1、工工 业业 控控 制制n电机控制电机控制n机床控制机床控制n生产过程自动化控制生产过程自动化控制n机器人控制机器人控制n.控制技术的应用控制技术的应用家家 用用 电电 器器 冰箱、洗衣机冰箱、洗衣机 家庭影院家庭影院 微波炉微波炉.楼楼 宇宇 电电 梯梯 的的 控控 制制信信号号检检测测供供电电系系统统电机电机(执行机构执行机构)可编程序可编程序控制器控制器ProgrammableProgrammableLogicLogicControllerController电机控制器电机控制器EVEV充电系统充电系统电池管理系统电池管理系统汽车照明、汽车照明、电动转向、空调、电动转向、空调、音响、雨刷、
2、安全音响、雨刷、安全报警、电动门窗报警、电动门窗.电电 子子机械机械驱动控制系统驱动控制系统电机驱动系统电机驱动系统控制控制汽车汽车GPSGPS定位，定位，GISGIS导航，导航，GSMGSM通信通信单片机单片机控制器控制器应用应用瑞典沃尔沃汽车公司计划推出新型车沃尔沃瑞典沃尔沃汽车公司计划推出新型车沃尔沃S60，能在，能在交通堵塞时自动驾驶。该车车载雷达感应器可以感知车前交通堵塞时自动驾驶。该车车载雷达感应器可以感知车前物体并测算彼此的距离，摄像机则能辨别出是何种物体。物体并测算彼此的距离，摄像机则能辨别出是何种物体。如果车前是行人或车辆，在雷达和摄像机均确认无误，如果车前是行人或车辆，在雷
3、达和摄像机均确认无误，而司机没有及时采取措施的情况下，汽车的全自动急刹车而司机没有及时采取措施的情况下，汽车的全自动急刹车系统便会启动系统便会启动。灯光的控制社会生活中的控制社会生活中的控制教学过程方框图教学过程方框图 控制理论发展简况控制理论发展简况n17881788年，英国年，英国James WattJames Watt利用反馈原理发明蒸汽机用的离心利用反馈原理发明蒸汽机用的离心调速机。调速机。是自动控制领域的第一项重大成果。是自动控制领域的第一项重大成果。n18751875年，年，18951895年，英国年，英国RouthRouth和德国和德国HurwitzHurwitz先后提出判别系先
4、后提出判别系统稳定性的代数方法。统稳定性的代数方法。n18921892年，俄国李雅普诺夫在年，俄国李雅普诺夫在论运动稳定性的一般问题论运动稳定性的一般问题中中建立了动力学系统的一般稳定性理论。建立了动力学系统的一般稳定性理论。n19321932年，年，NyquistNyquist提出了根据频率响应判断系统稳定性的准则。提出了根据频率响应判断系统稳定性的准则。n19451945年，美国年，美国BodeBode在在网络分析和反馈放大器设计网络分析和反馈放大器设计中提出中提出频率响应分析法频率响应分析法BodeBode图。图。n19481948年，美国年，美国WienerWiener在在控制论关于在
5、动物和机器中控制控制论关于在动物和机器中控制和通信的科学和通信的科学中系统地论述了控制理论的一般原理和方法。中系统地论述了控制理论的一般原理和方法。标志控制学科的诞生标志控制学科的诞生 水运仪像台：水运仪像台：具备观测天象、演示天象、报时的功具备观测天象、演示天象、报时的功能。它的一套动力装置能。它的一套动力装置“是欧洲中世纪天文钟的直接祖先是欧洲中世纪天文钟的直接祖先”l 一千多年前：铜壶滴漏计一千多年前：铜壶滴漏计时器、指南针时器、指南针时时间间刻刻度度浮子浮子铜壶滴漏铜壶滴漏胚胎萌芽期（1945年以前）十八世纪以后，蒸汽机的使用提出了调速稳定等问题 1765年俄国人波尔祖诺夫发明了锅炉水
6、位调节器 1784年英国人瓦特发明了调速器，蒸汽机离心式调速器 1877年产生了古氏判据和劳斯稳定判据十九世纪前半叶，动力使用了发电机、电动机 促进了水利、水电站的遥控和程控的发展以及电压、电流的自动调节技术的发展十九世纪末，二十世纪初，使用内燃机 促进了飞机、汽车、船舶、机器制造业和石油工业的发展，产生了伺服控制和过程控制二十世纪初第二次世界大战，军事工业发展很快 飞机、雷达、火炮上的伺服机构，总结了自动调节技术及反馈放大器技术，搭起了经典控制理论的架子，但还没有形成学科。第一阶段：第一阶段：经典控制理论（或古典控制理论）的产经典控制理论（或古典控制理论）的产生、发展和成熟；生、发展和成熟；
7、第二阶段：第二阶段：现代控制理论的兴起和发展；现代控制理论的兴起和发展；第三阶段：第三阶段：大系统控制兴起和发展阶段；大系统控制兴起和发展阶段；第四阶段第四阶段：智能控制发展阶段。：智能控制发展阶段。自动控制理论的发展自动控制理论的发展 自动控制理论是研究自动控制共同规律的技自动控制理论是研究自动控制共同规律的技术科学。既是一门古老的、已臻成熟的学科，又术科学。既是一门古老的、已臻成熟的学科，又是一门正在发展的、具有强大生命力的新兴学科。是一门正在发展的、具有强大生命力的新兴学科。从从18681868年马克斯威尔（）提出低阶系统稳定性判年马克斯威尔（）提出低阶系统稳定性判据至今一百多年里，自动
8、控制理论的发展可分为据至今一百多年里，自动控制理论的发展可分为四个主要阶段：四个主要阶段：经典控制理论经典控制理论 控制理论的发展初期，是以反馈理论为基础的自动调节原理，主控制理论的发展初期，是以反馈理论为基础的自动调节原理，主要用于工业控制。第二次世界大战期间，为了设计和制造飞机及船用要用于工业控制。第二次世界大战期间，为了设计和制造飞机及船用自动驾驶仪、火炮定位系统、雷达跟踪系统等基于反馈原理的军用装自动驾驶仪、火炮定位系统、雷达跟踪系统等基于反馈原理的军用装备，进一步促进和完善了自动控制理论的发展。备，进一步促进和完善了自动控制理论的发展。a.特点研究对象：单输入、单输出线性定常系统。解
9、决方法：频率法、传递函数。数学工具：常微分方程、差分方程、拉氏变换、Z变换。b.局限性不能应用于时变系统、多变量系统。不能揭示系统更为深刻的内部特性。现代控制理论现代控制理论 由于经典控制理论只适用于单输入、单输出的线性定常由于经典控制理论只适用于单输入、单输出的线性定常系统，只注重系统的外部描述而忽视系统的内部状态。因而系统，只注重系统的外部描述而忽视系统的内部状态。因而在实际应用中有很大局限性。在实际应用中有很大局限性。随着航天事业和计算机的发展，随着航天事业和计算机的发展，2020世纪世纪6060年代初，在经年代初，在经典控制理论的基础上，以线性代数理论和状态空间分析法为典控制理论的基础
10、上，以线性代数理论和状态空间分析法为基础的现代控制理论迅速发展起来。基础的现代控制理论迅速发展起来。特点n研究对象：多输入、多输出系统，线性、非线性、定常或时变、连续或离散系统。n解决方法：状态空间法（时域方法）。n数学工具：线性代数、微分方程组、矩阵理论。大系统理论大系统理论 随着控制理论应用范围的扩大，从个别小系统的控制，随着控制理论应用范围的扩大，从个别小系统的控制，发展到若干个相互关联的子系统组成的大系统进行整体控发展到若干个相互关联的子系统组成的大系统进行整体控制，从传统的工程控制领域推广到包括经济管理、生物工制，从传统的工程控制领域推广到包括经济管理、生物工程、能源、运输、环境等大
11、型系统以及社会科学领域。程、能源、运输、环境等大型系统以及社会科学领域。大系统理论是过程控制与信息处理相结合的系统工程大系统理论是过程控制与信息处理相结合的系统工程理论，具有规模庞大、结构复杂、功能综合、目标多样、理论，具有规模庞大、结构复杂、功能综合、目标多样、因素众多等特点。它是一个多输入、多输出、多干扰、多因素众多等特点。它是一个多输入、多输出、多干扰、多变量的系统。大系统理论目前仍处于发展和开创性阶段。变量的系统。大系统理论目前仍处于发展和开创性阶段。控制器刻度盘指针标定的预定水位高度；它所遵循的基本原则是相似性原理。与要求的温度（给定值）进行比较，得到温度偏差的大小和方向2、SYST
12、EM VIEW：系统级的电路动态仿真软件解：1、稳态给定电压u1比例于被轧钢板要求的厚度；显然：反馈控制建立在偏差基础上，其控制方式是“检测偏差再纠正偏差”。c(t):系统的输出信号（输出量），又常叫做系统对输入的响应,如电动机的转速.4、计算机仿真的三要素及基本步骤解决方法：状态空间法（时域方法）。内反馈：在系统或过程中存在的各种自然形成的反馈，称为内反馈。提高设计效率：比如电路设计，服装设计等等。动态模型反映系统在迅变载荷或在系统不平衡状态下的特性，现时输出还由受其以前输入的历史的影响，一般以微分方程或差分方程描述。其信息流动与反馈的过程如下图所示：控制系统调试、运行和评价4)小车水平方向
13、运动可描述为控制论的研究对象系统控制理论的发展初期，是以反馈理论为基础的自动调节原理，主要用于工业控制。某些系统（如载人飞行器、核电装置等），直接实验往往会有很大的危险，甚至是不允许的，而采用仿真实验可以有效降低危险程度，对系统的研究起到保障作用。例 1 炉温控制系统按输入输出变量的多少 单变量系统/多变量系统智能控制智能控制 是近年来新发展起来的一种控制技术，是人工智能在控制是近年来新发展起来的一种控制技术，是人工智能在控制上的应用。智能控制的概念和原理主要是针对被控对象、环境、上的应用。智能控制的概念和原理主要是针对被控对象、环境、控制目标或任务的复杂性提出来的，它的指导思想是依据人的控制
14、目标或任务的复杂性提出来的，它的指导思想是依据人的思维方式和处理问题的技巧，解决那些目前需要人的智能才能思维方式和处理问题的技巧，解决那些目前需要人的智能才能解决的复杂的控制问题。被控对象的复杂性体现为解决的复杂的控制问题。被控对象的复杂性体现为:模型的不模型的不确定性，高度非线性，分布式的传感器和执行器，动态突变，确定性，高度非线性，分布式的传感器和执行器，动态突变，多时间标度，复杂的信息模式，庞大的数据量，以及严格的特多时间标度，复杂的信息模式，庞大的数据量，以及严格的特性指标等。智能控制是驱动智能机器自主地实现其目标的过程，性指标等。智能控制是驱动智能机器自主地实现其目标的过程，对自主机
15、器人的控制就是典型的例子而环境的复杂性则表现为对自主机器人的控制就是典型的例子而环境的复杂性则表现为变化的不确定性和难以辨识。变化的不确定性和难以辨识。智能控制是从智能控制是从“仿人仿人”的概念出发的。一般认为，其方法包的概念出发的。一般认为，其方法包括学习控制、模糊控制、神经元网络控制、和专家控制等方法。括学习控制、模糊控制、神经元网络控制、和专家控制等方法。控制技术在机械制造领域中的应用1.控制技术的应用不仅使生产过程实现了自动化，极大地提高了劳动生产率，而且减轻了人的劳动强度。2.控制使工作具有高度的准确性，大大地提高了武器的命中率和战斗力，例如火炮自动跟踪系统必须采用计算机控制才能打下
16、高速高空飞行的飞机。3.某些人们不能直接参与工作的场合就更离不开自动控制技术了，例如原子能的生产、火炮或导弹的制导等等。控制论的研究对象系统2 2、动力学问题、动力学问题:系统在外界作用（输入或激励、包括外加控制与外系统在外界作用（输入或激励、包括外加控制与外界干扰）下，从一定初始状态出发，经历由其内部的固界干扰）下，从一定初始状态出发，经历由其内部的固有特性（由系统的结构与参数所决定）所决定的动态历有特性（由系统的结构与参数所决定）所决定的动态历程（输出或响应）。程（输出或响应）。这一过程中，这一过程中，系统系统及其及其输入输入、输出输出三者之间的三者之间的动态动态关系关系即为系统的动力学问
17、题。即为系统的动力学问题。例例.弹簧质量阻尼单自由度系统。弹簧质量阻尼单自由度系统。分析：这是同一个系统，不同的外界作用分析：这是同一个系统，不同的外界作用对上例，需要研究的问题可归纳为以下三类：对上例，需要研究的问题可归纳为以下三类：1)1)系统的输入与系统的固有特性如何影响系统的输入与系统的固有特性如何影响y(t)y(t)，三，三者之间表现为何种关系者之间表现为何种关系。2)2)系统确定并已知时，对系统施加何种输入，能使系系统确定并已知时，对系统施加何种输入，能使系统实现预期的响应。统实现预期的响应。3)3)对于确定的输入，系统应具有什么特性，才能使系对于确定的输入，系统应具有什么特性，才
18、能使系统实现预期的响应统实现预期的响应。基本的动力学问题基本的动力学问题。工程控制论的内容可归纳为如下工程控制论的内容可归纳为如下5 5个方面：个方面：（1 1）已知系统和输入，求系统的输出，即系统分析问题；）已知系统和输入，求系统的输出，即系统分析问题；（2 2）已知系统和系统的理想输出，设计输入，即最优控）已知系统和系统的理想输出，设计输入，即最优控制问题；制问题；（3 3）已知输入和理想输出时，设计系统，即最优设计）已知输入和理想输出时，设计系统，即最优设计问题；问题；（4 4）输出已知，确定系统，以识别输入或输入中的有关）输出已知，确定系统，以识别输入或输入中的有关信息，此即滤波与预测
19、问题；信息，此即滤波与预测问题；（5 5）已知系统的输入和输出，求系统的结构与参数，）已知系统的输入和输出，求系统的结构与参数，即系统辨识问题。即系统辨识问题。自动控制是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（称控制装置或控制器），使机器、设备或生产过程（统称被控对象）的某个工作状态或参数（即被控量）自动地按照预定的规律运行。一般地说如何使被控量按照给定量的变化规律变化，就是一个控制系统要解决的基本问题。控制是对对象施加某种操作,使其产生所期望的行为控制论基本概念控制三要素：被控对象 控制目标 控制装置控制论：是关于控制原理和控制方法的学科 研究事物变化和发展的一般规律可控和能控 ：
20、多种可能性和一定的方式下面通过具体例子来说明自动控制和自动控制系统的概念下面通过具体例子来说明自动控制和自动控制系统的概念水位控制系统在非工程系统中（如社会、管理、经济等系统），由于其规模及复杂程度巨大，直接实验几乎不可能，这时通过仿真技术的应用可以获得对系统的某种超前认识。同时满足叠加性与均匀性（又称为齐次性）的系统称为线性系统。弹簧质量阻尼单自由度系统。（5）已知系统的输入和输出，求系统的结构与参数，结构复杂，成本较高，容易引起振荡，稳定性差外反馈：在自动控制系统中，为达到某种控制目的而人为加入的反馈，称为外反馈。于是电源接通，电加热器控制论：是关于控制原理和控制方法的学科当温度偏高时，动
21、触头向减小电流的方向水的实际温度是被控制量，或称为系统的输出量，设为To；扰动：系统外部扰动、系统内部扰动第三阶段：大系统控制兴起和发展阶段；十九世纪末，二十世纪初，使用内燃机第二次世界大战期间，为了设计和制造飞机及船用自动驾驶仪、火炮定位系统、雷达跟踪系统等基于反馈原理的军用装备，进一步促进和完善了自动控制理论的发展。系统的性能不仅与系统的元素有关，而且还与系统乐乐和华华一起玩“点睛”小游戏。控制理论中主要研究的是负反馈控制系统.按输入输出变量的多少 单变量系统/多变量系统恒温箱实际温度由热电偶转换为对应的电压u2主反馈通路：输出经过测量元件到达输入端的通路水位控制系统28控制器控制器气动阀
22、门气动阀门流入流入Q1Q1浮子浮子水箱水箱流出 Q2流出 Q2H H水位自动控制系统水位自动控制系统控制任务：控制任务：维持水箱内水位恒定；维持水箱内水位恒定；控制装置：控制装置：气动阀门、控制器；气动阀门、控制器；受控对象：受控对象：水箱、供水系统；水箱、供水系统；被控量：被控量：水箱内水位的高度；水箱内水位的高度；控制器控制器气动阀门气动阀门流入流入Q1Q1浮子浮子水箱水箱流出 Q2流出 Q2H H水位自动控制系统水位自动控制系统给定值：给定值：控制器刻度盘指针标定控制器刻度盘指针标定的预定水位高度；的预定水位高度；测量装置：测量装置：浮子；浮子；比较装置：比较装置：控制器刻度盘；控制器刻
23、度盘；干扰：干扰：水的流出量和流入量的水的流出量和流入量的变化都将破坏水位保持变化都将破坏水位保持恒定；恒定；转速表转速表直流电动机直流电动机控制直流电动机转速示意图如下所示:功率放功率放大大 器器激磁回路激磁回路constIf激磁电流激磁电流au电枢电压电枢电压人所起的三个作用:(1)观察电机的转速;(2)将观察到的转速与需要保持的转速在头脑中进行比较;(3)根据比较得出的结论去调整电位器的输出电压.VrV测速发电机测速发电机自动控制直流电动机转速示意图如下所示:直流电动机直流电动机激磁回路激磁回路constIf激磁电流激磁电流au电枢电压电枢电压运算器运算器VrVeu1开环系统 当一个系统
24、以所需的方框图表示而没有反馈回路时，称之为开环系统。直流电动机转速控制系统（开环系统）电压放大器功率放大器直流电动机UrUaMc给定量控制装置被控对象被控量自动控制系统的工作原理n反馈：将输出量通过一定的方式送回到输入端，并与输入信号比较产生偏差信号过程称为反馈n外反馈：由附加的反馈控制装置引起的信息交互n内反馈：系统内部的信息交互n负反馈：输入信号反馈信号（输出信号）n正反馈：输入信号+反馈信号反馈控制原理：没没有有反反馈馈回回路路有有反反馈馈回回路路n反馈通路输出信号被送回到输入回路的通路。反馈通路输出信号被送回到输入回路的通路。净输入量 反反馈馈放放大大电电路路的的一一般般框框图图 输入
25、量 基基本本放放大大电电路路 反反馈馈网网络络 输出量 反馈量 注意电路中注意电路中信号的流向信号的流向内反馈与外反馈内反馈与外反馈 外反馈：在自动控制系统中，为达到某种控制目的而外反馈：在自动控制系统中，为达到某种控制目的而人为加入的反馈，称为外反馈。人为加入的反馈，称为外反馈。内反馈：在系统或过程中存在的各种自然形成的反馈，内反馈：在系统或过程中存在的各种自然形成的反馈，称为内反馈。它是系统内部各个元素之间相互耦合的结果。称为内反馈。它是系统内部各个元素之间相互耦合的结果。内反馈是造成机械系统存在一定的动态特性的根本原因，纷内反馈是造成机械系统存在一定的动态特性的根本原因，纷繁复杂的内反馈
26、的存在使得机械系统变得异常复杂。繁复杂的内反馈的存在使得机械系统变得异常复杂。显然这是一个内反馈，显然这是一个内反馈，因为没有附加反馈控因为没有附加反馈控制装置。内反馈是系制装置。内反馈是系统内部的信息交互，统内部的信息交互，反映了系统的动态特反映了系统的动态特性。性。例：例：m-c-km-c-k系统系统)()()()()()()()(2222tkydttdyctfdttydmtftkydttdycdttydm或解：由题可得：b(t):叫反馈信号.乐乐和华华一起玩“点睛”小游戏。控制器刻度盘指针标定的预定水位高度；这一过程中，系统及其输入、输出三者之间的动态关系即为系统的动力学问题。华华走到黑
27、板附近，朝着黑板画出小孩的眼睛。恒温箱期望温度由电压u1给定，并与实际温度时间响应可分为瞬态响应与稳态响应。动态模型反映系统在迅变载荷或在系统不平衡状态下的特性，现时输出还由受其以前输入的历史的影响，一般以微分方程或差分方程描述。对偏差信号进行放大，使之有足够的能量驱动执行元件实现控制功能。厚度检测器输出u2比例于轧制后钢板的厚度，u2放大后得到u3并与u1比较得到偏差信号；度，使输入流量减小，液位下降，直到电位器滑动触点回到中间位置，液面恢复给定高度；与要求的温度（给定值）进行比较，得到温度偏差的大小和方向方框：表示系统中的一个元件或几个元件组合而成的一个装置b(t):叫反馈信号.4、计算机
28、仿真的三要素及基本步骤对上例，需要研究的问题可归纳为以下三类：仿真语言可用一条指令实现某种功能，如“系统特征值的求解”，使用人员不必考虑什么算法，以及如何实现等低级问题。如：恒温箱控制、电网电压、频率控制等。随着航天事业和计算机的发展，20世纪60年代初，在经典控制理论的基础上，以线性代数理论和状态空间分析法为基础的现代控制理论迅速发展起来。按被控量来分 温度控制系统/速度控制系统直流电动机转速自动控制系统可画成如下方框图：被控对象反馈装置控制器)(tr)(te)(tu)(tc)(tb方框：表示系统中的一个元件或几个元件组合而成的一个装置带箭头的直线：表示系统中信号流通的方向小圆圈符号：表示比
29、较器,正负号表示信号在比较器中是被相加还是被相减 t 方框图中信号的常用名称:r(t):系统的输入信号,其中使系统具有预定性能或预定输出的,又可称为给定输入信号或参考输入信号,如电位器的输出电压.c(t):系统的输出信号（输出量），又常叫做系统对输入的响应,如电动机的转速.b(t):叫反馈信号.而把系统中输出信号转换成反馈信号的元件或装置,称为反馈元件或反馈装置,如测速发电机.e(t):叫偏差信号.是r(t)与b(t)比较的结果.u(t):是控制器的输出信号,叫控制信号.t：干扰信号，它的作用是破坏系统具有预定性能或预定输出.干扰信号根据具体情况,在系统中可有不同的作用点.一些基本概念n前向通
30、路：从输入端沿箭头方向到输出端的传输通路n主反馈通路：输出经过测量元件到达输入端的通路n主回路：前向通路+主反馈通路n内回路：局部前向通路+局部反馈通路n单回路系统、多回路系统n反馈控制系统受到的外部作用n参考（有用）输入：决定系统被控量的变化规律n扰动：系统外部扰动、系统内部扰动炉温控制系统炉温控制系统原理方框图定时开关炉子电阻丝0T给定炉温T实际炉温 当一个系统以所需的方框图表示而存在反馈回路时，称之为闭环系统。闭环系统也叫反馈控制系统。“闭环”这个术语的含义，就是应用反馈作用来减小系统误差。直流电动机转速控制系统（闭环系统）2闭环系统电压放大器功率放大器直流电动机测速发电机UrUfUeU
31、aMc检测偏差纠正偏差例 1 炉温控制系统例 1 炉温控制系统炉温控制系统方框图炉温控制系统方框图炉温控制系统方框图例：例：人骑自行车时，总是希望自行车具有一定的理想状态（如速度，人骑自行车时，总是希望自行车具有一定的理想状态（如速度，方向等），人脑根据这个理想状态指挥四肢动作，使自行车按方向等），人脑根据这个理想状态指挥四肢动作，使自行车按预定的状态运动，此时，路面的状况等因素会对自行车的实际预定的状态运动，此时，路面的状况等因素会对自行车的实际状态产生影响，使得自行车偏离理想状态，人的感觉器官感觉状态产生影响，使得自行车偏离理想状态，人的感觉器官感觉车子的状态，并将此信息返回到大脑，大脑根
32、据实际状态与理车子的状态，并将此信息返回到大脑，大脑根据实际状态与理想状态的偏差调整四肢动作，如此循环往复。其信息流动与反想状态的偏差调整四肢动作，如此循环往复。其信息流动与反馈的过程如下图所示：馈的过程如下图所示：运动系统运动系统感觉器官感觉器官理想状态大脑自行车自行车实际状态干扰控制系统的工作原理及其组成控制系统的工作原理及其组成加热电阻丝加热电阻丝220V220V调压器调压器人工控制的恒温箱人工控制的恒温箱 温度计温度计人工控制恒温箱调节过程工控制恒温箱调节过程：观测恒温箱内的温度（被控制量）观测恒温箱内的温度（被控制量）与要求的温度（给定值）进行比较，得到温度偏差的大小与要求的温度（给
33、定值）进行比较，得到温度偏差的大小和方向和方向 根据偏差大小和方向调节调压器，控制加热电阻丝的电流根据偏差大小和方向调节调压器，控制加热电阻丝的电流以调节温度回复到要求值以调节温度回复到要求值。1932年，Nyquist提出了根据频率响应判断系统稳定性的准则。控制是对对象施加某种操作,使其产生所期望的行为借助于Simulink封装技术（子系统），在模型验证的基础上，采用时间最优控制方案，实现起重机防摆控制的系统仿真实验。复合控制是闭环控制和开环控制相结合的一种方式。（1）系统：研究的对象系统在某一输入信号的作用下，系统的输出量从初始状态到稳定状态的响应过程称为瞬态响应。水箱中的水温保持在希望的
34、温度上。控制技术的应用不仅使生产过程实现了自动化，极大地提高了劳动生产率，而且减轻了人的劳动强度。假定使起重机在（）初始状态下，突加一有限恒定作用力，则依据经验知：小车位置将不断增大，而重物将在小车的一侧做往复摆动,如下图所示。厚度检测器输出u2比例于轧制后钢板的厚度，u2放大后得到u3并与u1比较得到偏差信号；用以改善系统控制质量的装置。随着航天事业和计算机的发展，20世纪60年代初，在经典控制理论的基础上，以线性代数理论和状态空间分析法为基础的现代控制理论迅速发展起来。(2)将观察到的转速与需要保持的转速在头脑中进行比较;在反馈控制系统中,如果反馈信号的作用是加强输入信号的作用,则称为正反
35、馈控制系统;如果反馈信号的作用是减弱输入信号的作用,则称为负反馈控制系统.它是在闭环控制基础上增加一个干扰信号的补偿控制，以提高控制系统的抗干扰能力。对上例，需要研究的问题可归纳为以下三类：口语汽车导航系统使用情景示意图：干扰信号，它的作用是破坏系统具有预定性能或预定输出.（3）已知输入和理想输出时，设计系统，即最优设计例2:分析图示液位自动控制系统工作原理并绘 制系统功能框图人工控制过程的实质：人工控制过程的实质：检测偏差再纠正偏差检测偏差再纠正偏差。大脑大脑手手调压器调压器恒温箱恒温箱眼睛眼睛实际实际温度温度期望期望温度温度人工控制恒温箱系统功能框图人工控制恒温箱系统功能框图温度计温度计加
36、热电阻丝加热电阻丝220V220V调压器调压器热电偶热电偶给定信号给定信号比较比较电压电压放大器放大器功率功率放大器放大器执行执行电动机电动机减速器减速器u u2 2u u1 1+u u恒温箱自动控制系统恒温箱自动控制系统例：例：恒温箱自动控制系统工作原理：恒温箱自动控制系统工作原理：恒温箱实际温度由热电偶转换为对应的电压恒温箱实际温度由热电偶转换为对应的电压u u2 2 恒温箱期望温度由电压恒温箱期望温度由电压u u1 1给定，并与实际温度给定，并与实际温度 u u2 2比较得到温度偏差信号比较得到温度偏差信号 u uu u1 1 u u2 2温度偏差信号经电压、功率放大后，用以驱动温度偏差
37、信号经电压、功率放大后，用以驱动 执行电动机，并通过传动机构拖动调压器动触执行电动机，并通过传动机构拖动调压器动触 头。当温度偏高时，动触头向减小电流的方向头。当温度偏高时，动触头向减小电流的方向 运动，反之加大电流，直到温度达到给定值为运动，反之加大电流，直到温度达到给定值为 止，此时，偏差止，此时，偏差 u u0 0，电机停止转动。，电机停止转动。给定给定信号信号电压电压功率功率放大器放大器控制控制电机电机减减速速器器调调压压器器恒温箱恒温箱(控制控制对象对象)热电偶热电偶u u1 1u u2 2 u uu ua an nv vu u温度温度t t(被控被控量量)扰动扰动恒温箱自动控制系统
38、功能框图恒温箱自动控制系统功能框图系统功能框图如下所示系统功能框图如下所示：综上所述，闭环控制系统的工作原理：综上所述，闭环控制系统的工作原理：检测输出量（被控制量）的实际值检测输出量（被控制量）的实际值将输出量的实际值与给定值（输入量）进行比将输出量的实际值与给定值（输入量）进行比 较得出偏差；较得出偏差；用偏差值产生控制调节作用去消除偏差，使得用偏差值产生控制调节作用去消除偏差，使得 输出量维持期望的输出。输出量维持期望的输出。由于存在输出量反馈，上述系统能在存在无法预计扰由于存在输出量反馈，上述系统能在存在无法预计扰动的情况下，自动减少系统的输出量与参考输入量（或者动的情况下，自动减少系
39、统的输出量与参考输入量（或者任意变化的希望的状态）之间的偏差，故称之为任意变化的希望的状态）之间的偏差，故称之为反馈控制反馈控制。显然：显然：反馈控制建立在偏差基础上反馈控制建立在偏差基础上，其控制方式是，其控制方式是“检测检测偏差再纠正偏差偏差再纠正偏差”。这种基于反馈原理，能对输出量与参考输入量进行比这种基于反馈原理，能对输出量与参考输入量进行比较，并力图保持两者之间既定关系的系统。称为较，并力图保持两者之间既定关系的系统。称为反馈控制反馈控制系统系统。反馈控制系统具备。反馈控制系统具备测量测量、比较比较和和执行执行三个基本功能。三个基本功能。在反馈控制系统中,如果反馈信号的作用是加强输入
40、信号的作用,则称为正反馈控制系统;如果反馈信号的作用是减弱输入信号的作用,则称为负反馈控制系统.控制理论中主要研究的是负反馈控制系统.负反馈控制是实现自动控制最基本的方法。看看谁 “点睛”更准确？n乐乐和华华一起玩“点睛”小游戏。n黑板上画出一张缺眼睛小孩小孩的脸：n乐乐走到黑板附近，背着黑板画出小孩小孩的眼睛；n华华走到黑板附近，朝着黑板画出小孩小孩的眼睛。开环和闭环系统 框图被控对象（粉笔）控制器大脑执行器（手）检测装置（眼睛）检测装置（眼睛）比较器比较器+-输入量（眼睛给定位置）控制量（粉笔位移）输出量眼睛实际位置被控对象（粉笔）控制器大脑执行器（手）控制量（粉笔位移）输出量眼睛实际位置
41、 输入量（眼睛给定位置）乐乐 开环控制框图华华 闭环控制框图系统开环系统闭环系统优点缺点应用场合结构简单，成本低廉，稳定性好精度低，抑制干扰能力差不存在干扰，元件比较稳定，精度要求不高控制效果好，精度高结构复杂，成本较高，容易引起振荡，稳定性差系统元件参数变化和扰动无法预计的场合 复合控制是闭环控制和开环控制相结合的一种方式。它是在闭环控制基础上增加一个干扰信号的补偿控制，以提高控制系统的抗干扰能力。3复合控制系统补偿装置控制器被控对象输入信号_+干扰信号被控信号根据干扰信号进行补偿，提高系统的控制精度，根据干扰信号进行补偿，提高系统的控制精度，减小干扰信号的影响减小干扰信号的影响系统在外界作
42、用（输入或激励、包括外加控制与外界干扰）下，从一定初始状态出发，经历由其内部的固有特性（由系统的结构与参数所决定）所决定的动态历程（输出或响应）。e(t):叫偏差信号.解决方法：状态空间法（时域方法）。温度偏差信号经电压、功率放大后，用以驱动直流电动机转速控制系统（开环系统）提高设计效率：比如电路设计，服装设计等等。楼 宇 电 梯 的 控 制反馈：将输出量通过一定的方式送回到输入端，并与输入信号比较产生偏差信号过程称为反馈结构简单，成本低廉，稳定性好一千多年前：铜壶滴漏计时器、指南针在我们这里模型是指一种用数学方法所描述的检测输出量（被控制量）的实际值给定量 给定挡位；1、计算机辅助设计的概念
43、1892年，俄国李雅普诺夫在论运动稳定性的一般问题中建立了动力学系统的一般稳定性理论。反馈控制系统受到的外部作用外反馈：在自动控制系统中，为达到某种控制目的而人为加入的反馈，称为外反馈。制系统功能框图显然这是一个最优控制问题。（5）已知系统的输入和输出，求系统的结构与参数，补偿装置控制器被控对象输入信号_+干扰信号根据输入信号进行补偿，提高系统的跟踪性能根据输入信号进行补偿，提高系统的跟踪性能水温调节系统水温调节系统水温调节系统方框图水温调节系统方框图闭环控制系统的组成闭环控制系统的组成给定给定元件元件+串联校正串联校正元件元件放大变换放大变换元件元件执行执行元件元件控制控制对象对象_+_并联
44、校正并联校正元件元件局部局部反馈反馈反馈元件反馈元件主反主反馈馈控制部分控制部分比较比较元件元件比较比较元件元件输入信号输入信号 x xi i偏差信号偏差信号 e e主反馈信号主反馈信号 x xb b扰动信号扰动信号输出输出 x xo o闭环控制系统的组成闭环控制系统的组成 给定元件给定元件 产生给定信号或输入信号。产生给定信号或输入信号。给定给定元件元件+串联校正串联校正元件元件放大变换放大变换元件元件执行执行元件元件控制控制对象对象_+_并联校正并联校正元件元件局部局部反馈反馈反馈元件反馈元件主反主反馈馈控制部分控制部分比较比较元件元件比较比较元件元件输入信号输入信号 x xi i偏差信号
45、偏差信号 e e主反馈信号主反馈信号 x xb b扰动信号扰动信号输出输出 x xo o闭环控制系统的组成闭环控制系统的组成反馈元件反馈元件 测量被控制量（输出量），产生反馈信号。测量被控制量（输出量），产生反馈信号。为便于传输，反馈信号通常为电信号。为便于传输，反馈信号通常为电信号。给定给定元件元件+串联校正串联校正元件元件放大变换放大变换元件元件执行执行元件元件控制控制对象对象_+_并联校正并联校正元件元件局部局部反馈反馈反馈元件反馈元件主反主反馈馈控制部分控制部分比较比较元件元件比较比较元件元件输入信号输入信号 x xi i偏差信号偏差信号 e e主反馈信号主反馈信号 x xb b扰动信
46、号扰动信号输出输出 x xo o闭环控制系统的组成闭环控制系统的组成 比较元件比较元件 对给定信号和反馈信号进行比较，产生偏差信号；对给定信号和反馈信号进行比较，产生偏差信号；放大元件放大元件 对偏差信号进行放大，使之有足够的能量驱动执行元件实对偏差信号进行放大，使之有足够的能量驱动执行元件实现控制功能。现控制功能。执行元件执行元件 直接对受控对象进行操纵的元件；如电动机、液压马达等；直接对受控对象进行操纵的元件；如电动机、液压马达等；校正元件校正元件 用以改善系统控制质量的装置。用以改善系统控制质量的装置。给定给定元件元件+串联校正串联校正元件元件放大变换放大变换元件元件执行执行元件元件控制
47、控制对象对象_+_并联校正并联校正元件元件局部局部反馈反馈反馈元件反馈元件主反主反馈馈控制部分控制部分比较比较元件元件比较比较元件元件输入信号输入信号 x xi i偏差信号偏差信号 e e主反馈信号主反馈信号 x xb b扰动信号扰动信号输出输出 x xo o闭环控制系统的组成闭环控制系统的组成 控制系统中比较元件、放大元件、执行元件控制系统中比较元件、放大元件、执行元件和反馈元件等共同起控制作用，统称为和反馈元件等共同起控制作用，统称为控制器控制器。实际的控制系统中，实际的控制系统中，扰动扰动总是不可避免的，扰总是不可避免的，扰动分为动分为内部扰动内部扰动和和外部扰动外部扰动，但在控制系统中
48、，扰，但在控制系统中，扰动集中表现在控制量与被控量的偏差上，因此，可动集中表现在控制量与被控量的偏差上，因此，可以将控制系统的扰动等效为对控制对象的干扰。以将控制系统的扰动等效为对控制对象的干扰。对控制系统基本要求对控制系统基本要求tUpUrt0t1t2UrUr Ur UrUrUp0Up=Ur UpUr 2t1 t产生过渡过程的原因：1.内部原因：系统有惯性，有储能元件2.外部原因：参数配置不当对控制系统基本要求对控制系统基本要求控制系统的分类按给定信号的形式按给定信号的形式 自动调节系统自动调节系统/随动系统随动系统 按系统是否满足叠加原理按系统是否满足叠加原理 线性系统线性系统/非线性系统
49、非线性系统按系统参数是否随时间变化按系统参数是否随时间变化 定常系统定常系统/时变系统时变系统按信号传递的形式按信号传递的形式 连续系统连续系统/离散系统离散系统按输入输出变量的多少按输入输出变量的多少 单变量系统单变量系统/多变量系统多变量系统按被控量来分按被控量来分 温度控制系统温度控制系统/速度控制系统速度控制系统按给定信号的形式：按给定信号的形式：自动调节系统自动调节系统恒值控制系统恒值控制系统系统输入量为恒定值。控制任务是保证在任何扰动作用下系系统输入量为恒定值。控制任务是保证在任何扰动作用下系统的输出量为恒值。统的输出量为恒值。如：恒温箱控制、电网电压、频率控制等。如：恒温箱控制、
50、电网电压、频率控制等。程序控制系统程序控制系统输入量的变化规律预先确知，输入装置根据输入的变化规律，输入量的变化规律预先确知，输入装置根据输入的变化规律，发出控制指令，使被控对象按照指令程序的要求而运动。如发出控制指令，使被控对象按照指令程序的要求而运动。如数控加工系统。数控加工系统。随动系统（伺服系统）随动系统（伺服系统）输入量的变化规律不能预先确知，其控制要求是输出量迅速、输入量的变化规律不能预先确知，其控制要求是输出量迅速、平稳地跟随输入量的变化，并能排除各种干扰因素的影响，平稳地跟随输入量的变化，并能排除各种干扰因素的影响，准确地复现输入信号的变化规律。准确地复现输入信号的变化规律。1
