1、pagepage控制工程基础第一章 绪论 机电工程学院机电工程学院1主要内容主要内容第一节第一节 控制论的基本含义控制论的基本含义第第二二节节 控制的基本方式控制的基本方式第第三三节节 反馈控制系统的基本组反馈控制系统的基本组成成第四节第四节 控制系统控制系统的分类的分类第五节第五节 控制系统的性能要求控制系统的性能要求 第六节第六节 自动控制的应用举例自动控制的应用举例第七节第七节 MATLAB MATLAB在控制系统中的应用在控制系统中的应用第八节第八节 本课程的特点与学习方法本课程的特点与学习方法 pagepage控制工程基础第一章 绪论 机电工程学院机电工程学院2 在在工农业生产、交通
2、运输、国防建设、科学研工农业生产、交通运输、国防建设、科学研究及日常生活等各个领域，自动控制技术的应用非究及日常生活等各个领域，自动控制技术的应用非常广常广泛。泛。从工艺过程中对压力温度、湿度、粘度和流量从工艺过程中对压力温度、湿度、粘度和流量的控制到机械制造业中机械零件的加工、处理和装的控制到机械制造业中机械零件的加工、处理和装配，自动控制技术都是其重要的组成部分。太空航配，自动控制技术都是其重要的组成部分。太空航行、人造卫星等高新尖技术中，更渗透着控制工程行、人造卫星等高新尖技术中，更渗透着控制工程的辉煌成果。的辉煌成果。自动控制理论与实践的不断发展，为人们提供自动控制理论与实践的不断发展
3、，为人们提供了设计最佳系统的方法，大大提高了生产率，同时了设计最佳系统的方法，大大提高了生产率，同时促进了技术的进步。促进了技术的进步。pagepage控制工程基础第一章 绪论 机电工程学院机电工程学院3第一节第一节 控制论的控制论的基本含义基本含义 控制控制（Control）：）：是指由是指由人或用控制装置人或用控制装置使使受控受控对象对象按照一定目的来动作所进行的操作。按照一定目的来动作所进行的操作。例：用微型计算机控制热处理炉的炉温使之保例：用微型计算机控制热处理炉的炉温使之保持某个恒定值或按一定规律变化，其中，热处理炉持某个恒定值或按一定规律变化，其中，热处理炉就是就是受控对象受控对象
4、（Controlled Object）。温度为温度为被控量被控量(Controlled Variable)。要求被控量保持的数值或变化。要求被控量保持的数值或变化规律，称为被控量的规律，称为被控量的期期望望值值。而。而操作或控制的任务操作或控制的任务就是使受控对象的被控量等于或按一定精度符合期就是使受控对象的被控量等于或按一定精度符合期望值。望值。一一、控制的含义控制的含义pagepage控制工程基础第一章 绪论 机电工程学院机电工程学院4指控制的任务由人来完成。指控制的任务由人来完成。人工控制：人工控制：自动控制：自动控制：指控制的任务用控制装置来完成，指控制的任务用控制装置来完成，而人不经
5、常直接参与。而人不经常直接参与。自动控制系统：自动控制系统：一般由控制装置和被控对象组成。一般由控制装置和被控对象组成。煤气灶上油煎鸡蛋时的油温控制煤气灶上油煎鸡蛋时的油温控制自行车速度控制自行车速度控制汽车驾驶汽车驾驶收音机音量调节收音机音量调节电饭煲电饭煲空调空调抽水马桶抽水马桶声控光控路灯声控光控路灯电动机转速控制电动机转速控制导弹飞行控制导弹飞行控制控制的控制的分类分类pagepage控制工程基础第一章 绪论 机电工程学院机电工程学院5 任何实际运行的物理系统都是任何实际运行的物理系统都是因果系统因果系统，输出，输出(Output Variable)（或称响应）是输入（或称响应）是输入
6、（Input-Variable）（或称激励）引起的后果。或称激励）引起的后果。自动控制系统的自动控制系统的输入称为给定量输入称为给定量(Reference-Variable)或称参考输入量或称参考输入量，输出就是被控量。输出就是被控量。图图1-1-1 1-1-1 系统方框图系统方框图输入量输入量系统系统输出量输出量 这种关系可以用由方框及输入输出箭头表示的这种关系可以用由方框及输入输出箭头表示的方框图方框图（Block Diagram）来描述来描述。pagepage控制工程基础第一章 绪论 机电工程学院机电工程学院6二二、控制论、控制论 控制论控制论（Cybernetics）的的任务：对各类系
7、统任务：对各类系统中的信息传递与转换关系进行定量分析中的信息传递与转换关系进行定量分析，然后根据然后根据这些定量关系预见整个系统的行为这些定量关系预见整个系统的行为。在理论的研究中，广泛地利用了各种数学工具在理论的研究中，广泛地利用了各种数学工具例如例如：微积分微积分微分方程微分方程概率论概率论高等数学高等数学复变函数复变函数泛函分析泛函分析变分法变分法拓扑学拓扑学pagepage控制工程基础第一章 绪论 机电工程学院机电工程学院7（一）（一）控制理论的基础观念控制理论的基础观念 控制理论控制理论观观念的重要性，在于它提供了一个念的重要性，在于它提供了一个有力的工具来定量地描述、解决复杂问题的
8、过程。有力的工具来定量地描述、解决复杂问题的过程。（二）二）控制理论的研究对象控制理论的研究对象控制论控制论的研究是面向系统的。广义说，控制的研究是面向系统的。广义说，控制论是研究信息的产生、转换、传递、控制、预报论是研究信息的产生、转换、传递、控制、预报的科学。简而言之的科学。简而言之，是研究有输入与输出的信息是研究有输入与输出的信息系统系统。（三）（三）控制理论在工程中的应用方法控制理论在工程中的应用方法 理论本身不能直接解决工程技术中的实际问理论本身不能直接解决工程技术中的实际问题，要靠工程领域中相应的自动化技术来实现应题，要靠工程领域中相应的自动化技术来实现应用用。pagepage控制
9、工程基础第一章 绪论 机电工程学院机电工程学院8三三、工程控制论、工程控制论 工程控制论工程控制论研究以工程技术为对象的控制论问研究以工程技术为对象的控制论问题。具体地讲，是研究在这一工程领域中广义系统题。具体地讲，是研究在这一工程领域中广义系统的动力学问题，的动力学问题，也就是研究系统及其输入、输出三也就是研究系统及其输入、输出三者之间的动态关系。者之间的动态关系。例如，在机床数控技术中，调整到一定状态的例如，在机床数控技术中，调整到一定状态的数控机床就是系统，数控指令就是输入，而数控机数控机床就是系统，数控指令就是输入，而数控机床有关的运动就是输出。床有关的运动就是输出。pagepage控
10、制工程基础第一章 绪论 机电工程学院机电工程学院9输入或输入中的有关信息输入或输入中的有关信息。控制工程主要研究并解决的问题控制工程主要研究并解决的问题：(1)(1)系统分析系统分析:(2)(2)系统的最优控制：系统的最优控制：(3)(3)最优设计最优设计：(4)(4)系统辨识系统辨识（系统识别系统识别）：(5)(5)滤波与预测滤波与预测：当系统已定且输入已知时，求出系统当系统已定且输入已知时，求出系统的的输出输出(响应响应)，并通过输出研究系统本身的有关问题，并通过输出研究系统本身的有关问题。也已给定也已给定，要确定系统的输入应使输出尽可能符合给要确定系统的输入应使输出尽可能符合给定的最佳要
11、求定的最佳要求。当系统已定，且系统的输出当系统已定，且系统的输出系统系统以以使得输出尽可能符合给定的最佳要求使得输出尽可能符合给定的最佳要求。当输入已知且输出也给定时，确定当输入已知且输出也给定时，确定当输入与输出均已知时当输入与输出均已知时求出系统的结构与参数。求出系统的结构与参数。当系统已定，当系统已定，输出已知时，识别输出已知时，识别pagepage控制工程基础第一章 绪论 机电工程学院机电工程学院10四四、控制理论的内容、控制理论的内容控制理论控制理论经典控制理论(19世纪中叶-20世纪50年代)现代控制理论(60年代以来)线性线性非线性非线性根轨迹法根轨迹法频域法频域法时域法时域法采
12、样控制采样控制 状态反馈控制状态反馈控制最优控制最优控制智能控制智能控制预测控制预测控制自适应控制自适应控制模糊控制模糊控制大系统多层分散控制大系统多层分散控制pagepage控制工程基础第一章 绪论 机电工程学院机电工程学院11一、反馈一、反馈 根据反馈信号对输入信号的影响不同将其分为根据反馈信号对输入信号的影响不同将其分为正反馈正反馈和和负反馈负反馈。信息反馈是最基信息反馈是最基本的自动控制原本的自动控制原理。理。第二节第二节 控制的基本方式控制的基本方式反馈回去的信号与原系统的反馈回去的信号与原系统的输入信号的作用性质相反输入信号的作用性质相反（或相位相（或相位相180）反馈回去的信号与
13、原系统的输反馈回去的信号与原系统的输入信号的作用性质或相位相同入信号的作用性质或相位相同 反馈：反馈：把输出量送回到系统的输入端，并与输把输出量送回到系统的输入端，并与输入信号比较的过程。入信号比较的过程。pagepage控制工程基础第一章 绪论 机电工程学院机电工程学院12 人人用手取桌子上的书，就是一个负反馈系统。这用手取桌子上的书，就是一个负反馈系统。这个负反馈控制系统的基本组成及工作原理可以用一个个负反馈控制系统的基本组成及工作原理可以用一个闭环的方框图表闭环的方框图表示。示。图图1-1-2-1 2-1 人取书的反馈控制方框图人取书的反馈控制方框图输入信号输入信号(书位置书位置)眼睛眼
14、睛大脑大脑手臂、手手臂、手输出信号输出信号(手位置手位置)眼睛眼睛 可见可见反馈控制就是采用负反馈并利用偏差进行反馈控制就是采用负反馈并利用偏差进行闭环控制的过程。闭环控制的过程。pagepage控制工程基础第一章 绪论 机电工程学院机电工程学院13图图1-2-1-2-2 2二自由度机械系统二自由度机械系统图图1-2-1-2-3 3 系统方框图系统方框图为了说明内在反馈的情形，观察图为了说明内在反馈的情形，观察图1-2-1-2-2 2所示的所示的二自由度机械系统。二自由度机械系统。x x2 2 m m1 1k k2 2k k1 1 m m2 2x x1 1 当质量有一小位移，使质量产生当质量有
15、一小位移，使质量产生相应的位移，其运动方程为相应的位移，其运动方程为1112122()m xkkxk x（1-2-1）222221m xk xk x（1-2-2）信息量与的传递关系式信息量与的传递关系式（1-2-11-2-1）和和（1-2-21-2-2）可以表示如图可以表示如图1-2-31-2-3所所示的闭环系统。示的闭环系统。传递关系式传递关系式（1-2-11-2-1）x x1 1传递关系式传递关系式（1-2-21-2-2）x x2 2pagepage控制工程基础第一章 绪论 机电工程学院机电工程学院14 图图1-2-1-2-4 4 开环控制系统开环控制系统控制器控制器输入输入输出输出控制对
16、象控制对象 系统的输出量对系统无控制作用，系统的输出量对系统无控制作用，或者说系统中无反馈回路的系统，或者说系统中无反馈回路的系统，称为开环控制系称为开环控制系统统(Open Loop Control System)。开环系统的方框图如开环系统的方框图如图图1-2-1-2-4 4所示。所示。二、控制的基本方式二、控制的基本方式 系统的输出量对系统有控制作用，系统的输出量对系统有控制作用，或者说系统中存在反馈回路的系统，称为闭环控制系或者说系统中存在反馈回路的系统，称为闭环控制系统统(Closed Loop Control System)。闭环控制系统的方框图闭环控制系统的方框图如图如图1-2-
17、1-2-5 5所示。所示。（一）开环控制：（一）开环控制：（二）闭环控制（二）闭环控制：控制器控制器输入输入输出输出控制对象控制对象图图1-2-1-2-5 5闭环控制系统闭环控制系统pagepage控制工程基础第一章 绪论 机电工程学院机电工程学院15简易简易数控机床的进给系统，其方框图如数控机床的进给系统，其方框图如图图1-2-61-2-6所示。所示。图图1-2-1-2-6 6机床开环控制系统方框图机床开环控制系统方框图输入输入装置装置指令指令控制控制装置装置伺服驱伺服驱动装置动装置工作台工作台（输出）（输出）在此系统中，输入的变化会影响工作台位置即在此系统中，输入的变化会影响工作台位置即系
18、统的输出。但是，系统的输出并不能反过来影响系统的输出。但是，系统的输出并不能反过来影响任何一环节的输入，因为这里没有任何反馈回路。任何一环节的输入，因为这里没有任何反馈回路。开环控制系统特点：开环控制系统特点：信号从输入到输出无反馈，单向传递。信号从输入到输出无反馈，单向传递。结构简单结构简单。控制精度不高，无法抑制扰动。控制精度不高，无法抑制扰动。pagepage控制工程基础第一章 绪论 机电工程学院机电工程学院16闭环控制系统特点闭环控制系统特点:有反馈回路；有反馈回路；结构复杂结构复杂；控制精度高控制精度高,自动纠偏自动纠偏。（输出）（输出）图图1-2-7 1-2-7 机床闭环控制系统方
19、框图机床闭环控制系统方框图检测装置检测装置输入装置输入装置指令指令（输入）（输入）控制装置控制装置驱动装置驱动装置工作台工作台工作台位置工作台位置（被控对象）（被控对象）控制部分控制部分比较装置比较装置 系统的输出量对系统有控制作用，或者说系统中存在反馈系统的输出量对系统有控制作用，或者说系统中存在反馈回路的系统，称为闭环控制系统回路的系统，称为闭环控制系统(Closed Loop Control System)。pagepage控制工程基础第一章 绪论 机电工程学院机电工程学院17 直流电动机速度控制系统直流电动机速度控制系统图图1-2-1-2-8 8直流电动机速度自动控制的原理结构图直流电
20、动机速度自动控制的原理结构图功率放大器U电动机测速发电机电位器 输入信号输入信号测量元件测量元件(变送器变送器)偏差信号偏差信号控制器控制器受控对象受控对象控制的任务：使受控对象的被控量等于控制的任务：使受控对象的被控量等于或按照一定的精度符合希望值。或按照一定的精度符合希望值。由于有由于有“反馈反馈”作用的存在，具有自动修正被控制量作用的存在，具有自动修正被控制量出现偏差的能力，可以修正元件参数变化及外界扰出现偏差的能力，可以修正元件参数变化及外界扰动引起的误差。动引起的误差。由于反馈的存由于反馈的存在，控制系统在，控制系统可能出现可能出现“振振荡荡”。pagepage控制工程基础第一章 绪
21、论 机电工程学院机电工程学院18三、三、开环与闭环控制系统的比较开环与闭环控制系统的比较 闭环控制系统闭环控制系统的优点是采用了反馈的优点是采用了反馈，系统中真正，系统中真正起调节作用的信号是偏差信号。所以起调节作用的信号是偏差信号。所以闭环系统的响应闭环系统的响应对外部干扰和内部系统的参数变化对外部干扰和内部系统的参数变化不敏感不敏感。从稳定性的角度出发，开环控制系统比较容易建从稳定性的角度出发，开环控制系统比较容易建立立。闭。闭环系统可能出现超调误差，从而导致系统做等环系统可能出现超调误差，从而导致系统做等幅振荡或变幅振荡。幅振荡或变幅振荡。pagepage控制工程基础第一章 绪论 机电工
22、程学院机电工程学院19 复合控制实质上是在闭环控制回路的基础上，附复合控制实质上是在闭环控制回路的基础上，附加一个输入信号（给定信号或扰动信号）的顺馈通路，加一个输入信号（给定信号或扰动信号）的顺馈通路，对该输入信号实行加强或补偿，以达到精确的控制效对该输入信号实行加强或补偿，以达到精确的控制效果。常见的方式有以下两种：果。常见的方式有以下两种：（一）附加给定输入补偿的复合控制（一）附加给定输入补偿的复合控制（二）附加扰动输入补偿的复合控制（二）附加扰动输入补偿的复合控制 这是一种对控制能力的加强作用，往往提供的是这是一种对控制能力的加强作用，往往提供的是输入信号的微分，起到超前控制作用。输入
23、信号的微分，起到超前控制作用。保证系统输出与作用在系统上的扰动完全无关保证系统输出与作用在系统上的扰动完全无关。pagepage控制工程基础第一章 绪论 机电工程学院机电工程学院20（一）附加给定输入补偿的复合控制（一）附加给定输入补偿的复合控制 图图1-2-1-2-9 9给出了附加给定输入补偿复合控制方框给出了附加给定输入补偿复合控制方框图。通常，附加的补偿装置可提供一个顺馈控制信图。通常，附加的补偿装置可提供一个顺馈控制信号，与原输入信号一起对被控对象进行控制，以提号，与原输入信号一起对被控对象进行控制，以提高系统的跟踪能力。高系统的跟踪能力。比较器比较器输入输入图图1-2-1-2-9 9
24、 附加给定输入补偿的复合控制附加给定输入补偿的复合控制补偿装置补偿装置被控对象被控对象输出输出控制器控制器pagepage控制工程基础第一章 绪论 机电工程学院机电工程学院21（二）附加扰动输入补偿的复合控制（二）附加扰动输入补偿的复合控制 图图1-2-11-2-10 0给出了附加扰动输入补偿的复合控制方给出了附加扰动输入补偿的复合控制方框图。附加的补偿装置所提供的控制作用，主要起框图。附加的补偿装置所提供的控制作用，主要起到对扰动影响到对扰动影响“防患未然防患未然”的效果。的效果。图图1-2-11-2-10 0 附加扰动输入补偿的复合控制附加扰动输入补偿的复合控制补偿装置补偿装置输入输入比较
25、器比较器控制器控制器被控对象被控对象输出输出扰动扰动pagepage控制工程基础第一章 绪论 机电工程学院机电工程学院22第三节第三节 反馈控制系统的基本组成反馈控制系统的基本组成图图1-3-1 1-3-1 反馈控制系统基本组成反馈控制系统基本组成测量元件测量元件给定元件给定元件输入量输入量串联校正串联校正元件元件执行元件执行元件+放大变换放大变换元件元件被控对象被控对象输出量输出量并联正并联正元件元件主反馈主反馈局部反馈局部反馈扰扰动动量量r(t)e(t)b(t)n(t)c(t)pagepage控制工程基础第一章 绪论 机电工程学院机电工程学院23将组成系统的职能元件按职能分类主要有以下几种
26、：将组成系统的职能元件按职能分类主要有以下几种：给定元件给定元件(Reference Element)：测量元件测量元件(Measurement Element):比较元件比较元件(Comparison Element)：放大元件放大元件(Amplification Element)：执行元件执行元件(Actuator Element)：校正元件校正元件(Correction Element)：用于给出输入信号的环节，用于给出输入信号的环节，出现在反馈回路中出现在反馈回路中。用于把测量元件检测到的用于把测量元件检测到的用于将比较元件给出的用于将比较元件给出的用于直接驱动被控对象，用于直接驱动被
27、控对象，其参数可灵活调整，以改善其参数可灵活调整，以改善以确定被控对象的目标值以确定被控对象的目标值。用于检测被控量，通常用于检测被控量，通常实际输出值经过变换与给定元件给出的输入值进行比较，求出实际输出值经过变换与给定元件给出的输入值进行比较，求出它们之间的偏差它们之间的偏差。偏偏差信号进行放大，以足够的功率来推动执行元件去控制被控差信号进行放大，以足够的功率来推动执行元件去控制被控对象对象。使使被控量发生变化被控量发生变化。系系统的性能统的性能。pagepage控制工程基础第一章 绪论 机电工程学院机电工程学院24 用方框表示各个元件，用单向箭头表示各种不同的信号和用方框表示各个元件，用单
28、向箭头表示各种不同的信号和流向流向。自动控制系统的基本变量及表示符号统一表示为如下形自动控制系统的基本变量及表示符号统一表示为如下形式：式：输入信号输入信号r(t):反馈信号反馈信号b(t)：输出信号输出信号c(t):误差信号误差信号(t)：偏差信号偏差信号e(t)：扰动信号扰动信号n(t)：给定量，代表输出的期望值。给定量，代表输出的期望值。被控制量，表征对象过程的状态和性能。被控制量，表征对象过程的状态和性能。正反馈使控制作用加强，负反馈使控制作用减小。正反馈使控制作用加强，负反馈使控制作用减小。比较元件的输出，等于输入信号与主反馈信号比较元件的输出，等于输入信号与主反馈信号输出信号的期望
29、值与实际值之差。输出信号的期望值与实际值之差。来自系统内部或外部的、干扰和破坏系统具有来自系统内部或外部的、干扰和破坏系统具有之差。之差。预定性能和预定输出的信号。预定性能和预定输出的信号。pagepage控制工程基础第一章 绪论 机电工程学院机电工程学院25单回路系统单回路系统：只包含一个主反馈通道的系统只包含一个主反馈通道的系统。多回路系统：多回路系统：有两个或两个以上反馈通道的系统。有两个或两个以上反馈通道的系统。单位反馈单位反馈（Unit Feedback）系统：系统：系统的主反馈信号系统的主反馈信号直接取自系统的输出端而不经过任何变换。直接取自系统的输出端而不经过任何变换。非单位反馈
30、系统：非单位反馈系统：系统的主反馈信号是由输出信号经反系统的主反馈信号是由输出信号经反馈元件变换而得。馈元件变换而得。前向通道前向通道（Forward Path）：信号从输入端沿箭头方向到信号从输入端沿箭头方向到达输出端的传输通道。达输出端的传输通道。反馈通道反馈通道（Feedback Path）:与前向通道信号传递方向相与前向通道信号传递方向相反的通道。反的通道。从输出端到输入端的反馈称为从输出端到输入端的反馈称为主反馈主反馈(Main Feedback)。从中间环节到输入端或从输出端到中间环节的反馈称为从中间环节到输入端或从输出端到中间环节的反馈称为局部反馈局部反馈(Local Feedb
31、ack)。pagepage控制工程基础第一章 绪论 机电工程学院机电工程学院26第四节第四节 控制系统的分类控制系统的分类一、按给定信号的特征分类一、按给定信号的特征分类二、二、按描述系统的数学模型不同来分按描述系统的数学模型不同来分三、三、按系统传递信号的性质分类按系统传递信号的性质分类四四、按系统的输入按系统的输入/输出信号的数量来分输出信号的数量来分五五、按微分方程的性质分类按微分方程的性质分类六六、其它分类方法其它分类方法 pagepage控制工程基础第一章 绪论 机电工程学院机电工程学院27一、按给定信号的特征分类一、按给定信号的特征分类（一）恒值控制系统（一）恒值控制系统(或称自动
32、调节系统或称自动调节系统)（二）过程控制系统（二）过程控制系统(或称程序控制系统或称程序控制系统)特点：特点：输入信号是一个恒定的数值输入信号是一个恒定的数值。主要研究各种干扰对。主要研究各种干扰对系统输出的影响以及如何克服这些干扰，使被控量保持恒定的系统输出的影响以及如何克服这些干扰，使被控量保持恒定的希望值，基本控制过程是抗扰过程希望值，基本控制过程是抗扰过程(自动调节过程自动调节过程)，所以也称，所以也称为为自动调节系统自动调节系统。特点：特点：输入信号是已知的时间函数输入信号是已知的时间函数，系统的控制过程按预，系统的控制过程按预定的程序进行，要求被控量能迅速准确地复现。定的程序进行，
33、要求被控量能迅速准确地复现。（三）（三）随动控制系统随动控制系统 特点：特点：输入信号是一个未知的时间函数输入信号是一个未知的时间函数，给定量的变化给定量的变化规律是事先不知道的或不需要知道的规律是事先不知道的或不需要知道的。pagepage控制工程基础第一章 绪论 机电工程学院机电工程学院28二、按描述系统的数学模型不同来分二、按描述系统的数学模型不同来分（一（一)线性系统线性系统 由线性元件构成的系统叫线性系统。其运动方程为由线性元件构成的系统叫线性系统。其运动方程为线性微分方程。若各项系数为常数，则称为线性微分方程。若各项系数为常数，则称为线性定常系线性定常系统统。线性系统的线性系统的主
34、要特点是具有叠加性和齐次性主要特点是具有叠加性和齐次性，即当即当系统的输入分别为系统的输入分别为r r1 1(t t)和和r r2 2(t t)时，对应的输出分别为时，对应的输出分别为c c1 1(t t)和和c c2 2(t t)，则当输入为则当输入为r r(t t)=)=a a1 1r r1 1(t t)+)+a a2 2r r2 2(t t)时，输时，输出量为出量为c c(t t)=)=a a1 1c c1 1(t t)+)+a a2 2c c2 2(t t)（a a1 1、a a2 2为常系数）。为常系数）。经典控制理论以连续线性定经典控制理论以连续线性定常控制系统为研究对象。常控制系
35、统为研究对象。(二）非线性系统二）非线性系统pagepage控制工程基础第一章 绪论 机电工程学院机电工程学院29（二）非线性系统（二）非线性系统非线性的理论研究一般只能近似的非线性的理论研究一般只能近似的定性描述和数值计算。定性描述和数值计算。严格来说，任何物理系统的特性都严格来说，任何物理系统的特性都是非线性的。是非线性的。注意注意：在在构成系统的环节中有一个或一个以上的非线性环节构成系统的环节中有一个或一个以上的非线性环节时，该系统为非线性系统。时，该系统为非线性系统。非线性系统不满足叠加性或齐非线性系统不满足叠加性或齐次性。次性。pagepage控制工程基础第一章 绪论 机电工程学院机
36、电工程学院30 系系统的某一处或几处，信号以脉冲序列或数码统的某一处或几处，信号以脉冲序列或数码的形式传递的控制系统。其主要特点是：系统中用的形式传递的控制系统。其主要特点是：系统中用脉冲开关或采样开关，将连续信号转变为离散信号。脉冲开关或采样开关，将连续信号转变为离散信号。可分为脉冲控制系统和数字控制系统。可分为脉冲控制系统和数字控制系统。三、按系统传递信号的性质分类三、按系统传递信号的性质分类（一）连续系统（一）连续系统 系统各部分的信号都是时间的连续函数。如电系统各部分的信号都是时间的连续函数。如电动机速度自动控制系统。动机速度自动控制系统。（二）离散系统（二）离散系统pagepage控
37、制工程基础第一章 绪论 机电工程学院机电工程学院31四、按系统的输入四、按系统的输入/输出信号的数量来分输出信号的数量来分类类（一）单输入单输出系统（一）单输入单输出系统 系统只有一个输入量和一个输出量，而不考虑系统内部系统只有一个输入量和一个输出量，而不考虑系统内部的通道与结构。的通道与结构。（二）多输入多输出系统（二）多输入多输出系统具有多个输入信号和多个输出信号的系统。具有多个输入信号和多个输出信号的系统。pagepage控制工程基础第一章 绪论 机电工程学院机电工程学院32五、按微分方程的性质分类五、按微分方程的性质分类（一）集中参数系统（一）集中参数系统 系统中的参量是定常的或是时间
38、的函数，系统的各状态系统中的参量是定常的或是时间的函数，系统的各状态（输入量输出量及中间量）都是时间的函数。（输入量输出量及中间量）都是时间的函数。（二）（二）分布参数系统分布参数系统 至少有一个环节需用偏微分方程描述其运动，系统的输至少有一个环节需用偏微分方程描述其运动，系统的输出将不再单纯是时间变量的函数，而且还是系统内部状态变出将不再单纯是时间变量的函数，而且还是系统内部状态变量的函数量的函数。pagepage控制工程基础第一章 绪论 机电工程学院机电工程学院33六、其它分类方法六、其它分类方法（一）（一）按控制系统的功能来分按控制系统的功能来分：温度控制系统温度控制系统速度控制系统速度
39、控制系统位置控制系统位置控制系统 （二）（二）按系统元件组成来分按系统元件组成来分：机电系统机电系统液压系统液压系统生物系统生物系统 （三）（三）按不同的控制理论分支设计的新型控制系统按不同的控制理论分支设计的新型控制系统来分来分：最优控制系统最优控制系统自适应控制系统自适应控制系统预测控制系统预测控制系统模糊控制系统模糊控制系统 神经网络控制系统神经网络控制系统pagepage控制工程基础第一章 绪论 机电工程学院机电工程学院34 被控量随时间变化的曲线称为被控量随时间变化的曲线称为控制过程曲线控制过程曲线或或响响应曲线。应曲线。一般来说，可能有图一般来说，可能有图1-5-11-5-1所示的
40、几种形式。所示的几种形式。系统的控制过程以被控量随时间的变化来表征的。系统的控制过程以被控量随时间的变化来表征的。第五节第五节 控制系统的性能要求控制系统的性能要求 pagepage控制工程基础第一章 绪论 机电工程学院机电工程学院35()ctOt稳态值稳态值(b)(b)发散发散图图1-5-1 1-5-1 控制系统被控量变化的动态特性控制系统被控量变化的动态特性 稳态值稳态值O()c t(a)a)惯性平稳收敛惯性平稳收敛t()c t(c)(c)衰减振荡收敛衰减振荡收敛稳态值稳态值OtO()c t(d)(d)临界临界tO()c t(e)(e)发散发散tpagepage控制工程基础第一章 绪论 机
41、电工程学院机电工程学院36 不稳定系统（如图不稳定系统（如图1-5-1b,d,e1-5-1b,d,e）,被控量为发散或被控量为发散或等幅振荡曲线。被控量处于变化状态的过渡过程称为等幅振荡曲线。被控量处于变化状态的过渡过程称为系统的动态过程，被控量处于平衡的状态称为静态或系统的动态过程，被控量处于平衡的状态称为静态或稳态。稳态。对于稳定系统（如图对于稳定系统（如图1-5-1a,c1-5-1a,c）来说，当系统受到）来说，当系统受到各种干扰或者人为改变参考输入量时，被控量就会发各种干扰或者人为改变参考输入量时，被控量就会发生变化，通过系统的自动控制作用，经过一定的过渡生变化，通过系统的自动控制作用
42、，经过一定的过渡过程，被控量又恢复到给定值或一个新的稳定值。过程，被控量又恢复到给定值或一个新的稳定值。pagepage控制工程基础第一章 绪论 机电工程学院机电工程学院37 在实际系统中，由于总是存在着不同性质的储在实际系统中，由于总是存在着不同性质的储能元件，当输入突然改变时，相应的输出需经过能元件，当输入突然改变时，相应的输出需经过一个渐变的过渡过程，即具有一个渐变的过渡过程，即具有“惯性惯性”,从控制的从控制的任务看，我们希望任务看，我们希望响应曲线越逼近期望值越好，响应曲线越逼近期望值越好，响应的动态过程越短越好，响应过程越平稳越好响应的动态过程越短越好，响应过程越平稳越好。工程上通
43、常以系统的响应曲线情况来评价系统的工程上通常以系统的响应曲线情况来评价系统的性能。性能。pagepage控制工程基础第一章 绪论 机电工程学院机电工程学院38一、稳定性一、稳定性(Stability)二、快速性二、快速性(Agility)三、准确性三、准确性(Accuracy)稳定性就是指动态过程的振荡倾向和系统能够恢复平衡稳定性就是指动态过程的振荡倾向和系统能够恢复平衡状态的能力，状态的能力，自动控制系统的最基本的要求。自动控制系统的最基本的要求。指稳定系统响应的动态过程的时间长短。它指稳定系统响应的动态过程的时间长短。它反映了系统快反映了系统快速复现输入信号的能力。速复现输入信号的能力。指
44、控制系统进入稳态后，跟踪给定信号或纠正扰动信指控制系统进入稳态后，跟踪给定信号或纠正扰动信号影响的准确度。号影响的准确度。动态误差和稳态误差都越小越好动态误差和稳态误差都越小越好pagepage控制工程基础第一章 绪论 机电工程学院机电工程学院39第六节第六节 自动控制的应用举例自动控制的应用举例 大多数大多数自动控制系统都是应用反馈控制原理控自动控制系统都是应用反馈控制原理控制某一个受控对象（例如机床工作台，锅炉，机械制某一个受控对象（例如机床工作台，锅炉，机械手臂，火箭体等），或是一个生产过程（例如切削手臂，火箭体等），或是一个生产过程（例如切削过程，加热过程，位置监测过程等）的控制工程实
45、过程，加热过程，位置监测过程等）的控制工程实例。例。pagepage控制工程基础第一章 绪论 机电工程学院机电工程学院40图图1-6-1 1-6-1 车削过程车削过程 图图1-6-11-6-1所示的车削过程，往往会产生自激振动，所示的车削过程，往往会产生自激振动，这种现象的产生与切削过程本身存在这种现象的产生与切削过程本身存在内部反馈作用内部反馈作用有关。有关。例例1-11-1 车削过程分析。车削过程分析。pagepage控制工程基础第一章 绪论 机电工程学院机电工程学院41 上述的信息传递关系可用图上述的信息传递关系可用图1-6-21-6-2的闭环系统来表的闭环系统来表示。这样，对于切削过程
46、的动态特性，切削自激振动示。这样，对于切削过程的动态特性，切削自激振动的分析，完全可以应用控制理论有关稳定性理论进行的分析，完全可以应用控制理论有关稳定性理论进行分析，从而找到控制切削过程、抑制切削振动的有效分析，从而找到控制切削过程、抑制切削振动的有效途径。途径。图图1-6-2 1-6-2 车削过程控制方框图车削过程控制方框图x+a切削过程切削过程py机床机床-工件系统工件系统y-pagepage控制工程基础第一章 绪论 机电工程学院机电工程学院42例例1-21-2 锅炉液锅炉液位控制系统。位控制系统。图图1-6-3 1-6-3 锅炉液位控制系统锅炉液位控制系统pagepage控制工程基础第
47、一章 绪论 机电工程学院机电工程学院43 为了保证锅炉正常运行，需要维持锅炉液位为正为了保证锅炉正常运行，需要维持锅炉液位为正常标准值。锅炉液位过低，易烧干锅而发生严重事故；常标准值。锅炉液位过低，易烧干锅而发生严重事故；锅炉液位过高，则易使蒸汽带水并有溢出危险。因此，锅炉液位过高，则易使蒸汽带水并有溢出危险。因此，必须通过调节器严格控制锅炉液位的高低，以保证锅必须通过调节器严格控制锅炉液位的高低，以保证锅炉正常安全地运行。炉正常安全地运行。图图1-6-41-6-4是锅炉液位控制系统方是锅炉液位控制系统方框图。图中，锅炉为被控对象，其输出为被控参数液框图。图中，锅炉为被控对象，其输出为被控参数
48、液位。位。pagepage控制工程基础第一章 绪论 机电工程学院机电工程学院44被控液位被控液位图图1-6-4 1-6-4 锅炉液位控制系统方框图锅炉液位控制系统方框图测量变送器测量变送器给定值给定值调节阀调节阀+调节器调节器锅炉锅炉测量值测量值偏差值偏差值调节器输出调节器输出水水扰动扰动 只要实际液位高度与正常给定液位高度之间出现只要实际液位高度与正常给定液位高度之间出现了偏差，调节器均应立即进行控制，去开大或关小给了偏差，调节器均应立即进行控制，去开大或关小给水阀门，使液位恢复到给定值。水阀门，使液位恢复到给定值。pagepage控制工程基础第一章 绪论 机电工程学院机电工程学院45例例1
49、-31-3 函数记录仪。函数记录仪。函数记录仪通常由测量元件、放大元件、伺服电函数记录仪通常由测量元件、放大元件、伺服电动机测速机组、齿轮系及绳轮等组成，采用负反馈动机测速机组、齿轮系及绳轮等组成，采用负反馈控制原理工作，其原理如图控制原理工作，其原理如图1-6-51-6-5所示。所示。函数记录仪是一种通用的自动记录仪，它可以在函数记录仪是一种通用的自动记录仪，它可以在直角坐标上自动描绘两个电量的函数关系。同时，记直角坐标上自动描绘两个电量的函数关系。同时，记录仪还带有走纸机构，用以描绘一个电量对时间的函录仪还带有走纸机构，用以描绘一个电量对时间的函数关系。数关系。系统的输入是待记录电压，被控
50、对象是记录笔，系统的输入是待记录电压，被控对象是记录笔，其位移即为被控量。系统的任务是控制记录笔位移，其位移即为被控量。系统的任务是控制记录笔位移，在记录纸上描绘出待记录的电压曲线。在记录纸上描绘出待记录的电压曲线。pagepage控制工程基础第一章 绪论 机电工程学院机电工程学院46 图图1-6-5 1-6-5 函数记录仪原理示意图函数记录仪原理示意图pagepage控制工程基础第一章 绪论 机电工程学院机电工程学院47QRMRMRpurupruuu0urpuu 在图在图1-6-51-6-5中，测量元件是由电位器中，测量元件是由电位器 和和 组成的桥式组成的桥式测量电路，记录笔就固定在电位器
