第1章 自動(dòng)控制系統(tǒng)引論

1、 自動(dòng)控制理論是自動(dòng)化學(xué)科的重要理 論基礎(chǔ)，專門研究有關(guān)自動(dòng)控制系統(tǒng)中基 本概念、基本原理和基本方法。本章介紹 了開環(huán)控制和閉環(huán)控制，控制系統(tǒng)的基本 原理和組成，控制系統(tǒng)的類型，以及對(duì)控 制系統(tǒng)的基本要求。 內(nèi) 容 提 要 開環(huán)控制，閉環(huán)控制，控制裝置， 被控對(duì)象 ，穩(wěn)定性，穩(wěn)態(tài)誤差，動(dòng)態(tài) 特性，MATLAB的基礎(chǔ)知識(shí)。 知 識(shí) 要 點(diǎn) 控制的本意: 為了達(dá)到某種目的對(duì)事物進(jìn)行 支配、管束、管制、管理、監(jiān)督、鎮(zhèn)壓。 自動(dòng)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（被控對(duì)象）的某個(gè)工 作狀態(tài)或參數(shù)（即被控量）自動(dòng)地按照預(yù)定 的規(guī)律運(yùn)行

2、。 l鋼鐵軋制：軋出厚度 一致的高精度鐵板 （厚度控制，張力控 制） l程控機(jī)床：自動(dòng)進(jìn)刀 切削，加工出預(yù)期的 幾何形狀。 l工作原理工作原理 以恒溫箱控制為例以恒溫箱控制為例 1.1.人工控制原理及方塊圖人工控制原理及方塊圖 2.2.自動(dòng)控制原理及方塊圖自動(dòng)控制原理及方塊圖 l觀測(cè)恒溫箱內(nèi)的溫 度（被控量） l與要求的溫度（給 定值）進(jìn)行比較得 到偏差的大小和方 向 l根據(jù)偏差的大小和 方向調(diào)節(jié)調(diào)壓器， 控制加熱電阻絲的 電流以調(diào)節(jié)溫度回 到要求值 如果溫度過高如果溫度過高 控制手柄使觸頭左移控制手柄使觸頭左移 電阻絲中的電流減少電阻絲中的電流減少 溫度下降溫度下降 直到達(dá)直到達(dá) 到給定溫度

3、到給定溫度 如果溫度過低如果溫度過低 控制手柄使觸頭右移控制手柄使觸頭右移 電阻絲中的電流增大電阻絲中的電流增大 溫度上升溫度上升 直到直到 達(dá)到給定溫度達(dá)到給定溫度 如果溫度過高如果溫度過高 U2增加增加 U1不變不變 U1-U2減小減小 控制手柄使觸頭左移控制手柄使觸頭左移 電阻絲中的電流減少電阻絲中的電流減少 溫度下降溫度下降 直直 到達(dá)到給定溫度到達(dá)到給定溫度 如果溫度過高低如果溫度過高低 U2減小減小 U1不變不變 U1-U2增加增加 控制手柄使觸頭右移控制手柄使觸頭右移 電阻絲中的電流增加電阻絲中的電流增加 溫度上升溫度上升 直直 到達(dá)到給定溫度到達(dá)到給定溫度 自動(dòng)控制和人工控制的

4、基本原理是相同的自動(dòng)控制和人工控制的基本原理是相同的,它它 們都是建立在們都是建立在“測(cè)量偏差測(cè)量偏差,修正偏差修正偏差”的基礎(chǔ)上的基礎(chǔ)上,并并 且為了測(cè)量偏差且為了測(cè)量偏差,必須把系統(tǒng)的實(shí)際輸出反饋到輸必須把系統(tǒng)的實(shí)際輸出反饋到輸 入端。自動(dòng)控制和人工控制的區(qū)別在于自動(dòng)控制用入端。自動(dòng)控制和人工控制的區(qū)別在于自動(dòng)控制用 控制器代替人完成控制?？刂破鞔嫒送瓿煽刂?。總之總之,所謂自動(dòng)控制就所謂自動(dòng)控制就 是在沒有人直接參與的情況下是在沒有人直接參與的情況下,利用控制裝置利用控制裝置 使被控對(duì)象中某一物理量或數(shù)個(gè)物理量準(zhǔn)確使被控對(duì)象中某一物理量或數(shù)個(gè)物理量準(zhǔn)確 地按照預(yù)定的要求規(guī)律變化。地按照預(yù)

5、定的要求規(guī)律變化。 1)檢測(cè)溫度:由測(cè)量元件檢測(cè)輸出量（被控 制量）的實(shí)際值。 2)偏差：檢測(cè)輸出量與給定值（輸入量） 進(jìn)行比較,得到偏差的大小和方向。 3)控制：根據(jù)偏差的大小和方向產(chǎn)生進(jìn)控 制調(diào)節(jié)信號(hào)（控制量）去消除偏差，使得 輸出量維持期望值。 1.3.1 開環(huán)控制 開環(huán)控制系統(tǒng)是指無被控量反饋的控制系統(tǒng)開環(huán)控制系統(tǒng)是指無被控量反饋的控制系統(tǒng),即即 需要控制的是被控對(duì)象的某一量需要控制的是被控對(duì)象的某一量(被控量被控量),而測(cè)量的而測(cè)量的 只是給定信號(hào)只是給定信號(hào),被控量對(duì)于控制作用沒有任何影響的被控量對(duì)于控制作用沒有任何影響的 系統(tǒng)。結(jié)構(gòu)如圖所示。系統(tǒng)。結(jié)構(gòu)如圖所示。 信號(hào)由給定值至被

6、控量單向傳遞。這種控制信號(hào)由給定值至被控量單向傳遞。這種控制 較簡(jiǎn)單較簡(jiǎn)單,但有較大的缺陷但有較大的缺陷,即對(duì)象或控制裝置受到干即對(duì)象或控制裝置受到干 擾擾,或工作中特性參數(shù)發(fā)生變化或工作中特性參數(shù)發(fā)生變化,會(huì)直接影響被控量會(huì)直接影響被控量, 而無法自動(dòng)補(bǔ)償。因此而無法自動(dòng)補(bǔ)償。因此,系統(tǒng)的控制精度難以保證。系統(tǒng)的控制精度難以保證。 從另一種意義理解從另一種意義理解,意味著對(duì)受控對(duì)象和其它控制意味著對(duì)受控對(duì)象和其它控制 元件的技術(shù)要求較高。如數(shù)控線切割機(jī)進(jìn)給系統(tǒng)、元件的技術(shù)要求較高。如數(shù)控線切割機(jī)進(jìn)給系統(tǒng)、 包裝機(jī)等多為開環(huán)控制。包裝機(jī)等多為開環(huán)控制。 1.3.2 閉環(huán)控制(反饋控制) 閉環(huán)控

7、制的定義是有被控制量反饋的控制閉環(huán)控制的定義是有被控制量反饋的控制,其其 原理框如圖所示。從系統(tǒng)中信號(hào)流向看原理框如圖所示。從系統(tǒng)中信號(hào)流向看,系統(tǒng)的輸系統(tǒng)的輸 出信號(hào)沿反饋通道又回到系統(tǒng)的輸入端出信號(hào)沿反饋通道又回到系統(tǒng)的輸入端,構(gòu)成閉合構(gòu)成閉合 通道通道,故稱閉環(huán)控制系統(tǒng)故稱閉環(huán)控制系統(tǒng),或反饋控制系統(tǒng)?；蚍答伩刂葡到y(tǒng)。 這種控制方式這種控制方式,無論是由于干擾造成無論是由于干擾造成,還是由于還是由于 結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化引起被控量出現(xiàn)偏差結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化引起被控量出現(xiàn)偏差,系統(tǒng)就利用偏系統(tǒng)就利用偏 差去糾正偏差差去糾正偏差,故這種控制方式為按偏差調(diào)節(jié)。故這種控制方式為按偏差調(diào)節(jié)。 閉環(huán)控制系統(tǒng)的

8、突出優(yōu)點(diǎn)是利用偏差來糾正偏閉環(huán)控制系統(tǒng)的突出優(yōu)點(diǎn)是利用偏差來糾正偏 差差,使系統(tǒng)達(dá)到較高的控制精度。但與開環(huán)控制系統(tǒng)使系統(tǒng)達(dá)到較高的控制精度。但與開環(huán)控制系統(tǒng) 比較比較,閉環(huán)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜閉環(huán)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,構(gòu)造比較困難。需構(gòu)造比較困難。需 要指出的是要指出的是,由于閉環(huán)控制存在反饋信號(hào)由于閉環(huán)控制存在反饋信號(hào),利用偏差利用偏差 進(jìn)行控制進(jìn)行控制,如果設(shè)計(jì)得不好如果設(shè)計(jì)得不好,將會(huì)使系統(tǒng)無法正常和將會(huì)使系統(tǒng)無法正常和 穩(wěn)定地工作。另外穩(wěn)定地工作。另外,控制系統(tǒng)的精度與系統(tǒng)的穩(wěn)定性控制系統(tǒng)的精度與系統(tǒng)的穩(wěn)定性 之間也常常存在矛盾。之間也常常存在矛盾。 開環(huán)控制和閉環(huán)控制方式各有優(yōu)缺點(diǎn)開環(huán)

9、控制和閉環(huán)控制方式各有優(yōu)缺點(diǎn),在實(shí)際工在實(shí)際工 程中應(yīng)根據(jù)工程要求及具體情況來決定。如果事程中應(yīng)根據(jù)工程要求及具體情況來決定。如果事 先預(yù)知輸入量的變化規(guī)律先預(yù)知輸入量的變化規(guī)律,又不存在外部和內(nèi)部參又不存在外部和內(nèi)部參 數(shù)的變化數(shù)的變化,則采用開環(huán)控制較好。如果對(duì)系統(tǒng)外部則采用開環(huán)控制較好。如果對(duì)系統(tǒng)外部 干擾無法預(yù)測(cè)干擾無法預(yù)測(cè),系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)又經(jīng)常變化系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)又經(jīng)常變化,為保證控為保證控 制精度制精度,采用閉環(huán)控制則更為合適。如果對(duì)系統(tǒng)的采用閉環(huán)控制則更為合適。如果對(duì)系統(tǒng)的 性能要求比較高性能要求比較高,為了解決閉環(huán)控制精度與穩(wěn)定性為了解決閉環(huán)控制精度與穩(wěn)定性 之間的矛盾之間的矛盾,可

10、以采用開環(huán)控制與閉環(huán)控制相結(jié)合可以采用開環(huán)控制與閉環(huán)控制相結(jié)合 的復(fù)合控制系統(tǒng)。的復(fù)合控制系統(tǒng)。 典型閉環(huán)（反饋）控制系統(tǒng)的原理如圖所示典型閉環(huán)（反饋）控制系統(tǒng)的原理如圖所示 (1)被控對(duì)象被控對(duì)象:它是控制系統(tǒng)所控制和操縱的對(duì)象它是控制系統(tǒng)所控制和操縱的對(duì)象, 它接受控制量并輸出被控制量。它接受控制量并輸出被控制量。 (2)控制器控制器:接收變換和放大后的偏差信號(hào)接收變換和放大后的偏差信號(hào),轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)換為 對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行操作的控制信號(hào)。對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行操作的控制信號(hào)。 (3)放大變換環(huán)節(jié)放大變換環(huán)節(jié):將偏差信號(hào)變換為適合控制器將偏差信號(hào)變換為適合控制器 執(zhí)行的信號(hào)。它根據(jù)控制的形式、幅值及功率來

11、執(zhí)行的信號(hào)。它根據(jù)控制的形式、幅值及功率來 放大變換。放大變換。 (4)校正裝置校正裝置:為改善系統(tǒng)動(dòng)態(tài)和靜態(tài)特性而附加為改善系統(tǒng)動(dòng)態(tài)和靜態(tài)特性而附加 的裝置。如果校正裝置串聯(lián)在系統(tǒng)的前向通道中的裝置。如果校正裝置串聯(lián)在系統(tǒng)的前向通道中, 稱為串聯(lián)校正裝置稱為串聯(lián)校正裝置;如果校正裝置接成反饋形式如果校正裝置接成反饋形式, 稱為并聯(lián)校正裝置稱為并聯(lián)校正裝置,又稱局部反饋校正。又稱局部反饋校正。 (5)反饋環(huán)節(jié)反饋環(huán)節(jié):它用來測(cè)量被控量的實(shí)際值它用來測(cè)量被控量的實(shí)際值,并經(jīng)過并經(jīng)過 信號(hào)處理信號(hào)處理,轉(zhuǎn)換為與被控制量有一定函數(shù)關(guān)系轉(zhuǎn)換為與被控制量有一定函數(shù)關(guān)系,且且 與輸入信號(hào)同一物理量的信號(hào)。

12、反饋環(huán)節(jié)一般也與輸入信號(hào)同一物理量的信號(hào)。反饋環(huán)節(jié)一般也 稱為測(cè)量變送環(huán)節(jié)。稱為測(cè)量變送環(huán)節(jié)。 (6)給定環(huán)節(jié)給定環(huán)節(jié):產(chǎn)生輸入控制信號(hào)的裝置。產(chǎn)生輸入控制信號(hào)的裝置。 (1)輸入信號(hào)輸入信號(hào):泛指對(duì)系統(tǒng)的輸出量有直接影響的外界泛指對(duì)系統(tǒng)的輸出量有直接影響的外界 輸入信號(hào)輸入信號(hào),既包括控制信號(hào)又包括擾動(dòng)信號(hào)。其中控既包括控制信號(hào)又包括擾動(dòng)信號(hào)。其中控 制信號(hào)又稱控制量、參考輸入、或給定值。制信號(hào)又稱控制量、參考輸入、或給定值。 (2)輸出信號(hào)輸出信號(hào)(輸出量輸出量):是指反饋控制系統(tǒng)中被控制的是指反饋控制系統(tǒng)中被控制的 物理量物理量,它與輸入信號(hào)之間有一定的函數(shù)關(guān)系。它與輸入信號(hào)之間有一定的

13、函數(shù)關(guān)系。 (3)反饋信號(hào)反饋信號(hào):將系統(tǒng)將系統(tǒng)(或環(huán)節(jié)或環(huán)節(jié))的輸出信號(hào)經(jīng)變換、處的輸出信號(hào)經(jīng)變換、處 理送到系統(tǒng)理送到系統(tǒng)(或環(huán)節(jié)或環(huán)節(jié))的輸入端的信號(hào)的輸入端的信號(hào),稱為反饋信號(hào)。稱為反饋信號(hào)。 若此信號(hào)是從系統(tǒng)輸出端取出送入系統(tǒng)輸入端若此信號(hào)是從系統(tǒng)輸出端取出送入系統(tǒng)輸入端,這種這種 反饋信號(hào)稱主反饋信號(hào)。而其它稱為局部反饋信號(hào)。反饋信號(hào)稱主反饋信號(hào)。而其它稱為局部反饋信號(hào)。 控制系統(tǒng)中常用的名詞術(shù)語控制系統(tǒng)中常用的名詞術(shù)語 ： (4)偏差信號(hào)偏差信號(hào):控制輸入信號(hào)與主反饋信號(hào)之差。控制輸入信號(hào)與主反饋信號(hào)之差。 (5)誤差信號(hào)誤差信號(hào):它指系統(tǒng)輸出量的實(shí)際值與希望值之它指系統(tǒng)輸出量的

14、實(shí)際值與希望值之 差。系統(tǒng)希望值是理想化系統(tǒng)的輸出，實(shí)際上并差。系統(tǒng)希望值是理想化系統(tǒng)的輸出，實(shí)際上并 不存在不存在,它只能用與控制輸入信號(hào)具有一定比例關(guān)它只能用與控制輸入信號(hào)具有一定比例關(guān) 系的信號(hào)來表示。在單位反饋情況下系的信號(hào)來表示。在單位反饋情況下,希望值就是希望值就是 系統(tǒng)的輸入信號(hào)系統(tǒng)的輸入信號(hào),誤差信號(hào)等于偏差信號(hào)。誤差信號(hào)等于偏差信號(hào)。 (6)擾動(dòng)信號(hào)擾動(dòng)信號(hào):除控制信號(hào)以外除控制信號(hào)以外,對(duì)系統(tǒng)的輸出有影對(duì)系統(tǒng)的輸出有影 響的信號(hào)。響的信號(hào)。 1.5.1 按信號(hào)流向劃分 1.開環(huán)控制系統(tǒng)開環(huán)控制系統(tǒng) 信號(hào)流動(dòng)由輸入端到輸出端單向流動(dòng)。信號(hào)流動(dòng)由輸入端到輸出端單向流動(dòng)。 2.閉

15、環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng) 若控制系統(tǒng)中信號(hào)除從輸入端到輸出端外若控制系統(tǒng)中信號(hào)除從輸入端到輸出端外, 還有輸出到輸入的反饋信號(hào)還有輸出到輸入的反饋信號(hào),則構(gòu)成閉環(huán)控制系則構(gòu)成閉環(huán)控制系 統(tǒng)統(tǒng),也稱反饋控制系統(tǒng)也稱反饋控制系統(tǒng), 如如圖圖所示。所示。 1.5.2 按系統(tǒng)輸入信號(hào)劃分 1.恒值調(diào)節(jié)系統(tǒng)恒值調(diào)節(jié)系統(tǒng)(自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)) 這種系統(tǒng)的特征是輸入量為一恒值這種系統(tǒng)的特征是輸入量為一恒值,通常稱為系通常稱為系 統(tǒng)的給定值。控制系統(tǒng)的任務(wù)是盡量排除各種干擾統(tǒng)的給定值?？刂葡到y(tǒng)的任務(wù)是盡量排除各種干擾 因素的影響因素的影響,使輸出量維持在給定值使輸出量維持在給定值(期望值期望值)。如工。如

16、工 業(yè)過程中恒溫、恒壓、恒速等控制系統(tǒng)。業(yè)過程中恒溫、恒壓、恒速等控制系統(tǒng)。 2.隨動(dòng)系統(tǒng)隨動(dòng)系統(tǒng)(跟蹤系統(tǒng)跟蹤系統(tǒng),伺服系統(tǒng)伺服系統(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(hào)的變化。如雷達(dá)天線的自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)跟蹤輸入信號(hào)的變化。如雷達(dá)天線的自動(dòng)跟蹤系統(tǒng) 和高炮自動(dòng)描準(zhǔn)系統(tǒng)就是典型的隨動(dòng)系統(tǒng)。和高炮自動(dòng)描準(zhǔn)系統(tǒng)就是典型的隨動(dòng)系統(tǒng)。 3.程序控制系統(tǒng)程序控制系統(tǒng) 系統(tǒng)的控制輸入信號(hào)不是常值系統(tǒng)的控制輸入信號(hào)不是常值,而是事先確而是事先確 定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律定

17、的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,編成程序裝在輸入裝置中編成程序裝在輸入裝置中,即控制即控制 輸入信號(hào)是事先確定的程序信號(hào)輸入信號(hào)是事先確定的程序信號(hào),控制的目的是控制的目的是 使被控對(duì)象的被控量按照要求的程序動(dòng)作。如使被控對(duì)象的被控量按照要求的程序動(dòng)作。如 數(shù)控車床就屬此類系統(tǒng)。數(shù)控車床就屬此類系統(tǒng)。 1.5.3 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組成系統(tǒng)元器件的特性均為線性的,可用一個(gè)或可用一個(gè)或 一組線性微分方程來描述系統(tǒng)輸入和輸出之間的關(guān)一組線性微分方程來描述系統(tǒng)輸入和輸出之間的關(guān) 系。線性系統(tǒng)的主要特征是具有齊次性和疊加性。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)線性系

18、統(tǒng) 2.非線性系統(tǒng)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)系微分方程描述其輸入和輸出關(guān)系,則稱為非線性系則稱為非線性系 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(duì)于非線性程度不很嚴(yán)重析法。通常對(duì)于非線性程度不很嚴(yán)重,或做近似分或做近似分 析時(shí)析時(shí),均可用線性系統(tǒng)理論和方法來處理。非線性均可用線性系統(tǒng)理論和方法來處理。非線性 系統(tǒng)分析將在第八章專門討論。系統(tǒng)分析將在第八章專門討論。 1.5.4 定常系統(tǒng)和時(shí)變系統(tǒng) 1.定常系統(tǒng)定常系統(tǒng) 如果描述系統(tǒng)特性的微分

19、方程中各項(xiàng)系數(shù)都如果描述系統(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)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)則稱為定常系統(tǒng)。該類系統(tǒng) 只要輸入信號(hào)的形式不變只要輸入信號(hào)的形式不變,在不同時(shí)間輸入下的輸在不同時(shí)間輸入下的輸 出響應(yīng)形式是相同的。出響應(yīng)形式是相同的。 2.時(shí)變系統(tǒng)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)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)。此系統(tǒng)稱為時(shí)變系統(tǒng)。 1.5.5 連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng) 1.連續(xù)系統(tǒng)連續(xù)系統(tǒng) 系統(tǒng)中所有元件的信號(hào)都是隨時(shí)間連續(xù)變化的系統(tǒng)中所有元件的信號(hào)都是隨時(shí)間連續(xù)變化的,信信 號(hào)的大小

20、均是可任意取值的模擬量號(hào)的大小均是可任意取值的模擬量,稱為連續(xù)系統(tǒng)稱為連續(xù)系統(tǒng)。 2.離散系統(tǒng)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(hào)是脈離散系統(tǒng)是指系統(tǒng)中有一處或數(shù)處的信號(hào)是脈 沖序列或數(shù)碼。若系統(tǒng)中采用了采樣開關(guān)沖序列或數(shù)碼。若系統(tǒng)中采用了采樣開關(guān),將連續(xù)將連續(xù) 信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡x散的脈沖形式的信號(hào)信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡x散的脈沖形式的信號(hào),此類系統(tǒng)稱為此類系統(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)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)字控制器或數(shù)字控制器,其離散信號(hào)是以數(shù)碼形式傳遞的其離散信號(hào)是以數(shù)碼形式傳遞的,此此 類系統(tǒng)稱為數(shù)字控制系統(tǒng)。類系統(tǒng)稱為數(shù)字控制系統(tǒng)。 1.5.

21、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)單輸入單輸出系統(tǒng)(單變量系統(tǒng)單變量系統(tǒng)SISOSISO) 系統(tǒng)的輸入量和輸出量各為一個(gè)系統(tǒng)的輸入量和輸出量各為一個(gè),稱為單輸入稱為單輸入 單輸出系統(tǒng)。單輸出系統(tǒng)。 2.多輸入多輸出系統(tǒng)多輸入多輸出系統(tǒng)(多變量系統(tǒng)多變量系統(tǒng)MIMOMIMO) 若系統(tǒng)的輸入量和輸出量多于一個(gè)若系統(tǒng)的輸入量和輸出量多于一個(gè),稱為多輸入稱為多輸入 多輸出系統(tǒng)。對(duì)于線性多輸入多輸出系統(tǒng)多輸出系統(tǒng)。對(duì)于線性多輸入多輸出系統(tǒng),系統(tǒng)的任系統(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。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。 自動(dòng)控制系統(tǒng)是否能很好地工作自動(dòng)

22、控制系統(tǒng)是否能很好地工作,是否能精確地是否能精確地 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(duì)象和控制器及各功能元器件的特性參數(shù)是否設(shè)計(jì)對(duì)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)。得當(dāng)。 在理想情況下在理想情況下,控制系統(tǒng)的輸出量和輸入量控制系統(tǒng)的輸出量和輸入量,在任何時(shí)在任何時(shí) 候均相等候均相等,系統(tǒng)完全無誤差系統(tǒng)完全無誤差,且不受干擾的影響。且不受干擾的影響。實(shí)際系實(shí)際系 統(tǒng)中統(tǒng)中,由于各種各樣原因由于各種各樣原因,系統(tǒng)在受到輸入信號(hào)系統(tǒng)在受到輸入信號(hào)(也包括也包括 擾動(dòng)信號(hào)擾動(dòng)信號(hào))的激勵(lì)時(shí)的激勵(lì)時(shí),被控量將偏離輸入信號(hào)作用前的被

23、控量將偏離輸入信號(hào)作用前的 初始值初始值,經(jīng)歷一段動(dòng)態(tài)過程經(jīng)歷一段動(dòng)態(tài)過程(過渡過程過渡過程),則系統(tǒng)控制性能則系統(tǒng)控制性能 的優(yōu)劣的優(yōu)劣,可以從動(dòng)態(tài)過程中較充分地表現(xiàn)出來?？梢詮膭?dòng)態(tài)過程中較充分地表現(xiàn)出來。 1.6.1 穩(wěn)定性(穩(wěn)) 控制精度是衡量系統(tǒng)技術(shù)性能的重要尺度?？刂凭仁呛饬肯到y(tǒng)技術(shù)性能的重要尺度。 一個(gè)高品質(zhì)的系統(tǒng)一個(gè)高品質(zhì)的系統(tǒng),在整個(gè)運(yùn)行過程中在整個(gè)運(yùn)行過程中,被控量對(duì)被控量對(duì) 給定值的偏差應(yīng)該是最小的。給定值的偏差應(yīng)該是最小的?？紤]動(dòng)態(tài)過程在不考慮動(dòng)態(tài)過程在不 同階段中的特點(diǎn)同階段中的特點(diǎn),工程上通常從工程上通常從穩(wěn)、準(zhǔn)、好三個(gè)方穩(wěn)、準(zhǔn)、好三個(gè)方 面來衡量自動(dòng)控制系統(tǒng)。面來

24、衡量自動(dòng)控制系統(tǒng)。 穩(wěn)定穩(wěn)定工作是所有自動(dòng)控制系統(tǒng)的工作是所有自動(dòng)控制系統(tǒng)的最基本要求最基本要求, 是系統(tǒng)能否工作的前題。不穩(wěn)定的系統(tǒng)根本無法是系統(tǒng)能否工作的前題。不穩(wěn)定的系統(tǒng)根本無法 完成控制任務(wù)?？紤]到實(shí)際系統(tǒng)工作環(huán)境或參數(shù)完成控制任務(wù)?？紤]到實(shí)際系統(tǒng)工作環(huán)境或參數(shù) 的變動(dòng)的變動(dòng),可能導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定可能導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定,因此因此,我們除要求系我們除要求系 統(tǒng)穩(wěn)定外統(tǒng)穩(wěn)定外,還要求其具有一定的還要求其具有一定的穩(wěn)定裕量穩(wěn)定裕量。 1.6.3 動(dòng)態(tài)過程(好) 穩(wěn)態(tài)精度是指系統(tǒng)過渡到新的平衡工作狀態(tài)以后穩(wěn)態(tài)精度是指系統(tǒng)過渡到新的平衡工作狀態(tài)以后, 或系統(tǒng)對(duì)抗干擾重新恢復(fù)平衡后或系統(tǒng)對(duì)抗干擾重新恢復(fù)

25、平衡后,最終保持的精度。最終保持的精度。 穩(wěn)態(tài)精度與控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及參數(shù)穩(wěn)態(tài)精度與控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及參數(shù),輸入信號(hào)形式有輸入信號(hào)形式有 關(guān)關(guān)。 動(dòng)態(tài)過程是指控制系統(tǒng)的被控量在輸入信號(hào)作用動(dòng)態(tài)過程是指控制系統(tǒng)的被控量在輸入信號(hào)作用 下隨時(shí)間變化的全過程下隨時(shí)間變化的全過程,衡量動(dòng)態(tài)過程的品質(zhì)好壞常采衡量動(dòng)態(tài)過程的品質(zhì)好壞常采 用單位階躍信號(hào)作用下過渡過程中的超調(diào)量用單位階躍信號(hào)作用下過渡過程中的超調(diào)量,過渡過程過渡過程 時(shí)間等性能指標(biāo)。時(shí)間等性能指標(biāo)。 前期控制前期控制 古典控制理論古典控制理論( (經(jīng)典控制經(jīng)典控制) ) 自動(dòng)控制理論自動(dòng)控制理論 現(xiàn)代控制理論現(xiàn)代控制理論 古典控制理論古典控制理

26、論: :以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ), ,研究單輸入研究單輸入, , 單輸出一類控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)問題。單輸出一類控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)問題。 現(xiàn)代控制理論：以狀態(tài)空間法為基礎(chǔ)現(xiàn)代控制理論：以狀態(tài)空間法為基礎(chǔ), ,研究多研究多 輸入輸入, ,多輸出，變參數(shù)，非線性，高精度，高多輸出，變參數(shù)，非線性，高精度，高 效能等一類控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)問題效能等一類控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)問題。 l美國(guó)的美國(guó)的H.Hazen 發(fā)表發(fā)表“關(guān)于伺服結(jié)構(gòu)理論關(guān)于伺服結(jié)構(gòu)理論” 并在并在MIT建立伺服結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室。建立伺服結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室。 l貝爾實(shí)驗(yàn)室的貝爾實(shí)驗(yàn)室的Bode 及及 Nyquist提出頻率響應(yīng)提出頻率響應(yīng)

27、 法。法。 l美國(guó)美國(guó)MIT的的Wiener提出濾波理論，發(fā)表控制提出濾波理論，發(fā)表控制 論論標(biāo)志著控制論學(xué)科的誕生。標(biāo)志著控制論學(xué)科的誕生。 l貝爾實(shí)驗(yàn)室貝爾實(shí)驗(yàn)室Bode領(lǐng)導(dǎo)的火炮控制系統(tǒng)發(fā)表領(lǐng)導(dǎo)的火炮控制系統(tǒng)發(fā)表 通信的數(shù)字理論通信的數(shù)字理論奠定信息論的基礎(chǔ)。奠定信息論的基礎(chǔ)。 lEvans提出根軌跡法，開始提出根軌跡法，開始SISO為對(duì)象的為對(duì)象的 經(jīng)典控制研究工作。經(jīng)典控制研究工作。 l多本有關(guān)經(jīng)典控制的名著出現(xiàn)：多本有關(guān)經(jīng)典控制的名著出現(xiàn)： .Smith的的自動(dòng)控制工程自動(dòng)控制工程 ； .錢學(xué)森的錢學(xué)森的工程控制論工程控制論. 本課程的主要內(nèi)容是闡述構(gòu)成、分析和設(shè)計(jì)自本課程的主要內(nèi)

28、容是闡述構(gòu)成、分析和設(shè)計(jì)自 動(dòng)控制系統(tǒng)的基本理論。對(duì)實(shí)際系統(tǒng)動(dòng)控制系統(tǒng)的基本理論。對(duì)實(shí)際系統(tǒng),建立研究問題建立研究問題 的數(shù)學(xué)模型的數(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、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(dòng)控制系統(tǒng)的基本理論和方法。分析、綜合自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本理論和方法。 作為研究自動(dòng)控制系統(tǒng)的分析與綜合的方法來作為研究自動(dòng)控制系統(tǒng)的分析與綜合的方法來 說說,對(duì)單輸入單輸出系統(tǒng)常采用的是時(shí)域法對(duì)單輸入單輸出系統(tǒng)常采用的是時(shí)域法,頻域法頻域法, 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)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)。 1.9.1 造紙機(jī)分部傳動(dòng)控制系統(tǒng) 如圖所示

29、。含有大量水分的紙張經(jīng)過第一壓榨如圖所示。含有大量水分的紙張經(jīng)過第一壓榨 棍后，去掉了一部分含水量，然后再進(jìn)入第二壓榨棍后，去掉了一部分含水量，然后再進(jìn)入第二壓榨 棍，再榨去一部分水分。第一和第二壓榨棍分別由棍，再榨去一部分水分。第一和第二壓榨棍分別由 各自的電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，顯然兩個(gè)壓榨棍的轉(zhuǎn)速必須協(xié)各自的電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，顯然兩個(gè)壓榨棍的轉(zhuǎn)速必須協(xié) 調(diào)，否則將會(huì)拉斷紙頁或出現(xiàn)疊堆。調(diào)，否則將會(huì)拉斷紙頁或出現(xiàn)疊堆。 自動(dòng)控制系統(tǒng)中壓榨棍拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)中壓榨棍拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)M的轉(zhuǎn)速由的轉(zhuǎn)速由 測(cè)速發(fā)電機(jī)測(cè)速發(fā)電機(jī)TG檢測(cè)出來，并轉(zhuǎn)換為速度反饋電壓檢測(cè)出來，并轉(zhuǎn)換為速度反饋電壓Uf。 參考電壓參考電壓U

30、r，與反饋電壓與反饋電壓Uf相比較得偏差電壓相比較得偏差電壓Ur- Uf，經(jīng)過放大去控制拖動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，達(dá)到兩個(gè)壓經(jīng)過放大去控制拖動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，達(dá)到兩個(gè)壓 榨棍的轉(zhuǎn)速協(xié)調(diào)。榨棍的轉(zhuǎn)速協(xié)調(diào)。 1.9.2 谷物濕度控制系統(tǒng) 如圖所示。我們知道谷物含水量直接影響面粉產(chǎn)如圖所示。我們知道谷物含水量直接影響面粉產(chǎn) 量，谷物在混合成磨料前要先濕潤(rùn)，存在一個(gè)谷物量，谷物在混合成磨料前要先濕潤(rùn)，存在一個(gè)谷物 出粉最多的濕度，谷物濕度可通過加水來調(diào)整。實(shí)出粉最多的濕度，谷物濕度可通過加水來調(diào)整。實(shí) 際中輸入谷物的水分，谷物流量和水壓均是變化不際中輸入谷物的水分，谷物流量和水壓均是變化不 定的，為努力消除擾動(dòng)的影響，可在上部加一水箱定的，為努力消除擾動(dòng)的影響，可在上部加一水箱 以保證供水壓力不變，可以加一個(gè)送料漏斗以維持以保證供水壓力不變，可以加一個(gè)送料漏斗以維