1、第1章 绪论第第1 1章章 绪论绪论1.1 自动控制理论简介1.2 闭环控制和开环控制1.3 自动控制系统的基本类型1.4 对控制系统性能的基本要求1.5本课程的性质和任务习题第1章 绪论随着生产和科学技术的发展，自动控制技术在国民经济建设中起着越来越重要的作用。自动控制技术及其理论已经被广泛地应用于机械、冶金、石油、化工、电子、电力、航空、航海、航天等各个学科领域。例如应用自动控制技术，人造卫星按预定轨道运行，并始终保持正确的姿态，使它的太阳能电池一直朝向太阳，无线电天线一直指向地球；电网的电压和频率自动地维持不变；金属切削机床的切削速度在电网电压或负载发生变化时，能自动保持近似不变。以上这
2、些，都是自动控制的结果。第1章 绪论自动控制技术的应用，不仅使生产过程实现了自动化，极大地提高了劳动生产率和产品质量，改善了劳动条件，而且在人类征服自然、探索新能源、发展空间技术和改善人民物质生活等方面起着极为重要的作用。自动控制的概念和分析问题的方法正向其他领域渗透，其应用范围逐步扩展到交通管理、生物医学、生态环境、经济管理、社会科学和其他许多社会生活领域，并为各学科之间的相互交流与渗透起到了促进作用。第1章 绪论近年来，随着现代数字计算机技术的迅速发展，为自动控制技术的应用开辟了广阔的前景。事实上，自动控制技术已经成为现代工业、农业、科学技术和国防建设中必不可少的一门重要技术。第1章 绪论
3、1.1 自动控制理论简介自动控制理论简介一、历史回顾一、历史回顾自动控制理论可分为经（古）典控制理论和现代控制理论两大部分。1788年，英国人瓦特(James Watt)为控制蒸汽机的速度而发明了离心调速器，从而揭开了经典控制理论的序幕，是自动控制领域的第一项重大成果。1868年，英国物理学家麦克斯韦（JCMaxwell）建立了调速器系统的线性常微分方程，并对瓦特速度控制系统中出现的不稳定问题进行了分析和解释，开辟了用数学方法研究控制系统的先河。第1章 绪论1877年和1895年，英国数学家劳斯(EJRouth)和德国数学家古尔维茨(AHurwitz)分别独立地建立了根据代数方程的系数判别系统
4、稳定性的代数稳定性判据，为经典控制理论中的时域分析法奠定了基础。1932年，美国物理学家奈奎斯特（HNyquist）运用复变函数理论，提出了根据对稳态正弦输入的开环响应，确定闭环系统的稳定性的方法，从而建立了以频率特性为基础的稳定性判据，奠定了频率响应法的基础。第1章 绪论 20世纪30年代末和40年代初，伯德（HWBode）和尼柯尔斯(NBNichols)进一步将频率响应法加以发展，形成了经典控制理论的频域分析法。频率响应法为工程技术人员设计满足性能要求的线性闭环控制系统提供了一种可行的方法。20世纪40年代末到50年代初，美国科学家伊凡思(Evans)提出的根轨迹法，被广泛应用于反馈控制系
5、统的分析、设计中。第1章 绪论到20世纪50年代，经典控制理论已发展的相当成熟，形成了相对完整的理论体系，并且在工程实践中得到广泛的应用。经典控制理论主要以传递函数为基础，以时域分析法、根轨迹法和频域分析法为核心，研究单输入、单输出线性定常系统的分析和设计问题。随着生产和科学技术的发展，具有多输入、多输出的现代设备变得愈来愈复杂，所以需要大量方程来描述现代控制系统。第1章 绪论经典控制理论只涉及单输入、单输出系统，对于多输入、多输出甚至于包含时变参数、多变量、强耦合等的复杂的控制问题就无能为力了。20世纪60年代，数字计算机的出现为复杂系统的时域分析提供了可能性。利用状态变量、基于时域分析的现
6、代控制理论应运而生。现代控制理论在古典控制理论的基础上，随着科学技术的发展和工程实践的需要而迅速发展起来。它主要以状态空间法为基础，研究多输入、多输出，变参数，非线性，高精度，高效能等控制系统的分析和设计问题。第1章 绪论近几十年来，不断出现了一些新的控制方法和理论，例如自适应控制，模糊控制，预测控制，容错控制，鲁棒控制，非线性控制和大系统、复杂系统控制，最优控制，最佳滤波，系统辨识等理论都是这一领域研究的前沿课题。近年来，由于电子计算机技术的迅速发展，现代控制理论在实践中也得到越来越多的应用。从而适应了现代设备日益增加的复杂性，同时也满足了军事、空间技术和工业应用领域对精确度、重量和成本方面
7、的严格要求。第1章 绪论二、二、控制系统的基本概念与举例控制系统的基本概念与举例自动控制就是在没有人直接参与的条件下，利用控制器使被控对象（如机器、设备和生产过程）的某些物理量（或工作状态）能自动地按照预定的规律变化（或运行）的过程。自动控制是一门理论性很强的科学技术，一般泛称为“自动控制技术”。把实现自动控制所需的各个部件按一定的规律组合起来去控制被控对象，这个组合体叫做“控制系统”。分析与综合自动控制系统的理论称之为“控制理论”。下面，通过实例说明有关自动控制与自动控制系统的基本概念。第1章 绪论1.数控机床工作台控制系统数控机床工作台控制系统图1-1所示为一数控机床工作台驱动控制系统的工
8、作原理图。图1-1（a）为一种简单的控制系统，输入为一定频率和数量的脉冲信号，经放大器放大后驱动步进电机，从而控制工作台的移动（系统的输出），整个过程中，对工作台的实际位置不作检查。这种控制方式结构简单，但从输入信号到输出位移的整个控制过程中，任何一个环节的误差均会对工作台的位置精度造成一定的影响，因而控制精度不会很高。第1章 绪论图1-1（b）为一种反馈控制系统，测量装置随时测定工作台的实际位置，然后反馈回输入端，与输入信号进行比较，并根据工作台实际位置与理想位置之间的偏差决定控制动作，进而达到消除工作台实际位置与理想位置之间的误差的目的，这种控制方式的控制精度较高。第1章 绪论图1-1 数
9、控机床工作台控制系统(a)简单控制系统；(b)反馈控制系统第1章 绪论2.液面自动控制系统液面自动控制系统图1-2所示为液面水位高度自动控制系统。图中，F1为放水阀，F2为进水阀，K为功率放大器，D为拖动电动机。控制系统要求液面的高度等于h0，即不论放水阀F1输出的流量如何变化，系统总能自动地维持其液面高度在允许的偏（误）差范围之内。假设水池液面的高度因F1阀开度的增大而降低到h1时，则系统立即产生一个与降落液面高度h0h1成比例的误差电压u，该电压经放大器放大后供电给进水阀的拖动电动机，使进水阀F2的开度也相应地增大，从而使水池的液面恢复到所希望的高度h0。第1章 绪论为了使控制系统的表示既
10、简单又明了，在控制工程中一般均采用方框表示系统中的各个组成部件，即在每个方框中填入它所表示部件的名称或其功能函数的表达式，不必画出它们的具体结构；根据信号在系统中的传递方向，用有向线段依次把它们连接起来，就得到整个系统的框图。据此，可把图1-2所示液面控制系统的原理图改用图1-3所示的框图来表示。显然，后者的表示不仅比前者简单，而且信号在系统中的传递也更为清晰。在以后的讨论中，控制系统一般均以框图的形式表示。第1章 绪论图1-2 液面自动控制系统第1章 绪论图1-3 图1-2所示系统的方框图第1章 绪论3.电炉炉温控制系统电炉炉温控制系统机电工业中常用的原材料，如硅钢片在热处理过程中需要进行1
11、0小时连续保温680后，才能达到预期的性能，这就需要对退火炉的温度进行控制。电炉炉温控制系统的原理图如图1-4所示。这里用调压器给电炉加热，图中的热电偶用来测量炉温，它的输出电压u2正比于炉温T，即u2=K2T。电压u1为给定的基准电压，其设定值与炉温的期望值相对应。下面说明炉温控制系统的工作原理。第1章 绪论图1-4 电炉炉温控制系统第1章 绪论假设系统已调好，处于平衡状态，即u1=u2，u=0，电动机不动，此时炉温T=T0=680。若因某种原因使炉温T高于要求的炉温T0，即TT0，则有u1u2，使得偏差u=u1u20。经放大后使ud0，ud的极性决定直流电动机通过减速器带动调压器手柄朝减小
12、加热电流的方向转动，使炉温T及反馈信号u2下降，进而使u与ud下降，直到u1=u2，u=0时，电动机才停止转动，电炉的温度恢复到要求的数值。此时系统达到新的平衡状态。炉温控制系统方框图如图1-5所示。第1章 绪论图1-5 炉温控制系统方框图第1章 绪论4.火炮随动控制系统火炮随动控制系统火炮随动系统的任务是控制火炮跟踪敌机，以便适时开炮击中目标,其原理图如图1-6所示。第1章 绪论图1-6 火炮随动系统原理线路图第1章 绪论图中一对自整角机组成测角线路。自整角发送机转轴的位置由指挥仪来控制，此轴为系统的输入轴。当炮瞄雷达搜索到目标且目标已进入火炮射程之内时，天线随动系统将进入自动跟踪工作状态。
13、安装在天线轴上的数据传递系统不断地把目标的方位角（俯仰角）数据传递给指挥仪。指挥仪根据当时气候条件，炮弹在空中飞行的弹道，目标在空中移动的速度、高度等数据，计算出使炮弹与目标在空中相遇的火炮炮口方位角(俯仰角)应有的数值1(t)。1(t)即为火炮随动系统的参考输入信号。第1章 绪论自整角接收机的转子轴与火炮轴相固联，此轴为系统的输出轴。自整角机测量出系统的输入轴与输出轴之间的角差，并转换成相应的电压。其输出电压的大小由角差的大小决定，而输出电压的相位由角差的符号决定，即u=K(12)=K 式中，K为自整角机的传递系数，单位为V/()。图1-6中的直流电动机是系统的执行元件，由功率放大器的输出信
14、号ud来控制。直流电动机的转轴经减速器带动被控对象(火炮)。下面说明火炮随动系统的工作原理。(1-1)第1章 绪论假设火炮随动系统处于平衡状态，即1=2=0，故u=0，则直流电动机不动，火炮亦不动。若自整角发送机转子顺时针转过10，则角差=10，使u0，此信号经由相敏检波变成直流信号，并经功率放大使u具有足够的功率去驱动直流电动机转动。u的极性决定电动机经减速器带动火炮顺时针旋转。当火炮轴转过10时，由于自整角接收机与火炮同轴相联，因此接收机转子也顺时针转10，使得1=2=10，即=0，u=0，电动机及火炮停止转动，此时火炮已瞄准目标。第1章 绪论反之，若自整角发送机转子逆时针转过10，火炮亦
15、逆时针转10。实际上，角差很小时火炮就要动作。若自整角发送机转子连续转动，则火炮也跟着发送机转子按相同方向连续转动。这样，火炮的轴就始终跟随自整角发送机的轴转动，从而实现被控制量2(t)始终自动而准确地复现输入量1(t)的规律，即控制火炮自动跟踪敌机。这里需要两套相同的随动系统分别控制火炮的方位角和俯仰角。火炮随动系统方框图如图1-7所示。第1章 绪论图1-7 火炮随动系统方框图第1章 绪论三、控制系统的基本组成三、控制系统的基本组成由以上可知，一个典型的控制系统如图1-8所示。图中的每一个方框代表一个具有特定功能的元件。除被控对象外，控制系统通常还由给定元件、测量元件（反馈元件）、比较元件、
16、放大元件、执行元件等元件组成。这些功能元件分别承担相应的职能，共同完成控制任务。第1章 绪论图1-8 典型反馈控制系统方框图第1章 绪论(1)给定元件主要用于产生给定信号或输入信号的元件，用于确定被控对象的给定量。(2)测量元件或称为反馈元件，主要用于测量被控变量或输出量，并将其转换为便于传送的另一物理量。例如炉温控制系统中的热电偶。(3)比较元件用于比较输入信号和测量环节所测得的反馈信号，并产生一个小功率的偏差信号，用于对被控对象进行控制。第1章 绪论(4)放大元件为了实现控制，对比较元件产生的小功率偏差信号进行功率放大，用于驱动执行元件，控制被控对象。常用的放大元件类型有电流放大、电气液压
17、放大等。(5)执行元件接收放大环节送来的控制信号，直接对控制对象进行操作，驱动被控对象按照预期的规律运行。例如炉温控制系统中直流电动机。(6)被控对象控制系统所要操纵的对象，它的输出量即为系统的被控制量。第1章 绪论另外，在控制系统中还存在着各种信号，如输入信号、输出信号、反馈信号、偏差信号、误差信号、扰动信号等。自动控制的过程就是各种信号在系统中不断流动并相互转换的过程。(1)输入信号由给定环节产生，一般指控制输出量变化规律的信号。(2)输出信号输入的结果，它的变化规律通过控制应与输入信号之间保持确定的关系。第1章 绪论(3)反馈信号输出信号经反馈元件变换后加到输入端的信号，符号与输入信号相
18、同者为正反馈，符号与输入信号相反者为负反馈。(4)偏差信号输入信号与反馈信号经比较环节相比较后产生的信号，此信号经放大元件放大后用于驱动执行元件控制被控对象，最终实现减小偏差信号的目的。(5)误差信号输出量实际值与期望值之差。(6)扰动信号偶然的、无法人为控制的信号，分为内扰动信号和外扰动信号。第1章 绪论以上各组成元件和控制信号构成了一般自动控制系统基本单元。此外，为了改善控制系统的动、静态性能，通常还在系统中加上某种形式的校正装置，主要的校正形式有反馈校正和串联校正等。加入校正元件后的系统组成框图如图1-9所示。第1章 绪论图1-9 加入校正元件的典型反馈控制系统方框图第1章 绪论1.2
19、闭环控制和开环控制闭环控制和开环控制一、一、反馈控制系统反馈控制系统所谓反馈控制，就是根据系统输出变化的信息来进行控制，即通过比较系统输出量与输入量之间的偏差，并消除偏差以获得预期的系统性能。在反馈控制系统中，既存在由输入端到输出端的信号前向通路，也包含从输出端到输入端的信号反馈通路，两者组成一个闭合的回路。因此，反馈控制系统又称为闭环控制系统。反馈控制是自动控制的主要形式。第1章 绪论在工程上常把在运行中使输出量和期望值保持一致的反馈控制系统称为自动调节系统，而把用来精确地跟随或复现某种过程的反馈控制系统称为伺服系统或随动系统。反馈控制系统由控制器、受控对象和反馈通路组成。在反馈控制系统中，
20、不管出于什么原因（外部扰动或系统内部扰动），只要被控制量偏离规定值，就会起到相应的控制作用，去消除偏差。因此，它具有抑制干扰的能力，对元件特性变化不敏感，并能改善系统的响应特性。第1章 绪论二、开环控制系统二、开环控制系统最常见的系统控制方式分为开环控制和闭环控制两种。若系统的被控制量对系统的控制作用没有影响，则此系统称为开环控制系统，其框图如图1-10所示。在开环控制系统中，输入端与输出端之间只有信号的前向通道，而不存在由输出端到输入端的反馈通路。因此，既不需要对被控量进行测量，也不需要将被控量反馈到系统的输入端与参考信号比较。这样，对于一个确定的参考信号，就有一个与之对应的被控制量。第1章
21、 绪论因此，系统的控制精度将取决于控制器及被控对象的参数稳定性。也就是说，欲使开环控制系统具有满足要求的控制精度，则系统各部分的参数值，在工作过程中都必须严格保持在事先校准的量值上，这就必须对组成系统的元部件质量提出严格的要求。显然，当出现干扰时，开环控制系统会引起被控制信号较大的变化，系统内部参数变化同样会引起被控制信号较大的变化，这就是说，开环控制系统没有抗干扰能力。第1章 绪论图1-10 开环控制系统第1章 绪论三、闭环控制系统三、闭环控制系统凡是系统的被控制量对控制作用有直接影响的系统都叫闭环控制系统，其方框图如图1-11所示。闭环控制系统工作的机理是：将系统的输出信号引回到输入端，与
22、输入信号相比较，利用所得的偏差信号对系统进行调节，达到减小偏差或消除偏差的目的。显然这就是负反馈控制原理，它是构成闭环控制系统的核心。在实践中，反馈控制和闭环控制这两个术语常常交换使用。第1章 绪论图1-11 闭环控制系统第1章 绪论在闭环控制系统中，需要对被控制信号不断地进行测量、变换并反馈到系统的控制端与参考输入信号进行比较，产生偏差信号，实现按偏差控制。如在前面介绍的随动控制系统和炉温控制系统就是闭环控制系统的例子。由于闭环控制系统采用了负反馈，使系统的被控制信号对外界干扰和系统内部参数的变化都不敏感，即闭环控制抗干扰能力强，这样就有可能采用成本低的元部件构成精确的控制系统，而开环控制系
23、统则做不到这一点。第1章 绪论四、开环与闭环控制系统的比较四、开环与闭环控制系统的比较一般来说，开环控制系统结构比较简单，成本较低。当系统输入量与输出量的变化规律能预先知道，并且既不存在内部扰动也不存在外部扰动，或者对系统中可能出现的干扰，可以有办法抑制时，才能采用开环控制系统。目前，一些自动化装置，如自动售货机、自动洗衣机、交通信号灯等，一般都是开环控制系统。开环控制系统的缺点是控制精度不高，抑制干扰能力差，而且对系统参数变化比较敏感。当系统的控制量和干扰量均无法事先预知时，就必须采用闭环控制系统。第1章 绪论在闭环控制系统中，不论是输入信号的变化，或者干扰的影响，或者系统内部的变化，只要被
24、控量偏离了规定值，都会产生相应的动作去消除偏差。因此，闭环控制抑制干扰能力强，与开环控制相比，系统对参数变化不敏感，可以选用不太精密的元件构成较为精密的控制系统，获得满意的动态特性和控制精度。但是采用反馈装置需要添加元部件，造价较高，同时也增加了系统的复杂性。如果系统的结构参数选取不适当，则控制过程可能变得很差，甚至出现振荡或发散等不稳定的情况。第1章 绪论因此，如何分析系统，合理选择系统的结构参数，从而获得满意的系统性能，是自动控制理论必须研究和解决的问题。从系统的稳定性来考虑，开环控制系统容易解决，因而不是十分重要的问题。但对闭环控制系统来说，稳定性始终是一个重要问题，因闭环控制系统可能引
25、起系统振荡，甚至使得系统不稳定。如果要求实现复杂而准确度较高的控制任务，则可将开环控制与闭环控制适当结合起来，组成一个比较经济而性能较好的复合控制系统。第1章 绪论1.3 自动控制系统的基本类型自动控制系统的基本类型自动控制系统可以从不同的角度进行分类。如按照分析和设计的方法，通常可分为线性控制系统和非线性控制系统，时变控制系统和非时变控制系统。按照系统参考输入信号的变化规律，分为恒值控制系统和随动控制系统。按照系统内部传输信号的性质，又可分为连续控制系统和离散控制系统。第1章 绪论此外，也有的按照组成系统元件的种类来划分，如机电控制系统、液压控制系统、气动控制系统和生物控制系统等。若按照被控
26、制量的名称来分类，有温度控制系统、转速控制系统和张力控制系统等。这里只介绍下列三种常用的分类方法，使读者在分析和设计这些系统之前，对它们的特征有一个初步的认识。第1章 绪论一、线性控制系统和非线性控制系统一、线性控制系统和非线性控制系统 若组成控制系统的元件都具有线性特性，则称这种系统为线性控制系统。这种系统的输入与输出间的关系一般用微分方程、传递函数来描述，也可以用状态空间表达式来表示。线性控制系统的主要特点是具有齐次性、适用叠加原理。如果线性控制系统中的参数不随时间而变化，则称为线性定常控制系统；反之，则称为线性时变控制系统。第1章 绪论在控制系统中，如有一个或一个以上的元件具有非线性特性
27、，则称该系统为非线性控制系统。常见的非线性特性有饱和特性、死区特性、间隙特性、继电特性、磁滞特性等，如图1-12所示。非线性系统一般不具有齐次性，也不适用叠加原理，而且它的输出响应和稳定性与其初始状态有很大的关系。非线性理论研究远不如线性系统那么完整，一般只能做近似的定性描述和数值计算。第1章 绪论图1-12 非线性特性举例(a)饱和特性；(b)死区特性；(c)磁滞特性；(d)继电特性；(e)死区继电特性；(f)磁环继电特性；第1章 绪论严格地说，绝对的线性控制系统(或元件)是不存在的，因为所有的物理系统和元件在不同的程度上都具有非线性特性。为了简化对系统的分析和设计，在一定的条件下，可以对某
28、些非线性特性作线性化处理。这样，非线性系统就近似为线性系统，从而可以用分析线性系统的理论和方法对它进行研究。第1章 绪论工程上有时为了改善控制系统的性能，常常人为地引入某种非线性元件。例如为了实现最短时间控制，采用开关型的控制方式；又如在由晶闸管组成的整流装置的直流调速系统中，为了改善系统的动态特性和限制电动机的最大电流，有意识地把速度调节器和电流调节器设计成具有饱和非线性特性的器件。第1章 绪论二、恒值控制系统和随动控制系统二、恒值控制系统和随动控制系统 恒值控制系统的参考输入为常量，要求它的被控制量在任何扰动的作用下能尽快地恢复(或接近)到原有的稳态值。图1-1所示的液面控制系统就属于恒值
29、控制系统。由于这类系统能自动地消除或削弱各种扰动对被控制量的影响，因此它又名为自镇定系统。随动控制系统的参考输入是一个变化的量，一般是随机的，要求系统的被控制量能快速、准确地跟随参考输入信号的变化而变化。图1-3 所示的火炮随动控制系统就是一个位置随动控制系统。第1章 绪论三、连续控制系统和离散控制系统三、连续控制系统和离散控制系统 如果控制系统中各部分的信号都是时间t的连续函数，则称这类系统为连续控制系统。前面所举的液面控制系统和随动控制系统都属于这类控制系统。在控制系统各部分的信号中，只要有一个是时间t的离散信号，则称这种系统为离散控制系统。显然，脉冲和数码都属于离散信号。图1-13所示的
30、计算机控制系统就是一种常见的离散控制系统。第1章 绪论图1-13 计算机控制系统框图第1章 绪论1.4 对控制系统性能的基本要求对控制系统性能的基本要求如上所述，恒值控制系统的任务是使系统的被控制量不受扰动的影响，输出力求等于参考输入信号所要求的期望输出值；随动控制系统的任务是要求其被控制量能准确、迅速地复现输入信号的变化规律。实际上，这些要求并不能百分之百地办到，而只能近似地得到实现。这是因为系统中总存在着一些不同性质的储能元件，例如机械的惯性、电路中的电容与电感等。因而，即使在系统中加了校正装置，系统的误差量也不会立即被完全消除。第1章 绪论从另一方面考虑，由于系统具有的能源功率有限，系统
31、的放大能力必然也受限制，因而它运动的加速度有限，相应的速度和位移就不可能在瞬间发生突变，而必须经历一段时间，即系统的运动必然是一个渐变的过程动态响应过程。此外，由于检测元件本身制造上的误差和机械传动间隙等因素，都会影响系统的控制精度。因此，对于控制系统的设计，只要求在可能的范围内尽量满足其技术上的要求。第1章 绪论在输入量的作用下，系统的输出变量由初始状态达到最终稳态的中间变化过程称为过渡过程，又称瞬态过程。过渡过程结束后的输出响应称为稳态过程。系统的输出响应由过渡过程和稳态过程组成。对控制系统的性能要求一般从以下三个方面来评价。第1章 绪论1.系统的稳定性系统的稳定性稳定性是对控制系统最基本
32、的要求。所谓系统稳定，粗略地说，就是当系统受到扰动作用后，系统的被控制量虽然偏离了原来的平衡状态，但当扰动一撤离，经过一定的时间后，如果系统仍能回到原有的平衡状态，则称系统是稳定的。一个稳定的系统，当其内部参数稍有变化或初始条件改变时，仍能正常地进行工作。考虑到系统在工作过程中的环境和参数的变化，因而实际系统不仅要求能稳定，而且还要求留有一定的稳定裕量。第1章 绪论2.响应的快速性响应的快速性控制系统不仅要稳定，而且还要求系统的响应具有一定的快速性，这对于某些系统来说，是一个十分重要的性能指标。快速性是指当系统输出量与给定的输入量之间产生偏差时，消除这种偏差的快速程度。第1章 绪论3.响应的准
33、确性响应的准确性响应的准确性是指调整过程结束后，输出量与给定输入量之间的偏差程度，即系统稳态精度。在参考输入信号作用下，当系统达到稳态后，其稳态输出与参考输入所要求的期望输出之差叫做给定稳态误差。显然，这种误差越小，表示系统的输出跟随参考输入的精度越高。系统在扰动信号作用下，其输出必然偏离原平衡状态。第1章 绪论由于系统自动调节的作用，其输出量会逐渐向原平衡状态方向恢复。当达到稳态后，系统的输出量若不能恢复到原平衡状态时的稳态值，则所产生的差值叫做扰动稳态误差。这种误差越小，表示系统抗扰动的能力越强，其稳态精度也越高。第1章 绪论由于被控对象具体情况的不同，各种系统对稳定性、准确性和快速性要求
34、的侧重点也有所不同。例如随动控制系统对响应速度和稳态精度的要求较高，而恒值控制系统一般却侧重于稳定性能和抗扰动的能力。对于同一个系统，稳定性、准确性和快速性这三项性能指标之间往往是相互制约的。例如为了提高系统动态响应的快速性和稳态精度，就需要增大系统的放大能力，而放大能力的提高，必然会导致系统动态性能变差，甚至会使系统变的不稳定。反之，若强调系统动态过程稳定性的要求，系统的增益系数就应较小，这又会使得系统稳态精度降低和响应的快速性变差。第1章 绪论1.5 本课程的性质和任务本课程的性质和任务控制工程基础是一门研究自动控制共同规律的技术基础课程，主要讲述自动控制技术中最基本的基础理论,以及分析、
35、设计控制系统的一般方法。概括起来本课程的主要研究任务包括以下几个方面。第1章 绪论1 系统分析系统分析系统分析是指在控制系统结构参数已知、系统数学模型已确立的情况下，根据输入（或激励），求出系统的输出（或响应），并通过输出来研究系统本身的有关问题，如判定系统的稳定性，计算系统的动、静态性能指标，研究系统性能与系统结构、参数之间的关系等。这类问题即为系统分析问题。第1章 绪论2 系统设计系统设计系统设计是指在被控对象及系统输入已知的条件下，确定系统的结构及参数，且所确定的系统能满足给定的输出要求及性能指标。在控制系统的主要元件和结构形式确定的前提下，设计任务则是需要改变系统的某些参数或选择合适的
36、校正装置，即通过对系统进行校正，使其满足预定的性能指标要求。第1章 绪论3 系统辨识系统辨识当系统的输入与输出均已知时，通过分析系统的输出与输入的关系，从而研究系统的结构与参数，即建立系统的数学模型，即为系统辨识，或称系统识别问题。此外，最优控制问题，即当系统已知，确定输入，使系统的输出满足给定的最佳要求；滤波与预测问题，即当输出已知，确定系统，以便识别输入或输出的有关信息。虽然本课程没有涉及这两类问题，但它们也是控制工程所要解决的任务。第1章 绪论本课程以数学、物理及有关学科为其理论基础，以工程实践中有关系统为其抽象、概括和研究的对象。相比于其他专业基础课，本课程更抽象，并会涉及到大量数学知
37、识，特别是复变函数，包括积分变换，要大量运用到机械振动理论、交流电理论、液压理论、机械原理等多门学科。因此，在学习本课程前，应有良好的数学、力学、电学及机械基础知识。尽量结合已学知识，并在今后的专业课学习中注意运用，特别要注意对物理概念的理解，既要结合实际又要善于思考。第1章 绪论习题习题1.1 什么是反馈控制系统？试简述其工作原理。1.2 控制系统的基本要求是什么？1.3 日常生活中有许多控制系统的例子，试列举几个开环控制系统和闭环控制系统实例，并说明它们的工作过程和工作原理。1.4 简述典型控制系统的组成元件及其功用，分析控制系统中各种信号的传递转换过程。第1章 绪论1.5 图1-14是液面自动控制系统的两种原理示意图。在运行中，希望液面高度H0维持不变。（1）试说明各系统的工作原理。（2）画出各系统的方框图，并指明被控对象、给定值、被控量和干扰信号。1.6 将图1-14(a)所示的系统结构改为如图1-15所示，试说明其工作原理，并说明此图与图1-14(a)的不同之处，它对系统工作有何影响?1.7 某仓库大门自动控制系统的原理图如图1-16所示。试说明自动控制大门开启和关闭的工作原理，并画出系统方框图。第1章 绪论图1-14 液面自动控制系统的两种原理示意图第1章 绪论图1-15 图1-14(a)的改进图第1章 绪论图1-16 某仓库大门自动控制系统
