第一章控系統(tǒng)制的一般概念鄒伯敏

1、2022-6-26自動控制的一般概念2n1.1 引言引言n1.2 開環(huán)控制和閉環(huán)控制開環(huán)控制和閉環(huán)控制n1.3 控制系統(tǒng)分類控制系統(tǒng)分類n1.4 控制系統(tǒng)的組成與對控制系統(tǒng)的控制系統(tǒng)的組成與對控制系統(tǒng)的 基本要求基本要求自動控制的一般概念2022-6-26自動控制的一般概念4自動控制成為一門科學(xué)是從自動控制成為一門科學(xué)是從1945年發(fā)展起來的。年發(fā)展起來的。n開始多用于工業(yè)：壓力、溫度、流量、位移、濕度、開始多用于工業(yè)：壓力、溫度、流量、位移、濕度、粘度自動控制粘度自動控制n后來進入軍事領(lǐng)域：飛機自動駕駛、火炮自動跟蹤、后來進入軍事領(lǐng)域：飛機自動駕駛、火炮自動跟蹤、導(dǎo)彈、衛(wèi)星、宇宙飛船自動控制

2、導(dǎo)彈、衛(wèi)星、宇宙飛船自動控制n目前滲透到更多領(lǐng)域：大系統(tǒng)、交通管理、圖書管目前滲透到更多領(lǐng)域：大系統(tǒng)、交通管理、圖書管理等理等n生物學(xué)系統(tǒng)：生物控制論、波斯頓假肢、人造器官生物學(xué)系統(tǒng)：生物控制論、波斯頓假肢、人造器官n經(jīng)濟系統(tǒng)：模擬經(jīng)濟管理過程、經(jīng)濟控制論經(jīng)濟系統(tǒng)：模擬經(jīng)濟管理過程、經(jīng)濟控制論四個階段四個階段:2022-6-265十八世紀(jì)以后，蒸汽機的使用提出了調(diào)速穩(wěn)定等問題十八世紀(jì)以后，蒸汽機的使用提出了調(diào)速穩(wěn)定等問題 17651765年，俄國人波爾祖諾夫發(fā)明了鍋爐水位調(diào)節(jié)器年，俄國人波爾祖諾夫發(fā)明了鍋爐水位調(diào)節(jié)器 17841784年，英國人瓦特發(fā)明了蒸汽機離心式調(diào)速器，是自動控制領(lǐng)域的年，

3、英國人瓦特發(fā)明了蒸汽機離心式調(diào)速器，是自動控制領(lǐng)域的第一項重大成果。第一項重大成果。 第一階段第一階段. .胚胎萌芽期（胚胎萌芽期（19451945年以前）年以前）十九世紀(jì)前半葉，發(fā)電機和電動機的使用十九世紀(jì)前半葉，發(fā)電機和電動機的使用，促進了水利、促進了水利、水電站的遙控和程控以及電壓、電流的自動調(diào)節(jié)技術(shù)的發(fā)水電站的遙控和程控以及電壓、電流的自動調(diào)節(jié)技術(shù)的發(fā)展展18681868年，年， 英）英） J. C. J. C. 麥克斯韋（麥克斯韋（“輪調(diào)速器輪調(diào)速器”論文）提出了用微分方論文）提出了用微分方程描述運動系統(tǒng)的方法。程描述運動系統(tǒng)的方法。18561856年，（英）年，（英）E E。J J

4、。RouthRouth提出了勞斯穩(wěn)定判據(jù)提出了勞斯穩(wěn)定判據(jù)18921892年，（俄）李雅普諾夫發(fā)表了年，（俄）李雅普諾夫發(fā)表了論運動穩(wěn)定性的一般問題論運動穩(wěn)定性的一般問題論文論文18951895年，（德）霍爾維茨提出判別穩(wěn)定性準(zhǔn)則年，（德）霍爾維茨提出判別穩(wěn)定性準(zhǔn)則自動控制的一般概念2022-6-266瓦特的蒸汽機離心式調(diào)速器瓦特的蒸汽機離心式調(diào)速器自動控制的一般概念2022-6-26719221922年，年，MinorskyMinorsky（邁納斯基）研制出船舶操縱自動控制器，（邁納斯基）研制出船舶操縱自動控制器，并證明了從系統(tǒng)的微分方程確定系統(tǒng)的穩(wěn)定性的方法并證明了從系統(tǒng)的微分方程確定系統(tǒng)

5、的穩(wěn)定性的方法19321932年，年，NyquistNyquist提出了一種根據(jù)系統(tǒng)的開環(huán)頻率響應(yīng)提出了一種根據(jù)系統(tǒng)的開環(huán)頻率響應(yīng)( (對穩(wěn)對穩(wěn)態(tài)正弦輸入態(tài)正弦輸入) )，確定閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定性的方法，確定閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定性的方法19341934年，年，HezenHezen提出了用于位置控制系統(tǒng)的伺服機構(gòu)的概念，提出了用于位置控制系統(tǒng)的伺服機構(gòu)的概念，討論了可以精確跟蹤變化的輸入信號的機電伺服機構(gòu)。討論了可以精確跟蹤變化的輸入信號的機電伺服機構(gòu)。自動控制的一般概念2022-6-268 至此，已形成完整的自動控制理論體系，至此，已形成完整的自動控制理論體系，這就是以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)的反饋控制理論，也這就是

6、以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)的反饋控制理論，也即經(jīng)典控制理論，它主要研究單輸入單輸、線即經(jīng)典控制理論，它主要研究單輸入單輸、線性定常系統(tǒng)的分析和設(shè)計問題。性定常系統(tǒng)的分析和設(shè)計問題。 第二階段第二階段. .經(jīng)典控制理論時期經(jīng)典控制理論時期（1940-19601940-1960）19451945年，（美）年，（美）BodeBode發(fā)表了發(fā)表了 “網(wǎng)絡(luò)分析與放大器的設(shè)計網(wǎng)絡(luò)分析與放大器的設(shè)計”，奠定了控制理論的基礎(chǔ)。奠定了控制理論的基礎(chǔ)。19481948年，（美）年，（美）EvansEvans提出并完善了根軌跡法。提出并完善了根軌跡法。19481948年，（美）年，（美）N.WienerN.Wiener發(fā)表了

7、發(fā)表了控制論控制論（關(guān)于在動物（關(guān)于在動物和機器中控制和通訊的科學(xué)），標(biāo)志著自動控制科學(xué)的生和機器中控制和通訊的科學(xué)），標(biāo)志著自動控制科學(xué)的生產(chǎn)。產(chǎn)。自動控制的一般概念2022-6-269隨著現(xiàn)代應(yīng)用數(shù)學(xué)新成果的推出和計算機技術(shù)的應(yīng)隨著現(xiàn)代應(yīng)用數(shù)學(xué)新成果的推出和計算機技術(shù)的應(yīng)用，為適應(yīng)空間宇航技術(shù)和導(dǎo)彈等技術(shù)的發(fā)展，自動控用，為適應(yīng)空間宇航技術(shù)和導(dǎo)彈等技術(shù)的發(fā)展，自動控制理論跨入了一個新階段制理論跨入了一個新階段現(xiàn)代控制理論。現(xiàn)代控制理論。 以上這些新概念和新方法標(biāo)志著現(xiàn)代控制理論以上這些新概念和新方法標(biāo)志著現(xiàn)代控制理論的誕生。的誕生?，F(xiàn)代控制理論主要研究具有高性能、高精現(xiàn)代控制理論主要研究具

8、有高性能、高精度的多變量變參數(shù)系統(tǒng)的最優(yōu)控制問題，主要采用度的多變量變參數(shù)系統(tǒng)的最優(yōu)控制問題，主要采用的方法是以狀態(tài)為基礎(chǔ)的狀態(tài)空間法。的方法是以狀態(tài)為基礎(chǔ)的狀態(tài)空間法。 19571957年，美國數(shù)學(xué)家年，美國數(shù)學(xué)家R. BellmanR. Bellman提出提出動態(tài)規(guī)劃動態(tài)規(guī)劃，兩者為，兩者為解決最優(yōu)控制問題提供了理論工具。解決最優(yōu)控制問題提供了理論工具。 19561956年，前蘇聯(lián)數(shù)學(xué)家龐特里亞金，年，前蘇聯(lián)數(shù)學(xué)家龐特里亞金，“最優(yōu)過程數(shù)學(xué)理論最優(yōu)過程數(shù)學(xué)理論”，也即最大值原理。，也即最大值原理。 19601960年，年， R. E. KallmanR. E. Kallman提出能控性和能

9、觀性兩個概念，揭提出能控性和能觀性兩個概念，揭示了系統(tǒng)的內(nèi)在屬性，并提出了狀態(tài)空間分析法。示了系統(tǒng)的內(nèi)在屬性，并提出了狀態(tài)空間分析法。自動控制的一般概念2022-6-2610現(xiàn)代控制理論的迅速發(fā)展，形成了多個重要分支：現(xiàn)代控制理論的迅速發(fā)展，形成了多個重要分支：(1) (1) 系統(tǒng)辯識、建模與仿真系統(tǒng)辯識、建模與仿真(2) (2) 自適應(yīng)控制和自校正控制器自適應(yīng)控制和自校正控制器 (3) (3) 遙測、遙控和遙感遙測、遙控和遙感 (4) (4) 綜合自動化綜合自動化 (5) (5) 大系統(tǒng)理論的誕生大系統(tǒng)理論的誕生 (6) (6) 模式識別和人工智能模式識別和人工智能 (7) (7) 智能控制

10、的誕生智能控制的誕生 自動控制的一般概念自動控制的一般概念2022-6-2611自動控制研究的內(nèi)容：自動控制研究的內(nèi)容：研究對象研究對象 數(shù)學(xué)工具數(shù)學(xué)工具 分析方法分析方法局限性局限性經(jīng)典經(jīng)典控制控制理論理論單單I/OI/O線性定常線性定常系統(tǒng)系統(tǒng)微分方程，微分方程，傳遞函數(shù)傳遞函數(shù)時域法時域法根軌跡法根軌跡法頻域法頻域法對復(fù)雜多變量對復(fù)雜多變量系統(tǒng)、時變和系統(tǒng)、時變和非線性系統(tǒng)無非線性系統(tǒng)無能為力能為力現(xiàn)代現(xiàn)代控制控制理論理論多輸入多輸入- -多多輸出變系輸出變系數(shù)，非線數(shù)，非線性等系統(tǒng)性等系統(tǒng)線性代數(shù)、線性代數(shù)、矩陣理論矩陣理論狀態(tài)狀態(tài)空間法空間法比較繁瑣比較繁瑣（但由于計（但由于計算機技

11、術(shù)的算機技術(shù)的 迅速發(fā)展，迅速發(fā)展，已克服已克服) )自動控制的一般概念2022-6-26122022-6-2613n經(jīng)典控制理論經(jīng)典控制理論 以以傳遞函數(shù)傳遞函數(shù)為基為基礎(chǔ)研究單輸入礎(chǔ)研究單輸入- -單輸單輸出一類線性定?？刂瞥鲆活惥€性定?？刂葡到y(tǒng)的分析與設(shè)計問系統(tǒng)的分析與設(shè)計問題。這些理論由于其題。這些理論由于其發(fā)展較早，現(xiàn)已成熟。發(fā)展較早，現(xiàn)已成熟。 n現(xiàn)代控制理論現(xiàn)代控制理論 以以狀態(tài)空間法狀態(tài)空間法為為基礎(chǔ)，研究多輸入基礎(chǔ)，研究多輸入- -多輸出、時變、非多輸出、時變、非線性一類控制系統(tǒng)線性一類控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計問題。的分析與設(shè)計問題。系統(tǒng)具有高精度和系統(tǒng)具有高精度和高效能的特點。

12、高效能的特點。自動控制的一般概念總結(jié)：總結(jié)：自動控制的一般概念2022-6-2615n1.1.開環(huán)控制系統(tǒng)開環(huán)控制系統(tǒng)n2.2.閉環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)n3.3.反饋控制系統(tǒng)反饋控制系統(tǒng)n4.4.自動控制系統(tǒng)基本控制方式自動控制系統(tǒng)基本控制方式自動控制的一般概念2022-6-2616直流電動機轉(zhuǎn)速開環(huán)控制系統(tǒng)直流電動機轉(zhuǎn)速開環(huán)控制系統(tǒng) 自動控制的一般概念2022-6-2617l 本例中的被控對象即為電動機本例中的被控對象即為電動機M，GT和和V分別為觸發(fā)器分別為觸發(fā)器和晶閘管整流裝置。而預(yù)定的規(guī)律即為和晶閘管整流裝置。而預(yù)定的規(guī)律即為“電動機的轉(zhuǎn)速電動機的轉(zhuǎn)速n維持預(yù)期值不變維持預(yù)期值不變”。

13、轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)速n的預(yù)期值與電位器的預(yù)期值與電位器RP1上的上的給定值有著對應(yīng)關(guān)系。把電位器上的電壓信號稱為輸入給定值有著對應(yīng)關(guān)系。把電位器上的電壓信號稱為輸入量或給定量，電動機的轉(zhuǎn)速量或給定量，電動機的轉(zhuǎn)速n稱為輸出量或被控量。輸稱為輸出量或被控量。輸入量對應(yīng)期望的輸出量入量對應(yīng)期望的輸出量(比如比如10V對應(yīng)對應(yīng)1000 r/min)，自，自動控制的過程就是力圖使實際的輸出量與期望的輸出量動控制的過程就是力圖使實際的輸出量與期望的輸出量相等。相等。自動控制的一般概念2022-6-2618開環(huán)控制系統(tǒng)的定義開環(huán)控制系統(tǒng)的定義若系統(tǒng)的輸出信號對系統(tǒng)的控制作若系統(tǒng)的輸出信號對系統(tǒng)的控制作用沒有影響，則

14、稱為開環(huán)控制系統(tǒng)。用沒有影響，則稱為開環(huán)控制系統(tǒng)。 在開環(huán)系統(tǒng)中，信息和控制作用的在開環(huán)系統(tǒng)中，信息和控制作用的傳送是單方向的，所以稱為開環(huán)。傳送是單方向的，所以稱為開環(huán)。自動控制的一般概念2022-6-2619自動控制的一般概念l本例中的被控對象仍為電動機本例中的被控對象仍為電動機M。測速發(fā)電機將。測速發(fā)電機將M的速度轉(zhuǎn)變?yōu)榕c設(shè)定值相匹配的值，并與設(shè)定的速度轉(zhuǎn)變?yōu)榕c設(shè)定值相匹配的值，并與設(shè)定值進行比較得到誤差信號值進行比較得到誤差信號e，當(dāng)給出被調(diào)參數(shù)不，當(dāng)給出被調(diào)參數(shù)不全要求時，控制器全要求時，控制器GT有輸出而工作，直到輸出有輸出而工作，直到輸出達到預(yù)定，誤差信號為達到預(yù)定，誤差信號為0

15、（理想狀態(tài)），系統(tǒng)達（理想狀態(tài)），系統(tǒng)達到穩(wěn)定。到穩(wěn)定。2022-6-2621凡是系統(tǒng)輸出信號對控制作用有直接影響凡是系統(tǒng)輸出信號對控制作用有直接影響的系統(tǒng)，都稱為閉環(huán)系統(tǒng)。的系統(tǒng)，都稱為閉環(huán)系統(tǒng)。在閉環(huán)系統(tǒng)中，信在閉環(huán)系統(tǒng)中，信息的傳送途徑是一個自身閉合的環(huán)，所以稱為息的傳送途徑是一個自身閉合的環(huán)，所以稱為閉環(huán)。閉環(huán)。輸入信號和反饋信號（反饋信號可以是輸入信號和反饋信號（反饋信號可以是輸出信號本身，也可以是輸出信號的函數(shù)或?qū)л敵鲂盘柋旧?，也可以是輸出信號的函?shù)或?qū)?shù)）之差，稱為數(shù)）之差，稱為誤差信號誤差信號，誤差信號加到控制，誤差信號加到控制器上，以減小系統(tǒng)的誤差，并使系統(tǒng)的輸出量器上，以減

16、小系統(tǒng)的誤差，并使系統(tǒng)的輸出量趨于所希望的值，換句話說，趨于所希望的值，換句話說，“閉環(huán)閉環(huán)”這個術(shù)這個術(shù)語的涵義，就是應(yīng)用反饋作用來減小系統(tǒng)的誤語的涵義，就是應(yīng)用反饋作用來減小系統(tǒng)的誤差。差。閉環(huán)控制系統(tǒng)的定義閉環(huán)控制系統(tǒng)的定義自動控制的一般概念2022-6-2622自動控制的一般概念序號序號比較項目比較項目開環(huán)控制開環(huán)控制閉環(huán)控制閉環(huán)控制1 1通道通道只有前向通道只有前向通道前向前向通道通道反饋反饋通道通道2 2結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單、成本低簡單、成本低復(fù)雜、成本高復(fù)雜、成本高3 3精度精度低低高高4 4抗干擾能力抗干擾能力弱弱強強5 5對元件的要對元件的要求求精度取決于元件的質(zhì)量，精度取決于元件的

17、質(zhì)量，對元件要求高對元件要求高有反饋通道，使系統(tǒng)對前向通有反饋通道，使系統(tǒng)對前向通道中元件參數(shù)變化不靈敏，對道中元件參數(shù)變化不靈敏，對一些非線性影響也不敏感一些非線性影響也不敏感6 6穩(wěn)定性穩(wěn)定性一般易穩(wěn)定，但受干擾后，一般易穩(wěn)定，但受干擾后，沒有消除誤差的能力沒有消除誤差的能力需精細設(shè)計系統(tǒng)，需精細設(shè)計系統(tǒng)，否則容易不穩(wěn)定否則容易不穩(wěn)定7 7適用范圍適用范圍適用于輸入量已知，精度適用于輸入量已知，精度要求不高，擾動不大的情要求不高，擾動不大的情況，如：洗衣機、普通電況，如：洗衣機、普通電烤箱等烤箱等適用于輸入量已知或未知（隨適用于輸入量已知或未知（隨動）、精度要求高、干擾較強動）、精度要求高

18、、干擾較強的情況，如：航天設(shè)備、精密的情況，如：航天設(shè)備、精密加工設(shè)備、機器人等加工設(shè)備、機器人等8 8控制器的輸控制器的輸入信號入信號參考給定值參考給定值誤差信號（即給定值與反饋值誤差信號（即給定值與反饋值的差）的差）2022-6-26241 1） 反饋反饋自動控制的一般概念2022-6-26253) 3) 反饋控制系統(tǒng)反饋控制系統(tǒng)自動控制的一般概念2022-6-26264 4）反饋控制系統(tǒng)的基本組成）反饋控制系統(tǒng)的基本組成自動控制的一般概念2022-6-26274.4.自動控制系統(tǒng)基本控制方式自動控制系統(tǒng)基本控制方式n（1 1）開環(huán)控制系統(tǒng)）開環(huán)控制系統(tǒng)n（2 2）反饋（閉環(huán)）控制系統(tǒng)）反

19、饋（閉環(huán)）控制系統(tǒng)n（3 3）復(fù)合控制方式）復(fù)合控制方式自動控制的一般概念2022-6-2628復(fù)合控制方式復(fù)合控制方式n定義定義C(S)Kf/KDG1(S)KGc(S)G2(S)G(S)Gf(S)F(S)=-ML(S)R(S)1(STSKMD11 STB自動控制的一般概念自動控制的一般概念2022-6-2630l開環(huán)控制開環(huán)控制n閉環(huán)控制閉環(huán)控制(反饋控制反饋控制)l復(fù)合控制復(fù)合控制 自動控制的一般概念2022-6-2631l 機械系統(tǒng)機械系統(tǒng)恒張力系統(tǒng)恒張力系統(tǒng)l 機電系統(tǒng)機電系統(tǒng)全自動照相機，光機電全自動照相機，光機電結(jié)合結(jié)合l 液壓系統(tǒng)液壓系統(tǒng)伺服液壓缸，汽車發(fā)動伺服液壓缸，汽車發(fā)動機

20、，機， 大型的仿真模擬臺大型的仿真模擬臺l 氣動系統(tǒng)氣動系統(tǒng) l 生物系統(tǒng)生物系統(tǒng)自動控制的一般概念2022-6-2632按系統(tǒng)功用分按系統(tǒng)功用分自動控制的一般概念2022-6-2633自動控制的一般概念2022-6-2634自動控制的一般概念自動控制的一般概念2022-6-2636圖（圖（）是一個液位控制系統(tǒng)原理圖。）是一個液位控制系統(tǒng)原理圖。在這里，自動控制器通過比較實際液位與在這里，自動控制器通過比較實際液位與希望液位，并通過調(diào)整氣動閥門的開度，希望液位，并通過調(diào)整氣動閥門的開度，對誤差進行修正，從而保持液位不變。對誤差進行修正，從而保持液位不變。圖（圖（）是該控制系統(tǒng)的方框圖。）是該控

21、制系統(tǒng)的方框圖。自動控制的一般概念2022-6-2637H H注注入入控控制制器器（比比較較、放放大大）Q Q1 1浮浮子子流流出出Q Q2 2（I I） 原原理理圖圖氣氣動動閥閥門門自動控制的一般概念2022-6-2638自動控制的一般概念參考輸入?yún)⒖驾斎?：希望液位：希望液位控控 制制 器：比較、放大的作用器：比較、放大的作用執(zhí)行機構(gòu)：氣動閥門執(zhí)行機構(gòu)：氣動閥門被控對象：水箱被控對象：水箱反饋元件：浮子，液面測量反饋元件：浮子，液面測量干干 擾擾 量量 ：Q2Q2)(tr)(td誤差信號誤差信號 ：希望與實際之差：希望與實際之差輸輸 出出 量量 ：實際液位：實際液位反反 饋饋 量量 ：測量轉(zhuǎn)變后的量：測量轉(zhuǎn)變后的量)(te)(tc)(tb比比 較較 點：點：引引 出出 點：點：環(huán)節(jié)：環(huán)節(jié)：將組成系統(tǒng)的元部件按職能分類：將組成系統(tǒng)的元部件按職能分類：2022-6-2640（1）穩(wěn)定性：）穩(wěn)定性： 對于穩(wěn)定的恒值控制系統(tǒng)，被控量因擾動而偏離期望值后，對于穩(wěn)定的恒值控制系統(tǒng)，被控量因擾動而偏離期望值后，經(jīng)過一定時間，被控量應(yīng)恢復(fù)到原來的期望值狀態(tài)。經(jīng)過一定時間，被控量應(yīng)恢復(fù)到原來的期望值狀態(tài)。 對于穩(wěn)定的隨動系統(tǒng)，被控量應(yīng)能始終跟蹤參據(jù)量的變化。對于穩(wěn)定的隨動系統(tǒng)，被控量應(yīng)能始終跟蹤參據(jù)量的變化。穩(wěn)定性，通常由系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)決定與外界因素?zé)o關(guān)。穩(wěn)定性，通常