第一章 自動控制原理

1自動控制原理

上海電機(jī)學(xué)院陳國初2內(nèi)容講課實(shí)驗(yàn)其他1、控制系統(tǒng)概述42、控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型103、控制系統(tǒng)的時(shí)域分析124、根軌跡法85、頻率響應(yīng)法126、控制系統(tǒng)的校正6實(shí)驗(yàn)8共計(jì)528學(xué)時(shí)安排3成績評定說明：總成績=平時(shí)（作業(yè)、實(shí)驗(yàn)、出勤、課題討論，等）*40%+期末考試（閉卷）*60%輔導(dǎo)安排：地點(diǎn)：技術(shù)中心B區(qū)403室時(shí)間：每周二上午9:00---11:00聯(lián)系方式：電話_mail：chengc@4序號內(nèi)容時(shí)間地點(diǎn)1典型環(huán)節(jié)性能分析第6周技術(shù)中心A區(qū)702實(shí)驗(yàn)室2線性控制系統(tǒng)的時(shí)域響應(yīng)分析第9周3控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析第10周4Simulink在控制中的應(yīng)用第17周實(shí)驗(yàn)安排5參考資料胡壽松自動控制原理(第四版)，科學(xué)出版社孫炳達(dá)自動控制原理(第二版),機(jī)械工業(yè)出版社吳麒自動控制原理，清華大學(xué)出版社BenjaminC.Kuo,Automaticcontrolsystems,JohnWiley&Sons,Inc.(美)富蘭克林自動控制原理與設(shè)計(jì)（英文版·第5版）(FeedbackControlofDynamicSystems)

自動控制原理課程的主要任務(wù)本課程的主要內(nèi)容是闡述構(gòu)成、分析和設(shè)計(jì)自動控制系統(tǒng)的基本理論。對實(shí)際系統(tǒng),建立研究問題的數(shù)學(xué)模型,進(jìn)而利用所建立的數(shù)學(xué)模型來討論構(gòu)成、分析、綜合自動控制系統(tǒng)的基本理論和方法。作為研究自動控制系統(tǒng)的分析與綜合的方法來說,對單輸入單輸出系統(tǒng)常采用的是時(shí)域法,頻域法,根軌跡法以及目前廣泛應(yīng)用的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)。7本課程主要內(nèi)容之間的關(guān)系自動控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)工具9《自動控制原理》

與其它課程的關(guān)系自動控制原理電機(jī)與拖動電子技術(shù)線性代數(shù)微積分（含微分方程）復(fù)變函數(shù)、拉普拉斯變換電路理論大學(xué)物理（力學(xué)、熱力學(xué)）電力電子技術(shù)各類控制系統(tǒng)課程10第1章控制系統(tǒng)概述Chapter1IntroductiontoControlSystems111.1概述1、自動控制定義

自動控制－－－在沒有人直接參與的情況下，利用外加的設(shè)備或裝置（稱控制裝置或控制器），使機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過程（統(tǒng)稱被控對象）的某個(gè)工作狀態(tài)或參數(shù)（即被控量）自動地按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行。12Whyarecontrolsystemsimportant?(1)控制系統(tǒng)無處不在.(2)提高產(chǎn)量，降低成本.(3)提高精度、可靠性.(4)能夠在許多人不到達(dá)的場所發(fā)揮作用.13如：

電爐溫度控制系統(tǒng)2、自動控制系統(tǒng)的組成先看人工控制系統(tǒng)的實(shí)例分析：14151617人工控制系統(tǒng)的組成：液位控制系統(tǒng)示例當(dāng)系統(tǒng)受到外界擾動的影響時(shí)為使被控變量（液位）與設(shè)定值保持一致檢測被控變量，并與設(shè)定值比較得到偏差按一定控制規(guī)律對偏差運(yùn)算輸出信號驅(qū)動操縱變量（流量）最終使被控變量回復(fù)到設(shè)定值變送器檢測液位控制器對偏差進(jìn)行運(yùn)算執(zhí)行器改變操縱變量自動控制系統(tǒng)實(shí)例：壓力控制系統(tǒng)的示例當(dāng)系統(tǒng)受到外界擾動的影響時(shí)為使被控變量（壓力）與設(shè)定值保持一致檢測被控變量，并與設(shè)定值比較得到偏差按一定控制規(guī)律對偏差運(yùn)算輸出信號驅(qū)動操縱變量（流量）最終使被控變量回復(fù)到設(shè)定值變送器檢測壓力控制器對偏差運(yùn)算執(zhí)行器改變操縱變量溫度控制系統(tǒng)示例當(dāng)系統(tǒng)受到外界擾動的影響時(shí)為使被控變量（溫度）與設(shè)定值保持一致檢測被控變量，并與設(shè)定值比較得到偏差按一定控制規(guī)律對偏差運(yùn)算輸出信號驅(qū)動操縱變量（流量）最終使被控變量回復(fù)到設(shè)定值變送器檢測溫度控制器對偏差運(yùn)算執(zhí)行器改變操縱變量3、自動控制系統(tǒng)的框圖

控制系統(tǒng)由被控對象、檢測變送、控制器和執(zhí)行器等組成22簡單自動控制系統(tǒng)方框圖簡單自動控制系統(tǒng)是只對一個(gè)被控參數(shù)進(jìn)行控制的單回路閉環(huán)控制系統(tǒng)，是構(gòu)成復(fù)雜自動控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)。典型結(jié)構(gòu)框圖如下：23自動控制系統(tǒng)的一些常用術(shù)語

給定元件:

它的作用是給出一個(gè)給定值，給定值和被控量（如電壓、電流、轉(zhuǎn)速、溫度等）之間有一定的函數(shù)關(guān)系（如成比例關(guān)系）。改變給定值，就可以改變被控量。在當(dāng)前的計(jì)算機(jī)控制中，給定值一般可以由計(jì)算機(jī)給出，因此沒有專用的給定元件。

測量元件和變送器:它的作用是把被控量檢測出來并反饋到輸入端，反饋量和被控量之間也有一定的函數(shù)關(guān)系。例如，壓力傳感器就是一測量變送元件。

比較元件:它將反饋量和給定值比較，得出差值（偏差）。反饋控制系統(tǒng)就是利用差值進(jìn)行調(diào)節(jié)的。有的系統(tǒng)配以專用的比較器（如：運(yùn)算放大器、機(jī)械差動元件或電橋等），大部分是以隱藏的方式合并在其他控制裝置中，如計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)等。24

調(diào)節(jié)元件:

或稱調(diào)節(jié)器、控制器，它接收偏差信號或者輸入信號，通過一定的運(yùn)算規(guī)律進(jìn)行運(yùn)算后得出相應(yīng)的控制信號，送到執(zhí)行元件。如常規(guī)控制儀表、可編程控制器、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)等都屬于控制器。例如，壓力調(diào)節(jié)器就是調(diào)節(jié)元件。

執(zhí)行元件:或稱執(zhí)行調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，它的作用是接收調(diào)節(jié)器發(fā)出的控制命令，移動調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，以改變被控量。例如，變頻器及泵電動機(jī)就是執(zhí)行元件。

控制對象：或稱被控對象、調(diào)節(jié)對象，電動機(jī)、電動機(jī)帶動的機(jī)械負(fù)載、發(fā)電機(jī)、電爐等都是控制對象，相應(yīng)的被控量是轉(zhuǎn)速、位移、電壓、電流、溫度等。例如，電動機(jī)驅(qū)動的水泵就是控制對象。在自動控制系統(tǒng)中，被控對象中需要控制的那個(gè)參數(shù)叫被控參數(shù)（或稱被控量、被調(diào)量），被控參數(shù)要求保持的那個(gè)規(guī)定值稱為給定值。凡影響被控參數(shù)偏離給定值的各種因素，統(tǒng)稱為干擾。被控對象變送器計(jì)算機(jī)檢測元件控制器執(zhí)行器自動控制系統(tǒng)框圖的幾點(diǎn)說明符號元素：（1）：元件（2）：信號（物理量）及傳遞方向（3）：比較點(diǎn)（信號疊加）（4）：引出點(diǎn)（分支、信號強(qiáng)度）（5）+/-：符號的意義（正、負(fù)反饋）33自己也可以試著舉例:日常生活：洗衣機(jī)，電冰箱，空調(diào)；電梯，汽車；工業(yè)領(lǐng)域：發(fā)電機(jī)，電動機(jī)，變電站；自動包裝機(jī)；航空航天：飛機(jī)，火箭，衛(wèi)星。34工程應(yīng)用中的具體例子

數(shù)控車床按照預(yù)定程序自動地切削工件；化學(xué)反應(yīng)爐的溫度或壓力自動地維持恒定；雷達(dá)和計(jì)算機(jī)組成的導(dǎo)彈發(fā)射和制導(dǎo)系統(tǒng)，自動地將導(dǎo)彈引導(dǎo)到敵方目標(biāo)；無人駕駛飛機(jī)按照預(yù)定航跡自動升降和飛行；(見圖示)

人造衛(wèi)星準(zhǔn)確地進(jìn)入預(yù)定軌道運(yùn)行并回收等。(見圖示)

生物、醫(yī)學(xué)、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)管理。。。35363738391.2自動控制系統(tǒng)的基本形式

自動控制系統(tǒng)的形式是多種多樣的，按照不同的分類方法可以分成不同的類型，而且實(shí)際系統(tǒng)往往可能是幾種方式的組合。如：根據(jù)控制原理來分類，可以分為開環(huán)控制、閉環(huán)控制與復(fù)合控制系統(tǒng)；根據(jù)給定的參考輸入信號的不同來分類，可以分為恒值控制系統(tǒng)與隨動控制系統(tǒng)；根據(jù)系統(tǒng)數(shù)學(xué)性質(zhì)的不同來分類，可以分為線性系統(tǒng)與非線性系統(tǒng)；根據(jù)時(shí)間信號的不同方式來分類，可以分為連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)與離散時(shí)間系統(tǒng)；從端口關(guān)系上來分類，可以分為單輸入—單輸出系統(tǒng)與多輸入—多輸出系統(tǒng)等等。40

開環(huán)控制是最簡單的一種控制方式。它的特點(diǎn)是，控制量與輸出量之間僅有前向通路，而沒有反饋通路。由于開環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)容易、成本低、不存在穩(wěn)定性問題，因此應(yīng)用于許多對輸出量（如轉(zhuǎn)速、溫度、電壓）的精確度要求不高的場合。其缺點(diǎn)是：輸出量不能對控制量產(chǎn)生影響，控制精度取決于組成系統(tǒng)的元件的精度，因此對元器件的要求比較高；由于輸出量不能反饋回來影響控制量，所以輸出量受擾動信號的影響比較大，系統(tǒng)抗干擾能力差。根據(jù)上述特點(diǎn)，開環(huán)控制方式僅適用于輸入量已知、控制精度要求不高、擾動作用不大的場合。41

閉環(huán)控制又稱反饋控制，它不僅有一條從輸入端到輸出端的前向通路，還有一條從輸出端到輸入端的反饋通路。輸出量通過檢測元件反饋到輸入端，與輸入量（給定值）比較后得到偏差信號來作為控制器的輸入，利用偏差信號實(shí)現(xiàn)對輸出量的控制或者調(diào)節(jié)，所以系統(tǒng)的輸出量能夠自動地跟蹤給定量，減小跟蹤誤差，提高控制精度，抑制擾動信號的影響。除此之外，負(fù)反饋構(gòu)成的閉環(huán)控制系統(tǒng)還有其他的優(yōu)點(diǎn)：使得系統(tǒng)對前向通路中元件參數(shù)的變化不靈敏，從而系統(tǒng)對于前向通路中元件的精度要求不高，還可以使得整個(gè)系統(tǒng)對于某些非線性影響不靈敏等。

42反饋控制系統(tǒng)（閉環(huán)控制系統(tǒng)）根據(jù)系統(tǒng)被控量與給定值的偏差進(jìn)行工作，偏差值是控制的依據(jù)，最后達(dá)到減小或消除偏差的目的反饋信號可能有多個(gè)，從而可以構(gòu)成多回路控制系統(tǒng)（如串級控制系統(tǒng)）。

電爐溫度反饋控制系統(tǒng)原理圖復(fù)合控制系統(tǒng)（前饋-反饋控制系統(tǒng)）

中國古代自動化方面的成就：公元前14世紀(jì)至前11世紀(jì)，中國、埃及和巴比倫出現(xiàn)自動計(jì)時(shí)漏壺；公元130年，張衡發(fā)明水運(yùn)渾象，132年研制出自動測量地震的候風(fēng)地動儀；公元235年，馬鈞研制出用齒輪傳動自動指示方向的指南車，類似按擾動補(bǔ)償?shù)淖钥叵到y(tǒng)；1.3自動控制理論的發(fā)展中國古代自動化方面的輝煌成就：公元725年，一行、梁令瓚發(fā)明有自動報(bào)時(shí)機(jī)構(gòu)的水運(yùn)渾象，其中使用了一個(gè)天衡裝置，是一個(gè)按被調(diào)量偏差調(diào)節(jié)的自動調(diào)節(jié)器；公元1086-1092年，蘇頌和韓公廉建造具有“天衡”自動調(diào)節(jié)和自動報(bào)時(shí)機(jī)構(gòu)的水運(yùn)儀象臺；公元1135年，宋代王普記述“蓮華漏”上使用浮子—閥門式機(jī)構(gòu)自動調(diào)節(jié)漏壺的水位；公元1637年，明代的《天工開物》一書中記載有程序控制思想的提花織機(jī)結(jié)構(gòu)圖。飛球調(diào)節(jié)器世界上公認(rèn)的第一個(gè)自動控制系統(tǒng)1788年瓦特發(fā)明飛球調(diào)節(jié)器，進(jìn)一步推動蒸汽機(jī)的應(yīng)用，促進(jìn)了工業(yè)的發(fā)展。推動了社會進(jìn)步是飛球調(diào)節(jié)器公認(rèn)為第一個(gè)自動控制系統(tǒng)的最主要原因！沒有理論指導(dǎo)使控制技術(shù)停滯了一個(gè)世紀(jì)！

飛球調(diào)節(jié)器有時(shí)使蒸汽機(jī)速度出現(xiàn)大幅度振蕩。其它自動控制系統(tǒng)也有類似現(xiàn)象。由于當(dāng)時(shí)還沒有自控理論，所以不能從理論上解釋這一現(xiàn)象。為了解決這個(gè)問題，盲目探索了大約一個(gè)世紀(jì)之久。自動控制理論的開端1868年英國麥克斯韋爾的“論調(diào)速器”論文指出（用微分方程描述蒸汽機(jī)離心調(diào)速器系統(tǒng)）：不應(yīng)單獨(dú)研究飛球調(diào)節(jié)器，必須從整個(gè)系統(tǒng)分析控制的不穩(wěn)定。建立系統(tǒng)微分方程，分析微分方程解的穩(wěn)定性，從而分析實(shí)際系統(tǒng)是否會出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象。這樣，控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的分析，變成了判別微分方程的特征根的實(shí)部的正、負(fù)號問題。麥克斯韋爾的這篇著名論文被公認(rèn)為自動控制理論的開端。經(jīng)典控制理論的孕育1875年，英國勞斯提出代數(shù)穩(wěn)定判據(jù)。1892年，俄國李雅普諾夫提出穩(wěn)定性定義和兩個(gè)穩(wěn)定判據(jù)（更高層面、更一般系統(tǒng)、更深理論）。1895年，德國赫爾維茲提出代數(shù)穩(wěn)定判據(jù)（和勞斯判據(jù)有類似之處）。1932年，美國奈奎斯特提出奈氏穩(wěn)定判據(jù)。二戰(zhàn)中自動火炮、雷達(dá)、飛機(jī)以及通訊系統(tǒng)的控制研究直接推動了經(jīng)典控制的發(fā)展。經(jīng)典控制理論的形成●1948年，伊萬思提出根軌跡方法●1948年，維納出版《控制論》，形成完整的經(jīng)典控制理論，標(biāo)志控制學(xué)科的誕生。

維納成為控制論的創(chuàng)始人！●維納《控制論》是關(guān)于怎樣把機(jī)械元件和電氣元件組合成穩(wěn)定的并且具有特定性能的系統(tǒng)的科學(xué)。這門新科學(xué)的一個(gè)非常突出的特點(diǎn)就是完全不考慮能量、熱量和效率等因素，可是，在其他各門自然科學(xué)中，這些因素是十分重要的。●控制論所討論的主要問題是一個(gè)系統(tǒng)的各個(gè)不同部分之間的相互作用的定性性質(zhì)，以及整個(gè)系統(tǒng)的總體運(yùn)動狀態(tài)。空間技術(shù)促使現(xiàn)代控制理論的產(chǎn)生現(xiàn)代控制理論促進(jìn)了空間技術(shù)的發(fā)展二次世界大戰(zhàn)結(jié)束后，各國大力發(fā)展空間技術(shù)，經(jīng)典控制理論不能滿足需要，需要研究新的控制理論?，F(xiàn)代控制理論在空間技術(shù)取得巨大成功，促進(jìn)了空間技術(shù)的發(fā)展?，F(xiàn)代控制理論的幾個(gè)重要成果

20世紀(jì)50年代末，隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展與航天技術(shù)的革命，逐漸形成了現(xiàn)代控制理論。●1956年，前蘇聯(lián)龐特里亞金提出最大值原理●1957年，美國貝爾曼提出動態(tài)規(guī)劃理論?！?960年，卡爾曼提出了狀態(tài)空間法、能控性與能觀性的概念，被認(rèn)為是現(xiàn)代控制理論的開端。

與經(jīng)典控制理論相比，狀態(tài)空間法能夠從系統(tǒng)內(nèi)部物理量對系統(tǒng)進(jìn)行描述，相當(dāng)于對系統(tǒng)建立了白箱模型，使得控制更加有效。

卡爾曼還提出最優(yōu)濾波理論---卡爾曼濾波器。55

從20世紀(jì)60年代至今，現(xiàn)代控制理論迅速發(fā)展，逐漸形成了線性系統(tǒng)理論、最優(yōu)控制理論、動態(tài)系統(tǒng)辨識、自適應(yīng)控制、大系統(tǒng)理論、魯棒控制、智能控制等學(xué)科的分支。

現(xiàn)代控制理論是在經(jīng)典控制理論的基礎(chǔ)上發(fā)展以來的，它克服了經(jīng)典控制理論應(yīng)用范圍受限和黑箱理論描述系統(tǒng)等缺點(diǎn)；現(xiàn)代控制理論以狀態(tài)空間法為基礎(chǔ)，研究單輸入---單輸出、多輸入-多輸出、定常或時(shí)變、線性或非線性等控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)。現(xiàn)代控制理論在工業(yè)過程控制方面遭遇滑鐵盧，促使了智能控制技術(shù)的誕生現(xiàn)代控制理論在空間技術(shù)取得巨大成功，但由于工業(yè)過程控制中普遍存在的不確定性和干擾，難以取得預(yù)期的效果。模擬人的控制技術(shù)——智能控制，雖然不能實(shí)現(xiàn)精確的控制，但對各種復(fù)雜系統(tǒng)能夠做到比較滿意的控制。經(jīng)典控制理論(古典控制理論)以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)，研究單輸入---單輸出定?？刂葡到y(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)問題：線性控制系統(tǒng)分析：時(shí)域分析、穩(wěn)定性與穩(wěn)態(tài)誤差分析、根軌跡分析、頻域分析。非線性控制系統(tǒng)分析：相平面分析、描述函數(shù)分析。（連續(xù)控制系統(tǒng)、離散控制系統(tǒng)）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(shí)變、非線性、高精度、高效能控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)問題：（線性系統(tǒng)、自適應(yīng)控制、最優(yōu)控制、魯棒控制、最佳估計(jì)、容錯(cuò)控制、系統(tǒng)辨識、集散控制、大系統(tǒng)復(fù)雜系統(tǒng)）智能控制（專家系統(tǒng)、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法）611、經(jīng)典控制理論

研究的主要對象是單輸入、單輸出——單變量系統(tǒng)。如：調(diào)節(jié)電壓改變電機(jī)的速度；調(diào)整方向盤改變汽車的運(yùn)動軌跡等。2、現(xiàn)代控制理論研究的主要對象是多輸入、多輸出——多變量系統(tǒng)。如，汽車看成是一個(gè)具有兩個(gè)輸入（駕駛盤和加速踏板）和兩個(gè)輸出（方向和速度）的控制系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)科學(xué)地發(fā)展，極大地促進(jìn)了控制科學(xué)地發(fā)展。62經(jīng)典控制理論與現(xiàn)代控制理論比較

項(xiàng)目經(jīng)典控制理論現(xiàn)代控制理論研究對象線性定常系統(tǒng)（單輸入、單輸出）線性、非線性、定常、時(shí)變系統(tǒng)（多輸入、多輸出）描述方法傳遞函數(shù)（輸入、輸出描述）向量空間（狀態(tài)空間描述）研究辦法根軌跡法和頻率法狀態(tài)空間法研究目標(biāo)系統(tǒng)分析及給定輸入、輸出情況下的系統(tǒng)綜合揭示系統(tǒng)的內(nèi)在規(guī)律，實(shí)現(xiàn)在一定意義下的最優(yōu)控制與設(shè)計(jì)63自動控制理論的內(nèi)容自動控制理論經(jīng)典控制理論(19世紀(jì)中葉--20世紀(jì)50年代)線性非線性根軌跡法頻域法時(shí)域法波波夫法李雅普諾夫法描述函數(shù)法相平面法采樣控制Z變換法現(xiàn)代控制理論(60年代以來)狀態(tài)反饋控制最優(yōu)控制智能控制預(yù)測控制自適應(yīng)控制模糊控制大系統(tǒng)多層分散控制643、大系統(tǒng)控制理論

大系統(tǒng)控制理論是一種過程控制與信息處理相結(jié)合的動態(tài)系統(tǒng)工程理論，研究的對象具有規(guī)模龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功能綜合、目標(biāo)多樣、因素眾多等特點(diǎn)。它是一個(gè)多輸入、多輸出、多干擾、多變量的系統(tǒng)。如：人體，我們就可以看作為一個(gè)大系統(tǒng)，其中有體溫的控制、情感的控制、人體血液中各種成分的控制等等。大系統(tǒng)控制理論目前仍處于發(fā)展階段。

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4、智能控制

這是近年來新發(fā)展起來的一種控制技術(shù)，是人工智能在控制上的應(yīng)用。它的指導(dǎo)思想是依據(jù)人的思維方式和處理問題的技巧，解決那些目前需要人的智能才能解決的復(fù)雜的控制問題。 學(xué)派：結(jié)構(gòu)派和功能派它是一門新興的控制學(xué)科，有些問題尚存有爭議，然而由于它實(shí)用性強(qiáng)，能運(yùn)用人們的經(jīng)驗(yàn)與技巧解決許多以往控制中難以解決的棘手問題（如建模等），因此得到了人們極大的重視，。1.4自動控制系統(tǒng)的類型

1.按信號流向劃分（1）開環(huán)控制系統(tǒng)信號流動由輸入端到輸出端單向流動。（2）閉環(huán)控制系統(tǒng)若控制系統(tǒng)中信號除從輸入端到輸出端外,還有輸出到輸入的反饋信號,則構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng),也稱反饋控制系統(tǒng),如圖所示。2.按系統(tǒng)輸入信號劃分（1）恒值調(diào)節(jié)系統(tǒng)(自動調(diào)節(jié)系統(tǒng))這種系統(tǒng)的特征是輸入量為一恒值,通常稱為系統(tǒng)的給定值?？刂葡到y(tǒng)的任務(wù)是盡量排除各種干擾因素的影響,使輸出量維持在給定值(期望值)。如工業(yè)過程中恒溫、恒壓、恒速等控制系統(tǒng)。（2）隨動系統(tǒng)(跟蹤系統(tǒng))該系統(tǒng)的控制輸入量是一個(gè)事先無法確定的任意變化的量,要求系統(tǒng)的輸出量能迅速平穩(wěn)地復(fù)現(xiàn)或跟蹤輸入信號的變化。如雷達(dá)天線的自動跟蹤系統(tǒng)和高炮自動描準(zhǔn)系統(tǒng)就是典型的隨動系統(tǒng)。（3）程序控制系統(tǒng)系統(tǒng)的控制輸入信號不是常值,而是事先確定的運(yùn)動規(guī)律,編成程序裝在輸入裝置中,即控制輸入信號是事先確定的程序信號,控制的目的是使被控對象的被控量按照要求的程序動作。如數(shù)控車床就屬此類系統(tǒng)。3.線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)組成系統(tǒng)元器件的特性均為線性的,可用一個(gè)或一組線性微分方程來描述系統(tǒng)輸入和輸出之間關(guān)系。線性系統(tǒng)的主要特征是具有齊次性和疊加性。(1)線性系統(tǒng)(2)非線性系統(tǒng)在系統(tǒng)中只要有一個(gè)元器件的特性不能用線性微分方程描述其輸入和輸出關(guān)系,則稱為非線性系統(tǒng)。非線性系統(tǒng)還沒有一種完整、成熟、統(tǒng)一的分析法。通常對于非線性程度不很嚴(yán)重,或做近似分析時(shí),均可用線性系統(tǒng)理論和方法來處理。4.定常系統(tǒng)和時(shí)變系統(tǒng)

(1)定常系統(tǒng)如果描述系統(tǒng)特性的微分方程中各項(xiàng)系數(shù)都是與時(shí)間無關(guān)的常數(shù),則稱為定常系統(tǒng)。該類系統(tǒng)只要輸入信號的形式不變,在不同時(shí)間輸入下的輸出響應(yīng)形式是相同的。(2)時(shí)變系統(tǒng)如果描述系統(tǒng)特性的微分方程中只要有一項(xiàng)系數(shù)是時(shí)間的函數(shù),此系統(tǒng)稱為時(shí)變系統(tǒng)。5.連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)(1)連續(xù)系統(tǒng)系統(tǒng)中所有元件的信號都是隨時(shí)間連續(xù)變化的,信號的大小均是可任意取值的模擬量,稱為連續(xù)系統(tǒng)。(2)離散系統(tǒng)離散系統(tǒng)是指系統(tǒng)中有一處或數(shù)處的信號是脈沖序列或數(shù)碼。若系統(tǒng)中采用了采樣開關(guān),將連續(xù)信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡x散的脈沖形式的信號,此類系統(tǒng)稱為采樣控制系統(tǒng)或脈沖控制系統(tǒng)。若采用數(shù)字計(jì)算機(jī)或數(shù)字控制器,其離散信號是以數(shù)碼形式傳遞的,此類系統(tǒng)稱為數(shù)字控制系統(tǒng)。6.單輸入單輸出系統(tǒng)與多輸入多輸出系統(tǒng)(1)單輸入單輸出系統(tǒng)(單變量系統(tǒng))系統(tǒng)的輸入量和輸出量各為一個(gè),稱為單輸入單輸出系統(tǒng)。(2)多輸入多輸出系統(tǒng)(多變量系統(tǒng))若系統(tǒng)的輸入量和輸出量多于一個(gè),稱為多輸入多輸出系統(tǒng)。對于線性多輸入多輸出系統(tǒng),系統(tǒng)的任何一個(gè)輸出等于數(shù)個(gè)輸入單獨(dú)作用下輸出的疊加。1.5自動控制系統(tǒng)性能的基本要求自動控制系統(tǒng)是否能很好地工作,是否能精確地保持被控量按照預(yù)定的要求規(guī)律變化這取決于被控對象和控制器及各功能元器件的特性參數(shù)是否設(shè)計(jì)得當(dāng)。在理想情況下,控制系統(tǒng)的輸出量和輸入量,在任何時(shí)候均相等,系統(tǒng)完全無誤差,且不受干擾的影響。實(shí)際系統(tǒng)中,由于各種各樣原因,系統(tǒng)在受到輸入信號(也包括擾動信號)的激勵時(shí),被控量將偏離輸入信號作用前的初始值,經(jīng)歷一段動態(tài)過程(過渡過程)，則系統(tǒng)控制性能的優(yōu)劣,可以從動態(tài)過程中較充分地表現(xiàn)出來。75

過程控制系統(tǒng)在運(yùn)行中有兩種工作狀態(tài)，一種是穩(wěn)態(tài)，此時(shí)系統(tǒng)沒有任何外來干擾，同時(shí)設(shè)定值保持不變，因而被調(diào)量也不會隨時(shí)間變化，整個(gè)系統(tǒng)處于穩(wěn)定平衡的工況。另一種是動態(tài)，當(dāng)系統(tǒng)受到外來干擾的影響或者在改變了設(shè)定值之后，原來的穩(wěn)態(tài)遭到破壞，系統(tǒng)中各組成部分的輸入輸出量都相繼發(fā)生變化，尤其是被調(diào)量也將偏離原穩(wěn)態(tài)值而隨時(shí)間變化，這時(shí)就稱系統(tǒng)處于動態(tài)。經(jīng)過一段時(shí)間調(diào)整后，如果系統(tǒng)是穩(wěn)定的，被調(diào)量將會重新達(dá)到新設(shè)定值或其附近，系統(tǒng)又恢復(fù)穩(wěn)定平衡工況。這種從一種穩(wěn)態(tài)到達(dá)另一種穩(wěn)態(tài)的歷程稱為過渡過程。由于被控對象總是不時(shí)受到各種外來干擾的影響，設(shè)置控制系統(tǒng)的目的也正是為了對付這種情況，因此系統(tǒng)經(jīng)常處于動態(tài)過程。自動控制系統(tǒng)的過程

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一般說來，自動控制系統(tǒng)在階躍擾動作用下的過渡過程有以下幾種基本形式：

(1)單調(diào)過程或稱非周期衰減過程，被控參數(shù)在給定值的一側(cè)緩慢變化，最終能回到給定值。

(2)非周期發(fā)散過程被控參數(shù)在給定值的某一側(cè)，逐漸偏離給定值，且隨著時(shí)間的推移偏差越來越大，永遠(yuǎn)也回不到給定值。

(3)衰減振蕩過程被控參數(shù)在給定值附近上下波動，但振幅逐漸減小，最終能回到給定值。

(4)等幅振蕩過程被控參數(shù)在給定值附近上下波動且振幅不變，最終也不能回到給定值。

(5)發(fā)散振蕩過程被控參數(shù)在給定值附近來回波動且振幅逐漸增大，偏離給定值越來越遠(yuǎn)。自動控制系統(tǒng)的過渡過程

78以上五種過渡過程可以歸為兩類：第一類為穩(wěn)定的過渡過程，如(1)和(3)。它表明當(dāng)系統(tǒng)受到干擾平衡被破壞時(shí)，經(jīng)過調(diào)節(jié)器的工作，被控參數(shù)能逐漸恢復(fù)到給定值或達(dá)到新的平衡狀態(tài)，這是我們所希望的。第二類為不穩(wěn)定的過渡過程，如(2)、(