第1章 控制系統(tǒng)基本概念

第1章控制系統(tǒng)的基本概念1.0緒論控制工程：是一門新型的科學技術，也是一門

邊緣學科。它的理論基礎是工程控制論；歷史：一千多年前〈銅壺滴漏計時器、指南針、天文儀器〉(四大發(fā)明:火藥/造紙術/指南針/印刷術)；瓦特：(1788年)發(fā)明了蒸汽機飛輪調速器，充實了“經(jīng)典控制理論”；戰(zhàn)爭：二次大戰(zhàn)前〈試湊法〉，二次大戰(zhàn)期間【由于建造】〈飛機、自動駕駛儀、雷達跟蹤系統(tǒng)、火炮瞄準系統(tǒng)〉，從而推動了控制論的發(fā)展！

1948年：維納→《控制論》→形成了經(jīng)典控制理論；1968年：麥克斯威爾→〖調速器原理〗→“反饋控制理論”；勞斯（1884年）、霍爾維茨（1895年）→代數(shù)穩(wěn)定判據(jù)；1932年：Nyquist(奈奎斯特)→Nyquist穩(wěn)定判據(jù)；此后：Bode(波特)→負反饋放大器；

1948年：伊萬斯→根軌跡法→充實《控制理論》；二戰(zhàn)后：控制理論(擴充)→民用、化工、煉油、冶金中→使之發(fā)展！

1954年：錢學森→《工程控制論》！

50、60年代：→導彈制導、數(shù)控、空間技術→電子計算機技術→形成了“現(xiàn)代控制理論”！

【總之】對“現(xiàn)代控制理論”有突出貢獻的科學家1892年(沙俄)：李稚普諾夫；1956年(前蘇聯(lián))：邦特略京(極大值理論)；1957年(美國)：貝爾曼(動態(tài)規(guī)劃理論)；1960年(美國)：卡曼(卡曼濾波理論)。1.1控制系統(tǒng)的工作原理及其組成1.1.1工作原理下面以恒溫控制系統(tǒng)分析控制系統(tǒng)的控制工程人工調節(jié)過程可歸結如下：(1)觀測由測量元件(溫度計)測出的恒溫箱內的溫度(被控制量)；(2)與要求的溫度值(給定值)進行比較，得出偏差的大小和方向。(3)根據(jù)偏差的大小和方向再進行控制。當恒溫箱內溫度高于所要求的給定溫度值時，調整調壓器使電壓減小，溫度降低。若溫度低于給定的值，則調整調壓器，使電壓增加，溫度升到正常范圍?？偨Y：人工控制過程就是“檢測偏差再糾正偏差”的過程當然可以用一個控制器來代替人的職能，把人工控制變成

一個自動控制系統(tǒng)。

note:?u=u1-u2當偏差信號?u=0時電動機才停轉！！

綜上所述，可以歸納控制系統(tǒng)的工作原理如下：

(1)檢測輸出量的實際值；(2)將實際值與給定值(輸入量)進行比較得出偏差值；(3)用偏差值產(chǎn)生控制調節(jié)作用去消除偏差。“恒溫箱溫度自動控制系統(tǒng)”的職能框圖如下：

note:?代表比較元件；箭頭代表作用方向；每個職能框代表一個環(huán)節(jié)。1.1.2開環(huán)控制和閉環(huán)控制1.開環(huán)控制系統(tǒng)定義：如果系統(tǒng)只是根據(jù)輸入量和干擾量進行控制，而輸出端和輸入端之間不存在反饋回路，輸出量在整個控制過程中對系統(tǒng)的控制不產(chǎn)生任何影響，這樣的系統(tǒng)稱為開環(huán)控制系統(tǒng)。

“數(shù)控機床的開環(huán)控制系統(tǒng)”如下：

note:開環(huán)系統(tǒng)的優(yōu)點：結構簡單，系統(tǒng)穩(wěn)定性好，成本低；開環(huán)系統(tǒng)的缺點：當控制過程受到各種擾動因素影響時，將會直接影響輸出量，而系統(tǒng)不能自動進行補償?；瑒优_面系統(tǒng)

（開環(huán)系統(tǒng)）2.閉環(huán)控制系統(tǒng)定義：

如果系統(tǒng)的輸出端和輸入端之間存在反饋回路，輸出量對控制過程產(chǎn)生直接影響，這種系統(tǒng)稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)。

note:①.反饋控制系統(tǒng)必是閉環(huán)控制系統(tǒng)；②.前述的恒溫箱溫度自動控制系統(tǒng)就是一個閉環(huán)控制系統(tǒng)；note:③.閉環(huán)系統(tǒng)的優(yōu)點：控制精度高，不管遇到什么干擾，只要被控制量的實際值偏離給定值，閉環(huán)控制就會產(chǎn)生控制作用來減小這一偏差；閉環(huán)系統(tǒng)的缺點：由于是靠偏差進行控制的，因此，在整個控制過程中始終存在著偏差，由于元件的慣性(如負載的慣性)，若參數(shù)配置不當，很容易引起振蕩，使系統(tǒng)不穩(wěn)定，而無法工作。所以，在閉環(huán)控制系統(tǒng)中精度和穩(wěn)定性之間總存在著矛盾，必須合理地解決。3.半閉環(huán)控制系統(tǒng)定義：如果控制系統(tǒng)的反饋信號不是直接從系統(tǒng)的輸出端引出，而是間接地取自中間的測量元件（例如在數(shù)控機床的進給伺服系統(tǒng)中，若將位置檢測裝置安裝在傳動絲杠的端部，間接測量工作臺的實際位移），則這種系統(tǒng)稱為半閉環(huán)控制系統(tǒng)。1.1.3閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成包括：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。說明：給定元件：用于產(chǎn)生給定信號或輸入信號；反饋元件：測量被控制量或輸出量；比較元件：用來接收輸入信號和反饋信號并進行比較，產(chǎn)生反映兩者差值的偏差信號；放大元件：對偏差信號進行放大的元件；執(zhí)行元件：直接對控制對象進行操縱的元件；校正元件：校正元件又稱校正裝置。串接在系統(tǒng)前向通路上的稱為串聯(lián)校正裝置，并接在反饋回路上的稱為并聯(lián)校正裝置。

1.2控制系統(tǒng)的基本類型1.2.1按輸入量的特征分類1.恒值控制系統(tǒng)定義：系統(tǒng)的輸入量是恒量，并且要求系統(tǒng)的輸出量相應地保持恒定。[實例]空調機、交流穩(wěn)壓電源等就是恒值控制系統(tǒng)2.隨動系統(tǒng)定義：系統(tǒng)的輸入量是變化著的（甚至是隨機的），并且要求系統(tǒng)的輸出量能跟隨輸入量的變化而作出相應的變化。右圖：為一隨動系統(tǒng)液壓缸缸體(刀具6)完全跟隨閥芯(觸銷8)運動_____隨動系統(tǒng)3.程序控制系統(tǒng)

定義：這種系統(tǒng)的輸入量不為常值，但其變化規(guī)律是預先知道和確定的?？梢灶A先將輸入量的變化規(guī)律編成程序，由該程序發(fā)出控制指令，在輸入裝置中再將控制指令轉換為控制信號，經(jīng)過全系統(tǒng)的作用，使控制對象按指令的要求而運動。上圖表示一個用于“機床切削加工”的程序控制系統(tǒng)（上圖：構成開環(huán)；下圖：構成閉環(huán)）1.2.2按系統(tǒng)中傳遞信號的性質分類1.連續(xù)控制系統(tǒng)定義：系統(tǒng)中各部分傳遞的信號都是連續(xù)時間變量的系統(tǒng)稱為連續(xù)控制系統(tǒng)。note:①連續(xù)控制系統(tǒng)分為線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)；②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、存在著非線性部件的系統(tǒng)稱為非線性系統(tǒng)。2.離散控制系統(tǒng)定義：系統(tǒng)中某一處或數(shù)處的信號是脈沖序列或數(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))。note:由計算機參與的控制系統(tǒng)肯定是離散控制系統(tǒng)note:連續(xù)控制系統(tǒng)和離散控制系統(tǒng)的信號形式有較大差別，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統(tǒng)的運動狀態(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)的運動狀態(tài)，用Z變換法引出脈沖傳遞函數(shù)來研究系統(tǒng)的動態(tài)特性。

1．3對控制系統(tǒng)的基本要求

穩(wěn)定、精確、快速

?穩(wěn)定性：穩(wěn)定性就是指系統(tǒng)動態(tài)過程的振蕩傾向及其恢復平衡狀態(tài)的能力。

?精確性：控制系統(tǒng)的精確性即控制精度，一般以穩(wěn)態(tài)誤差來衡量。所謂穩(wěn)態(tài)誤差是指以一定變化規(guī)律的輸入信號作用于系統(tǒng)后，當調整過程結束而趨于穩(wěn)定時，輸出量的實際值與期望值之間的誤差值。

?快速性：快速性是指當系統(tǒng)的輸出量與輸入量之間產(chǎn)生偏差時，消除這種偏差的快慢程度。note:?由于控制對象的具體情況不同，各種系統(tǒng)對穩(wěn)定、精確、快速這三方面的要求是各有側重的：例如，調速系統(tǒng)對穩(wěn)定性要求較嚴格，而隨動系統(tǒng)則對快速性提出較高的要求；?即使對于同一個系統(tǒng)，穩(wěn)、快、準也是相互制約的。提高快速性，可能會引起強烈振蕩；改善了穩(wěn)定性，控制過程又可能過于遲緩，甚至精度也會變差。附加實例實例1：

恒值控制系統(tǒng)、隨動系統(tǒng)和程序（過程）控制系統(tǒng)的主要區(qū)別是什么？判斷下列系統(tǒng)屬于哪一類系統(tǒng)？電飯煲、空調機、熱水器、仿形加工機床、自動跟蹤雷達、交流穩(wěn)壓器、數(shù)控加工中心和啤酒生產(chǎn)自動線等。[答]：1.恒值控制系統(tǒng)的特點：系統(tǒng)的輸入量是恒量，并且要求系統(tǒng)的輸出量相應地保持恒定；

隨動系統(tǒng)的特點：系統(tǒng)的輸入量是變化著的（甚至是隨機的），并且要求系統(tǒng)的輸出量能跟隨輸入量的變化而作出相應的變化；程序(過程)控制系統(tǒng)的特點：生產(chǎn)過程中的各物理量按照程序指令作協(xié)調的調整和變化。

2.恒值控制系統(tǒng):電飯煲、空調機、熱水器、交流穩(wěn)壓器；

隨動系統(tǒng)：仿形加工機床、自動跟蹤雷達；

程序（過程）控制系統(tǒng)：數(shù)控加工中心和啤酒生產(chǎn)自動線。指出下列系統(tǒng)中，哪些屬于開環(huán)控制？哪些屬于閉環(huán)控制？①家用電冰箱；②家用空調器；③家用洗衣機；④抽水馬桶；⑤普通車床；⑥電飯煲；⑦多速電風扇；⑧高樓水箱；⑨調光臺燈；⑩自動報時電子鐘?！敬稹俊锛矣孟匆聶C為定時設定，無反饋環(huán)節(jié)；普通車床、多速電風扇、調光臺燈、自動報時電子鐘等均為預先的設