自動(dòng)控制原理課件-第一章緒論

2．成績(jī)?cè)u(píng)定出勤5％點(diǎn)名缺一次扣2分允許請(qǐng)假作業(yè)缺一半不允許參加考試。允許補(bǔ)齊作業(yè)10％實(shí)驗(yàn)15％考試70％3．參考書(shū)目《自動(dòng)控制原理》國(guó)防科技大學(xué)黃章《自動(dòng)控制原理》中國(guó)礦業(yè)大學(xué)吳

麒《自動(dòng)控制原理》《自動(dòng)控制原理》《自動(dòng)控制原理》電子工業(yè)緒方 《現(xiàn)代控制工程》電子工業(yè)22021/11本課程的主要內(nèi)容自動(dòng)控制系統(tǒng)的分析（第2，3，4，5章）已知系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和參數(shù)，根據(jù)系統(tǒng)對(duì)于某種典型輸入信號(hào)作用下的被控量的響應(yīng)，求出評(píng)價(jià)系統(tǒng)性能的指標(biāo)：穩(wěn)定性、動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能。自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)（第6章）如果給定系統(tǒng)經(jīng)分析其性能指標(biāo)滿(mǎn)足要求，則不存在進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)問(wèn)題。如不滿(mǎn)足要求且被控對(duì)象本身又不能改變，則控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的任務(wù)就是改變系統(tǒng)的某些參數(shù)某種校正裝置，使其滿(mǎn)足預(yù)期的性能指標(biāo)要求。32021/113.自動(dòng)控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)兩者之間的關(guān)系系統(tǒng)分析與系統(tǒng)設(shè)計(jì)是相互聯(lián)系、交替進(jìn)行的。不是單純?yōu)榱朔治龆治觯菫榱嗽O(shè)計(jì)新系統(tǒng)或改造已有的系統(tǒng)。對(duì)于從事自動(dòng)控制的工程技術(shù)

而言，更重要的是設(shè)計(jì)系統(tǒng)以及改造那些性能未達(dá)到要求的系統(tǒng)。42021/11自動(dòng)控制原理第一章緒論4第二章控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型7第三章線性系統(tǒng)的時(shí)域分析12第四章線性系統(tǒng)的根軌跡法5第五章線性系統(tǒng)的頻域分析法14第六章線性系統(tǒng)的校正方法1052021/11第一章緒論62021/111.1

引言1.2

控制系統(tǒng)的一般概念1.3

控制系統(tǒng)示例1.4

控制系統(tǒng)分類(lèi)1.5

控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)1.6

控制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)1.1

引言1.

自動(dòng)控制技術(shù)及其應(yīng)用在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的眾多領(lǐng)域中，自動(dòng)控制技術(shù)起著越來(lái)越重要的作用。所謂自動(dòng)控制，就是在沒(méi)有人直接參與的情況下，利用外加的設(shè)備或裝置（控制裝置），使機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過(guò)程（控制對(duì)象）的某個(gè)工作狀態(tài)或參數(shù)（被控量）自動(dòng)地按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行。如數(shù)控車(chē)床按預(yù)定程序自動(dòng)切削，人造準(zhǔn)確進(jìn)入預(yù)定軌道并回收等。72021/11自動(dòng)控制技術(shù)除了在工業(yè)上廣泛應(yīng)用外，近幾十年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，在航空、航器人控制、

制導(dǎo)等高新技術(shù)領(lǐng)域中，自動(dòng)控制技術(shù)具有越來(lái)越重要的作用。不僅如此，自動(dòng)控制技術(shù)的應(yīng)用范圍現(xiàn)在已擴(kuò)展到生物、醫(yī)學(xué)、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)管理和其它許多社會(huì)生活領(lǐng)域中，自動(dòng)控制已成為現(xiàn)代社會(huì)生活中不可或缺的一部分。82021/11自動(dòng)控制：是指在沒(méi)有人直接參與的情況下，利用控制裝置使被控對(duì)象（如機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過(guò)程）的一個(gè)或數(shù)個(gè)物理量（如電壓、電流、速度、位置、溫度、流量、化學(xué)成分等）自動(dòng)的按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行（或變化）。92021/11自動(dòng)控制系統(tǒng)：是指能夠?qū)Ρ豢貙?duì)象的工作狀態(tài)進(jìn)行自動(dòng)控制的系統(tǒng)。它一般由控制裝置和被控對(duì)象組成。被控對(duì)象是指那些要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過(guò)程?？刂蒲b置是指對(duì)被控對(duì)象起控制作用的設(shè)備總體。自動(dòng)控制系統(tǒng)的功能和組成是多種多樣的，其結(jié)構(gòu)有簡(jiǎn)單和復(fù)雜之分。它可以只控制一個(gè)物理量，也可以控制多個(gè)物理量甚至一個(gè)企業(yè)

或機(jī)構(gòu)的全部生產(chǎn)和管理過(guò)程；它可以是一個(gè)

具體的工程系統(tǒng)，也可以是比較抽象的社會(huì)系

統(tǒng)、生態(tài)系統(tǒng)或經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)。102021/112.

自動(dòng)控制理論的發(fā)展歷史112021/11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)。既是一門(mén)古老的學(xué)科，又是一門(mén)正在發(fā)展的、具有強(qiáng)大生命力的新興學(xué)科。從1868年Maxwell提出低階系統(tǒng)穩(wěn)定性判據(jù)至今一百多年里，自動(dòng)控制理論的發(fā)展可分為四個(gè)主要階段：第一階段：經(jīng)典控制理論（或古典控制理論）的產(chǎn)生、發(fā)展和成熟；第二階段：現(xiàn)代控制理論的興起和發(fā)展；第三階段：大系統(tǒng)控制興起和發(fā)展階段；第四階段：智能控制發(fā)展階段。經(jīng)典控制理論控制理論的發(fā)展初期，是以反饋理論為基礎(chǔ)的自動(dòng)調(diào)節(jié)原理，主要用于工業(yè)控制。二戰(zhàn)期間，為了設(shè)計(jì)和制造飛機(jī)及船用自動(dòng)駕駛儀、火、系統(tǒng)等基于反饋原理的裝備，進(jìn)一步促進(jìn)和完善了自動(dòng)控制理論的發(fā)展。1868年，Maxwell提出了低階系統(tǒng)的穩(wěn)定性代數(shù)判據(jù)。1895年，數(shù)學(xué)家Routh和Hurwitz分別獨(dú)立地提出了高階系統(tǒng)的穩(wěn)定性判據(jù)，即Routh和Hurwitz判據(jù)。二戰(zhàn)期間（1938-1945年）Nyquist提出了頻率響應(yīng)理論；1948年，Evans提出了根軌跡法。至此，控制理論發(fā)展的第一階段基本完成，形成了以時(shí)域法、根軌跡法和頻率法為主要方法的經(jīng)典控制理論。122021/11經(jīng)典控制理論的基本特征主要用于線性定常系統(tǒng)的研究，即用于常系數(shù)線性微分方程描述的系統(tǒng)的分析與綜合；多用于單輸入，單輸出的反饋控制系統(tǒng)；（3）只系統(tǒng)輸入與輸出之間的關(guān)系，而忽略系統(tǒng)的狀態(tài)，是一種對(duì)系統(tǒng)的外部描述方法。132021/11應(yīng)當(dāng)

，反饋控制是一種最基本最重要的控制方式，引入反饋信號(hào)后，系統(tǒng)對(duì)來(lái)自和外部干擾的響應(yīng)變得十分“遲鈍”，從而提高了系統(tǒng)的能力和控制精度。與此同時(shí)，反饋?zhàn)饔糜謳?lái)了系統(tǒng)穩(wěn)定性問(wèn)題，正是這個(gè)曾一度困擾人們的系統(tǒng)穩(wěn)定性問(wèn)題激發(fā)了人們對(duì)反饋控制系統(tǒng)進(jìn)行深入研究的熱情，推動(dòng)了自動(dòng)控制理論的發(fā)展與完善。因此從某種意義上講，古典控制理論是伴隨著反饋控制技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展而逐漸完善和成熟起來(lái)的。142021/11現(xiàn)代控制理論由于經(jīng)典控制理論通常適用于單輸入、單輸出的線性定常系統(tǒng)，只注重系統(tǒng)的外部描述而忽視系統(tǒng)的

狀態(tài)。因而在實(shí)際應(yīng)用中有一定的局限性。隨著航天事業(yè)和計(jì)算機(jī)的發(fā)展，20世紀(jì)60年代初，在經(jīng)典控制理論的基礎(chǔ)上，以線性代數(shù)理論和狀態(tài)空間分析法為基礎(chǔ)的現(xiàn)代控制理論迅速發(fā)展起來(lái)。1954年，Bellman提出動(dòng)態(tài)規(guī)劃理論

1956年，Pontryagin提出極大值原理1960年，Kalman提出多變量最優(yōu)控制和最優(yōu)濾波理論152021/11現(xiàn)代控制理論現(xiàn)代控制理論在數(shù)學(xué)工具、理論基礎(chǔ)和研究方法上不僅能提供系統(tǒng)的外部信息（輸出量和輸入量），而且還能提供系統(tǒng)狀態(tài)變量的信息。它無(wú)論對(duì)線性系統(tǒng)或非線性系統(tǒng)，定常系統(tǒng)或時(shí)變系統(tǒng)，單變量系統(tǒng)或多變量系統(tǒng)，都是一種有效的分析方法。162021/11古典（經(jīng)典）控制理論與現(xiàn)代控制理論的區(qū)別172021/11古典控制理論現(xiàn)代控制理論控制對(duì)象SISO控制對(duì)象MIMO確定性系統(tǒng)不確定性系統(tǒng)積分變換矩陣?yán)碚摍C(jī)理建模參數(shù)估計(jì)及系統(tǒng)辨識(shí)大系統(tǒng)理論20世紀(jì)70年始，現(xiàn)代控制理論繼續(xù)向深度和廣度發(fā)展，出現(xiàn)了一些新的控制方法和理論。如：現(xiàn)代頻域方法以傳遞函數(shù)矩陣為數(shù)學(xué)模型，研究線性定常多變量系統(tǒng)；自適應(yīng)控制理論和方法以系統(tǒng)辨識(shí)和參數(shù)估計(jì)為基礎(chǔ)，在實(shí)時(shí)辨識(shí)基礎(chǔ)上確定最優(yōu)控制規(guī)律；魯棒控制方法在保證系統(tǒng)穩(wěn)定性和其它性能基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)不變的魯棒控制器，以處理數(shù)學(xué)模型的不確定性。大系統(tǒng)理論（續(xù)）隨著控制理論應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，從個(gè)別小系統(tǒng)的控制，發(fā)展到若干個(gè)相互關(guān)聯(lián)的子系統(tǒng)組成的大系統(tǒng)進(jìn)行整體控制；從傳統(tǒng)的工程控制領(lǐng)域推廣到包括經(jīng)濟(jì)管理、生物工程、能源、

、環(huán)境等大型系統(tǒng)以及社會(huì)科學(xué)領(lǐng)域。大系統(tǒng)理論是過(guò)程控制與信息處理相結(jié)合的系統(tǒng)工程理論，具有規(guī)模龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功能綜合、目標(biāo)多樣、因素眾多等特點(diǎn)。它是一個(gè)多輸入、多輸出、多干擾、多變量的系統(tǒng)。大系統(tǒng)理論目前仍處于發(fā)展和開(kāi)創(chuàng)性階段。智能控制是近年來(lái)新發(fā)展起來(lái)的一種控制技術(shù)，是人工智能在控制上的應(yīng)用。智能控制的概念和原理主要是針對(duì)被控對(duì)象、環(huán)境、控制目標(biāo)或任務(wù)的復(fù)雜性提出來(lái)的，它的指導(dǎo)思想是依據(jù)人的思維方式和處理問(wèn)題的技巧，解決那些目前需要人的智能才能解決的復(fù)雜控制問(wèn)題。被控對(duì)象的復(fù)雜性體現(xiàn)為:模型的不確定性，高度非線性，分布式的傳感器和執(zhí)行器，復(fù)雜的信息模式，龐大的數(shù)據(jù)量，以及嚴(yán)格的性能指標(biāo)等。智能控制是驅(qū)動(dòng)智能機(jī)器自主地實(shí)現(xiàn)其目標(biāo)的過(guò)程，對(duì)自主機(jī)器人的控制就是典型的例子；而環(huán)境的復(fù)雜性則表現(xiàn)為變化的不確定性和難以辨識(shí)。智能控制是從“仿人”的概念出發(fā)的。一般認(rèn)為，其方法包括模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、和控制等方法。21開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)Open-loopControlSystem定義：系統(tǒng)的控制量不受輸出量影響的控制系統(tǒng)。特點(diǎn)：系統(tǒng)的輸出量與輸入量之間不存在反饋的通道，這種控制方式稱(chēng)為開(kāi)環(huán)控制。在開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)中，不需要對(duì)輸出量進(jìn)

量，也不需要將輸出量反饋到系統(tǒng)輸入端與輸入量進(jìn)行比較。因此，開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)又稱(chēng)無(wú)反饋控制系統(tǒng)。控制器對(duì)象或過(guò)程輸入量輸出量圖開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)方塊圖控制量1.2

控制系統(tǒng)的一般概念2021/11閉環(huán)（反饋）控制系統(tǒng)Closed-loop

ControlSystem222021/11閉環(huán)控制系統(tǒng)又稱(chēng)反饋控制系統(tǒng)，最廣泛控制方式。反饋——把取出的輸出量送回輸入端，并與輸入信號(hào)相比較產(chǎn)生偏差信號(hào)的過(guò)程，稱(chēng)為反饋。反饋控制——采用負(fù)反饋(正反饋很少)，并利用偏差進(jìn)行控制的過(guò)程（利用偏差修正偏差）。由于引入了被反饋量的反饋信息，整個(gè)控制過(guò)程成為閉合的，因此反饋控制也稱(chēng)為閉環(huán)控制。閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖輸入量控制器控制對(duì)象測(cè)量元件輸出量反饋回路被控量干擾量232021/11控制量閉環(huán)與開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)的比較242021/11開(kāi)環(huán)控制：順向作用，沒(méi)有反向的聯(lián)系，沒(méi)有修正

偏差的能力，抗擾動(dòng)性較差。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)整方便、成本低。在精度要求不高或擾動(dòng)影響較小的場(chǎng)合，

這種控制方式還有一定的實(shí)用價(jià)值（步進(jìn)電機(jī)，水

泵，風(fēng)扇）。閉環(huán)控制：為偏差控制，可以抑制內(nèi)擾動(dòng)（系統(tǒng)參數(shù)變化）、外擾動(dòng)（負(fù)載變化）對(duì)被控制量產(chǎn)生的影響，因此，控制精度高。但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高（成本成倍增加）；系統(tǒng)設(shè)計(jì)、分析麻煩。方框圖的有關(guān)概念方框

控制裝置和被控對(duì)象分別用方框表示信號(hào)線

方框的輸入和輸出以及它們之間的聯(lián)接用帶箭頭的信號(hào)線表示輸入信號(hào)進(jìn)入方框的信號(hào)輸出信號(hào)離開(kāi)方框的信號(hào)控制系統(tǒng)的輸出量就是被控量,它的期望值一般是系統(tǒng)輸入信號(hào)的函數(shù)。信號(hào)線方框信號(hào)線輸入信號(hào)輸出信號(hào)252021/11示例1：水位控制系統(tǒng)人工控制的恒值水位系統(tǒng)水位自動(dòng)控制系統(tǒng)閥門(mén)進(jìn)水要求水位實(shí)際水位水池出水連桿進(jìn)水浮子水池出水262021/111.3控制系統(tǒng)示例示例2：電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)電樞控制直流電D.C.M+-uaiBn

n變化激磁電流：iB設(shè)一臺(tái)直流電

帶動(dòng)負(fù)載以轉(zhuǎn)速n在轉(zhuǎn)動(dòng)，要求保持轉(zhuǎn)速不變，即控制轉(zhuǎn)速：n=n0=常數(shù)電樞電壓：ua負(fù)載轉(zhuǎn)矩：Mfz直流電采用電樞控制不論什么因素引起的轉(zhuǎn)速變化，均通過(guò)電樞電壓將轉(zhuǎn)速控制到n=n0272021/1128電機(jī)轉(zhuǎn)速人工控制系統(tǒng)+AW1ua

D.C.Mn-通過(guò)轉(zhuǎn)速表觀察電機(jī)轉(zhuǎn)速n與要求的轉(zhuǎn)速n0進(jìn)行比較得到偏差；根據(jù)偏差的大小和正負(fù)進(jìn)行控制：n

n0

ua

n

n

n02021/11n

n0

ua

n

n

n0電機(jī)轉(zhuǎn)速自動(dòng)控制系統(tǒng)u1電

功壓

率放

放大

大TMu21wW2icucuauMfz

n

n

n0

反饋信號(hào)u2

u

u1

u2

ua

n

n

n0Mfz

n

n

n0

反饋信號(hào)u2

u

u1

u2

ua

n

n

n0292021/11電位計(jì)w1是給定元+件，產(chǎn)生基準(zhǔn)電壓u1，u1的設(shè)定值與轉(zhuǎn)速的期望值n

相0對(duì)應(yīng)。稱(chēng)電壓u1為參考輸入，電壓u

-2為反饋信號(hào)由以上分析可知：產(chǎn)生控制作用的關(guān)鍵是偏差

信號(hào)，而偏差信號(hào)是對(duì)被控量不斷測(cè)量轉(zhuǎn)換并反饋到輸入端與參考輸入量相減（即負(fù)反饋）得到的，這種利用負(fù)反饋得到偏差信號(hào)，進(jìn)而產(chǎn)生控制作用，又去消除偏差的控制原理就叫反饋控制原理W1電壓放大功率放大直流電測(cè)速電機(jī)W20nu

rt

1u

et

ua302021/11Mfzn

ct

ucu2-開(kāi)環(huán)和閉環(huán)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)開(kāi)環(huán)系統(tǒng)：具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性好，易于設(shè)計(jì)和調(diào)整，成本較優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于那些負(fù)載恒定，擾動(dòng)小，控制精度要求不高的實(shí)際系統(tǒng)，是有效的控制方式。閉環(huán)系統(tǒng)：由于增加了放大裝置、檢測(cè)裝置和反饋環(huán)節(jié)，使得結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，成本有所增加；但它提高了系統(tǒng)的控制精度和能力；同時(shí)負(fù)反饋對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。312021/11圖1.2閉環(huán)控制系統(tǒng)方塊圖輸入量控制器控制對(duì)象測(cè)量元件輸出量反饋回路被控量干擾量控制量2.

反饋控制系統(tǒng)的組成、名詞術(shù)語(yǔ)和定義（1）322021/11主反饋信號(hào)偏差反饋控制系統(tǒng)的組成、名詞術(shù)語(yǔ)和定義（2）參考輸入r:輸入到控制系統(tǒng)中的指令信號(hào)；主反饋b:

與輸出成正比或某種函數(shù)關(guān)系且與參考輸入量綱相同的反饋信號(hào)；偏差e:參考輸入與主反饋之差，即e=r-b;控制量u:

從控制器輸出并作用于被控制對(duì)象的信號(hào)；擾動(dòng)n：來(lái)自系統(tǒng)

或外部，對(duì)系統(tǒng)輸出產(chǎn)生不利影響的信號(hào)；332021/11反饋控制系統(tǒng)的組成、名詞術(shù)語(yǔ)、定義（3）輸出：反饋控制系統(tǒng)的被控制量，即被控制對(duì)象的輸出量；比較環(huán)節(jié)：將參考輸入與主反饋信號(hào)進(jìn)行比較的環(huán)節(jié)，它的輸出等于參考輸入與主反饋信號(hào)的差值，即偏差e,比較環(huán)節(jié)又稱(chēng)為偏差檢測(cè)器;控制對(duì)象：被控制的機(jī)器，設(shè)備，過(guò)程或系統(tǒng)；控制器：用來(lái)對(duì)被控制對(duì)象施加控制作用的裝置；反饋環(huán)節(jié)：將輸出量轉(zhuǎn)化為主反饋信號(hào)的裝置；反饋環(huán)節(jié)中通常含有信號(hào)檢測(cè)裝置。342021/111.4自控系統(tǒng)的分類(lèi)352021/11一、從描述系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型來(lái)分類(lèi)線性系統(tǒng)：構(gòu)成系統(tǒng)的所有元件均是線性的，系統(tǒng)的數(shù)模為線性微分方程，滿(mǎn)足疊加性與均勻性（或齊次性）。其中又視微分方程中的系數(shù)為常數(shù)或時(shí)變，稱(chēng)系統(tǒng)為定常線性系統(tǒng)或時(shí)變線性系統(tǒng)。疊加性：當(dāng)幾個(gè)輸入信號(hào)同時(shí)作用于系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)的響應(yīng)等于每個(gè)輸入信號(hào)單獨(dú)作用于系統(tǒng)時(shí)所產(chǎn)生的響應(yīng)之和。均勻性：當(dāng)輸入信號(hào)按倍數(shù)變化時(shí)，系統(tǒng)響應(yīng)也按同一個(gè)倍數(shù)變化。線性系統(tǒng)的上述特性將使系統(tǒng)分析大大簡(jiǎn)化。例如實(shí)際系統(tǒng)往往是MISO，應(yīng)用疊加原理可分別考慮每個(gè)輸入單獨(dú)作用時(shí)系統(tǒng)引起的響應(yīng)，然后將它們疊加，從而將MISO系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為SISO系統(tǒng)來(lái)。又如實(shí)際系統(tǒng)輸入信號(hào)的幅值各種各樣，運(yùn)算不方便。應(yīng)用均勻性可將其輸入信號(hào)幅值取為1，這樣得到的響應(yīng)和實(shí)際輸入信號(hào)所產(chǎn)生的響應(yīng)，其變化特性完全相同，所不同的只是在幅值上按比例放大和縮小。因此，在研究系統(tǒng)性能時(shí)，系統(tǒng)的各類(lèi)輸入信號(hào)幅值一般均取為1。362021/11非線性系統(tǒng)：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，這類(lèi)系統(tǒng)就稱(chēng)為非線性系統(tǒng)。非線性方程的特點(diǎn)是系數(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)。如372021/11ct

ctct

c2

t

rt線性系統(tǒng)的重要特征是可以應(yīng)用線性疊加原理。由于描述非線性系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)模型為非線性微分方程，因此不滿(mǎn)足疊加性。故能否應(yīng)用疊加原理是兩類(lèi)系統(tǒng)的本質(zhì)區(qū)別。注意：嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，實(shí)際的物理系統(tǒng)中不存

性系統(tǒng)，總是或多或少存在不同程度的非線性特性。為了研究方

非線性不顯著或系統(tǒng)在非線性特性區(qū)域的工作范圍不大，可將其視為線性，或?qū)⑵渚€性化，然后按線性系統(tǒng)處理。飽和非線性死區(qū)非線性間隙非線性繼電非線性382021/11恒值控制系統(tǒng)（自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)）輸入信號(hào)是某個(gè)恒定不變的常數(shù)，要求系統(tǒng)的被控量盡可能的保持在期望值附近，系統(tǒng)的主要問(wèn)題是存在使被控量偏離期望值的擾動(dòng)；控制的任務(wù)就是要增強(qiáng)系統(tǒng)的抗擾動(dòng)能力，使擾動(dòng)作用于系統(tǒng)時(shí)，被控量能盡快的恢復(fù)到期望值上。例如：工業(yè)生產(chǎn)中的溫度、壓力、流量等參數(shù)的控制系統(tǒng)二、按輸入信號(hào)特征分類(lèi)（1）392021/11隨動(dòng)控制系統(tǒng)（伺服系統(tǒng)）輸入信號(hào)是隨時(shí)間任意變化的函數(shù)，要求系統(tǒng)的輸出信號(hào)緊緊跟隨輸入信號(hào)的變化。系統(tǒng)面臨的主要

是，被控對(duì)象和執(zhí)行機(jī)構(gòu)因慣性等因素的影響，使得系統(tǒng)的輸出信號(hào)不能緊緊跟隨輸入信號(hào)的變化，控制系統(tǒng)的主要任務(wù)就是提高系統(tǒng)的能力，使系統(tǒng)能夠跟隨難以預(yù)知的輸入信號(hào)的變化。例如：火自動(dòng)系統(tǒng)、的天線控制系統(tǒng)等。二、按輸入信號(hào)特征分類(lèi)（2）402021/11連續(xù)系統(tǒng)：系統(tǒng)中所有物理量均為時(shí)間的連續(xù)函數(shù)，其數(shù)模為微分方程離散系統(tǒng)：系統(tǒng)中所有物理量均為時(shí)間的離散函數(shù)，其數(shù)模為差分方程離散系統(tǒng)是一個(gè)總稱(chēng)，如果系統(tǒng)中使用采樣開(kāi)關(guān)，將連續(xù)函數(shù)形式的信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡x散脈沖序列形式

的信號(hào)進(jìn)行，這樣的系統(tǒng)稱(chēng)為采樣控制系統(tǒng)；如果使用計(jì)算機(jī)或數(shù)字控制器，離散信號(hào)以數(shù)碼形

式傳遞，這樣的系統(tǒng)稱(chēng)為數(shù)字控制系統(tǒng)。412021/11三、從信號(hào)的連續(xù)離散來(lái)分類(lèi)2021/11rtt0rt

定常系統(tǒng)：如果描述系統(tǒng)的微分方程或差分方程的系數(shù)均為常數(shù)，這類(lèi)系統(tǒng)為定常系統(tǒng)，又稱(chēng)時(shí)不變系統(tǒng)。特點(diǎn)：系統(tǒng)的響應(yīng)特性只取決于輸入信號(hào)的形狀和系統(tǒng)的特性，而與輸入信號(hào)施加的時(shí)刻無(wú)關(guān)。yt

yt

t420t0

四、按系統(tǒng)參數(shù)是否隨時(shí)間變化分類(lèi)時(shí)變系統(tǒng)：

如果系統(tǒng)的參數(shù)或結(jié)構(gòu)隨時(shí)間而變化，則稱(chēng)這類(lèi)系統(tǒng)為時(shí)變系統(tǒng)。特點(diǎn)：系統(tǒng)的響應(yīng)特性不僅取決于輸入信號(hào)的形狀和系統(tǒng)的特性，而且還與輸入信號(hào)施加的時(shí)間有關(guān)。對(duì)于同一系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，當(dāng)輸入信號(hào)在不同時(shí)刻作用于系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)的響應(yīng)是不同的。時(shí)變系統(tǒng)的這一特性給系統(tǒng)的分析研究帶來(lái)了

。rtt0yt

yt

rt

t0t0

432021/111.5

控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)442021/111.穩(wěn)定性系統(tǒng)在受到擾動(dòng)作用后自動(dòng)返回原來(lái)的平衡狀態(tài)的能力。如果系統(tǒng)受到擾動(dòng)作用（系統(tǒng)內(nèi)或系統(tǒng)外）后，能自動(dòng)返回到原來(lái)的平衡狀態(tài)，則該系統(tǒng)是穩(wěn)定的。穩(wěn)定系統(tǒng)的數(shù)學(xué)特征是其輸出量具有非發(fā)散性；反之，系統(tǒng)是不穩(wěn)定系統(tǒng)。穩(wěn)定性示意圖452021/112.

穩(wěn)態(tài)誤差462021/11自動(dòng)控制系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)下的控制精度的度量?？刂葡到y(tǒng)的輸出響應(yīng)在過(guò)渡過(guò)程結(jié)束后的變化形態(tài)稱(chēng)為穩(wěn)態(tài)。穩(wěn)態(tài)誤差為期望的穩(wěn)態(tài)輸出量與實(shí)際的穩(wěn)態(tài)輸出量之差?？刂葡到y(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差越小說(shuō)明控制精度越高。因此穩(wěn)態(tài)誤差常作為衡量控制系統(tǒng)性能好壞的一項(xiàng)指標(biāo)?？刂葡到y(tǒng)設(shè)計(jì)的課題之一，就是要在兼顧其他性能指標(biāo)的情況下，使穩(wěn)態(tài)誤差盡可能小或者小于某個(gè)容許的限制值。472021/113.

瞬態(tài)響應(yīng)指標(biāo)在時(shí)域中，常用單位階躍信號(hào)作用下，系統(tǒng)輸出的超調(diào)量p

,上升時(shí)間Tr,峰值時(shí)間Tp,過(guò)渡過(guò)程時(shí)間（或調(diào)整時(shí)間）Ts

和振蕩次數(shù)N等特征量表示。單位階躍信號(hào)作用下，穩(wěn)定系統(tǒng)的典型輸出響應(yīng)曲線見(jiàn)下圖8h(t)t峰值時(shí)間tpABB超調(diào)量σ%

=

A

100%上升時(shí)間tr調(diào)節(jié)時(shí)間ts穩(wěn)定系統(tǒng)的典型單位階躍響應(yīng)曲線2021/1149自動(dòng)控制系統(tǒng)的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，既有確定性外作用，又有隨機(jī)性外作用。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，為了便于用的方法研究和比較系統(tǒng)的性能，通常選用幾種確定性函數(shù)作為典型外作用?？蛇x作典型外作用的函數(shù)應(yīng)具備以下條件：這種函數(shù)在現(xiàn)場(chǎng)或

中容易獲得；控制系統(tǒng)在這種函數(shù)作用下的性能應(yīng)代表在實(shí)際工作條件下的性能；這種函數(shù)的數(shù)學(xué)表達(dá)式簡(jiǎn)單，便于理論計(jì)算。目前，在工程設(shè)計(jì)中常用的典型外作用函數(shù)有階躍函數(shù)、斜坡函數(shù)、脈沖函數(shù)及正弦函數(shù)等確定性函數(shù)。2021/11幾種典型外作用（1）階躍函數(shù)(step

function)（2）斜坡函數(shù)(ramp

function)Rt

0t

0f

t

0Rt t

0f

t

0階躍函數(shù)的幅值R=1時(shí)，稱(chēng)為單位階躍函數(shù).例如：電源電壓的突然跳動(dòng)；負(fù)載突然增大或減??；恒值控制系統(tǒng)的設(shè)定值等等。t

0當(dāng)R=1時(shí)，稱(chēng)為單位斜坡函