控制系統(tǒng)第一章

控制系統(tǒng)第一章4/29/20231第1頁(yè)，共40頁(yè)，2023年，2月20日，星期一一、控制系統(tǒng)的工作原理及其組成

自動(dòng)控制在沒有人直接參與的情況下，利用外加的設(shè)備或裝置（稱為控制裝置或控制器），使機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過程（通稱被控對(duì)象）的某個(gè)工作狀態(tài)或參數(shù)（即被控量）自動(dòng)地按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行。如：數(shù)控機(jī)床、室內(nèi)溫度控制、機(jī)車、船舶及飛機(jī)自動(dòng)駕駛、導(dǎo)彈制導(dǎo)等。第一章控制系統(tǒng)的基本概念4/29/20232第2頁(yè)，共40頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

工作原理加熱電阻絲~220V調(diào)壓器人工控制的恒溫箱

溫度計(jì)第一章控制系統(tǒng)的基本概念4/29/20233第3頁(yè)，共40頁(yè)，2023年，2月20日，星期一人工控制恒溫箱調(diào)節(jié)過程：

觀測(cè)恒溫箱內(nèi)的溫度（被控制量）

與要求的溫度（給定值）進(jìn)行比較，得到溫度偏差的大小和方向

根據(jù)偏差大小和方向調(diào)節(jié)調(diào)壓器，控制加熱電阻絲的電流以調(diào)節(jié)溫度回復(fù)到要求值。人工控制過程的實(shí)質(zhì)：檢測(cè)偏差再糾正偏差。第一章控制系統(tǒng)的基本概念4/29/20234第4頁(yè)，共40頁(yè)，2023年，2月20日，星期一大腦手調(diào)壓器恒溫箱眼睛實(shí)際溫度期望溫度人工控制恒溫箱系統(tǒng)功能框圖溫度計(jì)第一章控制系統(tǒng)的基本概念4/29/20235第5頁(yè)，共40頁(yè)，2023年，2月20日，星期一加熱電阻絲~220V調(diào)壓器熱電偶給定信號(hào)比較電壓放大器功率放大器執(zhí)行電動(dòng)機(jī)減速器u2u1++u恒溫箱自動(dòng)控制系統(tǒng)第一章控制系統(tǒng)的基本概念4/29/20236第6頁(yè)，共40頁(yè)，2023年，2月20日，星期一恒溫箱自動(dòng)控制系統(tǒng)工作原理：恒溫箱實(shí)際溫度由熱電偶轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的電壓u2

恒溫箱期望溫度由電壓u1給定，并與實(shí)際溫度

u2比較得到溫度偏差信號(hào)u＝u1

u2溫度偏差信號(hào)經(jīng)電壓、功率放大后，用以驅(qū)動(dòng)執(zhí)行電動(dòng)機(jī)，并通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)拖動(dòng)調(diào)壓器動(dòng)觸頭。當(dāng)溫度偏高時(shí)，動(dòng)觸頭向減小電流的方向運(yùn)動(dòng)，反之加大電流，直到溫度達(dá)到給定值為止，此時(shí)，偏差u＝0，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。第一章控制系統(tǒng)的基本概念4/29/20237第7頁(yè)，共40頁(yè)，2023年，2月20日，星期一給定信號(hào)電壓功率放大器控制電機(jī)減速器調(diào)壓器恒溫箱(控制對(duì)象)熱電偶u1u2uuanvu溫度t(被控量)擾動(dòng)恒溫箱自動(dòng)控制系統(tǒng)功能框圖第一章控制系統(tǒng)的基本概念4/29/20238第8頁(yè)，共40頁(yè)，2023年，2月20日，星期一從恒溫箱控制系統(tǒng)功能框圖可見：

給定量位于系統(tǒng)的輸入端，稱為系統(tǒng)輸入量。也稱為參考輸入量（信號(hào)）。

被控制量位于系統(tǒng)的輸出端，稱為系統(tǒng)輸出量。

輸出量（全部或一部分）通過測(cè)量裝置返回系統(tǒng)的輸入端，使之與輸入量進(jìn)行比較，產(chǎn)生偏差（給定信號(hào)與返回的輸出信號(hào)之差）信號(hào)。輸出量的返回過程稱為反饋。返回的全部或部分輸出信號(hào)稱為反饋信號(hào)。第一章控制系統(tǒng)的基本概念4/29/20239第9頁(yè)，共40頁(yè)，2023年，2月20日，星期一綜上所述，控制系統(tǒng)的工作原理：檢測(cè)輸出量（被控制量）的實(shí)際值將輸出量的實(shí)際值與給定值（輸入量）進(jìn)行比

較得出偏差；

用偏差值產(chǎn)生控制調(diào)節(jié)作用去消除偏差，使得

輸出量維持期望的輸出。第一章控制系統(tǒng)的基本概念4/29/202310第10頁(yè)，共40頁(yè)，2023年，2月20日，星期一由于存在輸出量反饋，上述系統(tǒng)能在存在無法預(yù)計(jì)擾動(dòng)的情況下，自動(dòng)減少系統(tǒng)的輸出量與參考輸入量（或者任意變化的希望的狀態(tài)）之間的偏差，故稱之為反饋控制。顯然：反饋控制建立在偏差基礎(chǔ)上，其控制方式是“檢測(cè)偏差再糾正偏差”。第一章控制系統(tǒng)的基本概念4/29/202311第11頁(yè)，共40頁(yè)，2023年，2月20日，星期一這種基于反饋原理，能對(duì)輸出量與參考輸入量進(jìn)行比較，并力圖保持兩者之間既定關(guān)系的系統(tǒng)。稱為反饋控制系統(tǒng)。反饋控制系統(tǒng)具備測(cè)量、比較和執(zhí)行三個(gè)基本功能。注意：反饋控制系統(tǒng)中，反饋信號(hào)是與給定信號(hào)相減，使偏差越來越小，稱為負(fù)反饋。負(fù)反饋控制是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制最基本的方法。第一章控制系統(tǒng)的基本概念4/29/202312第12頁(yè)，共40頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

開環(huán)控制與閉環(huán)控制實(shí)際的控制系統(tǒng)根據(jù)有無反饋?zhàn)饔每煞譃槿悾?/p>

開環(huán)控制系統(tǒng)

閉環(huán)控制系統(tǒng)

半閉環(huán)控制系統(tǒng)第一章控制系統(tǒng)的基本概念4/29/202313第13頁(yè)，共40頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

開環(huán)控制系統(tǒng)特點(diǎn)：系統(tǒng)僅受輸入量和擾動(dòng)量控制；輸出端和輸入端之間不存在反饋回路；輸出量在整個(gè)控制過程中對(duì)系統(tǒng)的控制不產(chǎn)生任何影響。

輸入裝置指令系統(tǒng)輸入控制裝置伺服驅(qū)動(dòng)裝置工作臺(tái)工作臺(tái)位置系統(tǒng)輸出數(shù)控機(jī)床的開環(huán)控制系統(tǒng)框圖第一章控制系統(tǒng)的基本概念4/29/202314第14頁(yè)，共40頁(yè)，2023年，2月20日，星期一優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單、穩(wěn)定、可靠。若組成系統(tǒng)的元件特性和參數(shù)值比較穩(wěn)定，且外界干擾較小，開環(huán)控制能夠保持一定的精度。缺點(diǎn)：精度通常較低、無自動(dòng)糾偏能力控制器對(duì)象或過程輸入量輸出量開環(huán)控制系統(tǒng)框圖第一章控制系統(tǒng)的基本概念4/29/202315第15頁(yè)，共40頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

閉環(huán)控制系統(tǒng)特點(diǎn)：輸出端和輸入端之間存在反饋回路，輸出量對(duì)控制過程有直接影響。閉環(huán)的作用：應(yīng)用反饋，減少偏差。優(yōu)點(diǎn)：精度高，對(duì)外部擾動(dòng)和系統(tǒng)參數(shù)變化不敏感缺點(diǎn)：存在穩(wěn)定、振蕩、超調(diào)等問題，系統(tǒng)性能分析和設(shè)計(jì)麻煩。第一章控制系統(tǒng)的基本概念4/29/202316第16頁(yè)，共40頁(yè)，2023年，2月20日，星期一控制器對(duì)象或過程輸入量輸出量測(cè)量元件閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖反饋量

半閉環(huán)控制系統(tǒng)特點(diǎn)：反饋信號(hào)通過系統(tǒng)內(nèi)部的中間信號(hào)獲得。第一章控制系統(tǒng)的基本概念4/29/202317第17頁(yè)，共40頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成給定元件+串聯(lián)校正元件放大變換元件執(zhí)行元件控制對(duì)象_+_并聯(lián)校正元件局部反饋反饋元件主反饋控制部分比較元件比較元件輸入信號(hào)

xi偏差信號(hào)

e主反饋信號(hào)

xb擾動(dòng)信號(hào)輸出

xo閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成第一章控制系統(tǒng)的基本概念4/29/202318第18頁(yè)，共40頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

給定元件產(chǎn)生給定信號(hào)或輸入信號(hào)。

反饋元件測(cè)量被控制量（輸出量），產(chǎn)生反饋信號(hào)。為便于傳輸，反饋信號(hào)通常為電信號(hào)。

注意：在機(jī)械、液壓、氣動(dòng)、機(jī)電等系統(tǒng)中存在著內(nèi)在反饋，這種反饋無須專門的反饋元件，是系統(tǒng)內(nèi)部各參數(shù)相互作用產(chǎn)生的，如作用力與反作用力之間形成的直接反饋。第一章控制系統(tǒng)的基本概念4/29/202319第19頁(yè)，共40頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

比較元件對(duì)給定信號(hào)和反饋信號(hào)進(jìn)行比較，產(chǎn)生偏差信號(hào)；

放大元件對(duì)偏差信號(hào)進(jìn)行放大，使之有足夠的能量驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件實(shí)現(xiàn)控制功能。

執(zhí)行元件直接對(duì)受控對(duì)象進(jìn)行操縱的元件；如電動(dòng)機(jī)、液壓馬達(dá)等；第一章控制系統(tǒng)的基本概念4/29/202320第20頁(yè)，共40頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

校正元件用以改善系統(tǒng)控制質(zhì)量的裝置?？刂葡到y(tǒng)中比較元件、放大元件、執(zhí)行元件和反饋元件等共同起控制作用，統(tǒng)稱為控制器。實(shí)際的控制系統(tǒng)中，擾動(dòng)總是不可避免的，擾動(dòng)分為內(nèi)部擾動(dòng)和外部擾動(dòng)，但在控制系統(tǒng)中，擾動(dòng)集中表現(xiàn)在控制量與被控量的偏差上，因此，可以將控制系統(tǒng)的擾動(dòng)等效為對(duì)控制對(duì)象的干擾。校正元件分為串聯(lián)和并聯(lián)兩種。第一章控制系統(tǒng)的基本概念4/29/202321第21頁(yè)，共40頁(yè)，2023年，2月20日，星期一二、控制系統(tǒng)的基本類型

按輸入量的特征分類

恒值控制系統(tǒng)系統(tǒng)輸入量為恒定值?？刂迫蝿?wù)是保證在任何擾動(dòng)作用下系統(tǒng)的輸出量為恒值。

如：恒溫箱控制、電網(wǎng)電壓、頻率控制等。

程序控制系統(tǒng)輸入量的變化規(guī)律預(yù)先確知，輸入裝置根據(jù)輸入的變化規(guī)律，發(fā)出控制指令，使被控對(duì)象按照指令程序的要求而運(yùn)動(dòng)。如數(shù)控加工系統(tǒng)。第一章控制系統(tǒng)的基本概念4/29/202322第22頁(yè)，共40頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

隨動(dòng)系統(tǒng)（伺服系統(tǒng)）輸入量的變化規(guī)律不能預(yù)先確知，其控制要求是輸出量迅速、平穩(wěn)地跟隨輸入量的變化，并能排除各種干擾因素的影響，準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)輸入信號(hào)的變化規(guī)律。如：仿形加工系統(tǒng)、火炮自動(dòng)瞄準(zhǔn)系統(tǒng)等。第一章控制系統(tǒng)的基本概念4/29/202323第23頁(yè)，共40頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

按系統(tǒng)中傳遞信號(hào)的性質(zhì)分類

連續(xù)控制系統(tǒng)系統(tǒng)中各部分傳遞的信號(hào)為隨時(shí)間連續(xù)變化的信號(hào)。連續(xù)控制系統(tǒng)通常采用微分方程描述。

離散（數(shù)字）控制系統(tǒng)系統(tǒng)中某一處或多處的信號(hào)為脈沖序列或數(shù)字量傳遞的系統(tǒng)。離散控制系統(tǒng)通常采用差分方程描述。第一章控制系統(tǒng)的基本概念4/29/202324第24頁(yè)，共40頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

其它分類方法

線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)

定常系統(tǒng)和時(shí)變系統(tǒng)

機(jī)械、電氣、機(jī)電、液壓、氣動(dòng)、熱力等控制系統(tǒng)

溫度、壓力、位置等控制系統(tǒng)第一章控制系統(tǒng)的基本概念4/29/202325第25頁(yè)，共40頁(yè)，2023年，2月20日，星期一三、對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求

穩(wěn)定性系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程的振蕩傾向及其恢復(fù)平衡狀態(tài)的能力。穩(wěn)定的系統(tǒng)當(dāng)輸出量偏離平衡狀態(tài)時(shí)，其輸出能隨時(shí)間的增長(zhǎng)收斂并回到初始平衡狀態(tài)。穩(wěn)定性是控制系統(tǒng)正常工作的先決條件。

控制系統(tǒng)穩(wěn)定性由系統(tǒng)結(jié)構(gòu)所決定，與外界因素?zé)o關(guān)。穩(wěn)定性由控制系統(tǒng)內(nèi)部?jī)?chǔ)能元件的能量不可能突變所產(chǎn)生的慣性滯后作用所導(dǎo)致。第一章控制系統(tǒng)的基本概念4/29/202326第26頁(yè)，共40頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

精確性控制精度，以穩(wěn)態(tài)誤差來衡量。穩(wěn)態(tài)誤差：系統(tǒng)的調(diào)整（過渡）過程結(jié)束而趨于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)輸出量的實(shí)際值與給定量之間的差值。第一章控制系統(tǒng)的基本概念4/29/202327第27頁(yè)，共40頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

快速性輸出量和輸入量產(chǎn)生偏差時(shí)，系統(tǒng)消除這種偏差的快慢程度?？焖傩员碚飨到y(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。注意：

不同性質(zhì)的控制系統(tǒng)，對(duì)穩(wěn)定性、精確性和快速性要求各有側(cè)重。

系統(tǒng)的穩(wěn)定性、精確性、快速性相互制約，應(yīng)根據(jù)實(shí)際需求合理選擇。第一章控制系統(tǒng)的基本概念4/29/202328第28頁(yè)，共40頁(yè)，2023年，2月20日，星期一四、控制工程發(fā)展概況

1788年：J.Watt發(fā)明蒸汽機(jī)調(diào)速器

一千多年前：銅壺滴漏計(jì)時(shí)器、指南針、各種天文儀器

時(shí)間刻度浮子銅壺滴漏

1868年：J.C.Maxwell發(fā)表

《調(diào)速器》，提出反饋控制的概念及穩(wěn)定性條件。第一章控制系統(tǒng)的基本概念4/29/202329第29頁(yè)，共40頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

1884年：E.J.Routh提出勞斯穩(wěn)定性判據(jù)。

1895年：A.Hurwifz提出赫爾維茨穩(wěn)定性判據(jù)。

1932年：H.Nyquist提出奈奎斯特穩(wěn)定性判據(jù)。

1892年：A.M.Lyapunov提出李雅普諾夫穩(wěn)定性理論。

1945年：H.W.Bode提出反饋放大器的一般設(shè)計(jì)方法第一章控制系統(tǒng)的基本概念4/29/202330第30頁(yè)，共40頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

1948年：N.Wiener發(fā)表《控制論》，標(biāo)志經(jīng)典控制理論基本形成；經(jīng)典控制理論以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)，主要研究單輸入—單輸出（SISO）系統(tǒng)的分析和控制問題；

1950年：W.R.Evans提出根軌跡法，進(jìn)一步充實(shí)了經(jīng)典控制論；

1954年：錢學(xué)森發(fā)表《工程控制論》；

第一章控制系統(tǒng)的基本概念4/29/202331第31頁(yè)，共40頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

50年代末60年代初：現(xiàn)代控制理論形成；現(xiàn)代控制理論以狀態(tài)空間法為基礎(chǔ)，主要分析和研究多輸入-多輸出(MIMO)、時(shí)變、非線性等系統(tǒng)的最優(yōu)控制、最優(yōu)濾波、系統(tǒng)辨識(shí)、自適應(yīng)控制、智能控制等問題；控制理論研究的重點(diǎn)開始由頻域移到從本質(zhì)上說是時(shí)域的狀態(tài)空間方法。第一章控制系統(tǒng)的基本概念4/29/202332第32頁(yè)，共40頁(yè)，2023年，2月20日，星期一1956年：蓬特里亞金（Pontryagin）提出極大值原理1957年：R.I.Bellman提出動(dòng)態(tài)規(guī)劃理論1960年：R.E.Kalman提出卡爾曼濾波理論1960～1980年：確定性系統(tǒng)的最優(yōu)控制、隨機(jī)系統(tǒng)的最優(yōu)控制、復(fù)雜系統(tǒng)的自適應(yīng)和自學(xué)習(xí)控制1980迄今：魯棒控制、H控制、非線性控制、智能控制等第一章控制系統(tǒng)的基本概念4/29/202333第33頁(yè)，共40頁(yè)，2023年，2月20日，星期一五、本課程的任務(wù)及主要內(nèi)容

本課程的任務(wù)

控制系統(tǒng)性能分析動(dòng)態(tài)性能：過渡過程分析、穩(wěn)定性分析等穩(wěn)態(tài)性能：控制精度（穩(wěn)態(tài)誤差）

控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)選擇適當(dāng)?shù)目刂破骷翱刂埔?guī)律以改善控制系統(tǒng)的性能使其滿足控制要求?？刂葡到y(tǒng)的性能分析和設(shè)計(jì)通常是交替進(jìn)行的。第一章控制系統(tǒng)的基本概念4/29/202334第34頁(yè)，共40頁(yè)，2023年，2月20日，星期一控制系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)一般包括：

建立控制對(duì)象的數(shù)學(xué)模型（線性化模型）

對(duì)象的性能分析、仿真

選擇控制方案（開環(huán)/閉環(huán)；線性/