第1章 控制系統(tǒng)一般概念(通信)

控制工程基礎(chǔ)江南大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院課程性質(zhì)：專業(yè)選修課任課教師：于力革聯(lián)系方式作部門：物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院自動化系第一章控制系統(tǒng)的一般概念1.1引言1.2控制科學(xué)與控制論、系統(tǒng)論、信息論1.3自動控制的發(fā)展1.4自動控制系統(tǒng)分類和組成1.5閉環(huán)控制系統(tǒng)的基本組成1.6現(xiàn)代控制系統(tǒng)實例1.7對控制系統(tǒng)的基本要求1.8典型輸入信號或者激勵信號在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展中，自動控制理論與自動控制系統(tǒng)起著越來越重要的作用。除了在宇宙飛船系統(tǒng)、導(dǎo)彈制導(dǎo)系統(tǒng)和機器人系統(tǒng)等領(lǐng)域，自動控制具有特別重要的作用外，它已經(jīng)成為現(xiàn)代制造業(yè)和工業(yè)過程中的不可缺少的組成部分。1.1引言

通信中的自動控制智能建筑的中樞神經(jīng)系統(tǒng)——通信自動化系統(tǒng)它對建筑內(nèi)外的信息進行收集、存儲、處理、傳輸，并提供決策支持。無線傳感網(wǎng)的信息傳遞——自動功率控制傳感節(jié)點采集的信息通過一跳或多跳的方式發(fā)送給匯聚節(jié)點，依據(jù)通信距離自動控制其發(fā)送的功率。在實際信道傳輸數(shù)字信號的過程中，由于存在噪聲以及信道傳輸特性不理想所造成的碼間串?dāng)_，會引起傳輸差錯。為了提高數(shù)字傳輸系統(tǒng)的可靠性，降低信息傳輸?shù)牟铄e率，可以采用差錯控制編碼，對差錯進行控制。常用的差錯控制方式主要有三種：前向糾錯、檢錯重發(fā)和混合糾錯。以檢錯重發(fā)方式為例，發(fā)送端經(jīng)信道編碼后發(fā)出具有檢錯能力的碼組，接收端收到后經(jīng)檢測如果發(fā)現(xiàn)傳輸中有錯誤，則通過反饋信道把這一判斷結(jié)果反饋給發(fā)送端，然后，發(fā)送端把前面發(fā)出的信息重新傳送一次，直到接收端認為已經(jīng)正確為止。從原理上講：檢錯重發(fā)采用的是自動控制的原理。當(dāng)外界擾動使得電動機的轉(zhuǎn)速升高時，測速發(fā)電機的輸出電壓增大，從而導(dǎo)致電壓放大器的輸入電壓降低，降低，因此電動機兩端的電壓降低，最終使得電動機的輸出轉(zhuǎn)速降低，維持在希望的轉(zhuǎn)速值1000轉(zhuǎn)/秒。下圖是一個速度反饋控制系統(tǒng)，目的是使直流電動機速度n維持在1000轉(zhuǎn)/秒。

自動控制技術(shù)的核心就是反饋控制或閉環(huán)控制。從以上敘述可以理解到，反饋的含義是將系統(tǒng)的輸出經(jīng)過處理后再送到系統(tǒng)的輸入端，以調(diào)整系統(tǒng)的再輸出。除了工程系統(tǒng)以外，生物系統(tǒng)中的變量，如人體的血糖和血壓受某些過程的影響，而這些過程都可以通過自動控制方法進行研究。同樣，在經(jīng)濟系統(tǒng)中，大到宏觀控制，小到商業(yè)管理經(jīng)濟系統(tǒng)中的變量，如受政府財政政策影響的失業(yè)和通貨膨脹，亦可利用控制方法來研究。自動控制的這些應(yīng)用對現(xiàn)代社會的生產(chǎn)力產(chǎn)生了巨大的影響。目前，自動控制理論還在繼續(xù)發(fā)展，正向以控制論（Cybernetics）、信息論(Informationtheory)、系統(tǒng)論(Systematology)和仿生學(xué)(Bionics)為基礎(chǔ)的智能控制理論深入。End1.2控制科學(xué)與控制論、系統(tǒng)論、信息論自動控制系統(tǒng)是由各環(huán)節(jié)、部件組成，按反饋原理進行控制的。反饋控制是一種最基本的控制方式，它要求根據(jù)誤差信息通過一定的控制算法形成控制作用。在自動控制系統(tǒng)中包括多個環(huán)節(jié)：信息的量測（提取）、處理（加工和變換）和信息的傳輸（圖中的箭頭代表信息的傳輸方向或稱信息流向）、存儲及利用，并最終形成控制作用（也是一種信息）。因此可以看出，系統(tǒng)、信息和控制的緊密關(guān)系。系統(tǒng)是信息和控制的載體，而信息反映系統(tǒng)的性能，控制是實現(xiàn)預(yù)期性能的手段。“三論”——系統(tǒng)論、信息論和控制論為現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)提供了全新的思維方式和科學(xué)方法論原則，它們對整個人類社會起著巨大作用。信息論的創(chuàng)始人是美國學(xué)者C.香農(nóng)(Shannon)。人們通過分析系統(tǒng)中信息的流向、變換和處理來認識系統(tǒng)中每個元件的作用、功能和構(gòu)成。系統(tǒng)論是研究系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能一般規(guī)律的科學(xué)，其研究對象為各類系統(tǒng)，包括工程系統(tǒng)、社會系統(tǒng)、經(jīng)濟系統(tǒng)、生物系統(tǒng)等?？刂普撌茄芯縿游铩C器、自然和社會等系統(tǒng)中控制、反饋和通信的共同規(guī)律的科學(xué)。End1.3自動控制的發(fā)展最早應(yīng)用于工業(yè)過程的自動反饋控制器，是JamesWatt于1876年發(fā)明的離心飛球調(diào)速器，它被用來調(diào)節(jié)蒸汽機的速度。

航天飛機升空及在太空飛行,由于各種外部的因素,使得飛機偏離既定軌道,必須控制其回到設(shè)計的軌道上。（反饋控制）阿波羅宇宙飛船要成功登上月球，必需要求飛船為軟著陸，即飛船到達月球表面的向下速度為零，飛船運行過程中燃料消耗最小，飛行時間最短等等（最優(yōu)控制）自動控制應(yīng)用于航空航天，工業(yè)過程等等。

戰(zhàn)機追擊中，敵機飛行軌跡，我機是無法預(yù)知的，我機的飛行控制系統(tǒng)能準(zhǔn)確迅速地跟蹤敵機將敵機擊毀（自適應(yīng)跟蹤控制）。美國F-22隱形戰(zhàn)斗機在執(zhí)行任務(wù)時要避開敵方雷達搜索，同時根據(jù)地形變化進行控制，具有自學(xué)習(xí)的功能（智能控制）。中藥生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)（分離、純化、精制、制備、干燥等）

石油化工生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)機器人控制End1.4自動控制系統(tǒng)的分類和組成控制通過對系統(tǒng)輸入的操作使得輸出達到指定的目標(biāo)。1.自動控制的有關(guān)概念自控控制

就是在無人直接參加的情況下，利用控制裝置使被控對象（過程）自動地按預(yù)定規(guī)律變化的控制過程。

自動控制理論研究自動控制系統(tǒng)組成，進行系統(tǒng)分析設(shè)計的一般性理論。研究自動控制共同規(guī)律的技術(shù)科學(xué)。自動控制系統(tǒng)

由控制裝置和被控對象所組成，它們以某種相依賴的方式組合成為一個有機整體，并對被控對象輸出的物理量(如玻璃窯爐控制系統(tǒng)中的溫度、壓力、液位)進行自動控制。2.自動控制系統(tǒng)的分類根據(jù)控制方式分為：開環(huán)控制系統(tǒng)、反饋控制（閉環(huán)控制）系統(tǒng)等。根據(jù)系統(tǒng)性能分為：線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)、連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)、定常系統(tǒng)和時變系統(tǒng)、確定性系統(tǒng)和不確定性系統(tǒng)等。根據(jù)被控制量變化規(guī)律分為：恒值控制系統(tǒng)、隨動系統(tǒng)和程序控制系統(tǒng)等。根據(jù)元件類型分為：機械系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、機電系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、氣動系統(tǒng)和生物系統(tǒng)等。根據(jù)系統(tǒng)功用分為：溫度控制系統(tǒng)、壓力控制系統(tǒng)和位置控制系統(tǒng)等等。開環(huán)控制系統(tǒng)

開環(huán)控制系統(tǒng)又稱為前饋控制系統(tǒng)?？刂谱饔檬怯奢斎胄盘栔苯酉蚯拜斔停皇怯奢敵鲂盘柣剌?shù)捷斎胄盘杹磉M行控制的系統(tǒng)，稱為開環(huán)控制系統(tǒng)。輸出不影響輸入，對輸出不需測量，易于實現(xiàn)；組成系統(tǒng)的元部件精度高，系統(tǒng)的精度才能高；系統(tǒng)的穩(wěn)定性不是主要問題?？刂蒲b置被控對象u給定值擾動

被控量nc特點3.開環(huán)控制系統(tǒng)與閉環(huán)控制系統(tǒng)常見開環(huán)控制系統(tǒng)：自動洗衣機，自動流水線等。開環(huán)直流電機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)電位器電壓放大器可控硅功放直流電動機Purukn擾動ua框圖擾動電壓放大器可控硅功放閉環(huán)控制系統(tǒng)輸入量眼睛(書位置)大腦手臂、手輸出量(手位置)眼睛人取書的反饋控制系統(tǒng)示意圖輸出量與輸入量之間有反向聯(lián)系，靠輸入量與主反饋信號之間的偏差對輸出量進行控制的系統(tǒng)叫閉環(huán)控制系統(tǒng)（反饋控制系統(tǒng)）。電位器電壓放大器可控硅硅放大器直流電動機測速機Purubuk-n擾動ua框圖閉環(huán)直流電機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)電位器電位器電壓放大器可控硅放大器直流電動機測速機Purubuk－n擾動ua負反饋調(diào)整過程電位器電壓放大器可控硅放大器直流電動機測速機Purubuk＋n擾動ua正反饋（有效控制）（失控）控制器執(zhí)行機構(gòu)被控對象測量（變換）-r給定值e偏差擾動被控量nc測量信號

典型的閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖反饋控制，按反饋極性分為：正反饋，負反饋反饋系統(tǒng)如果無特殊說明，一般都指負反饋

輸出影響輸入，故能削弱或抑制干擾；低精度元件可組成高精度系統(tǒng)；因為可能發(fā)生超調(diào)、振蕩，故穩(wěn)定性很重要。閉環(huán)特點：4.恒值控制系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)恒值控制系統(tǒng)輸入量為恒定常值的反饋系統(tǒng)為恒值控制系統(tǒng)。系統(tǒng)的任務(wù)是保證在任何擾動作用下，輸出量以一定的精度接近給定值。如化工生產(chǎn)過程中的溫度、壓力、流量和液位等物理量的控制均為恒值控制。圖為一物料加熱用的爐溫自動控制系統(tǒng)。電爐是被控對象，而爐溫是被控制量。由電位器組成的溫度給定環(huán)節(jié)給出電壓,對應(yīng)所期望的爐內(nèi)溫度,它與表示實際爐溫的熱電偶的電壓相比較，形成誤差電壓uruf原理與框圖：隨動系統(tǒng)（伺服系統(tǒng)或跟蹤系統(tǒng)）輸入量是事先不確定的反饋系統(tǒng)稱為隨動系統(tǒng)或伺服系統(tǒng)或跟蹤系統(tǒng)，例如雷達跟蹤系統(tǒng)就是這樣的系統(tǒng)。在圖中所示的典型雷達系統(tǒng)中，拋物面形狀的天線不斷地發(fā)射電脈沖，系統(tǒng)接收從目標(biāo)飛行器發(fā)射回來的回波，并計算雷達天線的坐標(biāo)和指向目標(biāo)的向量之間的偏差。系統(tǒng)的任務(wù)是保證在任何擾動作用下，讓天線指向各個角落以保持這些指向目標(biāo)的向量的平行?；鹋谧詣用闇?zhǔn)系統(tǒng)，飛機俯仰角的儀表指示系統(tǒng)，X-Y記錄儀均為類似的隨動系統(tǒng)。

End

閉環(huán)控制系統(tǒng)是由各種不同的元部件組成的。將組成系統(tǒng)的元部件按職能分類主要有以下幾種：a.測量元件：檢測系統(tǒng)輸出并參與控制的信號；b.給定元件：系統(tǒng)輸入，給出系統(tǒng)的控制目標(biāo)；c.比較元件：比較和系統(tǒng)輸出系統(tǒng)輸入；d.放大元件：對控制信號進行放大；e.執(zhí)行元件：執(zhí)行控制信號，實現(xiàn)控制目標(biāo)；f.校正元件：對控制信號進行修正；1.5閉環(huán)控制系統(tǒng)的基本組成電位器電壓放大器可控硅硅放大器直流電動機測速機Purubuk-n擾動ua測量元件——測速發(fā)電機給定元件——電位器比較元件——電壓放大器放大元件——電壓放大器執(zhí)行元件——可控硅功放電位器輸入量串聯(lián)補償元件放大元件執(zhí)行元件被控對象輸出量反饋補償元件局部反饋反饋補償元件主反饋反饋控制系統(tǒng)基本組成框圖主反饋，局部反饋，單位反饋，負反饋，正反饋，主回路，局部回路等等概念：End1.6現(xiàn)代控制系統(tǒng)實例

1.硬盤驅(qū)動器的位置控制系統(tǒng)整個系統(tǒng)的控制目標(biāo)是將磁頭準(zhǔn)確定位，以便正確讀取磁盤磁道上的信息，因此被控制變量是磁頭的位置。原理：將預(yù)期的行車路線與實際的行車路線相比較，便能得到行駛偏差。實際路線的測量通過眼睛（傳感器）來實現(xiàn)或者通過手（傳感器）感知與方向盤的變化來實現(xiàn)。

2.汽車駕駛控制系統(tǒng)對于無人駕駛汽車，是通過自動駕駛儀實現(xiàn)。3.磁懸浮列車控制系統(tǒng)磁懸浮列車是一種依靠電磁場特有的“同性相斥”的特性將車輛托起，使整個列車懸浮在鐵軌之上，利用電磁力進行導(dǎo)向，并利用直線電機將電能直接轉(zhuǎn)換為推進力，來推動列車前進。飛行器控制系統(tǒng)是指駕駛員（或自動控制裝置）通過對飛行器的副翼、升降舵、方向舵等裝置的操縱，控制飛行器的俯仰、橫滾和偏航等姿態(tài)的所需軟硬件的有機整體。方向舵副翼升降舵典型飛機俯仰角控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

4.飛行控制系統(tǒng)水溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)方框圖5.水溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)６．宏觀經(jīng)濟系統(tǒng)從20世紀60年代開始，控制論逐步應(yīng)用到經(jīng)濟領(lǐng)域，形成經(jīng)濟控制論。一些典型的經(jīng)濟現(xiàn)象，如生產(chǎn)、消費、貨幣、利潤、成本、稅收、貿(mào)易、信貸、庫存、銷售等，可按其表現(xiàn)范圍和結(jié)構(gòu)差異分為宏觀經(jīng)濟和微觀經(jīng)濟。一般地，國家或省市等的國民經(jīng)濟稱為宏觀經(jīng)濟，企業(yè)級的經(jīng)濟稱為微觀經(jīng)濟。國民經(jīng)濟的反饋控制系統(tǒng)

7．天宮一號與神十對接天宮一號神十End1.7自動控制系統(tǒng)的基本要求

為了實現(xiàn)自動控制的基本任務(wù)，必須對系統(tǒng)在控制過程中表現(xiàn)出來的行為提出要求。對控制系統(tǒng)的基本要求，通常是通過系統(tǒng)對特定輸入信號的響應(yīng)來滿足的。而這些特殊信號為：a、電動機調(diào)速系統(tǒng)，要求轉(zhuǎn)速是恒定的，即常值信號；b、溫度控制系統(tǒng)中，要求溫度是恒定的；c、液位控制系統(tǒng)中，要求液位是恒定的；d、雷達跟蹤系統(tǒng)中，要求及時準(zhǔn)確地跟蹤目標(biāo)……

階躍輸入信號是變化最劇烈，對系統(tǒng)最不利的外作用，如果系統(tǒng)在階躍函數(shù)作用下能滿足自動控制任務(wù)。那么，系統(tǒng)在其它緩慢變化的外作用下更能滿足要求。所以，常選用階躍函數(shù)作為典型輸入來研究系統(tǒng)的性能。1+△1-△

ts

tp

tr

△>01.對系統(tǒng)性能的基本要求階躍響應(yīng)的某些特征值，就是性能指標(biāo)，可以統(tǒng)一評價系統(tǒng)的性能?？偟膩碚f，希望實際的調(diào)節(jié)過程盡可能接近于理想的調(diào)節(jié)過程。對系統(tǒng)性能的基本要求是穩(wěn)、準(zhǔn)、快三個方面。穩(wěn)定性指系統(tǒng)重新恢復(fù)平穩(wěn)狀態(tài)的能力，即過渡過程收斂情況。曲線1、2、5最終趨于平衡狀態(tài)，這類系統(tǒng)是穩(wěn)定的。曲線3振蕩發(fā)散，曲線4單調(diào)發(fā)散,這類系統(tǒng)的過渡過程隨時間的推移而發(fā)散，無法正常工作，不穩(wěn)定。穩(wěn)定性是對控制系統(tǒng)的最基本要求！！!曲線1要反復(fù)振蕩才能達到穩(wěn)態(tài)值，過渡過程持續(xù)時間很長。曲線2要經(jīng)長時間的緩慢爬升才能到穩(wěn)定值，系統(tǒng)響應(yīng)遲鈍，過渡過程時間也很長，快速性都不好。曲線5快速趨于穩(wěn)定，即穩(wěn)且快，與理想的調(diào)節(jié)過程偏差最小。準(zhǔn)確性

指過渡過程結(jié)束后穩(wěn)態(tài)誤差越小越好。穩(wěn)態(tài)誤差：指過渡過程結(jié)束后，也就是進入穩(wěn)態(tài)過程后，希望的輸出量與實際輸出量之間的誤差，是恒量系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度的重要指標(biāo)。快速性

指過渡過程進行的時間長短。對性能指標(biāo)的要求，不同類型的系統(tǒng)有不同的側(cè)重點。1.8系統(tǒng)典型輸入信號為了能對不同的控制系統(tǒng)的性能用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)來恒量，通常需要選擇幾種典型的外輸入信號，這些信號往往有一定的工程背景。如，某窯爐檢修后，爐內(nèi)溫度從環(huán)境溫控上升到工作溫度1100°C時的升溫曲線為折線所示，若直接按虛線升溫，則會造成耐火材料的損壞。a.階躍函數(shù)數(shù)學(xué)表達式圖形

R0

tr(t)表示在t=0時刻出現(xiàn)了幅值為R的跳變，是非常不利的外作用。R=1時的階躍函數(shù)叫單位階躍函數(shù)，常用1(t)表示。常用階躍函數(shù)作為評價系統(tǒng)動態(tài)性能的典型外作用。所以階躍函數(shù)在自動控制系統(tǒng)的分析中起著特別重要的作用。b.斜坡函數(shù)（速度函數(shù)）數(shù)學(xué)表達式圖形

0

tr(t)表示從t=0時刻開始，以恒速R變化。R=1叫單位速度函數(shù)。c.加速度函數(shù)數(shù)學(xué)表達式圖形

表示從t=0時刻開始，以恒加速度R變化。R=1叫單位加速度函數(shù)。0

tr(t)e.脈沖函數(shù)數(shù)學(xué)表達式圖形

理想脈沖函數(shù)是對ε趨于0求極限得到的。脈沖函數(shù)在現(xiàn)實是不存在的，只是數(shù)學(xué)上的定義，在現(xiàn)實系統(tǒng)中常把作用時間很短，幅值很大而強度有限的外作用近似看作脈沖函數(shù)。當(dāng)A=1時，稱為單位脈沖函數(shù)，記作δ(t)強度為A的脈沖函數(shù)r(t)表示成r(t)=Aδ(t)0

tr(t)δ(t)tf.正弦函數(shù)數(shù)學(xué)表達式圖形

A為振幅，w=2πf為正弦函數(shù)的角頻率。這里，初始相角φ=0，如果初始相角φ不等于0，那么正弦函數(shù)r(t)的表達式為：

r(t)=Asin(wt-φ)正弦函數(shù)也是控制系統(tǒng)常見的一種典型外作用，很多實際的隨動系統(tǒng)就是經(jīng)常在這種正弦函數(shù)作用下工作的。系統(tǒng)在正弦函數(shù)作用下的響應(yīng)，即頻率特性，是自動控制理論研究系統(tǒng)性能的重要依據(jù)。r(t)tA從上表中可以看出，四種函數(shù)的關(guān)系具有導(dǎo)數(shù)關(guān)系。加速度函數(shù)速度函數(shù)階躍函數(shù)脈沖函數(shù)單位加速度函數(shù)單位速度函數(shù)單位階躍函數(shù)單位脈沖函數(shù)完參考書許賢良等.控制工程基礎(chǔ)教程.北京：國防工業(yè)