第一章控制系統(tǒng)的基本概念復(fù)習(xí)課程

第1章控制系統(tǒng)的基本概念

目錄

1.1控制系統(tǒng)的工作原理及其組成

1.1.1工作原理

1.1.2開(kāi)環(huán)控制和閉環(huán)控制

1.1.3閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成

1.2控制系統(tǒng)的基本類(lèi)型

1.2.1按輸入量的特征分類(lèi)

1.2.2按系統(tǒng)中傳遞信號(hào)的性質(zhì)分類(lèi)

1.3對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求

1.4控制工程發(fā)展概況

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1.1控制系統(tǒng)的工作原理及其組成1.1.1工作原理

實(shí)現(xiàn)恒溫控制有人工控制和自動(dòng)控制兩種辦法。圖1.1為人工控制的恒溫箱簡(jiǎn)圖。人工控制的任務(wù)是克服外界干擾（如電源學(xué)習(xí)目的1.掌握控制系統(tǒng)的工作原理、組成及其分類(lèi)

2.理解對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求

3.了解控制工程的發(fā)展概況內(nèi)容提要本章主要闡述控制系統(tǒng)的工作原理、組成及其分類(lèi)和對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求重

點(diǎn)控制系統(tǒng)的工作原理難

點(diǎn)確定系統(tǒng)的輸入量和輸出量；尋找反饋通道電壓波動(dòng)、環(huán)境溫度變化，等等），保持箱內(nèi)溫度恒定，以滿(mǎn)足物體對(duì)溫度的要求。操作者可以通過(guò)調(diào)壓器改變通過(guò)加熱電阻絲的電流，以達(dá)到控制溫度的目的。箱內(nèi)溫度是由溫度計(jì)測(cè)量的。人工調(diào)節(jié)過(guò)程可歸結(jié)如下：(1)觀測(cè)由測(cè)量元件（溫度計(jì)）測(cè)出的恒溫箱內(nèi)的溫度（被控制量）。

(2)與要求的溫度值（給定值）進(jìn)行比較，得出偏差的大小和方向。

(3)根據(jù)偏差的大小和方向再進(jìn)行控制。當(dāng)恒溫箱內(nèi)溫度高于所要求的給定溫度值時(shí)，就移動(dòng)調(diào)壓器使電流減小，溫度降低。若溫度低于給定的值，則移動(dòng)調(diào)壓器，使電流增加，溫度升到正常范圍。

圖1.1人工控制的恒溫箱人工控制過(guò)程實(shí)際上測(cè)量、求偏差，再控制以糾正偏差的過(guò)程。

圖1.2就是一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)。其中，恒溫箱的所需溫度由電壓信號(hào)u1給定。當(dāng)外界因素引起箱內(nèi)溫度變化時(shí)，作為測(cè)量圖1.2恒溫箱的自動(dòng)控制系統(tǒng)比較。比較產(chǎn)生的結(jié)果稱(chēng)為偏差。在人工控制中，這一偏差是通過(guò)人眼觀測(cè)后，由人腦判斷、決策得出的；而在自動(dòng)控制中，偏差則是通過(guò)反饋，由控制器進(jìn)行比較、計(jì)算產(chǎn)生的。

自動(dòng)控制將檢測(cè)偏差、再糾正偏差過(guò)程自動(dòng)化。

控制系統(tǒng)的工作原理如下：(1)檢測(cè)輸出量的實(shí)際值。(2)將實(shí)際值與給定值（輸入量）進(jìn)行比較得出偏差值。

(3)用偏差值產(chǎn)生控制調(diào)節(jié)作用去消除偏差。這種基于反饋原理、通過(guò)“檢測(cè)偏差再糾正偏差”的系統(tǒng)稱(chēng)為反饋控制系統(tǒng)。可見(jiàn)，作為反饋控制系統(tǒng)至少應(yīng)具備測(cè)量、比較（或計(jì)算）和執(zhí)行三個(gè)基本功能。

控制系統(tǒng)的控制過(guò)程可以用系統(tǒng)的職能框圖清晰而形象地表示。圖1.3所示為恒溫箱溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)的職能框圖。代表比較元件，箭頭代表作用方向，每個(gè)職能框代表一個(gè)環(huán)節(jié)，各環(huán)節(jié)的作用是單向的，其輸出受輸入控制。從圖中可以清楚地看到反饋控制的基本原理。1.1.2開(kāi)環(huán)控制和閉環(huán)控制1.開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)如果系統(tǒng)只是根據(jù)輸入量和干擾量進(jìn)行控制，而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(guò)程中對(duì)系統(tǒng)的控制不產(chǎn)生任何影響，這樣的系統(tǒng)稱(chēng)為開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)。圖1.4所示的數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)，由于沒(méi)有反饋通道，所以是一個(gè)開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)的輸出量?jī)H受輸入量的控制。

圖1.3恒溫箱溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)職能框圖開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的控制精度較低。但是如果組成系統(tǒng)的元件特性和參數(shù)值比較穩(wěn)定，而且外界的干擾也比較小，則這種控制系統(tǒng)也可以保證一定的精度。開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)的最大優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)簡(jiǎn)單，一般都能穩(wěn)定可靠地工作，因此對(duì)于要求不高的系統(tǒng)可以采用。

圖1.4數(shù)控機(jī)床的開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)滑動(dòng)臺(tái)面系統(tǒng)

（開(kāi)環(huán)系統(tǒng)）2.閉環(huán)控制系統(tǒng)如果系統(tǒng)的輸出端和輸入端之間存在反饋回路，輸出量對(duì)控制過(guò)程產(chǎn)生直接影響，這種系統(tǒng)稱(chēng)為閉環(huán)控制系統(tǒng)。反饋控制系統(tǒng)必是閉環(huán)控制系統(tǒng)。閉環(huán)控制系統(tǒng)的突出優(yōu)點(diǎn)是控制精度高，不管遇到什么干擾，只要被控制量的實(shí)際值偏離給定值，閉環(huán)控制就會(huì)產(chǎn)生控制作用來(lái)減小這一偏差。閉環(huán)控制系統(tǒng)也有它的缺點(diǎn)，這類(lèi)系統(tǒng)是靠偏差進(jìn)行控制的，因此，在整個(gè)控制過(guò)程中始終存在著偏差，由于元件的慣性（如負(fù)載的慣性），若參數(shù)配置不當(dāng)，很容易引起振蕩，使系統(tǒng)不穩(wěn)定而無(wú)法工作。

由11臺(tái)小型電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的戰(zhàn)神汽車(chē)“Sojourner”3.半閉環(huán)控制系統(tǒng)

如果控制系統(tǒng)的反饋信號(hào)不是直接從系統(tǒng)的輸出端引出，而是間接地取自中間的測(cè)量元件，例如在數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給伺服系統(tǒng)中，若將位置檢測(cè)裝置安裝在傳動(dòng)絲杠的端部，間接測(cè)量工作臺(tái)的實(shí)際位移，則這種系統(tǒng)稱(chēng)為半閉環(huán)控制系統(tǒng)。半閉環(huán)控制系統(tǒng)可以獲得比開(kāi)環(huán)系統(tǒng)更高的控制精度，但比閉環(huán)系統(tǒng)要低；與閉環(huán)系統(tǒng)相比，它易于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定。目前大多數(shù)數(shù)控機(jī)床都采用這種半閉環(huán)控制進(jìn)給伺服系統(tǒng)。

配有高靈敏相機(jī)、用于檢查半導(dǎo)體芯片鍍膜層的三軸控制系統(tǒng)（半閉環(huán)控制）1.1.3閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成

圖1.5所示為一個(gè)較完整的閉環(huán)控制系統(tǒng)。由圖可見(jiàn)，閉環(huán)控制系統(tǒng)一般應(yīng)該包括給定元件、反饋元件、比較元件、放大元件、執(zhí)行元件及校正元件等。

圖1.5閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成1．給定元件

主要用于產(chǎn)生給定信號(hào)或輸入信號(hào)。例如，圖1.2中電位計(jì)里的可變電阻。2．反饋元件

它測(cè)量被控制量或輸出量，產(chǎn)生主反饋信號(hào)。一般，為了便于傳輸，主反饋信號(hào)多為電信號(hào)。因此，反饋元件通常是一些用電量來(lái)測(cè)量非電量的元件。必須指出，在機(jī)械、液壓、氣動(dòng)、機(jī)電、電機(jī)等系統(tǒng)中存在著內(nèi)在反饋。這是一種沒(méi)有專(zhuān)設(shè)反饋元件的信息反饋，是系統(tǒng)內(nèi)部各參數(shù)相互作用而產(chǎn)生的反饋信息流，如作用力與反作用力之間形成的直接反饋。內(nèi)在反饋回路由系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性確定，它所構(gòu)成的閉環(huán)系統(tǒng)是一個(gè)動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)。3．比較元件用來(lái)接收輸入信號(hào)和反饋信號(hào)并進(jìn)行比較，產(chǎn)生反映兩者差值的偏差信號(hào)。例如，圖1.2中的電位計(jì)。

4．放大元件對(duì)偏差信號(hào)進(jìn)行放大的元件。例如，電壓放大器、功率放大器、電液伺服閥、電氣比例/伺服閥等。放大元件的輸出一定要有足夠的能量，才能驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件，實(shí)現(xiàn)控制功能。5．執(zhí)行元件直接對(duì)受控對(duì)象進(jìn)行操縱的元件。例如，伺服電動(dòng)機(jī)、液壓（氣）馬達(dá)、伺服液壓（氣）缸等。6．校正元件為保證控制質(zhì)量，使系統(tǒng)獲得良好的動(dòng)、靜態(tài)性能而加入系統(tǒng)的元件。校正元件又稱(chēng)校正裝置。串接在系統(tǒng)前向通路上的稱(chēng)為串聯(lián)校正裝置；并接在反饋回路上的稱(chēng)為并聯(lián)校正裝置。1.2控制系統(tǒng)的基本類(lèi)型

1.2.1按輸入量的特征分類(lèi)

1．恒值控制系統(tǒng)

這種控制系統(tǒng)的輸入量是一個(gè)恒定值，一經(jīng)給定，在運(yùn)行過(guò)程中就不再改變（但可定期校準(zhǔn)或更改輸入量）。恒值控制系統(tǒng)的任務(wù)是保證在任何擾動(dòng)下系統(tǒng)的輸出量為恒值。工業(yè)生產(chǎn)中的溫度、壓力、流量、液面等參數(shù)的控制，有些原動(dòng)機(jī)的速度控制，機(jī)床的位置控制，電力系統(tǒng)的電網(wǎng)電壓、頻率控制等，均屬此類(lèi)。2．程序控制系統(tǒng)

這種系統(tǒng)的輸入量不為常值，但其變化規(guī)律是預(yù)先知道和確定的?？梢灶A(yù)先將輸入量的變化規(guī)律編成程序，由該程序發(fā)出控制指令，在輸入裝置中再將控制指令轉(zhuǎn)換為控制信號(hào)，經(jīng)過(guò)全系統(tǒng)的作用，使控制對(duì)象按指令的要求而運(yùn)動(dòng)。計(jì)算機(jī)繪圖儀就是典型的程序控制系統(tǒng)。工業(yè)生產(chǎn)中的過(guò)程控制系統(tǒng)按生產(chǎn)工藝的要求編制成特定的程序，由計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)其控制。這就是近年來(lái)迅速發(fā)展起來(lái)的數(shù)字程序控制系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。微處理機(jī)控制將程序控制系統(tǒng)推向更普遍的應(yīng)用領(lǐng)域

。圖1.6表示一個(gè)用于機(jī)床切削加工的程序控制系統(tǒng)。

圖1.6程序控制系統(tǒng)

a)上圖為開(kāi)環(huán)控制b)下圖為閉環(huán)控制3．隨動(dòng)系統(tǒng)隨動(dòng)系統(tǒng)在工業(yè)部門(mén)又稱(chēng)伺服系統(tǒng)。這種系統(tǒng)的輸入量的變化規(guī)律是不能預(yù)先確定的。當(dāng)輸入量發(fā)生變化時(shí)，則要求輸出量迅速而平穩(wěn)地跟隨著變化，且能排除各種干擾因素的影響，準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)控制信號(hào)的變化規(guī)律（此即伺服的含義）?？刂浦噶羁梢杂刹僮髡吒鶕?jù)需要隨時(shí)發(fā)出，也可以由目標(biāo)物或相應(yīng)的測(cè)量裝置發(fā)出。

圖1.7液壓仿形車(chē)床工作原理圖

圖1.7所示為液壓仿形車(chē)床工作原理圖。當(dāng)閥心8處于圖示中間位置時(shí)，沒(méi)有壓力油進(jìn)入液壓缸前后兩腔，液壓缸不動(dòng)。當(dāng)閥心偏離中位，例如向前伸出時(shí)，節(jié)流口2、4保持關(guān)閉，節(jié)流口1、3打開(kāi)，壓力油經(jīng)節(jié)流口3進(jìn)入液壓缸前腔，而其后腔的油液經(jīng)節(jié)流口1流回油箱，缸體帶動(dòng)刀具向前運(yùn)動(dòng)；同樣，當(dāng)閥心偏離中位向后收縮時(shí)，節(jié)流口1、3關(guān)閉，2、4打開(kāi)，壓力油經(jīng)節(jié)流口2進(jìn)入液壓缸后腔，而缸前腔的油液則經(jīng)節(jié)流口4流回油箱，缸體帶動(dòng)刀具向后運(yùn)動(dòng)。圖中，液壓缸缸體和控制閥閥體連成一體，形成液壓缸運(yùn)動(dòng)的負(fù)反饋，使液壓缸缸體與閥心的運(yùn)動(dòng)距離和方向始終保持一致，所以液壓缸缸體（刀具）完全跟隨閥心（觸銷(xiāo)8）運(yùn)動(dòng)。因此，這是一個(gè)隨動(dòng)（伺服）系統(tǒng)。1.2.2按系統(tǒng)中傳遞信號(hào)的性質(zhì)分類(lèi)1．連續(xù)控制系統(tǒng)

系統(tǒng)中各部分傳遞的信號(hào)都是連續(xù)時(shí)間變量的系統(tǒng)稱(chēng)為連續(xù)控制系統(tǒng)。連續(xù)控制系統(tǒng)又有線(xiàn)性系統(tǒng)和非線(xiàn)性系統(tǒng)之分。用線(xiàn)性微分方程描述的系統(tǒng)稱(chēng)為線(xiàn)性系統(tǒng)，不能用線(xiàn)性微分方程描述、存在著非線(xiàn)性部件的系統(tǒng)稱(chēng)為非線(xiàn)性系統(tǒng)。2．離散控制系統(tǒng)系統(tǒng)中某一處或數(shù)處的信號(hào)是脈沖序列或數(shù)字量傳遞的系統(tǒng)稱(chēng)為離散控制系統(tǒng)（也稱(chēng)數(shù)字控制系統(tǒng)）。在離散控制系統(tǒng)中，數(shù)字測(cè)量、放大、比較、給定等部件一般均由微處理機(jī)實(shí)現(xiàn)，計(jì)算機(jī)的輸出經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換加給伺服放大器，然后再去驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件；或由計(jì)算機(jī)直接輸出數(shù)字信號(hào)，經(jīng)數(shù)字放大器后驅(qū)動(dòng)數(shù)字式執(zhí)行元件。由于連續(xù)控制系統(tǒng)和離散控制系統(tǒng)的信號(hào)形式有較大區(qū)別，因此在分析方法上也有明顯的不同。連續(xù)控制系統(tǒng)以微分方程來(lái)描述系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，并用拉氏變換法求解微分方程；而離散系統(tǒng)則用差分方程來(lái)描述系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，用Z變換法引出脈沖傳遞函數(shù)來(lái)研究系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。

多自由度控制器、機(jī)器人等都是隨動(dòng)系統(tǒng)。

1.3對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求

1.穩(wěn)定性由于控制系統(tǒng)都包含儲(chǔ)能元件，若系統(tǒng)參數(shù)匹配不當(dāng)，便可能引起振蕩。穩(wěn)定性就是指系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過(guò)程的振蕩傾向及其恢復(fù)平衡狀態(tài)的能力。對(duì)于穩(wěn)定的系統(tǒng)，當(dāng)輸出量偏離平衡狀態(tài)時(shí)，應(yīng)能隨著時(shí)間收斂并且最后回到初始的平衡狀態(tài)。穩(wěn)定性乃是保證控制系統(tǒng)正常工作的先決條件。2.精確性控制系統(tǒng)的精確性即控制精度，一般以穩(wěn)態(tài)誤差來(lái)衡量。所謂穩(wěn)態(tài)誤差是指以一定變化規(guī)律的輸入信號(hào)作用于系統(tǒng)后，當(dāng)調(diào)整過(guò)程結(jié)束而趨于穩(wěn)定時(shí)，輸出量的實(shí)際值與期望值之間的誤差值，它反映了動(dòng)態(tài)過(guò)程后期的性能。這種誤差一般是很小的。如數(shù)控機(jī)床的加工誤差小于0.02mm，一般恒速、恒溫控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差都在給定值的1%以?xún)?nèi)。3.快速性

快速性是指當(dāng)系統(tǒng)的輸出量與輸入量之間產(chǎn)生偏差時(shí)，消除這種偏差的快慢程度?？焖傩院玫南到y(tǒng)，它消除偏差的過(guò)渡過(guò)程時(shí)間就短，就能復(fù)現(xiàn)快速變化的輸入信號(hào)，因而具有較好的動(dòng)態(tài)性能。由于控制對(duì)象的具體情況不同，各種系統(tǒng)對(duì)穩(wěn)定、精確、快速這三方面的要求是各有側(cè)重的。例如，調(diào)速系統(tǒng)對(duì)穩(wěn)定性要求較嚴(yán)格，而隨動(dòng)系統(tǒng)則對(duì)快速性提出較高的要求。

1.4控制工程發(fā)展概況

控制工程是一門(mén)新型的技術(shù)科學(xué)，也是一門(mén)邊緣科學(xué)。它的理論基礎(chǔ)是工程控制論。早在一千多年以前，我國(guó)就先后發(fā)明了銅壺滴漏計(jì)時(shí)器、指南針以及天文儀器等多種自動(dòng)控制裝置，這些發(fā)明促進(jìn)了當(dāng)時(shí)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。即使從1788年瓦特（J.Watt）發(fā)明蒸汽機(jī)飛球調(diào)速器算起，控制工程也已有了二百多年的歷史。然而，控制工程作為一門(mén)學(xué)科，它的形成并迅速發(fā)展卻是最近五六十年的事。

銅壺滴漏計(jì)時(shí)器

用于測(cè)定天體的赤道坐標(biāo)、黃道經(jīng)度和地平坐標(biāo)的渾儀二次世界大戰(zhàn)前，控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)因缺乏系統(tǒng)的理論指導(dǎo)而多采用試湊法。二次大戰(zhàn)期間，由于建造飛機(jī)自動(dòng)駕駛儀、雷達(dá)跟蹤系統(tǒng)、火炮瞄準(zhǔn)系統(tǒng)等軍事裝備的需要，推動(dòng)了控制理論的飛躍發(fā)展。1948年威納（N.Wiener）發(fā)表了著名的《控制論》，從而基本上形成了經(jīng)典控制理論，使控制工程有了扎實(shí)的理論支撐。經(jīng)典控制理論以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)，主要研究單輸入-單輸出系統(tǒng)的分析和控制問(wèn)題。

維納發(fā)表著名的控制論馬克斯威爾首先提出反饋控制的概念瓦特發(fā)明蒸汽機(jī)飛球調(diào)速器

除了威納之外，在經(jīng)典控制理論的形成和發(fā)展過(guò)程中作出重大貢獻(xiàn)的還有：1868年，馬克斯威爾（J.C.Maxwell）發(fā)表了《調(diào)速器》一文，首先提出了“反饋控制”的概念；1875年勞思（E.J.Routh）和1895年赫維茨（A.Hurwifz）先后獨(dú)立地提出了判別系統(tǒng)穩(wěn)定性的代數(shù)判據(jù)；1932年，尼奎斯特（H.Nyquist）提出了著名的尼奎斯特穩(wěn)定性判據(jù)；此后，博德（H.W.Bode）總結(jié)了負(fù)反饋放大器；1948年，埃文斯（W.R.Evans）提出了根軌跡法，進(jìn)一步充實(shí)了經(jīng)典