機械工程控制基礎(chǔ)

機械工程控制基礎(chǔ)2003年2月第頁第一頁，共七十三頁，2022年，8月28日2011年2月第2頁第一章緒論(Introduction)

在科學(xué)和工程技術(shù)的發(fā)展過程中，自動控制技術(shù)起著非常重要的作用。除了在宇宙飛船、導(dǎo)彈發(fā)射和飛機駕駛等系統(tǒng)中，自動控制技術(shù)具有特別重要的作用之外，它在現(xiàn)代機器制造和工業(yè)生產(chǎn)過程中也是不可缺少的重要組成部分。隨著自動控制理論和技術(shù)的不斷發(fā)展，給人們提供了獲得動態(tài)系統(tǒng)最佳性能的方法，提高了產(chǎn)品質(zhì)量，降低了生產(chǎn)成本，提高了勞動生產(chǎn)率，使人們從繁重的體力勞動和重復(fù)的手工操作中解放出來。第二頁，共七十三頁，2022年，8月28日2011年2月第3頁本章將對本課程的主要內(nèi)容作一個簡介，使同學(xué)們對自動控制理論的內(nèi)容有一個基本的了解，以便更好地學(xué)習(xí)以后各章節(jié)。第三頁，共七十三頁，2022年，8月28日2011年2月第4頁第一節(jié)自動控制理論發(fā)展史簡述第二節(jié)自動控制系統(tǒng)的一般概念一、自動控制在國民經(jīng)濟中的作用

自動控制：就是在沒有人直接參與的條件下，利用控制器使被控對象（如機器、設(shè)備、生產(chǎn)過程等）的某些物理量（或工作狀態(tài)）能自動地按照預(yù)定的規(guī)律變化（或運行）。自動控制系統(tǒng)的應(yīng)用是非常廣泛的，例如：

（一）自動控制技術(shù)應(yīng)用于軍事、航天領(lǐng)域

火炮、雷達、跟蹤系統(tǒng)；人造衛(wèi)星；

宇宙飛船。第四頁，共七十三頁，2022年，8月28日2011年2月第5頁軋鋼過程；工業(yè)窯爐；石油化工；水泥建材；玻璃、造紙等。

（二）自動控制技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)過程（三）自動控制技術(shù)應(yīng)用于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)自動灌溉；農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量檢測；疫情檢測等。……第五頁，共七十三頁，2022年，8月28日2011年2月第6頁由于計算機等技術(shù)的誕生和飛速發(fā)展，使得控制技術(shù)水平不斷提高，已擴大到經(jīng)濟與社會生活的各個領(lǐng)域，如通信、交通、醫(yī)學(xué)、環(huán)境保護、經(jīng)濟管理等領(lǐng)域，控制技術(shù)已成為現(xiàn)代社會不可缺少的重要組成部分。

近年來，我國在自動化儀表、工業(yè)調(diào)節(jié)器、數(shù)字控制技術(shù)、航天工程、核動力工程等方面的研究和應(yīng)用取得了長足進展。第六頁，共七十三頁，2022年，8月28日2011年2月第7頁二、自動控制理論發(fā)展簡介

自動控制理論是自動控制技術(shù)的基礎(chǔ)理論，是一門理論性較強的工程科學(xué)。根據(jù)自動控制技術(shù)的發(fā)展進程，自動控制理論可分為經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論兩大部分。

（一）、經(jīng)典控制理論的形成和基本內(nèi)容古代兩個典型的自動控制系統(tǒng)第七頁，共七十三頁，2022年，8月28日2011年2月第8頁古代的液面和流量控制裝置原理圖供水浮子浮子水鐘時間刻度第八頁，共七十三頁，2022年，8月28日2011年2月第9頁離心調(diào)速器的應(yīng)用示意圖第九頁，共七十三頁，2022年，8月28日2011年2月第10頁最早期的、在工業(yè)中起重要作用的第一個自動調(diào)節(jié)裝置是1788年瓦特發(fā)明的蒸汽機中的離心調(diào)速器。這是一個自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的問題，也是一個典型的機械動力學(xué)問題。調(diào)速器的工作原理是：如果負載增加，(若P不變M↑→n↓)蒸汽機轉(zhuǎn)速下降，則離心振子①下降?；瑝K②將通過杠桿③使蒸汽閥門開大，使蒸汽供給量增加（M不變，P↑→n↑），從而使蒸汽機轉(zhuǎn)速上升。①②③第十頁，共七十三頁，2022年，8月28日2011年2月第11頁蒸汽機比較機構(gòu)離心機構(gòu)轉(zhuǎn)換機構(gòu)蒸汽量Q閥門②③①第十一頁，共七十三頁，2022年，8月28日2011年2月第12頁反之若負載減小，蒸汽機轉(zhuǎn)速上升則離心調(diào)速器可使轉(zhuǎn)速下降。這樣，離心調(diào)速器可自動地抵制負載的變化，使轉(zhuǎn)速保持在某一給定范圍之內(nèi)?？梢哉f，這是最早的自動反饋控制系統(tǒng)。但是后來發(fā)現(xiàn)，汽閥的速度調(diào)節(jié)并不完善。若使速度恢復(fù)較快，就是加強反饋效果（如，即使速度有微小變化也使供汽量的變化較大），但這樣一來，就會出現(xiàn)速度反復(fù)變化頻繁的振蕩現(xiàn)象，若其參數(shù)處理不好時，還會使蒸汽機產(chǎn)生劇烈的振蕩（在反饋控制系統(tǒng)中，振蕩是經(jīng)常出現(xiàn)的現(xiàn)象）。第十二頁，共七十三頁，2022年，8月28日2011年2月第13頁最早的系統(tǒng)穩(wěn)定性研究：

J.C.Maxwell（麥克斯韋爾），1868年發(fā)表《論調(diào)節(jié)器》，研究調(diào)節(jié)器的微分方程，線性化處理，從描述系統(tǒng)的微分方程的解中有無增長指數(shù)函數(shù)項來判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性，證明系統(tǒng)穩(wěn)定性取決于微分方程的特征根是否都具有負的實部，針對二階和三階系統(tǒng)討論了使特征根具有負實部時，特征多項式系列應(yīng)滿足的條件。

系統(tǒng)穩(wěn)定準則：

A.M.Lyapunov（李雅普諾夫）于1882年提出了李雅普諾夫第一法與第二法；

Hurwitz（霍爾維茨）和

E.J.Routh（勞斯）于1884年提出的勞斯-霍爾維茨穩(wěn)定判據(jù)。第十三頁，共七十三頁，2022年，8月28日2011年2月第14頁H.Nyquist（奈奎斯特）于1932年提出奈氏判據(jù)及“穩(wěn)定裕度”的概念，Bode(伯德）于1945年提出了對數(shù)頻率特性的方法。

二戰(zhàn)期間，軍事科學(xué)的需要大大促進了反饋控制理論的發(fā)展。美國麻省理工學(xué)院雷達實驗室的科學(xué)家們將反饋放大器理論、PID（比例-積分-微分）控制以及N.Wiener（維納）的隨機過程理論等結(jié)合在一起，形成了一整套被稱為隨動控制系統(tǒng)(servocontrolsystem)的設(shè)計方法。第十四頁，共七十三頁，2022年，8月28日2011年2月第15頁根軌跡方法：(rootlocus)

W.R.Evans（伊萬斯）提出的方法和規(guī)則是當系統(tǒng)參數(shù)變化時特征方程式根變化的幾何軌跡。目前仍然是系統(tǒng)設(shè)計和穩(wěn)定性分析的一種重要方法。1948年美國數(shù)學(xué)家N.Wiener（維納）發(fā)表了一篇題為《控制論》的著作，首創(chuàng)了（Cybernetics）這個名詞，這本著作的出版，標志著《控制論》這門學(xué)科的正式誕生。第二次世界大戰(zhàn)后，控制理論在民用工業(yè)中得到進一步應(yīng)用，如化工、石油、冶金等部門，實現(xiàn)了對過程的控制，解決了壓力、溫度、流量與化學(xué)成分的控制問題。50年代中期，以反饋控制為中心的理論體系基本形成。一般把50年代掌舵人第十五頁，共七十三頁，2022年，8月28日2011年2月第16頁末以前形成的理論稱為經(jīng)典控制理論。主要討論的內(nèi)容有：系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立、時域分析法、根軌跡法、頻率響應(yīng)法、系統(tǒng)綜合與校正、非線性系統(tǒng)和采樣控制系統(tǒng)分析法等。經(jīng)典控制論是在復(fù)數(shù)域中以傳遞函數(shù)概念為理論體系。主要研究單輸入——輸出定常線性系統(tǒng)的分析與設(shè)計。Transformationfunction第十六頁，共七十三頁，2022年，8月28日2011年2月第17頁（二）、現(xiàn)代控制理論概述50年代末，由于導(dǎo)彈制導(dǎo)、航天、航海、航空技術(shù)的發(fā)展需要和電子計算機技術(shù)的成熟，控制理論發(fā)展到一個新的階段，出現(xiàn)了現(xiàn)代控制論。1956年前蘇聯(lián)特略金提出的最優(yōu)控制，1957年美國的Bellman（貝爾曼）提出的動態(tài)規(guī)劃理論，1960年美國Kalman（卡爾曼）提出的最優(yōu)過濾理論形成了現(xiàn)代控制理論的基礎(chǔ)。經(jīng)典控制論是具有一定的局限性的，它所研究的系統(tǒng)限于線性時不變單回路系統(tǒng)，且它為我們提供分析的方法，然后改進系統(tǒng)再進行嘗試，不能提供最好的設(shè)計。由于數(shù)字計算機的發(fā)展使得十年前尚無法進行的計算問題成為可能，第十七頁，共七十三頁，2022年，8月28日2011年2月第18頁這時李雅普諾夫的工作被引人到控制理論中來，而由Wiener（維納）等人在第二次世界大戰(zhàn)期間關(guān)于最優(yōu)控制的研究也被用來研究系統(tǒng)狀態(tài)軌跡的優(yōu)化問題。這種方法在標準形式或狀態(tài)形式的常微分方程的基礎(chǔ)上直接引進并大量使用了計算機。這種方法通常稱為“現(xiàn)代控制理論”，以區(qū)別于60年代以前的“經(jīng)典控制理論”。1892年提出的理論TheclassiccontroltheoryThemoderncontroltheory第十八頁，共七十三頁，2022年，8月28日2011年2月第19頁現(xiàn)代控制理論的重要標志：

狀態(tài)空間法被引入到控制理論中來

Kalman提出了能控性與能觀測性。表征系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特征的重要概念。

“內(nèi)部研究”代替了傳統(tǒng)的“外部研究”。并使分析與綜合過程建立在嚴格的理論基礎(chǔ)之上。

主要分支學(xué)科：線性系統(tǒng)理論、最優(yōu)控制理論、系統(tǒng)辨識與自適應(yīng)控制、大系統(tǒng)理論和特大系統(tǒng)理論等。一些分支學(xué)科還滲透到相鄰學(xué)科中去，如濾波技術(shù)、自學(xué)習(xí)理論與人工智能、建模理論與系統(tǒng)工程等。第十九頁，共七十三頁，2022年，8月28日2011年2月第20頁三、自動控制與自動控制系統(tǒng)（一）、自動控制的概念自動控制中的被控制的物理量有各種各樣的，如溫度壓力、流量、電壓、轉(zhuǎn)速、位移和力等。雖然組成這些控制系統(tǒng)的元、部件有較大的差異，但是系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)是大致相類似的，先來看下面的具體例子：1、手動控制(manualcontrol)

水箱水位的手動控制：h1第二十頁，共七十三頁，2022年，8月28日2011年2月第21頁圖中F1為放水閥，F(xiàn)2為進水閥，控制要求液面的希望高度等于h0。人參與了液面高度的控制。觀測實際水位，將實際水位與要求的水位值相比較，得出兩者偏差。根據(jù)偏差的大小和方向調(diào)節(jié)進水閥門的開度，即當實際水位高于要求值時，關(guān)小進水閥門開度，否則加大閥門開度以改變進水量，從而改變水箱水位，以達到維持液面高度不變的目的。h1第二十一頁，共七十三頁，2022年，8月28日2011年2月第22頁我們從上面的例子中可以看出，人在參與控制中起了以下三方面的作用：

測量實際液面的高度h1——用眼睛；將測得的實際液面的高度h1與希望液面的高度h0相比較——用腦；根據(jù)比較的結(jié)果，即按照偏差的正負去執(zhí)行控制的動作——用手。人工控制液面高度的過程可以用以下框圖來表示：第二十二頁，共七十三頁，2022年，8月28日2011年2月第23頁人工控制液面高度的過程可以用以下框圖來表示：[blockdiagram]第二十三頁，共七十三頁，2022年，8月28日2011年2月第24頁用人工控制既不能保證系統(tǒng)所需的控制精度，也不能減輕人的勞動強度，這是不言而喻的道理。顯然，如果用自動控制系統(tǒng)去代替上述的人工控制系統(tǒng)，那么在自動控制系統(tǒng)中必須同樣具有上述三種職能機構(gòu)，即測量機構(gòu)、比較機構(gòu)和執(zhí)行機構(gòu)。如果將該人工控制系統(tǒng)改為自動控制系統(tǒng)，就可以實現(xiàn)不論放水閥Fl輸出的流量如何變化，系統(tǒng)總能自動地維持其液面高度在允許的偏(誤)差范圍之內(nèi)。液面高度自動控制系統(tǒng)如下圖所示：2、自動控制(Automaticcontrol)第二十四頁，共七十三頁，2022年，8月28日2011年2月第25頁電動執(zhí)行器（角行程）第二十五頁，共七十三頁，2022年，8月28日2011年2月第26頁電動執(zhí)行器（直行程）第二十六頁，共七十三頁，2022年，8月28日2011年2月第27頁液面自動控制系統(tǒng)五個部分所組成Automaticcontrolsystemofaliquidlevel第二十七頁，共七十三頁，2022年，8月28日2011年2月第28頁比較機構(gòu)——比較浮子的希望位置與實際位置的差值；

(Measurementdevice)電位器放大機構(gòu)——當測量元件測得的信號與給定信號比較后得到的誤差信不足以使執(zhí)行元件動作時，一般都需加放大元件，以提高系統(tǒng)的控制精度。(Magnifyingdevice)功率放大器執(zhí)行元件——直接驅(qū)動被控對象，以改變被控制量。(Executingdevice)電機（1）系統(tǒng)構(gòu)成：該液面自動控制系統(tǒng)是由以下五個部分所組成：被控對象——水池；(Controlledobject)測量元件——浮子；(Measurementdevice)第二十八頁，共七十三頁，2022年，8月28日2011年2月第29頁（2）工作原理：

假設(shè)水池液面的高度因F1閥開度的增大而稍有降低時，則系統(tǒng)立即產(chǎn)生一個與降落液面高度成比例的誤差電壓u，（設(shè)希望液面高度電壓信號為0），該電壓一般比較微弱，經(jīng)功率放大器放大后供電給進水閥的拖動電動機（一般多采用電動執(zhí)行器），使閥F2的開度也相應(yīng)地增大，從而使水池的液面恢復(fù)到所希望的高度；當液面高度升高時，反之亦然。F1F2第二十九頁，共七十三頁，2022年，8月28日2011年2月第30頁上述自動控制系統(tǒng)的控制原理可以用下述的框圖來表示：Blockdiagramofthesystem第三十頁，共七十三頁，2022年，8月28日2011年2月第31頁分支點RRR+RCR±C+部件名稱uruc由于框圖能夠清晰明了地表征控制系統(tǒng)的組成及工作情況，所以在自動控制中被廣為采用。(b)(a)(c)第三十一頁，共七十三頁，2022年，8月28日2011年2月第32頁再來看剛才分析過的水箱液面控制系統(tǒng)：課本上還有直流隨動系統(tǒng)的例子，請同學(xué)們自己分析。第三十二頁，共七十三頁，2022年，8月28日2011年2月第33頁分支點RRR+RCR±C部件名稱uruc下面簡單講述框圖的構(gòu)成：有三個基本單元。(1)引出點：表示信號的引出，箭頭表示信號傳遞方向(圖a)；(2)比較點：表示兩個或兩個以上的信號在該處進行減或加

的運算，“-”號表示信號相減，“+”號表示信號相加(圖b);(3)

方框：輸入信號置于方框的左端，輸出信號置于方框的右端，方框中填入部件的名稱(圖c)。(b)(a)(c)+第三十三頁，共七十三頁，2022年，8月28日2011年2月第34頁第三節(jié)開環(huán)控制和閉環(huán)控制工程中常見的自動控制系統(tǒng)多種多樣，其結(jié)構(gòu)和用途也各不相同。盡管如此，一般的自動控制系統(tǒng)都具有如下的典型方框圖，如圖所示。ClosedloopOpenloop第三十四頁，共七十三頁，2022年，8月28日2011年2月第35頁控制器第三十五頁，共七十三頁，2022年，8月28日2011年2月第36頁上述框圖可簡化為下圖：自動控制系統(tǒng)的框圖輸出量+控制器被控對象控制作用反饋環(huán)節(jié)c(t)e(t)b(t)給定環(huán)節(jié)r(t)控制器第三十六頁，共七十三頁，2022年，8月28日2011年2月第37頁

給定環(huán)節(jié)——產(chǎn)生參考輸入信號的元件，如電位器、旋轉(zhuǎn)變壓器等。

控制器——它的輸入是系統(tǒng)的誤差信號，經(jīng)其變換運算后，產(chǎn)生期望的控制信號去控制被控對象。

被控對象——它受控制器輸出量的控制，其輸出就是系統(tǒng)的被控制量。

反饋環(huán)節(jié)——將被控制量轉(zhuǎn)換為主反饋信號的裝置，這個裝置一般為檢測元件。1、系統(tǒng)構(gòu)成自動控制系統(tǒng)的框圖輸出量+控制器被控對象控制作用反饋環(huán)節(jié)c(t)e(t)b(t)給定環(huán)節(jié)r(t)第三十七頁，共七十三頁，2022年，8月28日2011年2月第38頁2、定義各信號量r(t)——系統(tǒng)的參考輸入量(簡稱輸入量或給定量)；c(t)——系統(tǒng)的輸出量

(又稱被控制量)；b(t)——系統(tǒng)的主反饋量，它是與被控制量成正比或為某種函數(shù)的信號，其物理量綱必須與參考輸入相同。因為只有相同量綱的信號，才能在比較點處進行相減運算。e(t)——系統(tǒng)的誤差，等于參考輸入與主反饋量之差，e(t)=r(t)-b(t)。請同學(xué)們將這些基本概念、定義搞明白，以利于后面知識的學(xué)習(xí)??！自動控制系統(tǒng)的框圖輸出量+控制器被控對象控制作用反饋環(huán)節(jié)c(t)e(t)b(t)給定環(huán)節(jié)r(t)第三十八頁，共七十三頁，2022年，8月28日2011年2月第39頁開環(huán)控制是一種最簡單的控制方式。特點：在控制器與被控對象之間只有正向控制作用而沒有反饋控制作用，即系統(tǒng)的輸出量對輸入量沒有影響。輸入量直接送入控制器，產(chǎn)生控制量作用于被控對象，從而改變被控制量?？梢杂萌缦路娇驁D來表示。開環(huán)控制系統(tǒng)

閉環(huán)控制系統(tǒng)

一、開環(huán)控制與閉環(huán)控制的概念（－）開環(huán)控制與開環(huán)控制系統(tǒng)（定義、優(yōu)缺點）實際應(yīng)用的控制系統(tǒng)中，根據(jù)有無反饋作用，又可分為：輸出量控制器被控對象參考輸入c(t)r(t)開環(huán)控制系統(tǒng)輸出量+控制器被控對象控制作用反饋環(huán)節(jié)c(t)e(t)b(t)給定環(huán)節(jié)r(t)Openloopcontrolsystem第三十九頁，共七十三頁，2022年，8月28日2011年2月第40頁例如：直流電動機轉(zhuǎn)速開環(huán)控制系統(tǒng)

給定電壓ug經(jīng)放大后產(chǎn)生電樞電壓ua，當電動機勵磁電壓恒定時，改變ua可得到不同的轉(zhuǎn)速n。n與ua具有一一對應(yīng)的關(guān)系。例如當u=ua1時，n=n1；該系統(tǒng)的信號通路不閉合，所以是開環(huán)系統(tǒng)。當有擾動引起轉(zhuǎn)速變化時，無法克服擾動造成的影響，因此ua與n之間的對應(yīng)關(guān)系是不準確的。要進行補償就必須借助人工改變輸入電壓ua。ug電位器電動機負載功率放大器uan-----ua第四十頁，共七十三頁，2022年，8月28日2011年2月第41頁（二）閉環(huán)控制與閉環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)方框圖凡是系統(tǒng)的輸出端與輸入端之間存在反饋回路，即輸出量對控制作用具有直接影響的系統(tǒng)稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)。如下圖所示。偏差量輸出量+控制器控制量被控對象輸入量測量元件反饋量Closedloopcontrolsystem第四十一頁，共七十三頁，2022年，8月28日2011年2月第42頁將檢測得到的輸出量回送到系統(tǒng)輸入端，并與輸入量進行比較，構(gòu)成信號的反饋。輸入信號與反饋信號之差即為偏差信號，該偏差信號作用于控制器，使系統(tǒng)的輸出量趨于給定的數(shù)值，這就是閉環(huán)控制，也稱為反饋控制，其實質(zhì)就是利用負反饋來減少或消除系統(tǒng)的偏差。偏差量輸出量測量元件+控制器控制量被控對象輸入量反饋量第四十二頁，共七十三頁，2022年，8月28日2011年2月第43頁反饋控制是一種基本的控制規(guī)律，它具有自動修正被控制量偏離給定值的作用，因而可以抑制內(nèi)部擾動及外部擾動的影響，從而達到自動控制的目的。本課程所指的自動控制系統(tǒng)即指反饋（閉環(huán)）控制系統(tǒng)，而實際中應(yīng)用最多的是負反饋控制系統(tǒng)。偏差量輸出量測量元件+控制器控制量被控對象輸入量反饋量第四十三頁，共七十三頁，2022年，8月28日2011年2月第44頁在開車過程中，司機用眼睛觀察轉(zhuǎn)速表上的實際車速并由大腦將實際車速與希望車速進行比較，大腦根據(jù)比較后的偏差對腳發(fā)出指令，控制油門踏板，從而使實際車速與希望車速一致。在這里人與車構(gòu)成了一個系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，眼睛將實際車速這一信息送入大腦并與大腦中儲存的車速信息進行比較，這一過程就是信息反饋過程。例：司機駕駛汽車過程。希望車速c(t)大腦偏差腳、油門踏板汽車實際車速r(t)眼睛、轉(zhuǎn)速表b(t)e(t)第四十四頁，共七十三頁，2022年，8月28日2011年2月第45頁例：直流電機轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)。在直流電動機轉(zhuǎn)速開環(huán)控制系統(tǒng)中引入測速發(fā)電機，構(gòu)成一個直流電動機轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)，如圖所示。ug電位器電動機負載功放ua第四十五頁，共七十三頁，2022年，8月28日2011年2月第46頁仍以上圖為例。閉環(huán)控制過程：1、輸出量高于給定值→檢測出偏差→控制運算→執(zhí)行→減少輸出量→輸出量趨于給定值；2、輸出量低于給定值→檢測出偏差→控制運算→執(zhí)行→增加輸出量→輸出量趨于給定值。第四十六頁，共七十三頁，2022年，8月28日2011年2月第47頁測速發(fā)電機第四十七頁，共七十三頁，2022年，8月28日2011年2月第48頁優(yōu)點：閉環(huán)控制系統(tǒng)具有較高的控制精度；不論何種原因引起被控制量的變化，都將進行自動調(diào)節(jié)，以消除和減小偏差。

缺點：使用元件較多，線路比較復(fù)雜；系統(tǒng)要工作就必須有偏差存在，這是由于閉環(huán)系統(tǒng)是以偏差作為控制因素來消除偏差的，因此這類系統(tǒng)的精度也是有限的（雖然比開環(huán)系統(tǒng)的精度高出許多）；閉環(huán)系統(tǒng)不易穩(wěn)定工作；精度與穩(wěn)定性是一對矛盾。第四十八頁，共七十三頁，2022年，8月28日2011年2月第49頁（三）開環(huán)控制系統(tǒng)與閉環(huán)控制系統(tǒng)的比較

閉環(huán)控制系統(tǒng)的優(yōu)點是采用了負反饋，因此對系統(tǒng)外部擾動和內(nèi)部參數(shù)的變化（內(nèi)擾動）引起的偏差能自動進行調(diào)整。可以采用精度不太高、成本比較低的元件來組成一個精確度較高的控制系統(tǒng)。

開環(huán)系統(tǒng)沒有反饋，故沒有自動消除偏差的能力，外部擾動和系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)的變化都將引起系統(tǒng)精度的降低。

從穩(wěn)定性的角度看，開環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，系統(tǒng)總能穩(wěn)定地工作。而閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性始終是一個重要問題，如果參數(shù)選擇不當，將使系統(tǒng)不穩(wěn)定（發(fā)生振蕩或發(fā)散），失去對被控量的控制。第四十九頁，共七十三頁，2022年，8月28日2011年2月第50頁

采用開環(huán)控制和閉環(huán)控制的原則：

如果系統(tǒng)的輸入量預(yù)先知道，并且不存在外部擾動，采用開環(huán)控制，如果存在無法預(yù)計的擾動，或系統(tǒng)中元器件參數(shù)不穩(wěn)定，則采用閉環(huán)控制。

當對整個系統(tǒng)的性能要求較高時，為了解決閉環(huán)控制精度和穩(wěn)定性之間的矛盾，往往將開環(huán)系統(tǒng)和閉環(huán)系統(tǒng)的功能結(jié)合在一起，即采用復(fù)合控制系統(tǒng)。第五十頁，共七十三頁，2022年，8月28日2011年2月第51頁二、自動控制系統(tǒng)舉例例1：恒溫箱控制系統(tǒng)

Tt~220Vu2恒溫箱自動控制系統(tǒng)原理圖第五十一頁，共七十三頁，2022年，8月28日2011年2月第52頁二、自動控制系統(tǒng)舉例例1：恒溫箱控制系統(tǒng)

Ttu2第五十二頁，共七十三頁，2022年，8月28日2011年2月第53頁例2：機床工作臺位置控制系統(tǒng)

yiuvruivciQyucuf第五十三頁，共七十三頁，2022年，8月28日2011年2月第54頁第四節(jié)自動控制系統(tǒng)的分類

從信號傳送的結(jié)構(gòu)特點可將控制系統(tǒng)可分為開環(huán)控制系統(tǒng)與閉環(huán)控制系統(tǒng)（已講述）。按照其他分類原則還可分為：（一）線性控制系統(tǒng)和非線性控制系統(tǒng)

線性系統(tǒng)是指組成系統(tǒng)的元器件的靜態(tài)特性為直線，能用線性常微分方程描述其輸出與輸入關(guān)系的系統(tǒng)。線性系統(tǒng)的主要特點是具有疊加性和齊次性。

（所謂齊次性是指當輸入信號為原輸入信號的k倍時，系統(tǒng)的輸出響應(yīng)也為原輸出響應(yīng)的k倍。）

本課程研究線性定常系統(tǒng)（或稱為線性時不變系統(tǒng)、自治系統(tǒng)）。Linearconstantsystem第五十四頁，共七十三頁，2022年，8月28日2011年2月第55頁非線性系統(tǒng)是指組成系統(tǒng)的元器件中有一個以上具有非直線的靜態(tài)特性的系統(tǒng)。非線性系統(tǒng)還可分為非線性時變系統(tǒng)與非線性定常系統(tǒng)。

嚴格地說，實際上不存在線性系統(tǒng)，這是因為各種實際的物理系統(tǒng)總是具有不同程度的非線性，但只要非線性不嚴重，在一定范圍內(nèi)能用線性系統(tǒng)的理論和方法處理的系統(tǒng)都可視為線性系統(tǒng)。第五十五頁，共七十三頁，2022年，8月28日2011年2月第56頁（二）恒值控制系統(tǒng)和隨動系統(tǒng)

恒值控制系統(tǒng)又稱為自動調(diào)整系統(tǒng)、定值調(diào)節(jié)系統(tǒng)或自動鎮(zhèn)定系統(tǒng)。

特點：系統(tǒng)輸入量（即給定值）不變，但由于擾動使被控量偏離要求值，該系統(tǒng)能根據(jù)偏差產(chǎn)生控制作用，使被控量恢復(fù)到要求值，并以一定的準確度保持在要求值附近。例如：控制水箱液面高度為恒定值的系統(tǒng)。Constantcontrolsystemandservocontrolsystem第五十六頁，共七十三頁，2022年，8月28日2011年2月第57頁液面自動控制系統(tǒng)第五十七頁，共七十三頁，2022年，8月28日2011年2月第58頁隨動系統(tǒng)又稱為伺服系統(tǒng)。特點：給定值是預(yù)先未知的、隨時間任意變化，要求系統(tǒng)被控量以盡可能小的誤差跟隨給定值變化。

例子見下頁。第五十八頁，共七十三頁，2022年，8月28日2011年2月第59頁例：工作臺位置控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)由指令電位器、反饋電位器、放大器、伺服電機、齒輪減速器、滾珠絲杠及工作臺組成，其功用是控制工作臺位置按指令電位器給出的規(guī)律變化。第五十九頁，共七十三頁，2022年，8月28日2011年2月第60頁（三）連續(xù)控制系統(tǒng)與離散控制系統(tǒng)

連續(xù)系統(tǒng)，各部分的輸入和輸出信號都是連續(xù)變化的模擬量，可用微分方程來描述各部分輸入-輸出關(guān)系的系統(tǒng)。離散系統(tǒng)，某一處或多處的信號以脈沖序列或數(shù)碼形式傳遞的系統(tǒng)。

離散系統(tǒng)也有線性離散系統(tǒng)和非線性離散系統(tǒng)、定常離散系統(tǒng)和時變離散系統(tǒng)之分。下圖為計算機控制系統(tǒng)框圖，這是一種常見的離散控制系統(tǒng)。計算機控制系統(tǒng)框圖計算機D/AA/D被控對象放大器檢測元件+r(t)c(t)第六十頁，共七十三頁，2022年，8月28日2011年2月第61頁除了以上幾種形式外，還有以下幾種分類在這里順便講一下。（四）單輸入-單輸出系統(tǒng)與多輸入-多輸出系統(tǒng)（五）確定系統(tǒng)與不確定系統(tǒng)

若系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)是確定的、預(yù)先可知的，系統(tǒng)的輸入信號（包括給定輸入和擾動）也是確定的，則可用解析式或圖表確切地表示，這種系統(tǒng)稱為確定系統(tǒng)。

系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不確定或作用于系統(tǒng)的輸入信號不確定時，則稱這種系統(tǒng)為不確定系統(tǒng)。

單輸入-單輸出系統(tǒng)的輸入量和輸出量各只有一個，也稱為單變量系統(tǒng)。

多輸入-多輸出系統(tǒng)的輸入量和輸出量個數(shù)多于一個，也稱為多變量系統(tǒng)。第六十一頁，共七十三頁，2022年，8月28日2011年2月第62頁（六）集中(總)參數(shù)系統(tǒng)和分布參數(shù)系統(tǒng)能用常微分方程描述的系統(tǒng)稱為集中(總)參數(shù)系統(tǒng)。

不能用常微分方程而必須用偏微分方程描述的系統(tǒng)稱為分布參數(shù)系統(tǒng)。

本課程中涉及的內(nèi)容主要是單變量、集中參數(shù)、線性、定常、連續(xù)系統(tǒng)，同時對非線性系統(tǒng)及線性離散系統(tǒng)也作必要的闡述。第六十二頁，共七十三頁，2022年，8月28日2011年2月第63頁第五節(jié)對控制系統(tǒng)性能的要求和本課程的任務(wù)

對控制系統(tǒng)性能的要求

評價一個控制系統(tǒng)的好壞，指標是多種多樣的，各系統(tǒng)依其使用目的的不同，對各項性能指標的要求不同。但對控制系統(tǒng)的基本要求一般可歸納為以下幾個方面（性能評價指標）：第六十三頁，共七十三頁，2022年，8月28日2011年2月第64頁一、穩(wěn)定性

輸出量對給定的輸入量的偏離應(yīng)該隨著時間增長逐漸趨近于零，這樣的系統(tǒng)是穩(wěn)定系統(tǒng)。穩(wěn)定性要求是控制系統(tǒng)正常工作的首要條件，且是最重要的條件。實際控制系統(tǒng)在進行設(shè)計時均留有一定的穩(wěn)定裕度，系統(tǒng)工作時參數(shù)可能發(fā)生變化時，如果未留穩(wěn)定裕度或裕度值不夠時，會導(dǎo)致系統(tǒng)失穩(wěn)，不穩(wěn)定的系統(tǒng)是不能工作的。第六十四頁，共七十三頁，2022年，8月28日2011年2月第65頁二、響應(yīng)速度——響應(yīng)的快速性

控制系統(tǒng)不僅要穩(wěn)定，而且還要求系統(tǒng)的響應(yīng)具有一定的快速性，這對某些系統(tǒng)來說，是一個十分重要的性能指標。快速性指當系統(tǒng)的輸出量與給定的輸入量之間產(chǎn)生偏差時，消除這種偏差的快慢程度。第六十五頁，共七十三頁，2022年，8月28日2011年2月第66頁對分析和研究控制系統(tǒng)時，對衡量其快速性及穩(wěn)定性常用下面的方法：1、在階躍信號作用下，系統(tǒng)跟隨的瞬態(tài)響應(yīng)時間ts（ts稱為過渡過程時間或調(diào)整時間）來衡量,ts越小說明系統(tǒng)從一個穩(wěn)態(tài)過渡到另一個穩(wěn)態(tài)所需要的時間越短，反之，則越長。2、用在過渡過程中，出現(xiàn)的情況時的超調(diào)量Mp來衡量，Mp小，則說明系統(tǒng)的過渡過程進行得越平穩(wěn)。(輸出量對給定的輸入量偏差D→0，D為給定微量2%或5%，工程實際允許值)。第六十六頁，共七十三頁，2022年，8月28日2011年2月第67頁ts2%(5%)c(t)c(∞)=0.5c(∞)=1cmaxtdtrtp二階系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)第六十七頁，共七十三頁，2022年，8月28日2011年2月第68頁三、穩(wěn)態(tài)精度——響應(yīng)的準確性

是指在過渡過程結(jié)束后輸出量與給定的輸入量的偏差，它又稱為靜態(tài)精度，它也是衡量系統(tǒng)工作性能的重要指標。對控制系統(tǒng)的基本要求可以用三個字來表示：

“穩(wěn)、快、準”

本課程所要講解的內(nèi)容都是圍繞“穩(wěn)、快、準”這三項要求來進行的。第六十八頁，共七十三頁，2022年，8月28日2011年2月第69頁本課