第一章控系統(tǒng)制的一般概念鄒伯敏

第一章控制系統(tǒng)的一般概念2023/2/4自動控制的一般概念2本章內(nèi)容1.1引言1.2開環(huán)控制和閉環(huán)控制1.3控制系統(tǒng)分類1.4控制系統(tǒng)的組成與對控制系統(tǒng)的基本要求第一節(jié)引言自動控制的一般概念2023/2/4自動控制的一般概念4自動控制理論的發(fā)展概況自動控制成為一門科學(xué)是從1945年發(fā)展起來的。開始多用于工業(yè)：壓力、溫度、流量、位移、濕度、粘度自動控制后來進(jìn)入軍事領(lǐng)域：飛機(jī)自動駕駛、火炮自動跟蹤、導(dǎo)彈、衛(wèi)星、宇宙飛船自動控制目前滲透到更多領(lǐng)域：大系統(tǒng)、交通管理、圖書管理等生物學(xué)系統(tǒng)：生物控制論、波斯頓假肢、人造器官經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)：模擬經(jīng)濟(jì)管理過程、經(jīng)濟(jì)控制論四個階段:2023/2/45十八世紀(jì)以后，蒸汽機(jī)的使用提出了調(diào)速穩(wěn)定等問題

1765年，俄國人波爾祖諾夫發(fā)明了鍋爐水位調(diào)節(jié)器

1784年，英國人瓦特發(fā)明了蒸汽機(jī)離心式調(diào)速器，是自動控制領(lǐng)域的第一項(xiàng)重大成果。

第一階段.胚胎萌芽期（1945年以前）十九世紀(jì)前半葉，發(fā)電機(jī)和電動機(jī)的使用，促進(jìn)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)展1868年，{英）J.C.麥克斯韋（“輪調(diào)速器”論文）提出了用微分方程描述運(yùn)動系統(tǒng)的方法。1856年，（英）E。J。Routh提出了勞斯穩(wěn)定判據(jù)1892年，（俄）李雅普諾夫發(fā)表了《論運(yùn)動穩(wěn)定性的一般問題》論文1895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2023/2/46瓦特的蒸汽機(jī)離心式調(diào)速器自動控制的一般概念2023/2/47十九世紀(jì)末，二十世紀(jì)初，內(nèi)燃機(jī)的使用和第二次世界大戰(zhàn)，促進(jìn)了汽車、船舶、機(jī)器制造業(yè)和石油工業(yè)的發(fā)展，生產(chǎn)了飛機(jī)、雷達(dá)、火炮上的伺服控制機(jī)構(gòu)和過程控制系統(tǒng)。1922年，Minorsky（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1932年，Nyquist提出了一種根據(jù)系統(tǒng)的開環(huán)頻率響應(yīng)(對穩(wěn)態(tài)正弦輸入)，確定閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定性的方法1934年，Hezen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的機(jī)電伺服機(jī)構(gòu)。自動控制的一般概念2023/2/48

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。

第二階段.經(jīng)典控制理論時期（1940-1960）1945年，（美）Bode發(fā)表了“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)。1948年，（美）Evans提出并完善了根軌跡法。1948年，（美）N.Wiener發(fā)表了《控制論》（關(guān)于在動物和機(jī)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)。自動控制的一般概念2023/2/49第三階段.現(xiàn)代控制理論時期（1950～）隨著現(xiàn)代應(yīng)用數(shù)學(xué)新成果的推出和計算機(jī)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，自動控制理論跨入了一個新階段——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?，F(xiàn)代控制理論主要研究具有高性能、高精度的多變量變參數(shù)系統(tǒng)的最優(yōu)控制問題，主要采用的方法是以狀態(tài)為基礎(chǔ)的狀態(tài)空間法。

1957年，美國數(shù)學(xué)家R.Bellman提出《動態(tài)規(guī)劃》，兩者為解決最優(yōu)控制問題提供了理論工具。

1956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”，也即最大值原理。

1960年，R.E.Kallman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。自動控制的一般概念2023/2/410第四階段.大系統(tǒng)和智能控制時期（1970～）現(xiàn)代控制理論的迅速發(fā)展，形成了多個重要分支：(1)系統(tǒng)辯識、建模與仿真(2)自適應(yīng)控制和自校正控制器(3)遙測、遙控和遙感(4)綜合自動化(5)大系統(tǒng)理論的誕生(6)模式識別和人工智能(7)智能控制的誕生自動控制的一般概念經(jīng)典控制理論現(xiàn)代控制理論經(jīng)典控制理論主要研究對象:對單輸入單輸出線性定常系統(tǒng)的分析和設(shè)計問題?，F(xiàn)代控制理論主要研究對象:多輸入、多輸出、時變參數(shù)、高精度復(fù)雜系統(tǒng)的分析和設(shè)計問題。自動控制的一般概念2023/2/411自動控制研究的內(nèi)容：研究對象數(shù)學(xué)工具分析方法局限性經(jīng)典控制理論單I/O線性定常系統(tǒng)微分方程，傳遞函數(shù)時域法根軌跡法頻域法對復(fù)雜多變量系統(tǒng)、時變和非線性系統(tǒng)無能為力現(xiàn)代控制理論多輸入-多輸出變系數(shù)，非線性等系統(tǒng)線性代數(shù)、矩陣?yán)碚摖顟B(tài)空間法比較繁瑣（但由于計算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，已克服)自動控制的一般概念2023/2/4122023/2/413經(jīng)典控制理論以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)研究單輸入-單輸出一類線性定?？刂葡到y(tǒng)的分析與設(shè)計問題。這些理論由于其發(fā)展較早，現(xiàn)已成熟。

現(xiàn)代控制理論以狀態(tài)空間法為基礎(chǔ)，研究多輸入-多輸出、時變、非線性一類控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計問題。系統(tǒng)具有高精度和高效能的特點(diǎn)。自動控制的一般概念總結(jié)：第二節(jié)

開環(huán)控制與閉環(huán)控制自動控制的一般概念2023/2/415本節(jié)主要內(nèi)容1.開環(huán)控制系統(tǒng)2.閉環(huán)控制系統(tǒng)3.反饋控制系統(tǒng)4.自動控制系統(tǒng)基本控制方式自動控制的一般概念2023/2/4161.開環(huán)控制系統(tǒng)直流電動機(jī)轉(zhuǎn)速開環(huán)控制系統(tǒng)

自動控制的一般概念2023/2/417本例中的被控對象即為電動機(jī)M，GT和V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“電動機(jī)的轉(zhuǎn)速n維持預(yù)期值不變”。轉(zhuǎn)速n的預(yù)期值與電位器RP1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量或給定量，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速n稱為輸出量或被控量。輸入量對應(yīng)期望的輸出量(比如10V對應(yīng)1000r/min)，自動控制的過程就是力圖使實(shí)際的輸出量與期望的輸出量相等。自動控制的一般概念2023/2/418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，信息和控制作用的傳送是單方向的，所以稱為開環(huán)。自動控制的一般概念2023/2/4192.閉環(huán)控制系統(tǒng)自動控制的一般概念本例中的被控對象仍為電動機(jī)M。測速發(fā)電機(jī)將M的速度轉(zhuǎn)變?yōu)榕c設(shè)定值相匹配的值，并與設(shè)定值進(jìn)行比較得到誤差信號e，當(dāng)給出被調(diào)參數(shù)不全要求時，控制器GT有輸出而工作，直到輸出達(dá)到預(yù)定，誤差信號為0（理想狀態(tài)），系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定。2023/2/421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)。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)，所以稱為閉環(huán)。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)?shù)）之差，稱為誤差信號，誤差信號加到控制器上，以減小系統(tǒng)的誤差，并使系統(tǒng)的輸出量趨于所希望的值，換句話說，“閉環(huán)”這個術(shù)語的涵義，就是應(yīng)用反饋?zhàn)饔脕頊p小系統(tǒng)的誤差。閉環(huán)控制系統(tǒng)的定義自動控制的一般概念2023/2/422閉環(huán)與開環(huán)控制系統(tǒng)的比較

閉環(huán)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)偏差控制，可以抑制內(nèi)、外擾動對被控制量產(chǎn)生的影響。精度高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)計、分析麻煩。開環(huán)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)順向作用，沒有反向的聯(lián)系，沒有修正偏差能力，抗擾動性較差。結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)整方便、成本低。自動控制的一般概念序號比較項(xiàng)目開環(huán)控制閉環(huán)控制1通道只有前向通道前向通道反饋通道2結(jié)構(gòu)簡單、成本低復(fù)雜、成本高3精度低高4抗干擾能力弱強(qiáng)5對元件的要求精度取決于元件的質(zhì)量，對元件要求高有反饋通道，使系統(tǒng)對前向通道中元件參數(shù)變化不靈敏，對一些非線性影響也不敏感6穩(wěn)定性一般易穩(wěn)定，但受干擾后，沒有消除誤差的能力需精細(xì)設(shè)計系統(tǒng)，否則容易不穩(wěn)定7適用范圍適用于輸入量已知，精度要求不高，擾動不大的情況，如：洗衣機(jī)、普通電烤箱等適用于輸入量已知或未知（隨動）、精度要求高、干擾較強(qiáng)的情況，如：航天設(shè)備、精密加工設(shè)備、機(jī)器人等8控制器的輸入信號參考給定值誤差信號（即給定值與反饋值的差）2023/2/4243.反饋控制原理1）反饋

把取出的輸出量送回輸入端，并與輸入信號相比較產(chǎn)生偏差信號的過程，稱為反饋。其信息的傳遞途徑是一個自身閉合的環(huán)。若反饋的信號與輸入信號相減，使產(chǎn)生的偏差越來越小，則稱為負(fù)反饋；反之，則稱為正反饋。反饋控制是一種基于偏差的控制，其基本思想是按照被控制量偏離給定值的方向而向相反方向改變控制量。2）反饋控制原理自動控制的一般概念2023/2/4253)反饋控制系統(tǒng)能對輸入量與輸出量進(jìn)行比較，并且將它們的偏差作為控制手段，以保持兩者之間預(yù)定關(guān)系的系統(tǒng)，稱為反饋控制系統(tǒng)。由于引入了被反饋量的反饋信息，整個控制過程成為閉合的，因此反饋控制也稱為閉環(huán)控制。自動控制的一般概念2023/2/4264）反饋控制系統(tǒng)的基本組成自動控制的一般概念2023/2/4274.自動控制系統(tǒng)基本控制方式（1）開環(huán)控制系統(tǒng)（2）反饋（閉環(huán)）控制系統(tǒng)（3）復(fù)合控制方式自動控制的一般概念2023/2/428復(fù)合控制方式定義

把按偏差控制和按擾動控制結(jié)合的一起的控制系統(tǒng)稱為復(fù)合控制系統(tǒng)。C(S)Kf/KDG1(S)KGc(S)G2(S)G(S)Gf(S)F(S)=-ML(S)R(S)自動控制的一般概念第三節(jié)

控制系統(tǒng)的分類自動控制的一般概念2023/2/430

自動控制系統(tǒng)的分類開環(huán)控制閉環(huán)控制(反饋控制)復(fù)合控制按控制方式分自動控制的一般概念2023/2/431機(jī)械系統(tǒng)——恒張力系統(tǒng)機(jī)電系統(tǒng)——全自動照相機(jī)，光機(jī)電結(jié)合液壓系統(tǒng)——伺服液壓缸，汽車發(fā)動機(jī)，大型的仿真模擬臺氣動系統(tǒng)生物系統(tǒng)按元件類型分自動控制的一般概念2023/2/432按系統(tǒng)功用分溫度控制系統(tǒng)壓力控制系統(tǒng)位置控制系統(tǒng)自動控制的一般概念2023/2/433線性系統(tǒng)非線性系統(tǒng)連續(xù)系統(tǒng)定常系統(tǒng)時變系統(tǒng)確定性系統(tǒng)不確定性系統(tǒng)按系統(tǒng)性能分離散系統(tǒng)自動控制的一般概念2023/2/434恒值控制系統(tǒng)隨動系統(tǒng)數(shù)字控制系統(tǒng)按參據(jù)量變化規(guī)律分自動控制的一般概念第四節(jié)

控制系統(tǒng)的組成與對控制系統(tǒng)的基本要求自動控制的一般概念2023/2/436圖（Ⅰ）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(shí)際液位與希望液位，并通過調(diào)整氣動閥門的開度，對誤差進(jìn)行修正，從而保持液位不變。圖（Ⅱ）是該控制系統(tǒng)的方框圖?？刂葡到y(tǒng)的組成自動控制的一般概念2023/2/437自動控制的一般概念2023/2/438自動控制的一般概念參考輸入：希望液位控制器：比較、放大的作用執(zhí)行機(jī)構(gòu)：氣動閥門被控對象：水箱反饋元件：浮子，液面測量干擾量：Q2誤差信號：希望與實(shí)際之差輸出量：實(shí)際液位反饋量：測量轉(zhuǎn)變后的量比較點(diǎn)：引出點(diǎn)：環(huán)節(jié)：將組成系統(tǒng)的元部件按職能分類：2023/2/440（1）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，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。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)。對自動控制系統(tǒng)性能的基本要求

對控制系統(tǒng)的基本要求可以概括為兩點(diǎn)：首先，系統(tǒng)必須是穩(wěn)定的；其次，系統(tǒng)應(yīng)該具有良好的動態(tài)品質(zhì)和穩(wěn)態(tài)精度。穩(wěn)定是控制系統(tǒng)能夠正常工作的基本前提，而動態(tài)品質(zhì)和穩(wěn)態(tài)精度則是控制系統(tǒng)動、靜態(tài)性能優(yōu)劣的評價。自動控制的一般概念2023/2/441穩(wěn)定的控制系統(tǒng)和不穩(wěn)定控制系統(tǒng)穩(wěn)定的控制系統(tǒng)不穩(wěn)定的控制系統(tǒng)自動控制的一般概念2023