自動(dòng)控制原理第一部分自動(dòng)控制的一般概念

1、自動(dòng)控制原理自動(dòng)控制原理第一部分自動(dòng)控第一部分自動(dòng)控制的一般概念制的一般概念The basic conception of Automatic control經(jīng)典控制理論經(jīng)典控制理論 classical control theory現(xiàn)代控制理論現(xiàn)代控制理論 modern control theory被控對(duì)象被控對(duì)象 controlled objective反饋反饋 feedback控制理論控制理論 control theory控制器控制器 controller控制系統(tǒng)控制系統(tǒng) control system 科技英語詞匯科技英語詞匯 自動(dòng)控制理論是自動(dòng)化學(xué)科的重要理論基礎(chǔ)，自動(dòng)控制理論是自動(dòng)化學(xué)

2、科的重要理論基礎(chǔ)，專門研究有關(guān)自動(dòng)控制系統(tǒng)中的基本概念、基本專門研究有關(guān)自動(dòng)控制系統(tǒng)中的基本概念、基本原理和基本方法。本部分介紹開環(huán)控制和閉環(huán)控原理和基本方法。本部分介紹開環(huán)控制和閉環(huán)控制的概念，控制系統(tǒng)的基本原理和組成，控制系制的概念，控制系統(tǒng)的基本原理和組成，控制系統(tǒng)的類型，以及對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求等。統(tǒng)的類型，以及對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求等。 內(nèi)內(nèi) 容容 提提 要要?dú)v史的回顧歷史的回顧18世紀(jì)，世紀(jì)，James Watt 為控制蒸汽機(jī)速度設(shè)計(jì)的離心調(diào)節(jié)器，為控制蒸汽機(jī)速度設(shè)計(jì)的離心調(diào)節(jié)器，是自動(dòng)控制領(lǐng)域的第一項(xiàng)重大成果。是自動(dòng)控制領(lǐng)域的第一項(xiàng)重大成果。1884年，年，E. J. Routh提

3、出了有關(guān)線性系統(tǒng)穩(wěn)定性的判據(jù)。提出了有關(guān)線性系統(tǒng)穩(wěn)定性的判據(jù)。1932年，年，Nyquist研制出電子管振蕩器，同時(shí)提出了著名的研制出電子管振蕩器，同時(shí)提出了著名的Nyquist穩(wěn)定性判據(jù)；此后穩(wěn)定性判據(jù)；此后Bode總結(jié)出了負(fù)反饋放大器?？偨Y(jié)出了負(fù)反饋放大器。1934年，年，Hezen提出了用于位置控制系統(tǒng)的伺服機(jī)構(gòu)的概提出了用于位置控制系統(tǒng)的伺服機(jī)構(gòu)的概念，討論了可以精確跟蹤變化的輸入信號(hào)的機(jī)電伺服機(jī)構(gòu)。念，討論了可以精確跟蹤變化的輸入信號(hào)的機(jī)電伺服機(jī)構(gòu)。第二次世界大戰(zhàn)期間，美國第二次世界大戰(zhàn)期間，美國MIT伺服機(jī)構(gòu)試驗(yàn)室對(duì)以往的伺服機(jī)構(gòu)試驗(yàn)室對(duì)以往的自動(dòng)調(diào)節(jié)器與反饋放大器作了總結(jié)，提出了

4、反饋控制的數(shù)自動(dòng)調(diào)節(jié)器與反饋放大器作了總結(jié)，提出了反饋控制的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。學(xué)基礎(chǔ)。1948年，年，N. Wiener發(fā)表了著名的控制論，形成了完整發(fā)表了著名的控制論，形成了完整的經(jīng)典控制理論。的經(jīng)典控制理論。1950年，年，W. R. Evans提出了根軌跡法，能簡(jiǎn)便地尋找特征提出了根軌跡法，能簡(jiǎn)便地尋找特征方程的根，進(jìn)一步充實(shí)了經(jīng)典控制論。方程的根，進(jìn)一步充實(shí)了經(jīng)典控制論。1954年，錢學(xué)森發(fā)表了名著工程控制論，對(duì)推動(dòng)我國年，錢學(xué)森發(fā)表了名著工程控制論，對(duì)推動(dòng)我國控制理論的工程應(yīng)用起了很大的作用?？刂评碚摰墓こ虘?yīng)用起了很大的作用。 以上為經(jīng)典控制部分以上為經(jīng)典控制部分20世紀(jì)世紀(jì)60年代，數(shù)字計(jì)

5、算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展為復(fù)雜系統(tǒng)的年代，數(shù)字計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展為復(fù)雜系統(tǒng)的基于時(shí)域分析的基于時(shí)域分析的現(xiàn)代控制理論現(xiàn)代控制理論提供了可能。提供了可能。從從1960年至今，確定性系統(tǒng)、隨機(jī)系統(tǒng)的最佳控制，及復(fù)年至今，確定性系統(tǒng)、隨機(jī)系統(tǒng)的最佳控制，及復(fù)雜系統(tǒng)的自適應(yīng)和智能控制技術(shù)，都得到充分的研究。雜系統(tǒng)的自適應(yīng)和智能控制技術(shù)，都得到充分的研究。歷史的回顧歷史的回顧 在現(xiàn)代控制理論發(fā)展中，特別應(yīng)該提到三位學(xué)者的重在現(xiàn)代控制理論發(fā)展中，特別應(yīng)該提到三位學(xué)者的重大貢獻(xiàn)：大貢獻(xiàn)：1956年，前蘇聯(lián)科學(xué)家年，前蘇聯(lián)科學(xué)家Pontryagin 提出的極大值原理；提出的極大值原理；1957年，美國學(xué)者年，美國

6、學(xué)者Bellman提出動(dòng)態(tài)規(guī)劃；提出動(dòng)態(tài)規(guī)劃；1960年，美國的年，美國的Kalman提出了提出了Kalman濾波理論和狀態(tài)濾波理論和狀態(tài)空間分析方法；空間分析方法；他們的工作對(duì)現(xiàn)代控制他們的工作對(duì)現(xiàn)代控制理論的建立有著特別重要的作用。理論的建立有著特別重要的作用。古典控制理論古典控制理論 以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)，主以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)，主要研究單輸入要研究單輸入-單輸出單輸出的一類定?？刂葡到y(tǒng)的的一類定常控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)問題。這些分析與設(shè)計(jì)問題。這些理論由于其發(fā)展較早，理論由于其發(fā)展較早，現(xiàn)已趨成熟?，F(xiàn)已趨成熟。 現(xiàn)代控制理論現(xiàn)代控制理論 以狀態(tài)空間法為基礎(chǔ)，以狀態(tài)空間法為基礎(chǔ)，主要研究多輸入主要

7、研究多輸入-多輸出、多輸出、時(shí)變、非線性一類控制時(shí)變、非線性一類控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)問題。系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)問題。系統(tǒng)具有高精度和高效系統(tǒng)具有高精度和高效能的特點(diǎn)。能的特點(diǎn)?？刂评碚摰膭澐挚刂评碚摰膭澐?開環(huán)控制，閉環(huán)控制，控制裝置，被控對(duì)象 ，穩(wěn)定性，動(dòng)態(tài)特性，典型外作用函數(shù)。 知 識(shí) 要 點(diǎn)v 1.1 自動(dòng)控制的基本原理與方式v 1.2 自動(dòng)控制系統(tǒng)示例v 1.3 自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類 v 1.4 自動(dòng)控制系統(tǒng)性能的基本要求 v 1.5 自動(dòng)控制課程的主要任務(wù)和學(xué)習(xí)方法 v小 結(jié) 本部分內(nèi)容本部分內(nèi)容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 自動(dòng)控制技術(shù)及其應(yīng)用自動(dòng)控

8、制技術(shù)及其應(yīng)用 自動(dòng)控制（自動(dòng)控制（Automatic control）是指在沒有人直接是指在沒有人直接參與的條件下，利用控制器參與的條件下，利用控制器(外加的設(shè)備或裝置外加的設(shè)備或裝置)使被控制對(duì)使被控制對(duì)象（如機(jī)器、設(shè)備和生產(chǎn)過程）的某個(gè)參數(shù)（或工作狀態(tài)，象（如機(jī)器、設(shè)備和生產(chǎn)過程）的某個(gè)參數(shù)（或工作狀態(tài)，即被控量）能自動(dòng)按照預(yù)定的規(guī)律變化（或運(yùn)行）。即被控量）能自動(dòng)按照預(yù)定的規(guī)律變化（或運(yùn)行）。例子例子 宇宙飛船的太陽能電池板宇宙飛船的太陽能電池板 化學(xué)反應(yīng)爐的溫度或壓力自動(dòng)地維持恒定化學(xué)反應(yīng)爐的溫度或壓力自動(dòng)地維持恒定 金屬切削機(jī)床的主軸速度金屬切削機(jī)床的主軸速度自動(dòng)控制的作用自動(dòng)控制

9、的作用 提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，改善生活質(zhì)量，探索未知世界提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，改善生活質(zhì)量，探索未知世界 自動(dòng)控制和人工控制的基本原理是相同的自動(dòng)控制和人工控制的基本原理是相同的,它們都是建立它們都是建立在在“測(cè)量偏差測(cè)量偏差,修正偏差修正偏差”的基礎(chǔ)上的基礎(chǔ)上,并且為了測(cè)量偏差并且為了測(cè)量偏差,必須把必須把系統(tǒng)的實(shí)際輸出反饋到輸入端。自動(dòng)控制和人工控制的區(qū)別系統(tǒng)的實(shí)際輸出反饋到輸入端。自動(dòng)控制和人工控制的區(qū)別在于自動(dòng)控制用控制器代替人完成控制?？傊谟谧詣?dòng)控制用控制器代替人完成控制?？傊?所謂所謂自動(dòng)控制自動(dòng)控制就是在沒有人直接參與的情況下就是在沒有人直接參與的情況下,利用控制裝置使被控對(duì)象中利用控制裝

10、置使被控對(duì)象中某一物理量或數(shù)個(gè)物理量準(zhǔn)確地按照預(yù)定的要求規(guī)律變化。某一物理量或數(shù)個(gè)物理量準(zhǔn)確地按照預(yù)定的要求規(guī)律變化。2 自動(dòng)控制理論自動(dòng)控制理論 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)。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)。自動(dòng)控制系統(tǒng)自動(dòng)控制系統(tǒng)：為了實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的控制任務(wù)，首：為了實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的控制任務(wù)，首先要將被控對(duì)象和控制裝置按照一定的方式連接起先要將被控對(duì)象和控制裝置按照一定的方式連接起來，組成一個(gè)有機(jī)整體，這就是自動(dòng)控制系統(tǒng)。來，組成一個(gè)有機(jī)整體，這就是自動(dòng)控制系統(tǒng)。3 反饋控制原理反饋控制原理(feedback control theory) 反饋控制原理

11、：在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，控制裝置反饋控制原理：在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，控制裝置(控控制器制器)對(duì)對(duì)被控對(duì)象被控對(duì)象施加的控制作用，是取自被控量施加的控制作用，是取自被控量的反饋信息，用來不斷修正被控量與輸入量之間的的反饋信息，用來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)行控制的任務(wù)，這就偏差，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制的任務(wù)，這就是反饋控制的原理。是反饋控制的原理。（人工）反饋控制的例子（人工）反饋控制的例子 水池液面控制系統(tǒng)人在參與控制中起了以下三方面的作用： 1) 測(cè)量實(shí)際液面高度h1用眼睛。 2) 將測(cè)得實(shí)際液面h1與希望液面的高度h0相比較用腦。 3) 根據(jù)比較的結(jié)果，即按照偏差的

12、正負(fù)去決定的動(dòng)作用手。抽象成控制系統(tǒng)方塊圖液面（人工）反饋控制系統(tǒng)的框圖 h0實(shí)際液面高度實(shí)際液面高度 h1 通常，把取出輸出量送回到輸入端，并與輸入信號(hào)相比較產(chǎn)通常，把取出輸出量送回到輸入端，并與輸入信號(hào)相比較產(chǎn)生偏差信號(hào)的過程，稱為生偏差信號(hào)的過程，稱為反饋反饋。若反饋的信號(hào)是與輸入信號(hào)相減，。若反饋的信號(hào)是與輸入信號(hào)相減，使產(chǎn)生的偏差越來越小，則稱為使產(chǎn)生的偏差越來越小，則稱為負(fù)反饋負(fù)反饋；反之，則稱為；反之，則稱為正反饋正反饋。反饋控制就是采用負(fù)反饋并利用偏差進(jìn)行控制的過程，而且，由反饋控制就是采用負(fù)反饋并利用偏差進(jìn)行控制的過程，而且，由于引入了被控量的反饋信息，整個(gè)控制過程成為于引入

13、了被控量的反饋信息，整個(gè)控制過程成為閉合閉合過程，因此過程，因此反饋控制也稱反饋控制也稱閉環(huán)控制閉環(huán)控制。 在工程實(shí)踐中，為了實(shí)現(xiàn)上述對(duì)被控對(duì)象的反饋控制，系統(tǒng)在工程實(shí)踐中，為了實(shí)現(xiàn)上述對(duì)被控對(duì)象的反饋控制，系統(tǒng)中必須配置具有人的眼睛、大腦和手臂功能的設(shè)備，以便用來對(duì)中必須配置具有人的眼睛、大腦和手臂功能的設(shè)備，以便用來對(duì)被控量進(jìn)行連續(xù)地測(cè)量、反饋和比較，并按偏差進(jìn)行控制。這些被控量進(jìn)行連續(xù)地測(cè)量、反饋和比較，并按偏差進(jìn)行控制。這些設(shè)備依其功能分別稱為設(shè)備依其功能分別稱為測(cè)量元件、比較元件和執(zhí)行元件測(cè)量元件、比較元件和執(zhí)行元件，并統(tǒng)稱，并統(tǒng)稱為為控制裝置控制裝置。液位液位(自動(dòng)自動(dòng))反饋控制系

14、統(tǒng)反饋控制系統(tǒng)控制器控制器減速器減速器電動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)電位器電位器浮浮子子用水開用水開關(guān)關(guān)Q2Q1h0ifSM 當(dāng)電位器電刷位于中點(diǎn)位置時(shí)，電動(dòng)機(jī)不動(dòng)，控制閥門當(dāng)電位器電刷位于中點(diǎn)位置時(shí)，電動(dòng)機(jī)不動(dòng)，控制閥門有一定的開度，使水箱中流入水量與流出水量相等，從而液有一定的開度，使水箱中流入水量與流出水量相等，從而液面保持在希望高度面保持在希望高度h0上。一旦流入水量或流出水量發(fā)生變化，上。一旦流入水量或流出水量發(fā)生變化，水箱液面高度便相應(yīng)變化。如當(dāng)液面升高時(shí)，浮子位置亦相水箱液面高度便相應(yīng)變化。如當(dāng)液面升高時(shí)，浮子位置亦相應(yīng)升高，通過杠桿作用使電位器電刷從中點(diǎn)位置下移，從而應(yīng)升高，通過杠桿作用使電位器

15、電刷從中點(diǎn)位置下移，從而給電動(dòng)機(jī)提供一定的控制電壓，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)通過減速器減小給電動(dòng)機(jī)提供一定的控制電壓，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)通過減速器減小閥門開度，使進(jìn)入水箱的流量減少。此時(shí)，水箱液面下降，閥門開度，使進(jìn)入水箱的流量減少。此時(shí)，水箱液面下降，浮子位置相應(yīng)下降，直到電位器電刷回到中點(diǎn)位置，系統(tǒng)重浮子位置相應(yīng)下降，直到電位器電刷回到中點(diǎn)位置，系統(tǒng)重新處于平衡狀態(tài)，液面恢復(fù)給定高度。反之，若水箱液位下新處于平衡狀態(tài)，液面恢復(fù)給定高度。反之，若水箱液位下降，則系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)增大閥門開度，加大流入水量，使液位升降，則系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)增大閥門開度，加大流入水量，使液位升到給定高度到給定高度h0 。以液位以液位(自動(dòng)自動(dòng))反饋

16、控制系統(tǒng)反饋控制系統(tǒng)(feedback control system)為例說明：為例說明：測(cè)量元件測(cè)量元件浮子和杠桿（物理量轉(zhuǎn)換）。浮子和杠桿（物理量轉(zhuǎn)換）。給定元件給定元件（實(shí)際上是）電位器中點(diǎn)（給出與期望的被控量相對(duì)（實(shí)際上是）電位器中點(diǎn)（給出與期望的被控量相對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)輸入量）。應(yīng)的系統(tǒng)輸入量）。比較元件比較元件電位器電位器 （求浮子的希望位置與實(shí)位置之差）（求浮子的希望位置與實(shí)位置之差） 。放大元件放大元件放大器（當(dāng)測(cè)量元件測(cè)得的信號(hào)與給定信號(hào)比較后得放大器（當(dāng)測(cè)量元件測(cè)得的信號(hào)與給定信號(hào)比較后得到的誤差信號(hào)不足以使執(zhí)行元件動(dòng)作時(shí)，一般都需要放大元件進(jìn)到的誤差信號(hào)不足以使執(zhí)行元件動(dòng)作時(shí)，

17、一般都需要放大元件進(jìn)行電壓和功率放大，來推動(dòng)執(zhí)行元件去控制被控對(duì)象）。行電壓和功率放大，來推動(dòng)執(zhí)行元件去控制被控對(duì)象）。執(zhí)行元件執(zhí)行元件電機(jī)和閥電機(jī)和閥（直接驅(qū)動(dòng)被控對(duì)象，以改變被控制量）。直接驅(qū)動(dòng)被控對(duì)象，以改變被控制量）。校正元件校正元件（補(bǔ)償元件）（補(bǔ)償元件）為了改善控制系統(tǒng)的動(dòng)、靜態(tài)性能通常為了改善控制系統(tǒng)的動(dòng)、靜態(tài)性能通常還在系統(tǒng)中加上某種形式的校正裝置。還在系統(tǒng)中加上某種形式的校正裝置。 反饋控制系統(tǒng)是由各種結(jié)構(gòu)不同的元部件組成的。從完成反饋控制系統(tǒng)是由各種結(jié)構(gòu)不同的元部件組成的。從完成“自自動(dòng)控制動(dòng)控制”這一職能來看，一個(gè)系統(tǒng)必然包含這一職能來看，一個(gè)系統(tǒng)必然包含被控對(duì)象被控對(duì)象

18、和和控制裝置控制裝置兩兩大部分，而控制裝置是由具有一定職能的各種大部分，而控制裝置是由具有一定職能的各種基本元件基本元件組成的。組成的。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 典型反饋控制系統(tǒng)基本組成可用上面的方塊圖表示。圖中，典型反饋控制系統(tǒng)基本組成可用上面的方塊圖表示。圖中，用用“”代表比較元件，它將測(cè)量元件檢測(cè)到的被控量與參據(jù)量代表比較元件，它將測(cè)量元件檢測(cè)到的被控量與參據(jù)量進(jìn)行比較，進(jìn)行比較，“”號(hào)表示兩者符號(hào)相反，即負(fù)反饋；號(hào)表示兩者符號(hào)相反，即負(fù)反饋；“”號(hào)號(hào)（可省略（可省略）表示兩者符號(hào)相同，即正反饋。信號(hào)從輸入端沿箭頭表示兩者符號(hào)相同，即正反饋。信號(hào)從輸入端沿箭頭

19、方向到達(dá)輸出端的傳輸通路稱方向到達(dá)輸出端的傳輸通路稱前向通路前向通路；系統(tǒng)輸出量經(jīng)測(cè)量元件；系統(tǒng)輸出量經(jīng)測(cè)量元件反饋到輸入端的傳輸通路稱反饋到輸入端的傳輸通路稱主反饋通路主反饋通路。前向通路與主反饋通路。前向通路與主反饋通路共同構(gòu)成共同構(gòu)成主回路主回路。此外，還有。此外，還有局部反饋通路局部反饋通路以及由它構(gòu)成的以及由它構(gòu)成的內(nèi)回內(nèi)回路路。只包含一個(gè)主反饋通路的系統(tǒng)稱。只包含一個(gè)主反饋通路的系統(tǒng)稱單回路系統(tǒng)單回路系統(tǒng)；有兩個(gè)或兩個(gè)；有兩個(gè)或兩個(gè)以上反饋通路的系統(tǒng)稱以上反饋通路的系統(tǒng)稱多回路系統(tǒng)多回路系統(tǒng)。反饋控制系統(tǒng)基本組成 加到反饋控制系統(tǒng)上的外作用有兩種類型，一種是有用加到反饋控制系統(tǒng)上的

20、外作用有兩種類型，一種是有用輸入輸入，一種是一種是擾動(dòng)擾動(dòng)。有用輸入決定系統(tǒng)被控量的變化規(guī)律；而擾動(dòng)是系。有用輸入決定系統(tǒng)被控量的變化規(guī)律；而擾動(dòng)是系統(tǒng)不希望有的外作用，它破壞有用輸入對(duì)系統(tǒng)的控制。在實(shí)際系統(tǒng)不希望有的外作用，它破壞有用輸入對(duì)系統(tǒng)的控制。在實(shí)際系統(tǒng)中，擾動(dòng)總是不可避免的。如電源電壓的波動(dòng)，環(huán)境溫度、壓統(tǒng)中，擾動(dòng)總是不可避免的。如電源電壓的波動(dòng)，環(huán)境溫度、壓力以及負(fù)載的變化等。力以及負(fù)載的變化等?；拘g(shù)語5. 控制系統(tǒng)的基本控制方式控制系統(tǒng)的基本控制方式 反饋控制（閉環(huán)控制）是自控系統(tǒng)最基本的控制方式，應(yīng)用反饋控制（閉環(huán)控制）是自控系統(tǒng)最基本的控制方式，應(yīng)用最廣。除此之外，還有開

21、環(huán)控制方式和復(fù)合控制方式最廣。除此之外，還有開環(huán)控制方式和復(fù)合控制方式. . 反饋反饋( (閉環(huán)閉環(huán)) ) 控制：指控制器與控制對(duì)象之間既有順向作用又控制：指控制器與控制對(duì)象之間既有順向作用又有反向聯(lián)系的控制過程。有反向聯(lián)系的控制過程。反饋控制方式是按反饋控制方式是按偏差偏差進(jìn)行控制的，其進(jìn)行控制的，其特點(diǎn)是不論什么原因使被控量偏離期望值而出現(xiàn)偏差時(shí)，必定會(huì)特點(diǎn)是不論什么原因使被控量偏離期望值而出現(xiàn)偏差時(shí)，必定會(huì)產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)的控制作用去產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)的控制作用去減小或消除減小或消除這個(gè)偏差，使被控量與期這個(gè)偏差，使被控量與期望值趨于一致。反饋控制系統(tǒng)，具有望值趨于一致。反饋控制系統(tǒng)，具有抑制內(nèi)、

22、外擾動(dòng)抑制內(nèi)、外擾動(dòng)對(duì)被控量產(chǎn)對(duì)被控量產(chǎn)生影響的能力，有生影響的能力，有較高的控制精度較高的控制精度。但這種系統(tǒng)使用元件較多，。但這種系統(tǒng)使用元件較多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，系統(tǒng)的性能分析和設(shè)計(jì)也較麻煩。結(jié)構(gòu)復(fù)雜，系統(tǒng)的性能分析和設(shè)計(jì)也較麻煩。 開環(huán)控制：指控制器與控制對(duì)象之間只有順向作用而沒有反開環(huán)控制：指控制器與控制對(duì)象之間只有順向作用而沒有反向聯(lián)系的控制過程。向聯(lián)系的控制過程。特點(diǎn)是系統(tǒng)的輸出量不會(huì)對(duì)系統(tǒng)的控制作特點(diǎn)是系統(tǒng)的輸出量不會(huì)對(duì)系統(tǒng)的控制作用發(fā)生影響。開環(huán)控制系統(tǒng)可以按用發(fā)生影響。開環(huán)控制系統(tǒng)可以按給定量控制方式給定量控制方式組成，也可組成，也可以按以按擾動(dòng)控制方式擾動(dòng)控制方式組成。組成。

23、按給定量控制的開環(huán)控制系統(tǒng)，其控制作用直接由系統(tǒng)的輸入量產(chǎn)生，按給定量控制的開環(huán)控制系統(tǒng)，其控制作用直接由系統(tǒng)的輸入量產(chǎn)生，給定一個(gè)輸入量，就有一個(gè)輸出量與之相對(duì)應(yīng)，控制精度完全取決于所用給定一個(gè)輸入量，就有一個(gè)輸出量與之相對(duì)應(yīng)，控制精度完全取決于所用的元件及校準(zhǔn)的精度。沒有自動(dòng)修正偏差的能力，抗擾動(dòng)性較差。但其結(jié)的元件及校準(zhǔn)的精度。沒有自動(dòng)修正偏差的能力，抗擾動(dòng)性較差。但其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，適用于在精度要求不高或擾動(dòng)影響較小的場(chǎng)合。構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，適用于在精度要求不高或擾動(dòng)影響較小的場(chǎng)合。 按擾動(dòng)控制的開環(huán)控制系統(tǒng)，是利用可測(cè)量的擾動(dòng)量，產(chǎn)生一種補(bǔ)償作按擾動(dòng)控制的開環(huán)控制系統(tǒng)，是利用可測(cè)量的

24、擾動(dòng)量，產(chǎn)生一種補(bǔ)償作用，以減小或抵消擾動(dòng)對(duì)輸出量的影響，這種控制方式也稱用，以減小或抵消擾動(dòng)對(duì)輸出量的影響，這種控制方式也稱順饋控制順饋控制。 例如在一般的直流速度控制系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)速常常隨負(fù)載的增例如在一般的直流速度控制系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)速常常隨負(fù)載的增加而下降，且其轉(zhuǎn)速的下降是由于電樞回路的電壓降引起的。加而下降，且其轉(zhuǎn)速的下降是由于電樞回路的電壓降引起的。如果設(shè)法將負(fù)載引起的電流變化測(cè)量出來，并按其大小產(chǎn)生一如果設(shè)法將負(fù)載引起的電流變化測(cè)量出來，并按其大小產(chǎn)生一個(gè)附加的控制作用，用以補(bǔ)償由它引起的轉(zhuǎn)速下降，這樣就可個(gè)附加的控制作用，用以補(bǔ)償由它引起的轉(zhuǎn)速下降，這樣就可以構(gòu)成按擾動(dòng)控制的開環(huán)控制系統(tǒng)

25、，如下圖所示?？梢姡@種以構(gòu)成按擾動(dòng)控制的開環(huán)控制系統(tǒng)，如下圖所示?？梢?，這種按擾動(dòng)控制的開環(huán)控制方式是按擾動(dòng)控制的開環(huán)控制方式是直接從擾動(dòng)取得信息直接從擾動(dòng)取得信息，并據(jù)以改，并據(jù)以改變被控量，因此，其抗擾動(dòng)性好，控制精度也較高，但它變被控量，因此，其抗擾動(dòng)性好，控制精度也較高，但它只適只適用于擾動(dòng)是可測(cè)量的場(chǎng)合用于擾動(dòng)是可測(cè)量的場(chǎng)合。 復(fù)合控制：復(fù)合控制：綜上，較合理的一種控制方式是把按偏差控制綜上，較合理的一種控制方式是把按偏差控制與按擾動(dòng)控制結(jié)合起來，對(duì)于主要擾動(dòng)采用適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償裝置與按擾動(dòng)控制結(jié)合起來，對(duì)于主要擾動(dòng)采用適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償裝置實(shí)現(xiàn)按擾動(dòng)控制，同時(shí)，再組成反饋控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)按偏差控實(shí)

26、現(xiàn)按擾動(dòng)控制，同時(shí)，再組成反饋控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)按偏差控制，以消除其余擾動(dòng)產(chǎn)生的偏差。這樣，系統(tǒng)的主要擾動(dòng)已制，以消除其余擾動(dòng)產(chǎn)生的偏差。這樣，系統(tǒng)的主要擾動(dòng)已被補(bǔ)償，反饋控制系統(tǒng)就比較容易設(shè)計(jì)，控制效果也會(huì)更好。被補(bǔ)償，反饋控制系統(tǒng)就比較容易設(shè)計(jì)，控制效果也會(huì)更好。這種按偏差控制和按擾動(dòng)控制相結(jié)合的控制方式稱為這種按偏差控制和按擾動(dòng)控制相結(jié)合的控制方式稱為復(fù)合控復(fù)合控制方式制方式。下圖表示一種同時(shí)按偏差和擾動(dòng)控制電動(dòng)機(jī)速度的。下圖表示一種同時(shí)按偏差和擾動(dòng)控制電動(dòng)機(jī)速度的復(fù)合控制系統(tǒng)原理線路圖和方塊圖。復(fù)合控制系統(tǒng)原理線路圖和方塊圖。1.2 1.2 自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)例自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)例 1. 飛機(jī)飛機(jī)-

27、 -自動(dòng)駕駛儀系統(tǒng)自動(dòng)駕駛儀系統(tǒng) 飛機(jī)自動(dòng)駕駛儀是一種能保飛機(jī)自動(dòng)駕駛儀是一種能保持或改變飛機(jī)飛行狀態(tài)的自動(dòng)持或改變飛機(jī)飛行狀態(tài)的自動(dòng)裝置。它可以穩(wěn)定飛行的姿態(tài)、裝置。它可以穩(wěn)定飛行的姿態(tài)、高度和航跡；可以操縱飛機(jī)爬高度和航跡；可以操縱飛機(jī)爬高、下滑和轉(zhuǎn)彎。飛機(jī)與自動(dòng)高、下滑和轉(zhuǎn)彎。飛機(jī)與自動(dòng)駕駛儀組成的自動(dòng)控制系統(tǒng)稱駕駛儀組成的自動(dòng)控制系統(tǒng)稱為飛機(jī)為飛機(jī)-自動(dòng)駕駛儀系統(tǒng)。自動(dòng)駕駛儀系統(tǒng)。 系統(tǒng)穩(wěn)定俯仰角的原理示意圖。圖中，垂直陀螺儀為測(cè)量元件用以系統(tǒng)穩(wěn)定俯仰角的原理示意圖。圖中，垂直陀螺儀為測(cè)量元件用以測(cè)量飛機(jī)的俯仰角，當(dāng)飛機(jī)以給定俯仰角水平飛行時(shí)，陀螺儀電位器無測(cè)量飛機(jī)的俯仰角，當(dāng)飛機(jī)以給

28、定俯仰角水平飛行時(shí)，陀螺儀電位器無電壓輸出；如果飛機(jī)受到擾動(dòng)，使俯仰角向下偏離期望值，陀螺儀電位電壓輸出；如果飛機(jī)受到擾動(dòng)，使俯仰角向下偏離期望值，陀螺儀電位器輸出與俯仰角偏差成正比的信號(hào)，經(jīng)放大器放大后驅(qū)動(dòng)舵機(jī)，一方面器輸出與俯仰角偏差成正比的信號(hào)，經(jīng)放大器放大后驅(qū)動(dòng)舵機(jī)，一方面推動(dòng)升降舵面向上偏轉(zhuǎn)，產(chǎn)生使飛機(jī)抬頭的轉(zhuǎn)矩，以減小俯仰角偏差；推動(dòng)升降舵面向上偏轉(zhuǎn)，產(chǎn)生使飛機(jī)抬頭的轉(zhuǎn)矩，以減小俯仰角偏差；同時(shí)還帶動(dòng)反饋電位器滑臂，輸出與舵偏角成正比的電壓并反饋到輸入同時(shí)還帶動(dòng)反饋電位器滑臂，輸出與舵偏角成正比的電壓并反饋到輸入端。隨著俯仰角偏差的減小，陀螺儀電位器輸出信號(hào)越來越小，舵偏角端。隨著

29、俯仰角偏差的減小，陀螺儀電位器輸出信號(hào)越來越小，舵偏角也隨之減小，直到俯仰角回到期望值。也隨之減小，直到俯仰角回到期望值。 上圖是飛機(jī)上圖是飛機(jī)- -自動(dòng)駕駛儀系統(tǒng)穩(wěn)定俯仰角的系統(tǒng)方塊圖，圖中，自動(dòng)駕駛儀系統(tǒng)穩(wěn)定俯仰角的系統(tǒng)方塊圖，圖中，飛機(jī)是被控對(duì)象，俯仰角是被控量，放大器、舵機(jī)、垂直陀螺儀、反飛機(jī)是被控對(duì)象，俯仰角是被控量，放大器、舵機(jī)、垂直陀螺儀、反饋電位器等是控制裝置，即自動(dòng)駕駛儀。參據(jù)量是給定的常值俯仰角，饋電位器等是控制裝置，即自動(dòng)駕駛儀。參據(jù)量是給定的常值俯仰角，控制系統(tǒng)的任務(wù)就是在任何擾動(dòng)（如陣風(fēng)或氣流沖擊）作用下，始終控制系統(tǒng)的任務(wù)就是在任何擾動(dòng)（如陣風(fēng)或氣流沖擊）作用下，始

30、終保持飛機(jī)以給定俯仰角飛行。保持飛機(jī)以給定俯仰角飛行。2. 電阻爐微型計(jì)算機(jī)溫度控制系統(tǒng)電阻爐微型計(jì)算機(jī)溫度控制系統(tǒng) 圖為某工廠電阻爐微型計(jì)算機(jī)溫度控制系統(tǒng)原理示意圖。圖中，電圖為某工廠電阻爐微型計(jì)算機(jī)溫度控制系統(tǒng)原理示意圖。圖中，電阻絲通過晶閘管主電路加熱，爐溫期望值用計(jì)算機(jī)鍵盤預(yù)先設(shè)置阻絲通過晶閘管主電路加熱，爐溫期望值用計(jì)算機(jī)鍵盤預(yù)先設(shè)置(不一不一定是常值定是常值)，爐溫實(shí)際值由熱電偶檢測(cè)，并轉(zhuǎn)換成電壓，經(jīng)放大、濾波，爐溫實(shí)際值由熱電偶檢測(cè)，并轉(zhuǎn)換成電壓，經(jīng)放大、濾波后，由后，由 AD變換器將模擬量變換為數(shù)字量送入計(jì)算機(jī)，在計(jì)算機(jī)中與變換器將模擬量變換為數(shù)字量送入計(jì)算機(jī)，在計(jì)算機(jī)中與所設(shè)

31、置的溫度期望值比較后產(chǎn)生偏差信號(hào)，計(jì)算機(jī)便根據(jù)預(yù)定的控制算所設(shè)置的溫度期望值比較后產(chǎn)生偏差信號(hào)，計(jì)算機(jī)便根據(jù)預(yù)定的控制算法（即控制規(guī)律）計(jì)算出相應(yīng)的控制量，再經(jīng)法（即控制規(guī)律）計(jì)算出相應(yīng)的控制量，再經(jīng)DA變換器變換成電流，變換器變換成電流，通過觸發(fā)器控制晶閘管導(dǎo)通角，從而改變電阻絲中電流大小，達(dá)到控制通過觸發(fā)器控制晶閘管導(dǎo)通角，從而改變電阻絲中電流大小，達(dá)到控制爐溫的目的。爐溫的目的。按控制方式可分為：開環(huán)控制、反饋控制、復(fù)合控制等按控制方式可分為：開環(huán)控制、反饋控制、復(fù)合控制等按元件類型可分為：機(jī)械系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、機(jī)電系統(tǒng)、液按元件類型可分為：機(jī)械系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、機(jī)電系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、氣動(dòng)系統(tǒng)

32、、生物系統(tǒng)等壓系統(tǒng)、氣動(dòng)系統(tǒng)、生物系統(tǒng)等按系統(tǒng)功用可分為：溫度控制系統(tǒng)、壓力控制系統(tǒng)、位置按系統(tǒng)功用可分為：溫度控制系統(tǒng)、壓力控制系統(tǒng)、位置控制系統(tǒng)等控制系統(tǒng)等按系統(tǒng)性能分類：按系統(tǒng)性能分類：1 1）線性自動(dòng)控制系統(tǒng)：）線性自動(dòng)控制系統(tǒng)：線性定常線性定常自動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)；線性時(shí)變自動(dòng)控制系統(tǒng)；控制系統(tǒng)；線性時(shí)變自動(dòng)控制系統(tǒng)；2 2）非線性自動(dòng)控制）非線性自動(dòng)控制系統(tǒng)系統(tǒng)按系統(tǒng)中傳遞信號(hào)的性質(zhì)分類：按系統(tǒng)中傳遞信號(hào)的性質(zhì)分類：1 1）連續(xù)系統(tǒng)；）連續(xù)系統(tǒng)；2 2）采樣系）采樣系統(tǒng)（離散信號(hào)）統(tǒng)（離散信號(hào)）按控制信號(hào)變化規(guī)律分類：按控制信號(hào)變化規(guī)律分類：1 1）鎮(zhèn)定系統(tǒng)（恒值控制系統(tǒng)）鎮(zhèn)定系統(tǒng)（恒

33、值控制系統(tǒng)或調(diào)節(jié)器）；或調(diào)節(jié)器）； 2 2）程序控制系統(tǒng)）程序控制系統(tǒng)；3 3）隨動(dòng)系統(tǒng)）隨動(dòng)系統(tǒng)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)是輸入量是輸入量.系數(shù)系數(shù)a0,a1,an；b0,b1,bm是是常數(shù)時(shí)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)間變化隨時(shí)間變化時(shí)時(shí),稱為稱為時(shí)變系統(tǒng)時(shí)變系統(tǒng).線性定

34、常連續(xù)系統(tǒng)線性定常連續(xù)系統(tǒng)按其輸入量的變化規(guī)律不按其輸入量的變化規(guī)律不同又可分為恒值控制系統(tǒng)、隨動(dòng)系統(tǒng)和程序控制系統(tǒng)同又可分為恒值控制系統(tǒng)、隨動(dòng)系統(tǒng)和程序控制系統(tǒng).1. 1. 線性連續(xù)控制系統(tǒng)線性連續(xù)控制系統(tǒng) 隨動(dòng)系統(tǒng)隨動(dòng)系統(tǒng) 輸入信號(hào)是時(shí)間的任意函數(shù)，其變化規(guī)律事先不知道。系輸入信號(hào)是時(shí)間的任意函數(shù)，其變化規(guī)律事先不知道。系統(tǒng)要求輸出量以盡可能小的誤差跟隨輸入信號(hào)的變化。系統(tǒng)分統(tǒng)要求輸出量以盡可能小的誤差跟隨輸入信號(hào)的變化。系統(tǒng)分析、設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是研究被控量跟隨的析、設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是研究被控量跟隨的快速性和準(zhǔn)確性快速性和準(zhǔn)確性。程序控制系統(tǒng)程序控制系統(tǒng) 這類控制系統(tǒng)的輸入信號(hào)是按預(yù)定規(guī)律隨時(shí)間變化

35、的函數(shù)這類控制系統(tǒng)的輸入信號(hào)是按預(yù)定規(guī)律隨時(shí)間變化的函數(shù), ,要求被控量迅速、準(zhǔn)確地加以要求被控量迅速、準(zhǔn)確地加以復(fù)現(xiàn)復(fù)現(xiàn). .機(jī)械加工使用的數(shù)字程序控機(jī)械加工使用的數(shù)字程序控制機(jī)床便是一例制機(jī)床便是一例. . 恒值控制系統(tǒng)恒值控制系統(tǒng) 輸入信號(hào)是恒定常值，被控量也是一個(gè)與之對(duì)應(yīng)的常值，輸入信號(hào)是恒定常值，被控量也是一個(gè)與之對(duì)應(yīng)的常值，當(dāng)外界有擾動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)要求被控量保持為一個(gè)恒定的希望值。當(dāng)外界有擾動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)要求被控量保持為一個(gè)恒定的希望值。如電壓控制系統(tǒng)。對(duì)系統(tǒng)的要求是如電壓控制系統(tǒng)。對(duì)系統(tǒng)的要求是穩(wěn)定性和穩(wěn)態(tài)誤差穩(wěn)定性和穩(wěn)態(tài)誤差。 程序控制系統(tǒng)和隨動(dòng)系統(tǒng)的參據(jù)量都是時(shí)間函數(shù)，不同之處在于前

36、程序控制系統(tǒng)和隨動(dòng)系統(tǒng)的參據(jù)量都是時(shí)間函數(shù)，不同之處在于前者是者是已知已知的時(shí)間函數(shù)，后者則是的時(shí)間函數(shù)，后者則是未知未知的任意時(shí)間函數(shù)，而恒值控制系統(tǒng)的任意時(shí)間函數(shù)，而恒值控制系統(tǒng)也可視為程序控制系統(tǒng)的也可視為程序控制系統(tǒng)的特例特例。2. 線性定常離散系統(tǒng)線性定常離散系統(tǒng) 離散系統(tǒng)指系統(tǒng)的某處或多處的信號(hào)為脈沖序列或數(shù)碼形式離散系統(tǒng)指系統(tǒng)的某處或多處的信號(hào)為脈沖序列或數(shù)碼形式, ,因而信號(hào)在時(shí)間上是離散的因而信號(hào)在時(shí)間上是離散的. .連續(xù)信號(hào)經(jīng)采樣轉(zhuǎn)換成離散信號(hào)。連續(xù)信號(hào)經(jīng)采樣轉(zhuǎn)換成離散信號(hào)。 一般一般, ,在離散系統(tǒng)中既有連續(xù)的模擬信號(hào)在離散系統(tǒng)中既有連續(xù)的模擬信號(hào), ,也有離散的數(shù)也有離

37、散的數(shù)字信號(hào)字信號(hào). .因此因此, ,離散系統(tǒng)要用差分方程來描述離散系統(tǒng)要用差分方程來描述. .線性差分方程的線性差分方程的一般形式為一般形式為)() 1() 1()()() 1() 1()(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為常系為常系數(shù)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)，如前述的爐工業(yè)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)就是典型的離散系統(tǒng)，如前述的爐溫微機(jī)控制系統(tǒng)等。溫微機(jī)控制系統(tǒng)等。3.非線性控制系統(tǒng)非線

38、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). .這時(shí)這時(shí), ,要用非線性微分要用非線性微分( (或差分或差分) )方程來描述其特性方程來描述其特性. . 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)格地說嚴(yán)格地說, ,實(shí)際的控制系統(tǒng)都是非線性系統(tǒng)實(shí)際的控制系統(tǒng)都是非線性系統(tǒng). .但對(duì)于非線性程但對(duì)于非線性程

39、度不太嚴(yán)重的元部件度不太嚴(yán)重的元部件, ,可采用在一定范圍內(nèi)線性化的方法可采用在一定范圍內(nèi)線性化的方法, ,從而將從而將非線性系統(tǒng)近似為線性控制系統(tǒng)非線性系統(tǒng)近似為線性控制系統(tǒng). . 由于非線性方程在數(shù)學(xué)處理上較困難由于非線性方程在數(shù)學(xué)處理上較困難, ,目前對(duì)不同類型的目前對(duì)不同類型的非線性系統(tǒng)的研究還沒有統(tǒng)一的方法非線性系統(tǒng)的研究還沒有統(tǒng)一的方法. . 盡管自控系統(tǒng)有不同的類型盡管自控系統(tǒng)有不同的類型, ,對(duì)每個(gè)系統(tǒng)也都有不同的特對(duì)每個(gè)系統(tǒng)也都有不同的特殊要求殊要求, ,但在已知系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)時(shí)但在已知系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)時(shí), ,我們感興趣的都是系統(tǒng)我們感興趣的都是系統(tǒng)在某種典型輸入信號(hào)下在某

40、種典型輸入信號(hào)下, ,其被控量變化的全過程其被控量變化的全過程, ,且對(duì)全過程提且對(duì)全過程提出的共同基本要求都是一樣的，即出的共同基本要求都是一樣的，即穩(wěn)穩(wěn)定性、定性、快快速性和速性和準(zhǔn)準(zhǔn)確性。確性。 穩(wěn)定性穩(wěn)定性 穩(wěn)定性是保證控制系統(tǒng)正常工作的穩(wěn)定性是保證控制系統(tǒng)正常工作的先決先決條件條件. .一個(gè)穩(wěn)定的一個(gè)穩(wěn)定的控制系統(tǒng)控制系統(tǒng), ,其被控量偏離期望值的初始偏差應(yīng)隨時(shí)間的增長(zhǎng)逐其被控量偏離期望值的初始偏差應(yīng)隨時(shí)間的增長(zhǎng)逐漸減小或趨于零漸減小或趨于零. . 不穩(wěn)定系統(tǒng)輸出量的過渡過程隨時(shí)間而增長(zhǎng)不穩(wěn)定系統(tǒng)輸出量的過渡過程隨時(shí)間而增長(zhǎng)或表現(xiàn)為持續(xù)震蕩，無法完成預(yù)定的控制任務(wù)?；虮憩F(xiàn)為持續(xù)震蕩，

41、無法完成預(yù)定的控制任務(wù)。 線性自動(dòng)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性是由系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)所決定線性自動(dòng)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性是由系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)所決定, ,與外與外界因素?zé)o關(guān)界因素?zé)o關(guān). .1 基本要求的提法基本要求的提法 快速性快速性 控制系統(tǒng)不僅要穩(wěn)定控制系統(tǒng)不僅要穩(wěn)定, ,還必須對(duì)其過渡過程的形式和快慢還必須對(duì)其過渡過程的形式和快慢提出要求提出要求, ,一般稱為一般稱為動(dòng)態(tài)性能動(dòng)態(tài)性能, ,其中包括過渡過程時(shí)間其中包括過渡過程時(shí)間( (即快速即快速性性) )和最大振蕩幅度和最大振蕩幅度( (即超調(diào)量即超調(diào)量). ). 如對(duì)于穩(wěn)定的高射炮射角隨如對(duì)于穩(wěn)定的高射炮射角隨動(dòng)系統(tǒng)，雖炮身最終能跟蹤目標(biāo)，但若目標(biāo)變動(dòng)迅速，而炮動(dòng)系統(tǒng)

42、，雖炮身最終能跟蹤目標(biāo)，但若目標(biāo)變動(dòng)迅速，而炮身跟蹤目標(biāo)所需過渡過程時(shí)間過長(zhǎng)，就不可能擊中目標(biāo)。身跟蹤目標(biāo)所需過渡過程時(shí)間過長(zhǎng)，就不可能擊中目標(biāo)。 準(zhǔn)確性準(zhǔn)確性 理想情況下理想情況下, ,當(dāng)過渡過程結(jié)束后當(dāng)過渡過程結(jié)束后, ,被控量達(dá)到的穩(wěn)態(tài)值被控量達(dá)到的穩(wěn)態(tài)值( (即即平衡狀態(tài)平衡狀態(tài)) )應(yīng)與期望值一致應(yīng)與期望值一致. .但實(shí)際上但實(shí)際上, ,由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、外作用由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、外作用形式以及摩擦、間隙等非線性因素的影響形式以及摩擦、間隙等非線性因素的影響, ,被控量的穩(wěn)態(tài)值與被控量的穩(wěn)態(tài)值與期望值之間會(huì)有誤差存在期望值之間會(huì)有誤差存在, ,稱為稱為穩(wěn)態(tài)誤差穩(wěn)態(tài)誤差. .它是衡量控制系統(tǒng)它是

43、衡量控制系統(tǒng)控控制精度制精度的重要標(biāo)志的重要標(biāo)志, ,在技術(shù)指標(biāo)中一般都有具體要求在技術(shù)指標(biāo)中一般都有具體要求. .2 典型外作用典型外作用 在工程實(shí)踐中，自動(dòng)控制系統(tǒng)承受的外作用形式多種多樣，對(duì)不在工程實(shí)踐中，自動(dòng)控制系統(tǒng)承受的外作用形式多種多樣，對(duì)不同形式的外作用，系統(tǒng)被控量的變化情況（即響應(yīng)）各不相同，為了同形式的外作用，系統(tǒng)被控量的變化情況（即響應(yīng)）各不相同，為了便于用統(tǒng)一的方法研究和比較控制系統(tǒng)的性能，通常選用幾種確定性便于用統(tǒng)一的方法研究和比較控制系統(tǒng)的性能，通常選用幾種確定性函數(shù)作為函數(shù)作為典型外作用典型外作用。階躍、斜坡、脈沖、正弦函數(shù)。階躍、斜坡、脈沖、正弦函數(shù)(1) 階躍函

44、數(shù)階躍函數(shù) 階躍函數(shù)的數(shù)學(xué)表達(dá)式為階躍函數(shù)的數(shù)學(xué)表達(dá)式為000)(tRttf 表示一個(gè)在表示一個(gè)在t=0時(shí)出現(xiàn)的幅值為時(shí)出現(xiàn)的幅值為R的階躍變化函數(shù)。在實(shí)際系統(tǒng)的階躍變化函數(shù)。在實(shí)際系統(tǒng)中，這意味著中，這意味著t=0時(shí)突然加到系統(tǒng)上的一個(gè)幅值不變的外作用。幅值時(shí)突然加到系統(tǒng)上的一個(gè)幅值不變的外作用。幅值R1的階躍函數(shù)，稱的階躍函數(shù)，稱單位階躍函數(shù)單位階躍函數(shù)，用，用1(t)表示，幅值為表示，幅值為R的階躍函的階躍函數(shù)便可表示為數(shù)便可表示為f(t)R 1(t) 。在任意時(shí)刻。在任意時(shí)刻t0出現(xiàn)的階躍函數(shù)可表示為出現(xiàn)的階躍函數(shù)可表示為f(t- t0)R 1(t- t0) 。 階躍函數(shù)是自動(dòng)控制系統(tǒng)

45、在實(shí)際工作條件下經(jīng)常遇到的一種外階躍函數(shù)是自動(dòng)控制系統(tǒng)在實(shí)際工作條件下經(jīng)常遇到的一種外作用形式。如電源電壓突然跳動(dòng)等。在控制系統(tǒng)的分析設(shè)計(jì)工作中，作用形式。如電源電壓突然跳動(dòng)等。在控制系統(tǒng)的分析設(shè)計(jì)工作中，一般將階躍函數(shù)作用下系統(tǒng)的響應(yīng)特性作為評(píng)價(jià)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)的一般將階躍函數(shù)作用下系統(tǒng)的響應(yīng)特性作為評(píng)價(jià)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)的依據(jù)。依據(jù)。(2) 斜坡函數(shù)斜坡函數(shù) 斜坡函數(shù)的數(shù)學(xué)表達(dá)式為斜坡函數(shù)的數(shù)學(xué)表達(dá)式為000)(tRtttf 上式表示在上式表示在t=0時(shí)刻開始，以恒定速率時(shí)刻開始，以恒定速率R 隨時(shí)間而變化的函數(shù)。隨時(shí)間而變化的函數(shù)。在工程實(shí)踐中，某些隨動(dòng)系統(tǒng)就常常工作于這種外作用下，例如在

46、工程實(shí)踐中，某些隨動(dòng)系統(tǒng)就常常工作于這種外作用下，例如雷達(dá)雷達(dá)-高射炮防空系統(tǒng)，當(dāng)雷達(dá)跟蹤的目標(biāo)以恒定速率飛行時(shí)，便高射炮防空系統(tǒng)，當(dāng)雷達(dá)跟蹤的目標(biāo)以恒定速率飛行時(shí)，便可視為該系統(tǒng)工作于斜坡函數(shù)作用之下。可視為該系統(tǒng)工作于斜坡函數(shù)作用之下。(3) 脈沖函數(shù)脈沖函數(shù) 定義為定義為 脈沖函數(shù)在現(xiàn)實(shí)中是不存在的，只有數(shù)學(xué)上的定義，但它脈沖函數(shù)在現(xiàn)實(shí)中是不存在的，只有數(shù)學(xué)上的定義，但它卻是一個(gè)重要而有效的數(shù)學(xué)工具。例如，一個(gè)任意形式的外作用，卻是一個(gè)重要而有效的數(shù)學(xué)工具。例如，一個(gè)任意形式的外作用，可以分解成不同時(shí)刻的一系列脈沖函數(shù)之和，這樣，通過研究控可以分解成不同時(shí)刻的一系列脈沖函數(shù)之和，這樣，通過研究控制系統(tǒng)在脈沖函數(shù)作用下的響應(yīng)特性，便可以了解在任意形式外制系統(tǒng)在脈沖函數(shù)作用下的響應(yīng)特性，便可以了解在任意形式外作用下的響應(yīng)特性。作用下的響應(yīng)特性。(4) 正弦函數(shù)正弦函數(shù) 數(shù)學(xué)表達(dá)式為數(shù)學(xué)表達(dá)式為f(t) 正弦函數(shù)是控制系統(tǒng)常用的一正弦函數(shù)是控制系統(tǒng)常用的一種典型外作用，很多實(shí)際隨動(dòng)系統(tǒng)種典型外作用，很多實(shí)際隨動(dòng)系統(tǒng)就是常在這種正弦函數(shù)外作用下工就是常在這種正弦函數(shù)外作用下工作的。例如，艦船的消擺系統(tǒng)、穩(wěn)作的。例如，艦船的消