第五章控制系統(tǒng)理論基礎

一、自動控制系統(tǒng)的發(fā)展歷史二、自動控制系統(tǒng)的工作原理三、對控制系統(tǒng)的要求四、自動控制系統(tǒng)的分類第五章一、自動控制系統(tǒng)的發(fā)展歷史自動控制的基本概念現(xiàn)代科學技術中的自動控制技術得到了廣泛的應用航天器工業(yè)控制機器人家用電器自動控制的特征：

通過對各類機器、各種物理參量、工業(yè)生產(chǎn)過程等的控制直接造福于社會。自動控制：

在無人直接參與下，利用控制裝置操縱受控對象，使受控對象的被控量按給定信號變化規(guī)律去變化。自動控制示意圖控制器給定值

檢測元件

受控對象被控量自動控制系統(tǒng)控制裝置:受控對象:機器、設備、生產(chǎn)過程等控制器、檢測元件等

下面通過一些實例來說明自動控制和自動控制系統(tǒng)的基本概念一、自動控制系統(tǒng)的發(fā)展歷史自動控制的基本概念例水溫人工控制系統(tǒng)受控對象:水箱熱傳導器件系統(tǒng)的構成：被控制量:水溫閥門顯示儀表蒸汽排水冷水熱水工作過程：

蒸汽通過熱傳導器件把熱量傳遞給水,水的溫度與蒸汽的流量成正比.

手動調(diào)節(jié)閥門的開度，從而調(diào)節(jié)蒸汽的流量,來控制水的溫度.但人工難以實現(xiàn)穩(wěn)定的高質(zhì)量控制.一、自動控制系統(tǒng)的發(fā)展歷史自動控制的基本概念例水溫自動控制系統(tǒng)系統(tǒng)中增加了：控制器電機加入給定信號工作原理：檢測實際溫度產(chǎn)生控制信號

通過電機調(diào)節(jié)閥門的開度

從而調(diào)節(jié)蒸汽流入，控制水的溫度.實現(xiàn)沒有人直接參入的自動水溫控制.控制器一、自動控制系統(tǒng)的發(fā)展歷史自動控制的基本概念溫度檢測

為了方便地分析系統(tǒng)性能，一般用框圖來表示系統(tǒng)的結構，水溫自動控制系統(tǒng)可用框圖表示為：

要使自動控制系統(tǒng)滿足工程實際的需要,必須研究自動控制系統(tǒng)的結構參數(shù)與系統(tǒng)性能之間的關系。實際溫度偏差反饋量預期溫度_控制器執(zhí)行機構閥門水箱控制器一、自動控制系統(tǒng)的發(fā)展歷史自動控制的基本概念桿杠長度例液位自動控制系統(tǒng)h水箱桿杠浮球閥門進水系統(tǒng)組成：出水被控制量：水位高度工作原理：

調(diào)節(jié)杠桿長度L，通過杠桿機構調(diào)節(jié)閥門的開度，從而調(diào)節(jié)進水量以控制液位的高度。L一、自動控制系統(tǒng)的發(fā)展歷史自動控制的基本概念系統(tǒng)結構框圖浮球hr(s)h(t)閥門水箱

杠桿機構Lh一、自動控制系統(tǒng)的發(fā)展歷史控制理論的產(chǎn)生和發(fā)展要分為以下幾個發(fā)展階段：經(jīng)典控制理論階段現(xiàn)代控制理論階段魯棒控制理論階段一、自動控制系統(tǒng)的發(fā)展歷史1.經(jīng)典（自動）控制理論它的發(fā)展大致經(jīng)歷了萌芽、起步、發(fā)展、標志等幾個過程。萌芽階段早在兩千年前中國就有了自動控制技術的萌芽。兩千年前我國發(fā)明的指南車，就是一種開環(huán)自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)。公元1086－1089年（北宋哲宗元祐初年），

我國發(fā)明的水運儀象臺就是一種閉環(huán)自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)。一、自動控制系統(tǒng)的發(fā)展歷史1.經(jīng)典控制理論起步階段

隨著科學技術與工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，到十八世紀，自動控制技術逐漸應用到現(xiàn)代工業(yè)中。其中最卓越的代表是瓦特發(fā)明的蒸汽機離心調(diào)速器，加速了第一次工業(yè)革命的步伐。一、自動控制系統(tǒng)的發(fā)展歷史1.經(jīng)典控制理論發(fā)展階段1868年馬克斯韋爾解決了蒸汽機調(diào)速系統(tǒng)中出現(xiàn)的劇烈振蕩的不穩(wěn)定問題，提出了簡單的穩(wěn)定性代數(shù)判據(jù)。1895年勞斯（Routh）與赫爾維茨（Hurwitz）把馬克斯韋爾的思想擴展到高階微分方程描述的更復雜的系統(tǒng)中,各自提出了兩個著名的穩(wěn)定性判據(jù)—勞斯判據(jù)和赫爾維茨判據(jù)。基本上滿足了二十世紀初期控制工程師的需要。一、自動控制系統(tǒng)的發(fā)展歷史1.經(jīng)典控制理論發(fā)展階段由于第二次世界大戰(zhàn)需要控制系統(tǒng)具有準確跟蹤與補償能力，1932年奈奎斯特提出了頻域內(nèi)研究系統(tǒng)的頻率響應法，為具有高質(zhì)量的動態(tài)品質(zhì)和靜態(tài)準確度的軍用控制系統(tǒng)提供了所需的分析工具。

1948年伊萬斯提出了復數(shù)域內(nèi)研究系統(tǒng)的根軌跡法。建立在奈奎斯特的頻率響應法和伊萬斯的根軌跡法基礎上的理論，稱為經(jīng)典（古典）控制理論（或自動控制理論）。一、自動控制系統(tǒng)的發(fā)展歷史1.經(jīng)典控制理論標志階段1947年控制論的奠基人美國數(shù)學家韋納把控制論引起的自動化同第二次產(chǎn)業(yè)革命聯(lián)系起來，并與1948年出版了《控制論—關于在動物和機器中控制與通訊的科學》，書中論述了控制理論的一般方法，推廣了反饋的概念，為控制理論這門學科奠定了基礎。我國著名科學家錢學森將控制理論應用于工程實踐，并與1954年出版了《工程控制論》。一、自動控制系統(tǒng)的發(fā)展歷史1.經(jīng)典控制理論從四十年代到五十年代末，經(jīng)典控制理論的發(fā)展與應用使整個世界的科學水平出現(xiàn)了巨大的飛躍，幾乎在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運輸及國防建設的各個領域都廣泛采用了自動化控制技術。（可以說工業(yè)革命和戰(zhàn)爭促使了經(jīng)典控制理論的發(fā)展）。一、自動控制系統(tǒng)的發(fā)展歷史2.現(xiàn)代控制理論

科學技術的發(fā)展不僅需要迅速地發(fā)展控制理論，而且也給現(xiàn)代控制理論的發(fā)展準備了兩個重要的條件—現(xiàn)代數(shù)學和數(shù)字計算機?，F(xiàn)代數(shù)學，例如泛函分析、現(xiàn)代代數(shù)等，為現(xiàn)代控制理論提供了多種多樣的分析工具；而數(shù)字計算機為現(xiàn)代控制理論發(fā)展提供了應用的平臺。在二十世紀五十年代末開始，隨著計算機的飛速發(fā)展，推動了核能技術、空間技術的發(fā)展，從而對出現(xiàn)的多輸入多輸出系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)和時變系統(tǒng)。一、滅自動救控制費系統(tǒng)妥的發(fā)辮展歷盒史2.現(xiàn)代廟控制胡理論五十倉年代后期恢，貝爾懶曼等人提識出了腰狀態(tài)胳分析吼法；在19就57年提出移了動嫌態(tài)規(guī)嶄劃。19墻59年卡爾曼和布西至創(chuàng)建饒了卡售爾曼頁濾波門理論臉；19鳥60年在蓄控制擇系統(tǒng)鈴的研衫究中拋成功娃地應白用了懷狀態(tài)極空間鹽法，槐并提追出了可控剛性和園可觀窗測性的新威概念傭。一、至自動叛控制撓系統(tǒng)剪的發(fā)歪展歷梨史2.現(xiàn)代植控制益理論羅森吩布洛芳克、歐文爆斯和麥克己法輪研究了使驕用于毒計算囑機輔結助控砌制系持統(tǒng)設那計的姓現(xiàn)代啦頻域險法理振論，談將經(jīng)擔典控善制理腹論傳她遞函儉數(shù)的皇概念溝推廣獲到多研變量胳系統(tǒng)浸，并霉探討鞋了傳軟遞函態(tài)數(shù)矩貞陣與荷狀態(tài)鍛方程挨之間話的等魄價轉(zhuǎn)妹換關滋系，年為進只一步架建立除統(tǒng)一偵的線蓄性系昏統(tǒng)理慚論奠慰定了腎基礎19鍋61年龐就特里賭亞金富（俄晝國人卻）提撇出了兼極小薪（大烏）值令原理單。一、撇自動潔控制碧系統(tǒng)蘿的發(fā)單展歷軌史2.現(xiàn)代昂控制逆理論20世紀70年代奧斯隆特隆蔥姆（瑞交典）潮和朗道（法國撕）在自適成應控蜻制理映論和應盟用方廁面作達出了桿貢獻警。與此酬同時，關炊于系統(tǒng)存辨識屠、最輩優(yōu)控造制、身離散遲時間辭系統(tǒng)和自適易應控劉制的發(fā)垮展大照大豐散富了劈燕現(xiàn)代纏控制惑理論雀的內(nèi)搞容。

朗道一、尚自動悔控制狹系統(tǒng)擾的發(fā)我展歷另史2.現(xiàn)代慚控制孟理論現(xiàn)代虛控制滔理論摧與經(jīng)姻典控爪制理閱論的批差異經(jīng)典控制理論現(xiàn)代控制理論研究對象單輸入單輸出系統(tǒng)(SISO)高階微分方程多輸入多輸出系統(tǒng)(MIMO):一階微分方程研究方法傳遞函數(shù)法(外部描述)狀態(tài)空間法(內(nèi)部描述)研究工具拉普拉斯變換線性代數(shù)矩陣分析方法頻域(復域),頻率響應和根軌跡法復域、實域，可控和可觀測設計方法PID控制和校正網(wǎng)絡狀態(tài)反饋和輸出反饋

其他

頻率法的物理意義直觀、實用，難于實現(xiàn)最優(yōu)控制易于實現(xiàn)實時控制和最優(yōu)控制一、科自動疏控制析系統(tǒng)質(zhì)的發(fā)顯展歷老史3.魯棒麗控制諷理論由于現(xiàn)代承數(shù)學拴的發(fā)陜展，頓結合爬著H2和H等范蘋數(shù)而出表現(xiàn)了H2和H控制洲，還雄有逆憐系統(tǒng)花控制宏等方閃法。20世紀70年代處末，扎控制鳥理論崇向著“大系爬統(tǒng)理纖論”、“智能腔控制亡理論”和“復雜夫系統(tǒng)棉理論”的方升向發(fā)遞展：一、次自動渣控制擺系統(tǒng)命的發(fā)軍展歷單史3.魯棒狼控制員理論大系災統(tǒng)理起論：用控制豬和信供息的描觀點菌，研舊究各石種大吐系的結構方案見、總臣體設廟計中劑的分污解方劣法和秒?yún)f(xié)調(diào)等問涌題的技廣術基章礎理厲論。一、淡自動建控制輪系統(tǒng)完的發(fā)工展歷嬸史3.魯棒國控制贊理論智能順控制威理論脊：研究脈與模透擬人照類智悅能活聲動及到其控跨制與信裁息傳遞溉過程芹的規(guī)頂律，近研制幼具有灘某些擬人析智能的工流程控香制與睬信息改處理背系統(tǒng)迎的理騾論。洗衣話機智芳能模叼糊控饑制機器冒人神雁經(jīng)網(wǎng)缺絡控艦制一、豈自動子控制絕系統(tǒng)祝的發(fā)礎展歷怒史3.魯棒源控制悟理論復雜攻系統(tǒng)門理論：把系統(tǒng)濤的研母究拓濁廣到泄開放龜復雜挽巨系律統(tǒng)的即范籌，以繪解決緞復雜祥系統(tǒng)漂的控沾制為思目標驕?；仡櫆峡刂拼怖碚搸У陌l(fā)頓展歷匹程可滋以看單出，矩它的稀發(fā)展鳥過程隙反映已了人涂類由腦機械叢化時定代進坡入電沙氣化累時代冰，并已走向祥自動糠化、慰信息乒化、搖智能錘化時炊代。復雜霸航天腦器控事制二、窯自動覆控制然系統(tǒng)炭的工類作原柄理1．開猜環(huán)控別制有順麻向作飛用而毒無反令向聯(lián)道系.不同販的被遭控對取象和稱不同平的控顧制裝逆置構預成了怠不同袍的控室制系填統(tǒng)，鋤所以舞自動株控制露系統(tǒng)欺的種亡類是秒很多濤的。樂自動臟控制制系統(tǒng)你一般疊有兩蟻種基壺本控須制方室式.開環(huán)蒜控制控制臂裝置挺與受突控對清象之董間只二、爹自動丹控制潛系統(tǒng)罰的工迷作原央理例嫁轉(zhuǎn)偽臺速厲度開浸環(huán)控疲制系耕統(tǒng)轉(zhuǎn)臺電機電源授和放大裝悠置速度暖設置系統(tǒng)登組成牌：由圖逃可見回：速度耳設置臣信號臣通過此功率摩放大擔以后瀉，提溫供給瓜電動姐機驅(qū)千動電拐源，溫電動抖機帶蛇動轉(zhuǎn)輔臺旋僻轉(zhuǎn)。由于假被控服制量隱速度利沒有鎮(zhèn)反饋插到輸墳入端駛與給當定信通號比盡較,為開啞環(huán)控邀制系瞎統(tǒng)。系統(tǒng)諷結構豎圖:給定漢速度實際棒轉(zhuǎn)速放大器直流電動機轉(zhuǎn)臺這種乖轉(zhuǎn)臺逝在C歷D機、挨計算襖機磁阿盤驅(qū)捕動器充等許流多現(xiàn)沖代裝泥置中荷廣泛舞應用.開環(huán)傘控制齊的特英點：結構選和控聚制簡鑄單，柄抗擾終能力督差，罰控制誘精度騾低，嬌一般害用于崖對控挺制性方能要法求不床高的五場合壟。二、腦自動腫控制耳系統(tǒng)敬的工必作原嚇理2．閉聰環(huán)控歷制閉環(huán)突控制:閉環(huán)蹦控制滿又稱路為反饋昂控制或按偏竊差控俗制?？刂菩菅b置弟與受詠控對色象之掀間，竹不但炒有順儀向作換用，稀還有盡反向赴聯(lián)系翠。例搜轉(zhuǎn)臺牌速度刮閉環(huán)篩控制農(nóng)系統(tǒng)系統(tǒng)墊中增起加了堡測速糊發(fā)電孟機作截為反瓣饋裝梯置測出航電動臣機的歇速度陸反饋捐給控吼制器然。與給控定信連號比宅較產(chǎn)晨生偏枯差電世壓，炒經(jīng)過鴉功率告放大駝后對關電動喊機的椅速度扣進行享閉環(huán)騙控制.當速絲式度受業(yè)擾動忙發(fā)生搬變化批時，劍偏差名電壓窯也隨基之變擾化，匹通過灰閉環(huán)捷調(diào)節(jié)總能消育除干排擾。系統(tǒng)怪結構缸圖測速槐機偏差預期魚速度實際轉(zhuǎn)速放大器_直流電動機轉(zhuǎn)臺二、警自動寬控制繼系統(tǒng)嘆的工栽作原評理放大引裝置例腎位油置隨擱動系安統(tǒng)環(huán)型告電位響器電機電源齒輪系統(tǒng)體組成邊：負載輸入θr輸出θc工作悠過程寄：θr=θcUd=助0Udθr≠θcUd≠0電動集機帶插動齒溜輪轉(zhuǎn)膀動,調(diào)節(jié)θc,使θr=θc電動廊機靜賭止系統(tǒng)監(jiān)結構削圖θr_電位器θm△θθcueud放大器電動機減速器二、濤自動差控制竹系統(tǒng)原的工域作原聞理例飾直藏流調(diào)說速系孫統(tǒng)直流汗電機測速執(zhí)發(fā)電熔機電源胡和控飼制裝迎置負載系統(tǒng)瞧組成馬：UnUf輸入反饋核電壓e=Un-Uf轉(zhuǎn)速老取決濤于：n輸出電樞礙電壓UdUd=K咐e當干饒擾引戒起轉(zhuǎn)伯速變五化時啄，系卷統(tǒng)自東動調(diào)猾整：n↓→Uf↓→e↑→Ud↑→n↑系統(tǒng)春結構愈圖測速機unufeudn_放大器直流電動機二、堪自動帽控制麗系統(tǒng)酸的工財作原霉理（3）能士減小喜或消虹除由艙擾動犁形成彼的偏段差，管具有斗較高個的控終制精乳度和六較強戚的抗兵擾能耍力。通過襯以上王的實倘例分猶析可鎖得出天閉環(huán)活控制當系統(tǒng)蒸具有衡的特喚點：（1）系貼統(tǒng)的僚控制材信號息是給各定值膠與反鏈饋量盆的差勁值，植故稱猴為按猾偏差端控制度或反療饋控壯制。（2）閉框環(huán)系味統(tǒng)有從兩種獲傳輸再通道鋼：前克向通怒道和板反饋狹通道摟。自動攝控制咐原理伴中主境要討忍論閉歷環(huán)控元制系癢統(tǒng)。二、臟自動幕控制外系統(tǒng)右的工漲作原融理3．復亦合控軋制測量計出外退部作葬用，報形成診與外貸部作籍用相仁反的千控制淚量與擇外部肌作用價共同險使被還控量持基本擊不受譜影響保。前饋課補償煤控制復合祥控制消具有枕兩種伯基本回形式.前饋拘補償?shù)昕刂脐悾簭秃祥W控制嘩：反饋拔控制+在外搶部作多用下違，由供系統(tǒng)渡被控夸制量塘的變蠶化產(chǎn)衣生調(diào)青節(jié)和幕控制代作用役。反饋吸控制糊：二、誕自動廢控制軟系統(tǒng)百的工盛作原付理(a銅)按輸境入前很饋補編償?shù)谋藦秃戏娇刂平o定旅值被控設制量_檢測元件控制器前饋通道受控對象前饋漸補償劣控制反饋膨控制主通蠟道二、著自動競控制艘系統(tǒng)眉的工善作原青理(b盤)按擾色動前沫饋補枯償?shù)闹翉秃项櫩刂平o定籮值被控吃制量_檢測元件控制器受控對象前饋較補償通控制反饋威控制主通腸道前饋通道擾動三、對控漠制系秩統(tǒng)的掩要求常見梳的評無價系豪統(tǒng)優(yōu)胃劣的話性能柏指標雀是從仗動態(tài)噴過程趕中定捆義出撿來的抹。對壘系統(tǒng)徹性能衣的基飾本要推求有儉三個癥方面撓。2、快速久性1、穩(wěn)定略性3、準確影性三、對控殼制系柳統(tǒng)的擠要求系統(tǒng)少受外勞作用就力后,其動探態(tài)過復程的黑振蕩書傾向鉗和系粗統(tǒng)恢罩復平肚衡的認能力退。1、穩(wěn)定偏性穩(wěn)定好性：系統(tǒng)紐奉受外眉作用竹力經(jīng)掏過一常段時條間，辟其被惹控量撒達到幣某一腳穩(wěn)定玻狀態(tài)紹，則戚系統(tǒng)弄是穩(wěn)順定的尺。否則汽為不災穩(wěn)定什的。r(t)t0c(t)r(怖t)c(牙t)不穩(wěn)獸定的猜系統(tǒng)嘩是無芝法正斑常工找作的測。擾動凱信號翠作用璃下的不穩(wěn)定睛系統(tǒng):d(t)t0c(t)c(逗t)d(瓶t)一個莊能在塵生產(chǎn)辛實際醫(yī)中應燭用的班系統(tǒng),不僅賤應具丹有穩(wěn)視定性,而且鵲在動房誠態(tài)過純程中臺的震餓蕩也喬不能案過于赴強烈.三、對控駛制系門統(tǒng)的凝要求通過若動態(tài)網(wǎng)過程舟時間賓長短河表征退快速頁性。2、快速竄性r(t)t0c(t)r(鉛t)c1(t涉)c2(t序)快速找性表貝明了斬系統(tǒng)限輸出詠對輸茅入響見應的悠快慢喘程度過渡翁過程污時間等越短相，表提明快蛾速性朵越好植。反之洗亦然罪。t1t2三、對控題制系盯統(tǒng)的誓要求由輸槽入給猜定值釘與輸小出響本應的晴終值史之間紐奉的差蘆值ess大小在表征誘。3、準確板性r(t)t0c(t)ess它反球映了體系統(tǒng)云的穩(wěn)彼態(tài)精成度。灶若系勞統(tǒng)最膚終的夫誤差緣瑞為零耐，則商稱為頃無差膚系統(tǒng)拐，否絹則為漂有差停系統(tǒng)壓。c(什t)r(輩t)三、對控霧制系岡統(tǒng)的喬要求穩(wěn)定卸性、吩快速雞性和盡準確敬性往聚往是板互相胃制約啞的。配在設罷計與減調(diào)試計的過陡程中,若過貨分強駛調(diào)某臭方面描的性敞能,則可答能會您使其雅他方兵面的于性能誰受到鹿影響.怎樣壤根據(jù)丹工作熔任務孩的不溝同,分析沒和設筆計自盜動控爬制系芽統(tǒng)，績使其售對三母方面耐的性階能有辯所側(cè)捆重憲，并捧兼顧其它博是自控原理必要解決歉的問邊題。四、自動盞控制揪系統(tǒng)嘉的分迷類1、線性撫系統(tǒng)渡和非繩線性睡系統(tǒng)自動塔控制傳系統(tǒng)嘆的分結類方夏法較銷多，球常見架的有酸以下幾種預：由線倒性微巨分方只程或拔線性填差分搬方程資所描賴述的惜系統(tǒng)雪。由非蛾線性館方程歇描述池的系藝統(tǒng)。線性水系統(tǒng)聰：非線少性系鑼統(tǒng)：四、自動悉控制營系統(tǒng)羞的分聾類2、定常去系統(tǒng)狹