代控制理論成熟，產(chǎn)生了第一顆人 造衛(wèi)星、第一次利用宇宙飛船登上太空、第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床和 第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人

6、；5、20世紀(jì)70年代：計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)的 普遍應(yīng)用和系統(tǒng)管理理念引入了自動(dòng)化第三個(gè)里程碑； 同時(shí)自動(dòng)控制也工業(yè)自動(dòng)化向非制造業(yè)自動(dòng)化發(fā)展，也即是向農(nóng)業(yè)自動(dòng)化和服務(wù)自動(dòng)化發(fā)展。v自動(dòng)控制理論是研究自動(dòng)控制共同規(guī)律的技術(shù)科學(xué)?？刂普?、量子論 與相對(duì)論被人們譽(yù)為20世紀(jì)上半葉的3項(xiàng)科學(xué)革命。控制論通常包含“經(jīng)典控制理論”與“現(xiàn)代控制理論”兩大部分。v經(jīng)典控制理論以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)，研究單輸入-單輸出，線形定常系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)問(wèn)題。v現(xiàn)代控制理論以狀態(tài)空間法為基礎(chǔ)，研究多輸入-多輸出，時(shí)變，非線性，高精度，高效能等控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)問(wèn)題，其中最優(yōu)控制，系統(tǒng)辨識(shí)，自適應(yīng)控制，智能控制

7、等理論都是這一領(lǐng)域研究的問(wèn)題?？刂评碚摰陌l(fā)展直流電動(dòng)機(jī)速度自動(dòng)控制系統(tǒng) 圖中，電位器電壓為輸入信號(hào)。測(cè)速發(fā)電機(jī)是電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的測(cè)量元件，又稱為變送元件（變送器）。圖1-1中，代表電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化的測(cè)速發(fā)電機(jī)電壓送到輸入端與電位器電壓進(jìn)行比較，用兩者之間的差值（又稱偏差信號(hào)）來(lái)控制功率放大器（控制器）的輸出，從而控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，這就形成了電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速自動(dòng)控制系統(tǒng)。1.1.3 1.1.3 自動(dòng)控制系統(tǒng)基本概念自動(dòng)控制系統(tǒng)基本概念功率放大器U電動(dòng)機(jī)測(cè)速發(fā)電機(jī)電位器 圖1-1 直流電動(dòng)機(jī)速度自動(dòng)控制原理結(jié)構(gòu)圖v當(dāng)電源變化、負(fù)載變化等引起轉(zhuǎn)速變化，稱為擾動(dòng)。電動(dòng)機(jī)被稱為被控對(duì)象，轉(zhuǎn)速稱為被控量，當(dāng)電動(dòng)機(jī)受到

8、擾動(dòng)后，轉(zhuǎn)速（被控量）發(fā)生變化，經(jīng)測(cè)量元件（測(cè)速發(fā)電機(jī)）將轉(zhuǎn)速信號(hào)（又稱為反饋信號(hào)）反饋到控制器（功率放大器），使控制器的輸出（稱為控制量）發(fā)生相應(yīng)的變化，從而可以自動(dòng)地保持轉(zhuǎn)速不變或使偏差保持在允許的范圍內(nèi)?？刂茖?duì)象：需要控制的設(shè)備或生產(chǎn)過(guò)程控制裝置：對(duì)被控制對(duì)象起控制作用的 設(shè)備總體n自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成控制對(duì)象控制裝置n自動(dòng)控制系統(tǒng)基本組成框圖圖1-2 自動(dòng)控制系統(tǒng)基本組成框圖n自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本控制方式 1開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng) 指系統(tǒng)的輸出端與輸入端不存在反饋回路，輸出量對(duì)系統(tǒng)的控制作用不發(fā)生影響的系統(tǒng)。如工業(yè)上使用的數(shù)字程序控制機(jī)床，參見(jiàn)圖1-3。 圖紙位移程序指令放大器執(zhí)行機(jī)構(gòu)微型計(jì)算機(jī)切削

9、刀具工作機(jī)床圖1-3 微型計(jì)算機(jī)控制機(jī)床（開(kāi)環(huán)系統(tǒng)）v 系統(tǒng)每一個(gè)輸入信號(hào)，必有一個(gè)固定的工作狀態(tài)和一個(gè)系統(tǒng)的輸出量與之相對(duì)應(yīng)，但是不具有修正由于擾動(dòng)而出現(xiàn)的被控制量希望值與實(shí)際值之間誤差的能力。例如，執(zhí)行機(jī)構(gòu)步進(jìn)電機(jī)出現(xiàn)失步，機(jī)床某部分未能準(zhǔn)確地執(zhí)行程序指令的要求，切削刀具偏離了希望值，控制指令并不會(huì)相應(yīng)地改變。 v開(kāi)環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，工作穩(wěn)定。但開(kāi)環(huán)控制不能自動(dòng)修正被控制量的誤差、系統(tǒng)元件參數(shù)的變化以及外來(lái)未知干擾都會(huì)影響系統(tǒng)精度的。 2閉環(huán)控制系統(tǒng) 系統(tǒng)輸出信號(hào)與輸入端之間存在反饋回路的系統(tǒng)，叫閉環(huán)控制系統(tǒng)。閉環(huán)控制系統(tǒng)也叫反饋控制系統(tǒng)。“閉環(huán)”這個(gè)術(shù)語(yǔ)的含義，就是應(yīng)用反饋?zhàn)饔脕?lái)

10、減小系統(tǒng)誤差如圖1-4所示。反饋測(cè)量元件圖紙位移手放大器執(zhí)行機(jī)構(gòu)微型計(jì)算機(jī)切削刀具工作機(jī)床圖1-4 微型計(jì)算機(jī)控制機(jī)床（閉環(huán)系統(tǒng)）v在圖1-4中，引入了反饋測(cè)量元件，閉環(huán)控制系統(tǒng)由于有“反饋”作用的存在，具有自動(dòng)修正被控制量出現(xiàn)偏差的能力，可以修正元件參數(shù)變化及外界擾動(dòng)引起的誤差，所以其控制效果好，精度高。閉環(huán)控制系統(tǒng)不足之處，除了結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高外，一個(gè)主要的問(wèn)題是由于反饋的存在，控制系統(tǒng)可能出現(xiàn)“振蕩”。 3復(fù)合控制系統(tǒng) 復(fù)合控制是閉環(huán)控制和開(kāi)環(huán)控制相結(jié)合的一種方式，它兼有兩者的優(yōu)點(diǎn)，精度很高。 反饋控制的原理：控制裝置對(duì)被控對(duì)象施加的控制作用，是取自控制量的反饋信息，用來(lái)不斷修正被控量

11、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)。反饋控制又稱偏差控制。反饋控制系統(tǒng)在身邊隨處可見(jiàn)，人的一切活動(dòng)都體現(xiàn)出反饋控制的原理。正反饋與負(fù)反饋 負(fù)反饋：反饋信號(hào)與輸入信號(hào)相減，起減弱輸入信號(hào)作用。 正反饋：反饋信號(hào)與輸入信號(hào)相加，起增強(qiáng)輸入信號(hào)作用。 正反饋不能進(jìn)行控制，會(huì)使系統(tǒng)的偏差越來(lái)越大。 只有負(fù)反饋控制系統(tǒng)才能完成自動(dòng)控制的任務(wù)。 負(fù)反饋控制系統(tǒng)最大的特點(diǎn)：檢測(cè)偏差，糾正偏差，所以叫做按偏差控制。n反饋控制原理主反饋：直接取自系統(tǒng)輸出端，經(jīng)過(guò)測(cè)量和變換，又引入到系統(tǒng)輸入端的信號(hào)叫主反饋信號(hào)，相應(yīng)的反饋叫主反饋。前向通道：從系統(tǒng)輸入端到輸出量之間的通道稱為前向通道。主反饋通道

12、：從輸出量到主反饋信號(hào)之間的通道稱為主反饋通道。單位反饋系統(tǒng)：主反饋信號(hào)等于輸出量的系統(tǒng)叫單位反饋系統(tǒng)。非單位反饋系統(tǒng)：主反饋信號(hào)不等于輸出量的系統(tǒng)叫非單位反饋系統(tǒng)。局部反饋：對(duì)應(yīng)內(nèi)回路。n 幾個(gè)重要概念幾個(gè)重要概念給定元件：給出與系統(tǒng)輸出量希望值相對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)輸入量。測(cè)量元件：測(cè)量系統(tǒng)輸出量的實(shí)際值，并把輸出量的量綱轉(zhuǎn)化成與輸入量相同。比較元件：比較系統(tǒng)的輸入量和主反饋信號(hào)，并給出兩者之間的偏差。放大元件：對(duì)微弱的偏差信號(hào)進(jìn)行放大和變換，使之具有足夠的幅值和功率，以適應(yīng)執(zhí)行元件動(dòng)作的要求。執(zhí)行元件：根據(jù)放大后的偏差信號(hào)產(chǎn)生控制、動(dòng)作，操作系統(tǒng)的輸出量，使之按照輸入量的變化規(guī)律而變化。 反饋控制

13、系統(tǒng)方框圖反饋控制系統(tǒng)方框圖 一個(gè)典型的反饋控制系統(tǒng)基本組成可用圖1-5的方框圖表示。圖中，用 表示比較元件，表示負(fù)反饋。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，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。前向通路與主反饋通路共同組成主回路。 圖1-5 反饋控制系統(tǒng)的組成框圖補(bǔ)償元件放大元件執(zhí)行元件被控對(duì)象反饋補(bǔ)償元件測(cè)量元件輸入量輸出量主反饋局部反饋實(shí)例1：函數(shù)記錄儀1.2 1.2 自動(dòng)控制示例自動(dòng)控制示例飛機(jī)示意圖飛機(jī)示意圖給定電位器給定電位器反饋電位器反饋電位器實(shí)例2實(shí)例3實(shí)例實(shí)例4 液位控制系統(tǒng)液位控制系統(tǒng)控制器控制器減速器減速器電動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)電位器電位器浮子浮

14、子用水開(kāi)關(guān)用水開(kāi)關(guān)Q2Q1cifSM1.3 1.3 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。v1.3.1 按控制方式來(lái)分v1.3.2 按系統(tǒng)輸入信號(hào)的變化規(guī)律不同來(lái)分v1.3.3 按系統(tǒng)傳輸信號(hào)的性質(zhì)來(lái)分v1.3.4 按描述系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型不同來(lái)分v1.3.5 其它分類方法1.3.1 按控制方式來(lái)分1.開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)2.反饋控制系統(tǒng)3.復(fù)合控制系統(tǒng)1.3.2 按系統(tǒng)輸入信號(hào)的變化規(guī)律不同來(lái)分 1、恒值控制系統(tǒng)（或稱自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)） 這類系統(tǒng)的特點(diǎn)是輸入信號(hào)是一個(gè)恒定的數(shù)值。恒值控制系統(tǒng)主要研究各種干擾對(duì)系統(tǒng)輸出的影響以及如何克服這些干擾，把輸入、輸出量盡量保持在希

15、望數(shù)值上。 2、過(guò)程控制系統(tǒng)（或稱程序控制系統(tǒng)） 這類系統(tǒng)的特點(diǎn)是輸入信號(hào)是一個(gè)已知的時(shí)間函數(shù)，系統(tǒng)的控制過(guò)程按預(yù)定的程序進(jìn)行，要求被控量能迅速準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)。 恒值控制系統(tǒng)也認(rèn)為是過(guò)程控制系統(tǒng)的特例。 3、隨動(dòng)控制系統(tǒng)（或稱伺服系統(tǒng)） 這類系統(tǒng)的特點(diǎn)是輸入信號(hào)是一個(gè)未知函數(shù)，要求輸出量跟隨給定量變化。如火炮自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)。 工業(yè)自動(dòng)化儀表中的顯示記錄儀，跟蹤衛(wèi)星的雷達(dá)天線控制系統(tǒng)等均屬于隨動(dòng)控制系統(tǒng)。1.3.3 按系統(tǒng)傳輸信號(hào)的性質(zhì)來(lái)分 1、連續(xù)系統(tǒng) 系統(tǒng)各部分的信號(hào)都是模擬的連續(xù)函數(shù)。目前工業(yè)中普遍采用的常規(guī)控制儀表PID調(diào)節(jié)器控制的系統(tǒng)及圖1-1所示的電動(dòng)機(jī)速度自動(dòng)控制系統(tǒng)就屬于這一類型。 2

16、、離散系統(tǒng) 系統(tǒng)的某一處或幾處，信號(hào)以脈沖序列或數(shù)碼的形式傳遞的控制系統(tǒng)。其主要特點(diǎn)是：系統(tǒng)中用脈沖開(kāi)關(guān)或采樣開(kāi)關(guān)，將連續(xù)信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡x散信號(hào)。可分為脈沖控制系統(tǒng)和數(shù)字控制系統(tǒng)。 圖1-8和圖1-9分別給出了脈沖控制系統(tǒng)和數(shù)字控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。輸出輸入 + e(t)e*(t)采樣開(kāi)關(guān)-保持器被控對(duì)象圖1-8 脈沖控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖輸出輸入 + -A/D計(jì)算機(jī)D/A放大器執(zhí)行器被控對(duì)象反饋裝置圖1-9采樣數(shù)字控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖1.3.4 按描述系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型不同來(lái)分 1、線性系統(tǒng) 由線性元件構(gòu)成的系統(tǒng)叫線性系統(tǒng)。其運(yùn)動(dòng)方程為線性微分方程。若各項(xiàng)系數(shù)為常數(shù)，則稱為線性定常系統(tǒng)。其運(yùn)動(dòng)方程一般形式為: 式中：

17、u(t) 系統(tǒng)的輸入量；y(t) 系統(tǒng)的輸出量。( )( 1)( )( 1)1111nnnnnnonnyaya y a y bubub u bu 線性系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是具有疊加性和齊次性，即當(dāng)系統(tǒng)的輸入分別為r1(t)和r2(t)時(shí)，對(duì)應(yīng)的輸出分別為c1(t)和c2(t)，則當(dāng)輸入為r(t)=a1r1(t)+a2r2(t)時(shí)，輸出量為c(t)=a1c1(t)+a2c2(t), 其中為a1、a2為常系數(shù)。2、非線性系統(tǒng) 圖1-10 非線性元件靜特性舉例 在構(gòu)成系統(tǒng)的環(huán)節(jié)中有一個(gè)或一個(gè)以上的非線性環(huán)節(jié)時(shí)，則稱此系統(tǒng)為非線性系統(tǒng)。典型的非線性特性有飽和特性、死區(qū)特性、間隙特性、繼電特性、磁滯特性等。如

18、圖1-10所示。 非線性的理論研究遠(yuǎn)不如線性系統(tǒng)那么完整，一般只能近似的定性描述和數(shù)值計(jì)算。 嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，任何物理系統(tǒng)的特性都是非線性的。但為了研究問(wèn)題的方便，許多系統(tǒng)在一定的條件下，一定的范圍內(nèi)，可以近似地看成為線性系統(tǒng)來(lái)加以分析研究，其誤差往往在工業(yè)生產(chǎn)允許的范圍之內(nèi)。1.3.5 其它分類方法 自動(dòng)控制系統(tǒng)還有其他的分類方法:v(1)按系統(tǒng)的輸入/輸出信號(hào)的數(shù)量來(lái)分:有單輸入/單輸出系統(tǒng)和多輸入/多輸出系統(tǒng)。v(2)按控制系統(tǒng)的功能來(lái)分：有溫度控制系統(tǒng)、速度控制系統(tǒng)、位置控制系統(tǒng)等。v(3)按系統(tǒng)元件組成來(lái)分：有機(jī)電系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、生物系統(tǒng)。v(4)按不同的控制理論分支設(shè)計(jì)的新型控制系統(tǒng)來(lái)分

19、，有最優(yōu)控制系統(tǒng)，自適應(yīng)控制系統(tǒng)，預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)，模糊控制系統(tǒng)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)等等。 一個(gè)系統(tǒng)性能將用特定的品質(zhì)指標(biāo)來(lái)衡量其優(yōu)劣,如系統(tǒng)的穩(wěn)定特性、動(dòng)態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)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 當(dāng)自動(dòng)控制系統(tǒng)受到干擾或者人為要求給定值改變，被控量就會(huì)發(fā)生變化，偏離給定值。通過(guò)系統(tǒng)的自動(dòng)控制作用，經(jīng)過(guò)一定的過(guò)渡過(guò)程，被控量又恢復(fù)到原來(lái)的穩(wěn)定值或者穩(wěn)定到一個(gè)新的給定值。被控量在變化過(guò)程中的過(guò)渡過(guò)程稱為動(dòng)態(tài)過(guò)程(dynamic process)（即隨時(shí)間而變的過(guò)程），被控量處于平衡狀態(tài)稱為靜態(tài)或穩(wěn)態(tài)(stationarity)。 自動(dòng)控制系統(tǒng)最基本的要求是被控量的穩(wěn)態(tài)

20、誤差（偏差stationarity error）為零或在允許的范圍內(nèi)。對(duì)于一個(gè)好的自動(dòng)控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，一般要求穩(wěn)態(tài)誤差在被控量額定值的25之內(nèi)。1.4.1 基本要求的提法 圖1-11 自動(dòng)控制系統(tǒng)被控量變化的動(dòng)態(tài)特性 自動(dòng)控制系統(tǒng)還應(yīng)滿足動(dòng)態(tài)過(guò)程的性能要求，自動(dòng)控制系統(tǒng)被控量變化的動(dòng)態(tài)特性有以下幾種。 (a)單調(diào)過(guò)程 被控量y(t)單調(diào)變化（即沒(méi)有“正，”，“負(fù)”的變化），緩慢地到達(dá)新的平衡狀態(tài)（新的穩(wěn)態(tài)值）。如圖1-11(a)所示，一般這種動(dòng)態(tài)過(guò)程具有較長(zhǎng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程時(shí)間（即到達(dá)新的平衡狀態(tài)所需的時(shí)間）。 (b)衰減振蕩過(guò)程: 被控量y(t)的動(dòng)態(tài)過(guò)程是一個(gè)振蕩過(guò)程，振蕩的幅度不斷地衰減，到過(guò)渡

21、過(guò)程結(jié)束時(shí)，被控量會(huì)達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)值。這種過(guò)程的最大幅度稱為超調(diào)量，如圖1-11（b）所示。 (c)等幅振蕩過(guò)程: 被控量y(t)的動(dòng)態(tài)過(guò)程是一個(gè)持續(xù)等幅振蕩過(guò)程，始終不能到達(dá)新的穩(wěn)態(tài)值，如圖1-11（c）所示。這種過(guò)程如果振蕩的幅度較大，生產(chǎn)過(guò)程不允許，則認(rèn)為是一種不穩(wěn)定的系統(tǒng)，如果振蕩的幅度較小，生產(chǎn)過(guò)程可以允許，則認(rèn)為是一種穩(wěn)定的系統(tǒng)。 (d)漸擴(kuò)振蕩過(guò)程: 被控量y(t)的動(dòng)態(tài)過(guò)程不但是一個(gè)振蕩過(guò)程，而且振蕩的幅值越來(lái)越大，以致會(huì)大大超過(guò)被控量允許的誤差范圍，如圖1-11（d）所示，這是一種典型的不穩(wěn)定過(guò)程，設(shè)計(jì)自動(dòng)控制系統(tǒng)要絕對(duì)避免產(chǎn)生這種情況。 自動(dòng)控制系統(tǒng)其動(dòng)態(tài)過(guò)程多屬于圖1-11

22、（b）的情況?？刂葡到y(tǒng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程不僅要是穩(wěn)定的，并且希望過(guò)渡過(guò)程時(shí)間（又稱調(diào)整時(shí)間）越短越好，振蕩幅度越小越好，衰減得越快越好。 綜上所述，對(duì)于一個(gè)自動(dòng)控制的性能要求可以概括為三方面：穩(wěn)定性，快速性和準(zhǔn)確性。 (1)穩(wěn)定性(stability)。自動(dòng)控制系統(tǒng)的最基本的要求是系統(tǒng)必須是穩(wěn)定的，不穩(wěn)定的控制系統(tǒng)是不能工作的。 (2)快速性/平穩(wěn)性（rapidity/stationar -ity）。在系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下，希望控制過(guò)程（過(guò)渡過(guò)程）進(jìn)行得越快越好，但如果要求過(guò)渡過(guò)程時(shí)間很短，可能使動(dòng)態(tài)誤差（偏差）過(guò)大。合理的設(shè)計(jì)應(yīng)該兼顧這兩方面的要求。 (3)準(zhǔn)確性(accuracy)。即要求動(dòng)態(tài)誤差和穩(wěn)

23、態(tài)誤差都越小越好。當(dāng)與快速性有矛盾時(shí)，應(yīng)兼顧這兩方面的要求。v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）系統(tǒng)在工程中經(jīng)常遇到，并且是最不利的外作用。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)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來(lái)恒量，通常需要選擇幾種典型的外作用外作用。1.4.2 1.4.2 典型外作用典型外作用 （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，是最不利的外作用。的跳

24、變，是最不利的外作用。R=1時(shí)的階躍函數(shù)叫單位階躍函數(shù)，常用時(shí)的階躍函數(shù)叫單位階躍函數(shù)，常用1(t)表示。常用表示。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。所以階躍階躍函數(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。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)1. .階躍函數(shù)階躍函數(shù)（1）數(shù)學(xué)表達(dá)式）數(shù)學(xué)表達(dá)式0, 00,)(ttRtr（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,叫單位斜坡函數(shù)，表示從叫單位斜坡函數(shù)，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

25、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)作為典型輸入信號(hào)。進(jìn)指令等，都可以采用斜坡信號(hào)作為典型輸入信號(hào)。0 t r(t)0, 00,)(ttRttr2.2.斜坡函數(shù)斜坡函數(shù)v3.加速度函數(shù)加速度函數(shù) （1）數(shù)學(xué)表達(dá)式）數(shù)學(xué)表達(dá)式 （2）圖形）圖形 R=1叫單位加速度函數(shù)。表示從叫單位加速度函數(shù)。表示從t=0時(shí)刻開(kāi)始，以恒加速時(shí)刻開(kāi)始，以恒加速度度R變化。變化。0 t r(t)0, 00,21)(2ttRttr4.4.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)0tAtttAtr或0, 00 ,/)(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)式為但脈沖函數(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)中但脈沖函數(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，幅值很大而強(qiáng)度有限的一些外作用近似看作脈沖常把作用時(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)函數(shù)。當(dāng)A=1A=1時(shí)，